Fracture toughness determination of adhesive and co-cured joints in natural fibre composites

Adhesive bonding has become more efficient in the last few decades due to the adhesives developments, granting higher strength and ductility. On the other hand, natural fibre composites have recently gained interest due to the low cost and density. It is therefore essential to predict the fracture behavior of joints between these materials, to assess the feasibility of joining or repairing with adhesives. In this work, the tensile fracture toughness (Gc n) of adhesive joints between natural fibre composites is studied, by bonding with a ductile adhesive and co-curing. Conventional methods to obtain Gc n are used for the co-cured specimens, while for the adhesive within the bonded joint, the J-integral is considered. For the J-integral calculation, an optical measurement method is developed for the evaluation of the crack tip opening and adherends rotation at the crack tip during the test, supported by a Matlab sub-routine for the automated extraction of these quantities. As output of this work, an optical method that allows an easier and quicker extraction of the parameters to obtain Gc n than the available methods is proposed (by the J-integral technique), and the fracture behaviour in tension of bonded and co-cured joints in jute-reinforced natural fibre composites is also provided for the subsequent strength prediction. Additionally, for the adhesively- bonded joints, the tensile cohesive law of the adhesive is derived by the direct method.

Adherend thickness effect on the tensile fracture toughness of a structural adhesive using an optical data acquisition method

Adhesive bonding is nowadays a serious candidate to replace methods such as fastening or riveting, because of attractive mechanical properties. As a result, adhesives are being increasingly used in industries such as the automotive, aerospace and construction. Thus, it is highly important to predict the strength of bonded joints to assess the feasibility of joining during the fabrication process of components (e.g. due to complex geometries) or for repairing purposes. This work studies the tensile behaviour of adhesive joints between aluminium adherends considering different values of adherend thickness (h) and the double-cantilever beam (DCB) test. The experimental work consists of the definition of the tensile fracture toughness (GIC) for the different joint configurations. A conventional fracture characterization method was used, together with a J-integral approach, that take into account the plasticity effects occurring in the adhesive layer. An optical measurement method is used for the evaluation of crack tip opening and adherends rotation at the crack tip during the test, supported by a Matlab® sub-routine for the automated extraction of these quantities. As output of this work, a comparative evaluation between bonded systems with different values of adherend thickness is carried out and complete fracture data is provided in tension for the subsequent strength prediction of joints with identical conditions.

Estudio numérico y experimental del efecto de tamaño en modo mixto de los paneles de yeso laminado y lana de roca

Los paneles sándwich de yeso laminado y lana de roca presentan una abundante patología de fisuración debida a flechas excesivas de forjados. Existe, por tanto, la necesidad de avanzar en la simulación y predicción de comportamiento bajo solicitaciones de tracción y cortante de ese tipo de paneles, a pesar de que en las aplicaciones habituales no tienen responsabilidad estructural. El comportamiento de este material puede ser considerado cuasi-frágil, y en base a ello en este trabajo ha sido estudiado haciendo uso de modelos de fisura cohesiva, cuya aplicación a otros materiales cuasifrágiles, como el hormigón, ha aportado resultados muy satisfactorios. En esta comunicación se presenta el trabajo realizado para estudiar el efecto del tamaño del elemento de yeso laminado y lana de roca en su comportamiento mecánico-resistente. Para ello se diseñó una campaña de ensayos en modo mixto sobre probetas de diferente tamaño. Se han realizado ensayos de flexión en tres puntos en modo mixto de unas probetas entalladas, geométricamente similares y de diferente tamaño, obteniéndose las curvas carga-desplazamiento y cargaabertura de la boca de la entalla. Para simular numéricamente el comportamiento en fractura del panel en modo mixto se ha utilizado un modelo de elementos finitos con fisura embebida basado en la fisura cohesiva en el que se introducen como entrada los parámetros obtenidos a partir de la experimentación de trabajos anteriores, obteniéndose un buen ajuste. En función de estos resultados se analiza el efecto del tamaño en los paneles. Sandwich panels of laminated gypsum and rockwool have an abundant pathology of cracking due to excessive slabs deflection. Therefore, it is necessary to progress in the simulation and prediction of behaviour under tensile and shear load of such panels, although in typical applications have no structural responsability. The behaviour of this material may be considered quasi-brittle and, based on this idea, in this work has been studied using a cohesive crack model that has been applied to other quasi-brittle materials, such as concrete, and has provided very satisfactory results. This communication presents the work carried out to study the size effect of the specimen of plasterboard and rockwool in its mechanical and resistant behaviour. The authors designed an experimental campaign under mixed mode composed by testing specimens of different sizes. Assymetrical three-point bending tests have been performed on notched specimens, geometrically similar and of different size, to obtain load-displacement and load-crack moutn opening displacement curves. To numerically simulate the mixed-mode fracture behaviour of the panels we have used a finite element model with embedded crack, based on the cohesive crack model, using as input the experimental parameters obtained in previous work, obtaining a good adjustment. Based on these results we analyze the size effect of the panels

