An Experimental Study on the Opening and Closure Behaviour of Fatigue Surface, Corner and Through‐thickness Cracks at Notches

Abstract

The opening and closure behaviour of surface, corner and through-thickness cracks in thin notched plates of FeE460 (K,=2.5) and A15086 (K,=3.4) was experimentally studied. The cracks were initiated and examined under uniaxial fully reversed constant amplitude and two-step loading. Crack opening load values were measured during crack growth in notch sections with a nonuniform stress distribution using small strain gauges glued to the specimen surface, very close to the crack tip. The results represent a comprehensive set of experimental data for crack opening load values in dependence on crack lengths a, c and load level including the influence of overloads and covering all types of cracks.The results indicate uniform relationships between crack opening load levels and all crack types. Crack opening and closure occur at nearly the same strain level, which depends on the applied load level. The crack opening load values measured at large notched specimens differ from those measured at similar smaller specimens because of the different local stress gradients. NOMENCLATURE a = crack depth b = fatigue strength exponent c = fatigue ductility exponent, crack length of corner cracks 2c = crack length of surface cracks rn = exponent in crack growth law n = number of cycles n' = cyclic hardening exponent t = specimen thickness c = local stress E = strain p = notch root radius B = specimen width C = constant in crack growth law CA = constant amplitude E = Young's modulus K' = cyclic hardening coefficient K , = stress concentration factor N = number of cycles to failure R = nominal stress ratio R,,,,= yield stress 0.2% offset A, = elongation at fracture R, = ultimate tensile strength S = nominal stress A J = cyclic J-integral Indices a = amplitude cl = closure e = elastic eff = effective 1343 1344 i = initiation op = opening ov = overload p = plastic un = underload G. SAVAIDIS and T. SEEGER

Ermüdungsfestigkeit

“…Es wird zwischen elastischem und plastischem Energiedichteanteil (W el und W pl ; das Symbol D für "zyklisch" ist hier weggelassen) unterschieden, die nach Kumar et al [1084] getrennt bestimmt und additiv überlagert werden (eine Näherung): [1670] Bei kurzen Rissen tritt das Rißöffnen relativ früh auf (also im Fall von R À1 bei betragsmäßig hoher Druckspannung) und das Rißschließen dementsprechend spät. Der Kurvenverlauf ist von Werkstoff, Proben-und Rißgeometrie, Spannungshöhe und Spannungsverhältnis abhängig [1497]. Der Effekt tritt besonders ausgeprägt an Rissen auf, die im Kerbgrund beginnen.…”

Berechnung Der Bauteilanriblebensdauer Bei Mehrachsigen Proportionalen Beanspruchungen

“…nach der Anrißphase wurden experimentelle Untersuchungen an dünnen Kerbscheiben aus StE460 und AlMg4,5Mn mit unterschiedlichen Kerbgeometrien, Rißarten und Lastfolgen [9,10] durchgeführt. Mit Hilfe von Verformungsmessungen sehr nah an die Rißspitze mittels Dehnungsmeßstreifen konnten RißöfFnungs-und -schließlasten gemessen werden.…”

“…Untersuchungen zum Rißöffnungsverhalten von längeren Rissen in Kerben [9,10] zeigen, daß Streuungen in der Größenordnung von 10 % bis 15 % in a op -Werten durchaus werkstoffbedingt sein können.…”

“…Eine weitere Modifikation von σγ in Zusammenhang mit experimentell gemessenen Rißöffnungslasten S op in inhomogen beanspruchten Kerbbereichen [9,10] wurde in [11,12] vorgeschlagen:…”

“…Diese oft wünschenswerte Tendenz des Pj-Parameters zur leichten Überschätzung der SchädigungsWirkung der Reihenfolgeeffekte ist bereits aus Parameterstudien bei einachsigen Beanspruchungen bekannt [1,114,115,116,117]. Die Erklärung liegt darin, daß die mit den Newman'schen Beziehungen berechneten Rißöffnungsspannungen in der Regel kleiner sind als jene, die im Experiment festgestellt werden [1,9,10,118].…”