Tests and interpretation of mixed mode I and II fully plastic fracture from simulated weld defects

Abstract

Most fracture tests use symmetric specimens, with the crack advancing into the relatively undamaged region between two plastic shear zones. A crack near a weld or shoulder, loaded into the plastic range, may have only a single shear band, along which the crack grows into prestrained and damaged material with less ductility than the usual symmetrical configurations. Tests on six alloys show that the crack growth ductility, defined as the minimum displacement per unit ligament reduction, is less in the asymmetric case than in the symmetric one by a factor of 3 for low-hardening alloys (with strain hardening exponents n ≃ 0.1). This means that with lowhardening (typically high strength) alloys, the surrounding structure must be 3 times stiffer for fracture-stable design. For higher hardening alloys (n ≃ 0.23) the crack growth ductility is less in the asymmetric case by a factor of at most 1.2. The crack initiation ductility (here approximately the crack tip displacement CTD) is relatively unaffected by asymmetry, but it cannot always be relied on for ductility (e.g., in low cycle fatigue). Therefore tests such as these on crack growth ductility are needed for help in design and maintenance of structures

Triaxiality on one side of the asymmetric shear crack diverts it from 45 deg to 38–41 deg (from the transverse direction), the smaller diversion with less strain hardening. In addition, the far field displacement vector is 51 to 63 deg from transverse, more with high hardening, suggesting a mode I component even where the non-hardening slip line field predicts a pure shear displacement.

Résumé

La plupart des essais de rupture recourent à des éprouvette symétriques, où la fissure progresse dans une région relativement peu endommagée comprise entre deux zones déformées plastiquement par cisaillement. Cependant, une fissure au voisinage d'une soudure ou d'un épaulement, sollicitée dans le domaine plastique, peut ne comporter qu'une bande de glissement par cisaillement, le long de laquelle elle progresse, dans un matériau écroui et endommagé et comportant de ce fait une ductilité moindre que le matériau présent dans les configurations classiques.

Des essais sur six alliages ont montré que la ductilité par rapport à la croissance de la fissure, définie comme le déplacement minimum pour une réduction unitaire du ligament, est réduite d'un facteur 3 pour les alliages peu sensibles à l'écrouissage (n=0.1) dans le cas assymétrique par rapport au cas symétrique. Cela signifie que des alliages à faible durcissement par écrouissage, par exemple les alliages à haute résistance, doivent présenter une structure environnante trois fois plus raide pour permettre une conception selon fissuration stable. Pour les alliages à sensibilité plus grande à l'écrouissage (n ≃ 0.23), la ductilité vis-à-vis de l'amorçage d'une fissure-à savoir ici le déplacement à la pointe de la fissure-est relativement peu affectée par l'asymétrie; cependant on ne peut pas toujours s'y fier pour exprimer la ductilité (p.ex. en fatigue olygocyclique). Dès lors, de tels essais de ductilité à la croissance d'une fissure sont utiles pour la conception et la surveillance des constructions.

Du fait de la triaxialité agissant sur un côté d'une fissure de cisaillement asymétrique, l'angle de cisaillement par rapport à la direction transversale se réduit de 45° à 38–41°, la plus petite divergence correspondant au plus faible écrouissage. En outre, le vecteur de déplacement du champ éloigné est incliné de 51° à 60° sur la direction transversale, d'autant plusque l'écrouissage est élevé, ce qui suggère qu'une composante de mode I prend place, même lorsque le champ de bandes de glissement sans durcissement laisse prévoir un cisaillement pur.