Estudio numérico y experimental del efecto de tamaño en modo mixto de los paneles de yeso laminado y lana de roca

Los paneles sándwich de yeso laminado y lana de roca presentan una abundante patología de fisuración debida a flechas excesivas de forjados. Existe, por tanto, la necesidad de avanzar en la simulación y predicción de comportamiento bajo solicitaciones de tracción y cortante de ese tipo de paneles, a pesar de que en las aplicaciones habituales no tienen responsabilidad estructural. El comportamiento de este material puede ser considerado cuasi-frágil, y en base a ello en este trabajo ha sido estudiado haciendo uso de modelos de fisura cohesiva, cuya aplicación a otros materiales cuasifrágiles, como el hormigón, ha aportado resultados muy satisfactorios. En esta comunicación se presenta el trabajo realizado para estudiar el efecto del tamaño del elemento de yeso laminado y lana de roca en su comportamiento mecánico-resistente. Para ello se diseñó una campaña de ensayos en modo mixto sobre probetas de diferente tamaño. Se han realizado ensayos de flexión en tres puntos en modo mixto de unas probetas entalladas, geométricamente similares y de diferente tamaño, obteniéndose las curvas carga-desplazamiento y cargaabertura de la boca de la entalla. Para simular numéricamente el comportamiento en fractura del panel en modo mixto se ha utilizado un modelo de elementos finitos con fisura embebida basado en la fisura cohesiva en el que se introducen como entrada los parámetros obtenidos a partir de la experimentación de trabajos anteriores, obteniéndose un buen ajuste. En función de estos resultados se analiza el efecto del tamaño en los paneles. Sandwich panels of laminated gypsum and rockwool have an abundant pathology of cracking due to excessive slabs deflection. Therefore, it is necessary to progress in the simulation and prediction of behaviour under tensile and shear load of such panels, although in typical applications have no structural responsability. The behaviour of this material may be considered quasi-brittle and, based on this idea, in this work has been studied using a cohesive crack model that has been applied to other quasi-brittle materials, such as concrete, and has provided very satisfactory results. This communication presents the work carried out to study the size effect of the specimen of plasterboard and rockwool in its mechanical and resistant behaviour. The authors designed an experimental campaign under mixed mode composed by testing specimens of different sizes. Assymetrical three-point bending tests have been performed on notched specimens, geometrically similar and of different size, to obtain load-displacement and load-crack moutn opening displacement curves. To numerically simulate the mixed-mode fracture behaviour of the panels we have used a finite element model with embedded crack, based on the cohesive crack model, using as input the experimental parameters obtained in previous work, obtaining a good adjustment. Based on these results we analyze the size effect of the panels.

Evaluación de tenacidad a la fractura e integridad estructural de tubos de generadores de vapor nucleares.

