Crack opening displacement and the rate of fatigue crack growth

Abstract

Using a direct proportionality between the rate of fatigue crack growth and crack opening displacement above a threshold, it is shown that fatigue crack growth data for a wide variety of different materials can be accurately described in terms of the mechanical properties and two material constants; the constant of proportionality A and the threshold stress intensity factorK _th. Some 65 sets of data for tests atR ≅ 0 were analysed by computer and it is shown that the approach is valid to growth rates up to about 10⁻⁴ in./cycle, i.e. until the onset of crack propagation by dimple formation. It is found thatA can be related to the yield strain for crack growth in non-aggressive environments, and is increased by increasingly severe environments, whileK _th is decreased. These changes provide a measure of the severity of the environment. Crack growth rate in non-aggressive environments is shown to be independent of the yield stress and proportional to the strain intensity factor above the threshold. The tabulation ofA andK _th values as a function of material, environment and loading conditions provides a systematic engineering approach to estimating rates of fatigue crack growth and in determining the residual lifetimes of flawed structures.

Résumé

En recourant à une proportionlialité directe entre la vitesse de propagation des fissures de fatigue et le COD d'une valeur supérieure à un certain seuil, on démontre que les données de vitesse de propagation des fissures de fatigue relatives à des matériaux différents peuvent être exprimées de manière satisfaisante en fonction des propriétés mécaniques de ces matériaux et de deux constantes: une constante de proportionnalitéA et can facteur d'intensité de contraintesK _th correspondant à un seuil critique.

L'analyse numérique de quelques 65 séries de données d'essais de fatigue àR≅0 a permis de montrer que cette approche est applicable à des vitesses de propagation allant jusqu'à 10⁻⁴ pouces/cycle environ, c'est-à-dire une gamme de vitesses où la propagation de fissures est associée à la formation de cupules.

On trouve que la constanteA pent être mise en relation avec la limite élastique dans le cas où la propagation s'effectue en milieu non agressif, et que cette constante s'accroit avec l'agressivité du milieu tandis que décroît la constanteK _th. Ces modifications permettent d'apprécier la sévérité dun milieu ambiant.

Dans un milieu non agressif, on montre que la vitesse de propagation est indépendante de la limite élastique, et qu'elle est proportionnelle au facteur d'intensité des contraintes excédant le seuil critique.

En présentant les valeurs deA et deK _th sous la forme de tables en fonction du matériau du milieu ambiant et des conditions de sollicitation, on dispose d'une approche pratique et systématique permettant d'estimer les vitesses de propagation des fissures de fatigue et de déterminer l'endurance résiduelle d'éléments de construction fissurés.

Zusammenfassung

Unter Zuhilfenahme einer direkten Proportionalität zwischen der Rißfortpflanzungsgeschwindigkeit von Ermudungsrissen und dem COD oberhalb eines gewissen Grenzwertes, konnte gezeigt werden, daß die Fortpflanzungsgeschwindigkeit von Ermüdungsrissen in verschiedenen Werkstoffen befriedigenderweise in Abhängigkeit von den mechanischen Eigenschaften der gegebenen Werkstoffe und von zwei Konstanten ausgedrückt werden kann. Diese beiden Konstanten sind ein ProportionalitätsfaktorA und ein SpannungsintensitatsfaktorK _th welcher einem kritischen Grenzwert entspricht.

Die numerische Auswertung der Ergebnisse von rund 65 Versuchsreihen beiR≅0 ermöglichte es zu zeigen daß these Annäherung für Fortpflanzungsgeschwindigkeiten bis zu rund 10⁻⁴ Zoll pro Lastspiel anwendbar ist, d.h. für einen Geschwindigkeitsbereich in dem die Rißfortpflanzung mit der Bildung von Schuppen gekoppelt ist.

Außerdem fand man, daß im Falle wo die Fortpflanzungsgeschwindkeit in einer nich agressiven Umwelt stattfindet, die KonstanteA mit der Elastizitätsgrenze in Zusammenhang gebracht werden kann und, daß diese Konstante mit der Aggresivität der Umgebung ansteigt, während der Wert der KonstantenK _th abfällt. Diese Veränderungen ermöglichen es die Aggressivität der Umwelt abzuschätzen.

Es wird weiter gezeigt, daß in einer nicht aggressiven Umwelt die Fortpflanzungsgeschwindigkeit von der Elastizitätsgrenze unabhängig und dem Intensitätsfaktor der über der kritischen Grenze liegenden Spannungen proportional ist.

Durch das Aufstellen von Tabellen der Werte von A und K_th in Abhängigkeit vom Werkstoff, der Umwelt und der Beanspruchungsbedingungen, verfügt man über ein praktisches und systematisches Hilfsmittel zur Abschätzung der Fortpflanzungsgeschwindigkeiten von Ermüdungsrissen und der noch verbleibende Lebensdauer von gerissenen Bauelementen.