MSE Notes - Fracture and Fatigue .docx

9 Pages

Materials Science & Engineering
Course Code
Scott Ramsay

This preview shows pages 1,2 and half of page 3. Sign up to view the full 9 pages of the document.
Fracture & Fatigue Fundamentals of Fracture  ­simple fracture: separation of body into two or more pieces in response to imposed static  stress  ­temperature are low relative to melting temperature  ­two fracture modes are possible: ductile and brittle  ­process involves two steps: crack formation and propagation in response to imposed  stress  ­mode of fracture is highly dependent on mechanism of crack propagation  ­ductile fracture is characterized by extensive plastic deformation in vicinity of advancing  crack  ­proceeds relatively slowly as crack length is extended  ­ductile fracture is classified as stable, resists further extension unless there is an increase  in applied stress  ­evidence of appreciable gross deformation at fracture surfaces  ­brittle fracture is unstable  ­cracks spread extremely rapidly with little plastic deformation and increase in magnitude  of applied stress  ­ductile fracture is preformed because presence of plastic deformation gives warning that  fracture is imminent, allowing preventive measures  ­as well, more strain energy is required to induce ductile fracture  Ductile Fracture  ­most common type of tensile fracture profile is only preceded by a moderate amount of  necking  ­after necking begins, small cavities or mirovoids form in interior of cross section  ­as microvoids enlarge, come together and coalesce to form an elliptical crack  ­crack continues to grow in a direction parallel to major axis by microvoid coalescence  process  ­fracture ensues by rapid propagation f a crack around outer perimeter of neck  ­sometimes called cup and cone fracture because one of the mating surfaces is in form of  a cup, and other of a cone  Fractographic Studies  ­much more detailed information is attained using scanning electron microscope  ­when studied at high magnification, found to consist of numerous spherical dimples  ­characteristic of fracture resulting from uniaxial tensile failure  ­each dimple is one half of a microvoid that formed and separated during fracture process  Brittle Fracture  ­direction of crack motion is very nearly perpendicular to direction of applied tensile  stress and yields a relatively flat fracture surface  ­have their own distinctive patterns  ­ex: steel pieces, series of V­shaped chevron markings may form near center of fracture  cross section   ­other brittle fracture surfaces contain lines of ridges that radiate from origin of crack in  fanlike pattern  ­for very hard and fine grained metals, there will be no discernible fracture pattern  ­most brittle crystalline materials, crack propagation corresponds to successive and  repeated breaking of atomic bonds along specific crystallographic planes  ­process caked cleavage, fracture is said to be transgranular  ­fracture cracks pass through grains  ­may have grainy or faceted texture  ­intergranular: crack propagation is along grain boundaries  Principles of Fracture Mechanics  Stress Concentration   ­applied stress may be amplified or concentrated at tips of very small, microscopic flaws  or cracks ­magnitude depends on crack orientation and gemotry  ­magnitude of localized stress diminishes with distance away from crack tip  ­at positions far removed, stress is just nominal stress σ 0 or applied load divided by  specimen cross sectional area  ­flaws are sometimes called stress raisers  ­assumed that a crack is similar to an elliptical hole through a plate  ­maximum stress occurs at crack tip and may be approximated by:  1/2 a σm=2σ ( 0 ρ ) t where:  σ0  magnitude of nominal applied stress  ρ – radius of curvature of crack tip  a – length of surface crack (half of length of internal crack)  Sometimes the ratio σ /σm i0 called the stress concentration factor K: t 1/2 K = σm =2( a ) t σ 0 ρ t ­measure of degree to which external stress is amplified at tip of a crack  ­stress amplification is not restricted to microscopic defects  ­may occur at macroscopic internal discontinuities  ­effects of a stress raiser are more significant in brittle than ductile materials  ­for ductile material, plastic deformation ensues when maximum stress exceeds yield  strength  ­leads to more uniform distribution of stress in vicinity of stress raiser and to  development of a maximum stress concentration factor less than theoretical value  ­when magnitude of tensile stress at tip of flaws exceeds critical stress, crack forms and  then propagates, results in fracture  ­critical stress for crack propagation can be described as:  2E γ s 1/2 σc=( ) πa where:  E – modulus of elasticity  γs– specific surface energy  