Dado el impacto negativo asociado a la ocurrencia de fallas en tubos de generadores de vapor (TGVs) en centrales nucleares, el estudio de la integridad estructural de éstos ha comenzado a recibir mayor atención recientemente. Diversas metodologías basadas en análisis de carga límite han sido propuestas para asegurar la integridad estructural de los tubos, según los requerimientos establecidos por las autoridades regulatorias. Éstas han conducido, sin embargo, a la definición de criterios de reparación o taponado de TGVs excesivamente conservativos. Por lo tanto, con el objetivo de reducir la cantidad de tubos innecesariamente removidos de servicio, nuevos criterios de evaluación de integridad han sido propuestos recientemente en la literatura. En este contexto, la mecánica de fractura elastoplástica se presenta como una alternativa para la evaluación de la integridad de TGVs, requiriéndose dos elementos para su aplicación: la estimación de la fuerza impulsora en términos del parámetro elastoplástico (por ejemplo, la integral J) y la medición experimental de la tenacidad a la fractura del material de los tubos (por ejemplo, a través de la curva de resistencia J-R). Este trabajo presenta el desarrollo de técnicas experimentales no normalizadas para la determinación de curvas J-R para TGVs con fisuras pasantes circunferenciales y longitudinales. Debido a las dimensiones reducidas de los TGVs, diferentes probetas no normalizadas fueron propuestas. Además, en los ensayos se utilizaron condiciones de carga de tracción y flexión con el objetivo de modelar más adecuadamente los estados tensionales y las condiciones de constraint reales en TGVs. Los valores de la integral J fueron estimados utilizando el método del factor η. La aptitud del método fue evaluada a partir de simulaciones numéricas de los ensayos propuestos mediante análisis elastoplásticos con la técnica de elementos finitos. Se encontró que condiciones de mayor constraint asociadas con fisuras profundas y cargas de flexión favorecen la validez del método del factor η, mientras que configuraciones de menor constraint dan como resultado factores η que exhiben una mayor dependencia con el nivel de carga aplicada. También se observó que los factores η basados en la apertura de la boca de la fisura (Crack Mouth Opening Displacement o CMOD) presentan una dependencia mucho menor con el nivel de carga respecto a los factores η definidos a partir del desplazamiento del punto de aplicación de la carga (Load Line Displacement o LLD). Se presentan los valores del factor η para las probetas estudiadas con fisuras profundas (a/W ≥ 0,40). Se realizaron ensayos de fractura a temperatura ambiente y 300 °C con probetas obtenidas de TGVs nucleares fabricados a partir de las aleaciones 690 (Ni: 61; Cr: 29; Fe: 8,95, % en peso) y 800 (Ni: 33; Cr: 21,6; Fe: 42,2, % en peso). Durante los ensayos de fractura a temperatura ambiente, la extensión estable de fisura fue medida mediante una técnica óptica utilizando un microscopio digital. Para estos ensayos también se aplicó el método de normalización que propone la norma ASTM E1820-15 en el Anexo 15, encontrándose una buena coincidencia entre las longitudes estimadas por éste y las medidas ópticamente. De esta manera, el método de normalización fue utilizado para los ensayos a alta temperatura. Los resultados experimentales mostraron que ambos materiales tienen elevadas tenacidades a la fractura, siendo la aleación 800 la que presentó curvas J-R más elevadas que la aleación 690 tanto para fisuras circunferenciales como longitudinales. Las curvas J-R para ambas aleaciones mostraron un efecto marcado con la orientación de la fisura, es decir que existe una importante anisotropía en las propiedades de fractura: las fisuras circunferenciales presentaron curvas J-R más elevadas que las fisuras longitudinales. El nivel de constraint desarrollado en los ensayos, dado por las condiciones de carga de tracción y flexión, evidenció poco efecto sobre las curvas J-R para probetas con fisuras profundas (a/W ~ 0,50). A su vez, la temperatura de ensayo (temperatura ambiente y 300 °C) presentó un efecto prácticamente nulo para ambas aleaciones. Usando las propiedades de fractura obtenidas en este trabajo, la metodología FAD (Failure Assessment Diagram) fue propuesta y utilizada para la predicción de las condiciones de falla de TGVs fisurados para diferentes geometrías de fisura y condiciones de carga. La comparación entre análisis teóricos y datos experimentales muestra la potencialidad del FAD como una metodología capaz de predecir adecuadamente las fallas de estos componentes.

