Karuppasamy Pandian Marimuthu

Investigation on Indentation Cracking-Based Approaches for Residual Stress Evaluation

Vickers indentation fracture can be used to estimate equibiaxial residual stresses (RS) in brittle materials. Previous, conceptually-equal, analytical models were established on the assumptions that (i) the crack be of a semi-circular shape and (ii) that the shape not be affected by RS. A generalized analytical model that accounts for the crack shape and its change is presented. To assess these analytical models and to gain detailed insight into the crack evolution, an extended finite element (XFE) model is established. XFE analysis results show that the crack shape is generally not semi-circular and affected by RS and that tensile and compressive RS have different effects on the crack evolution. Parameter studies are performed to calibrate the generalized analytical model. Comparison of the results calculated by the analytical models with XFE results reveals the inaccuracy inherent in the previous analytical models, namely the neglect of (the change of) the crack aspect-ratio, in particular for tensile RS. Previous models should therefore be treated with caution and, if at all, used only for compressive RS. The generalized model, on the other hand, gives a more accurate description of the RS, but requires the crack depth.

Numerical Simulation of Crack Propagation in Double Torsion Test

Double torsion (DT) test is a simple technique for material property evaluation in brittle materials. However, the DT testing technique is not yet standardized for evaluating fracture toughness of brittle materials. To the authors best knowledge, there is no numerical studies available in the literature to simulate the actual crack propagation in DT test. Hence, we attempt at simulating the crack propagation in DT test using extended finite element method (XFEM) for better understanding the DT cracking. The shape and direction of propagation crack is observed by assigning the material properties of silicon carbide to the XFE model. The effect of initial crack parameters and friction on the crack-front shape are also investigated. In addition, the effect of exact crack-front shape and initial crack length on stress-intensity factor calculations are explained in detail. Finally, this study provides suggestions to standardize the DT testing technique for fracture toughness evaluation.

Spherical indentation cracking in brittle materials: An XFEM study

This work aims at characterizing the formation of cone-cracks in brittle materials upon spherical indentation. The cone-cracking is simulated by the extended finite element method (XFEM) in Abaqus / Standard. The element size-dependency is reduced by scaling the damage initiation strength based on mean stress criterion and calibration techniques. The formation of a kinked-cone-crack is observed when the indenter comes into (second) contact with the surface part outside the ring crack. After analyzing the effects of friction, Poissons ratio on cone-crack evolution, a database for enhanced Roeslers constant, which considers the effect of cone-crack-kinking, is provided by performing systematic XFE analyses. This database can be used for the fracture toughness evaluation in brittle materials.

Property Evaluation Method Using Spherical Indentation for High-Yield Strength Materials

In this paper, we propose a method to evaluate the material properties of high-yield strength materials exceeding 10GPa from spherical indentation. Using a regression equation considering four indentation variables, we map the load displacement relation into a stress-strain relation. To calculate the properties of high-strength materials, we then write a program that produces material properties using the loading / unloading data from the indentation test. The errors in material properties computed by the program are within 0.3, 0.8, and 6.4 for the elastic modulus, yield strength, and hardening coefficient, respectively. † Corresponding author, hylee@sogang.ac.kr C 2015 The Korean Society of Mechanical Engineers 최영식 · Karuppasamy Pandian Marimuthu · 이진행 · 이형일 1080 변수들을 재료물성의 함수로 표현했다. 이를 통해 금속재료에 대한 구형압입 하중-해중곡선으로부터 물성치를 얻는 프로그램을 개발했다. 많은 연구중 물성치의 정확성에 있어서 뛰어난 것으로 평가되고 있다. 역해석의 개념은 다음과 같다. 주어진 재료 물성 범위 내에서 물성변수(영률, 항복강도, 변형경화 지수 등)를 적절히 변화시키면서 압입시험을 모사 하는 유한요소해석을 수백회 실시한다. 이로부터 하중-변위 곡선의 데이터와 이에 상응하는 응력변형률을 일대일 대응시키는 함수들을 생성한다. 이 함수들에 기초한 반복계산 과정을 포함하는 프로그램을 만들면, 압입시험 데이터로부터 응력변형률 관계 및 물성치를 구할 수 있다 . 본 연구에서는 Lee 등의 연구를 확장해 일반 금속 재료뿐만 아니라 항복강도가 1GPa 이상되는 고강도 재료 및 세라믹과 같은 취성재료의 물성을 측정할 수 있는 구형압입 시험 물성평가기법을 개발 한다. 구형압입 시험법은 취성재료나 고강도 금속 재료처럼 시편가공 또는 균열 성장을 제어하기 어려운 경우, 인장시험을 대신해 재료의 영률, 항복강도, 변형 경화지수 등을 얻기 위한 물성평가에 용이하게 활용될 수 있음에도, 아직 이들 재료에 대한 연구는 미비한 실정이다. 따라서 이러한 고강도 재료의 기계적 특성들을 정확히 측정하기 위한 고정밀 비파괴 압입시험법을 개발할 필요가 있다. Lee 등이 제안한 압입 물성평가법에서 압입변수들은 압입자 직경으로 무차원화 되어 있어 마이크로 단위의 직경을 갖는 미소 압입자를 이용한 나노 압입시험으로부터 균열 없이 고강도, 취성소재의 물성을 평가할 수 있다. Lee 등 (1) 은 일반적인 금속재료에 대한 구형압입 시에는 압입자의 변형이 미소해 압입접촉직경 계산시 압입자를 강체로 가정했다. 그러나 고강도 재료를 압입하면 동일 압입깊이에서 상대적으로 큰 압입 하중이 필요해 압입자 형상변화가 상대적으로 크게 발생한다. 본 연구에서는 이런 중요한 변화사항을 고려해, 고강도 재료에 대한 개선된 압입변수를 제시 했다. 회귀특성을 분석하여 항복변형률의 구간별로 유효한 3 개의 프로그램을 작성한 후, 이를 하나의 프로그램으로 통합하는 기법을 사용한다. 작성된 프로그램을 압입 시험기에 적용하면 한번의 하중해중으로 광범위한 물성범위에 대한 재료의 물성치를 구할 수 있다.