Predicting stress corrosion crack growth rates when linear elastic fracture mechanics conditions are not operative

Abstract

The growth rate of a stress corrosion crack in situations where linear elastic fracture mechanics (LEFM) conditions are not operative is predicted on the basis that the crack tip opening angle (CTOA) is related to the growth rate dc/dt, the functional relation between the CTOA and dc/dt being obtained by coupling theoretical results for crack growth under small-scale yielding conditions in an inert environment, with the experimentally determined power law relation between the crack tip stress intensity K and dc/dt for environmentally-assisted crack growth under LEFM conditions. Then, by assuming that the same CTOA-dc/dt relation applies to non-LEFM conditions, and by determining the CTOA under these conditions, it is in principle possible to predict the stress corrosion crack growth rate under non-LEFM conditions. A specific model: the plane strain deformation of a solid with two symmetrically situated deep cracks, and with tension of the small remaining ligament, is analyzed in detail, and the effects of the extent of plastic deformation and loading pattern (i.e., displacement or load control), on the predicted stress corrosion crack growth rate, are examined in detail. The results are compared with those obtained via application of the K versus dc/dt relation, its conversion to a J versus dc/dt correlation and then the determination of J, and also with those obtained on the assumption that a K approach is derectly applicable. The extent to which these latter approaches give conservative or non-conservative growth rate predictions when compared with the present paper's predictions, is discussed in relation to the extent of plastic deformation and loading pattern.

Résumé

On peut prédire la vitesse de croissance dc/dt d'une fissure de corrosion sous tension dans les cas où la théorie linéaire et élastique (LEFM) n'est pas applicable en se basant sur la relation que présente dc/dt avec l'angle d'ouverture de l'extrémité de la fissure (CTOA). Cette relation est obtenue en couplant des résultats théoriques de croissance de fissure sous des conditions d'écoulement plastique à petite échelle dans un environnement inerte, avec la relation parabolique expérimentale liant l'intensité de contrainte K à l'extrémité de la fissure et dc/dt obtenu sous des conditions de mécanique de rupture linéaire dans un environnement actif.

En supposant que la même relation CTOA-dc/dt est applicable aux conditions où la LEFM n'est pas valide, et en déterminant le CTOA sous ces conditions, il est en principe possible de prédire la vitesse de croissance d'une fissure en corrosion sous tension. On analyse en détail un modèle spécifique: celui de l'état plan de déformation d'un solide possédant deux fissures profondes symétriques, soumis à tension sur le ligament restant. On examine également dans le détail les effets de l'étendue de la déformation plastique et du mode de mise en charge (p.ex contrôle des déplacements ou des charges) sur les prévisions de vitesse de croissance de la fissure de corrosion sous tension.

Les résultats sont comparés avec ceux que fournit l'application de la relation K-dc/dt, de sa conversion en une correlation J-dc/dt conduisant à la détermination de J, ainsi qu'avec les résultats obtenus en supposant qu'une approche par K est directement applicable.

La mesure dans laquelle ces dernières approches produisent des prédictions de vitesse de fissuration conservatives ou non est discutée en relation avec l'étendue de la déformation plastique et le mode de mise en charge.