Analysis of creep crack growth in adhesively bonded joints under mode I loading

Abstract

Adhesive bonds could replace more traditional mechanical joints, making structures lighter and smoother. Stresses are distributed over a larger area, and dissimilar materials can be bonded, accommodating differences in expansion. These advantages of bonded joints are valuable in industries like automotive and aeronautics, where lightweight and aerodynamic design reduces fuel consumption and service costs.

These days structural designs need to be durable. It is crucial to comprehend the long-term performance of bonded joints to create durable ones and establish proper maintenance protocols. A vital aspect that must be considered in designing a durable bonded joint is viscoelastic creep crack growth and how it impacts the structural integrity. Creep crack growth is one of the factors that could impact the longevity of a bonded joint. However, there is a limited availability of test methods and numerical tools to assess the effects of creep crack growth in bonded joints.

In this work, a method is developed to obtain the average crack growth rate (da⁄dt) in mode I as a function of the applied energy release rate (G). The method is based on the wedge test, because it has been found as a good candidate to obtain creep crack growth curves of a bonded joint in mode I. Although, the friction between the wedge and the specimen should be considered and reduced to a minimum. A low friction roller wedge is proposed to achieve that, called the Roller Wedge Driven (RWD) test method. Results have shown that the friction of the roller is indeed significantly lower compared to a sliding wedge but cannot be completely neglected in the data reduction to determine the energy release rate.

Making use of the designed roller wedge test setup, a RWD creep crack growth (RWDC) method is developed. The roller wedge is loaded with a deadweight which result in a constant energy release rate at the crack tip of the bonded joint. Applying for each specimen a different energy release rate results in different creep crack growth rates. Plotting the results on a log-log scale will produce creep crack growth curves that can be described by a Paris' law-like expression

Les unions adhesives tenen un gran potencial per a substituir les unions mecàniques tradicionals, permetent obtenir estructures continues i reduint-ne el seu pes. En una unió adhesiva, les tensions es reparteixen en una àrea més gran i es poden unir materials dissimilars amb diferents coeficients d’expansió tèrmica. Aquests avantatges tenen un alt valor en indústries com la de l’automoció i l'aeronàutica, on disposar de dissenys més lleugers i aerodinàmics permet reduir el consum de combustible i els costos d’operació.

Actualment, els dissenys estructurals han de ser duradors. Per tant, és crucial comprendre el rendiment de les unions adhesives a llarg termini per crear-ne de més duradores i establir protocols de manteniment adequats. Un aspecte vital per tal que el disseny d’una unió adhesiva sigui duradora és la predicció del creixement d’esquerdes degudes a la fluència del material i quin efecte té en la integritat estructural. El creixement d’esquerdes degudes a la fluència del material és un dels factors que tenen un efecte important en la vida de la unió adhesiva. No obstant, fins ara s’han desenvolupat molt poques eines numèriques i mètodes d’assaig per analitzar la fractura d’unions adhesives per fluència.

En aquest treball s'ha desenvolupat un mètode per obtenir la velocitat de creixement d’esquerda (da⁄dt) en funció de l'energia disponible per a la fractura (G). El mètode utilitzat és un assaig de propagació d’esquerda mitjançant una cunya, doncs s’ha observat que aquest assaig és un bon candidat per obtenir corbes de creixement d’esquerda en assaigs de fluència en mode I d’unions adhesives. No obstant, cal tenir en compte la fricció entre la cunya i la mostra i reduir-la al mínim. Per fer-ho, es proposa utilitzar un rodament de baixa fricció com a cunya. A aquest assaig se l’ha anomenat assaig d’avanç de cunya amb rodaments forçat, en anglès “roller wedge driven test” i que porta per sigles RWD. Els resultats de l’assaig s’han comparat amb els del mètode estàndard de doble biga en voladís (“double cantilever beam”) o DCB. Els resultats han demostrat que la fricció del rodament és significativament menor en comparació amb l’obtingut amb una cunya que llisqui directament sobre la superfície de l’adherent, tot i que no es pot ignorar completament l’efecte de la fricció en els resultats.

A partir de l’utillatge de cunya amb rodaments (“roller wedge driven”, RWD) s’ha desenvolupat un assaig de propagació d’esquerda per càrregues de fluència (“roller wedge driven creep, RWDC). La cunya amb rodaments està carregada amb un pes mort, de manera que s’aplica una energia disponible per a la fractura constant a la punta de l’esquerda de la unió adhesiva. Al repetir l’assaig per varis nivells de carrega, i per tant varis nivells d’energia disponible per a la fractura, s’obtenen diferents valors de velocitat de creixement de l’esquerda. Al representar els resultats en una escala logarítmica s’obtindran corbes de creixement d’esquerda que es poden descriure amb una expressió similar a la llei de Paris