Evaluación de tenacidad a la fractura e integridad estructural de tubos de generadores de vapor nucleares.

Dado el impacto negativo asociado a la ocurrencia de fallas en tubos de generadores de vapor (TGVs) en centrales nucleares, el estudio de la integridad estructural de éstos ha comenzado a recibir mayor atención recientemente. Diversas metodologías basadas en análisis de carga límite han sido propuestas para asegurar la integridad estructural de los tubos, según los requerimientos establecidos por las autoridades regulatorias. Éstas han conducido, sin embargo, a la definición de criterios de reparación o taponado de TGVs excesivamente conservativos. Por lo tanto, con el objetivo de reducir la cantidad de tubos innecesariamente removidos de servicio, nuevos criterios de evaluación de integridad han sido propuestos recientemente en la literatura. En este contexto, la mecánica de fractura elastoplástica se presenta como una alternativa para la evaluación de la integridad de TGVs, requiriéndose dos elementos para su aplicación: la estimación de la fuerza impulsora en términos del parámetro elastoplástico (por ejemplo, la integral J) y la medición experimental de la tenacidad a la fractura del material de los tubos (por ejemplo, a través de la curva de resistencia J-R). Este trabajo presenta el desarrollo de técnicas experimentales no normalizadas para la determinación de curvas J-R para TGVs con fisuras pasantes circunferenciales y longitudinales. Debido a las dimensiones reducidas de los TGVs, diferentes probetas no normalizadas fueron propuestas. Además, en los ensayos se utilizaron condiciones de carga de tracción y flexión con el objetivo de modelar más adecuadamente los estados tensionales y las condiciones de constraint reales en TGVs. Los valores de la integral J fueron estimados utilizando el método del factor η. La aptitud del método fue evaluada a partir de simulaciones numéricas de los ensayos propuestos mediante análisis elastoplásticos con la técnica de elementos finitos. Se encontró que condiciones de mayor constraint asociadas con fisuras profundas y cargas de flexión favorecen la validez del método del factor η, mientras que configuraciones de menor constraint dan como resultado factores η que exhiben una mayor dependencia con el nivel de carga aplicada. También se observó que los factores η basados en la apertura de la boca de la fisura (Crack Mouth Opening Displacement o CMOD) presentan una dependencia mucho menor con el nivel de carga respecto a los factores η definidos a partir del desplazamiento del punto de aplicación de la carga (Load Line Displacement o LLD). Se presentan los valores del factor η para las probetas estudiadas con fisuras profundas (a/W ≥ 0,40). Se realizaron ensayos de fractura a temperatura ambiente y 300 °C con probetas obtenidas de TGVs nucleares fabricados a partir de las aleaciones 690 (Ni: 61; Cr: 29; Fe: 8,95, % en peso) y 800 (Ni: 33; Cr: 21,6; Fe: 42,2, % en peso). Durante los ensayos de fractura a temperatura ambiente, la extensión estable de fisura fue medida mediante una técnica óptica utilizando un microscopio digital. Para estos ensayos también se aplicó el método de normalización que propone la norma ASTM E1820-15 en el Anexo 15, encontrándose una buena coincidencia entre las longitudes estimadas por éste y las medidas ópticamente. De esta manera, el método de normalización fue utilizado para los ensayos a alta temperatura. Los resultados experimentales mostraron que ambos materiales tienen elevadas tenacidades a la fractura, siendo la aleación 800 la que presentó curvas J-R más elevadas que la aleación 690 tanto para fisuras circunferenciales como longitudinales. Las curvas J-R para ambas aleaciones mostraron un efecto marcado con la orientación de la fisura, es decir que existe una importante anisotropía en las propiedades de fractura: las fisuras circunferenciales presentaron curvas J-R más elevadas que las fisuras longitudinales. El nivel de constraint desarrollado en los ensayos, dado por las condiciones de carga de tracción y flexión, evidenció poco efecto sobre las curvas J-R para probetas con fisuras profundas (a/W ~ 0,50). A su vez, la temperatura de ensayo (temperatura ambiente y 300 °C) presentó un efecto prácticamente nulo para ambas aleaciones. Usando las propiedades de fractura obtenidas en este trabajo, la metodología FAD (Failure Assessment Diagram) fue propuesta y utilizada para la predicción de las condiciones de falla de TGVs fisurados para diferentes geometrías de fisura y condiciones de carga. La comparación entre análisis teóricos y datos experimentales muestra la potencialidad del FAD como una metodología capaz de predecir adecuadamente las fallas de estos componentes.