a – half the length of internal crack  Fracture Toughness  ­measure of material’s resistance to brittle fracture when a crack is present  ­expression relates critical stress for crack propagation and crack length:  K cY σ c√ πa where:  Kc – fracture toughness  Y – parameter for planar specimens (usually 1)  ­for relatively thin specimens, value of K wic  depend on specimen thickness  ­for specimens where thickness is much greater than crack dimensions, K  becomesc independent of thickness and under these conditions, plane strain exists  ­K Ics known as plane strain fracture toughness defined as:  K Icσ πa √ ­brittle materials have low K  Iclues  ­depends on many factors, most influential = temperature, strain rate and microstructure  ­magnitude of K  Icminishes with increasing strain rate and decreasing temperature  ­enhancement in yield strength wrought by solid solution or dispersion additions or by  strain hardening generally produces a corresponding decrease in K Ic Design Using Fracture Mechanics  ­three variables (K cor K Iccrack size a and imposed stress) must be considered  ­K cand K Icre often dictated by factors such as density or corrosion characteristics of  environment  ­once any combination of the two parameters are prescribed, third becomes fixed  K σ = Ic C Y √a Brittle Fracture of Ceramics  ­at room temperature, both crystalline and noncrystalline ceramics almost always fracture  before plastic deformation  ­stress raisers in brittle ceramics may be minute surfaces or interior cracks, internal pores  and grain corners  ­static fatigue/delayed fracture: slow propagation of cracks when stresses are static in  nature and  Y π√  is much less than K Ic  ­sensitive to environmental conditions, when moisture is present in the atmosphere  ­stress­corrosion process probably occurs at crack tips  ­combination of applied tensile stress and atmospheric moisture at crack tips cause ionic  bonds to rupture  ­leads to sharpening and lengthening of cracks, ultimately one crack grows to a size  capable of rapid propagation  ­duration of stress application preceding fracture diminishes with increasing stress  ­usually considerable variation and scatter in fracture strength for many specimens of  specific brittle ceramic material  ­fracture strength depends on probability of existence of a flaw that is capable of  initiating a crack  ­probability depends on fabrication technique and any subsequent treatment  ­specimen size or volume also influences fracture strength: larger the specimen, greater  the probability of flaw existence, lower the fracture strength ­for compressive stresses, no stress amplification associated with any existing flaws  ­brittle ceramics display much higher strengths in compression than tension, generally  utilized when load conditions are compressive  ­fracture strength of a brittle ceramic may be enhanced dramatically by imposing residual  compressive stresses  Fractography of Ceramics  ­failure analysis focuses on determination of location, type and source of crack initiating  flaw  ­fractographic study examines path of crack propagation and microscopic features of  crack surface  ­site of nucleation can be traced back to point where set of cracks converges  ­rate of crack acceleration increases with increasing stress level  ­mirror region: crack surface that formed during initial acceleration state of propagation  is flat and smooth ­upon reaching critical velocity, crack begins to branch  ­formation of two more surface features: mist and hackle  ­mist is a faint annular region outside mirror  ­hackle: rough texture, set of striations or lines that radiate away from crack source in  direction of crack propagation  ­mirror radius if function of acceleration rate of newly formed crack  ­acceleration increases with stress level, mirror radius decreases  Fracture of Polymers  ­mode of fracture in thermosetting polymers is brittle  ­during fracture process, cracks form at regions where there is localized stress  concentration  ­stress is amplified at tips of cracks leading to crack propagation and 
More Less
Unlock Document

Only pages 1,2 and half of page 3 are available for preview. Some parts have been intentionally blurred.

Unlock Document
You're Reading a Preview

Unlock to view full version

Unlock Document

Log In


Join OneClass

Access over 10 million pages of study
documents for 1.3 million courses.

Sign up

Join to view


By registering, I agree to the Terms and Privacy Policies
Already have an account?
Just a few more details

So we can recommend you notes for your school.

Reset Password

Please enter below the email address you registered with and we will send you a link to reset your password.

Add your courses

Get notes from the top students in your class.