Automated estimation of fatigue crack length and closure/opening stress

An experimental technique is proposed for the estimation of crack length as well as crack closure/opening stress during fatigue crack growth. A specially designed, single cantilever, crack opening displacement gauge is used to monitor these variables during fatigue crack propagation testing. The technique was experimentally validated through electronfractography.

Re-examination of crack opening model of interface fracture

The complex singularity associated with a crack at the interface between two dissimilar, isotropic and homogeneous materials leads to mathematical artefacts, such as stress oscillations and crack face interpenetrations in the vicinity of the crack tip. To avoid these unrealistic features, Sinclair (Sinclair GB. On the stress singularity at an interface crack. International Journal of Fracture 1980;16(2):111-9) assumed a finite crack opening angle (COA) such that the singularity lambda became real equal to 1/2. This paper extends the COA model by considering real singularities not necessarily equal to 1/2. When COA is 0 degrees: the interface crack singularity is complex with a real part equal to 1/2. On increasing COA, the imaginary part of the singularity decreases and becomes zero at a threshold value of COA; at this point, the singularity is a real, repeated value. A further increase in COA results in a pair of real singularities. Different crack opening configurations and material combinations are studied, and results presented for threshold COAs and associated values of singularity. Stress analyses for these three regimes: (a) complex, (b) real pair and (c) real repeated singularities, are reported. It is seen that additional complexities are present in the last case. Typical results for stress fields are also included for comparing with standard fields. (C) 1999 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

The scattering of general SH plane wave by interface crack between two dissimilar viscoelastic bodies

The scattering of general SH plane wave by an interface crack between two dissimilar viscoelastic bodies is studied and the dynamic stress,intensity factor at the crack-tip is computed. The scattering problem can be decomposed into two problems: one is the reflection and refraction problem of general SH plane waves at perfect interface (with no crack); another is the scattering problem due to the existence of crack. For the first problem, the viscoelastic wave equation, displacement and stress continuity conditions across the interface are used to obtain the shear stress distribution at the interface. For the second problem, the integral transformation method is used to reduce the scattering problem into dual integral equations. Then, the dual integral equations are transformed into the Cauchy singular integral equation of first kind by introduction of the crack dislocation density function. Finally, the singular integral equation is solved by Kurtz's piecewise continuous function method. As a consequence, the crack opening displacement and dynamic stress intensity factor are obtained. At the end of the paper, a numerical example is given. The effects of incident angle, incident frequency and viscoelastic material parameters are analyzed. It is found that there is a frequency region for viscoelastic material within which the viscoelastic effects cannot be ignored.

Crack propagation in the power-law nonlinear viscoelastic material

An analysis on crack creep propagation problem of power-law nonlinear viscoelastic materials is presented. The creep incompressilility assumption is used. To simulate fracture behavior of craze region, it is assumed that in the fracture process zone near the crack tip, the cohesive stress sigma(f) acts upon the crack surfaces and resists crack opening. Through a perturbation method, i. e., by superposing the Mode-I applied force onto a referential uniform stress state, which has a trivial solution and gives no effect on the solution of the original problem, the nonlinear viscoelastic problem is reduced to linear problem. For weak nonlinear materials, for which the power-law index n similar or equal to 1, the expressions of stress and crack surface displacement are derived. Then, the fracture process zone local energy criterion is proposed and based on which the formulas of cracking incubation time t

Fatigue-crack closure measurements on 2024-t3 sheet specimens

A computer-controlled procedure has been developed for automatic measurement of the crack opening stress S-op during fatigue tests. A crack opening displacement gauge (GOD meter) is used to obtain digital data on the load versus COD curves. Three methods for deriving S-op from the data sets are compared: (1) a slope method, (2) a tangent lines intersecting method, and (3) a tangent point method. The effect of the position of the COD meter with respect to the crack tip on S-op is studied in tests of 2024-T3 specimens. Results of crack growth and S-op are presented for CA loading with an overload, and with an overload followed by an underload.

A discrete dislocation analysis of fatigue crack growth

Cyclic loading of a plane strain mode I crack under small scale yielding is analyzed using discrete dislocation dynamics. The dislocations are all of edge character, and are modeled as line singularities in an elastic solid. At each stage of loading, superposition is used to represent the solution in terms of solutions for edge dislocations in a half-space and a non-singular complementary solution that enforces the boundary conditions, which is obtained from a linear elastic, finite element solution. The lattice resistance to dislocation motion, dislocation nucleation, dislocation interaction with obstacles and dislocation annihilation are incorporated into the formulation through a set of constitutive rules. An irreversible relation between the opening traction and the displacement jump across a cohesive surface ahead of the initial crack tip is also specified, which permits crack growth to emerge naturally. It is found that crack growth can occur under cyclic loading conditions even when the peak stress intensity factor is smaller than the stress intensity required for crack growth under monotonic loading conditions; however below a certain threshold value of ΔKI no crack growth was seen.

Plastic zone in front of mode I crack in phenolphthalein polyether ketone

The plastic zone size and crack opening displacement of phenolphthalein polyether ketone (PEK-C) at various conditions were investigated. Both of them increase with increasing temperature (decreasing strain rate), i.e. yield stress steadily falls. Thus, the mechanism increasing the yield stress leads to increased constraint in the crack tip and a corresponding reduction in the crack opening displacement and the plastic deformation zone. The effect of the plastic deformation on the fracture toughness is also discussed.

The mechanics of creep crack growth in a Magnox alloy

Magnox AL80 has been used for a study of creep crack propagation. A number of variables have been considered such as specimen geometry,notch root radius, material thickness, creep prestrain and stress level.The work has covered the material behaving under two values of the creep exponent, n=3.5 and n=7, according to the stress level. As well as observing initiation times and crack growth rates, scribed grids have been used to examine the near crack tip strain levels and distributions. It was shown that estimations of COD from notch flank opening can give misleading indications of material behaviour and that a more informative method was to monitor displacements in the material surrounding the crack tip. Strong evidence was found for crack advance being displacement controlled, however it was shown that the COD approach should be considered geometry dependant. The summation of ∈xx and ∈yy provided the most successful description of crack advance as it produced a single value that described propagation in all the cases concidered. The strain distributions indicates that σyy was related to distance from a point ahead of the crack tip by the exponent - (l/n+l) and that σxx is proportional to σyy. The constraint stresses arising in the DEN and CN specimens were evaluated. Initiation time was found to be principally affected by the stress level but was modified by the constraints arising from specimen geometry. Crack growth was found not to obey either the empirical K or σpett relationships but was reviewed in context of the observed strain behaviour.

Effect of thermal residual stresses on fatigue crack opening and propagation behavior in an Al/SiCp metal matrix composite

The effects of a thermal residual stress field on fatigue crack growth in a silicon carbide particle-reinforced aluminum alloy have been measured. Stress fields were introduced into plates of material by means of a quench from a solution heat-treatment temperature. Measurements using neutron diffraction have shown that this introduces an approximately parabolic stress field into the plates, varying from compressive at the surfaces to tensile in the center. Long fatigue cracks were grown in specimens cut from as-quenched plates and in specimens which were given a stress-relieving overaging heat treatment prior to testing. Crack closure levels for these cracks were determined as a function of the position of the crack tip in the residual stress field, and these are shown to differ between as-quenched and stress-relieved samples. By monitoring the compliance of the specimens during fatigue cycling, the degree to which the residual stresses close the crack has been evaluated. © 1995 The Minerals, Metals & Material Society.