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T O A V O I D F I N E S r e t u r n o n o r b e f o r e d a t e d u e . D A T E D U E D A T E D U E D A T E D U E M S U I s A n A f f i r m a t i v e A c t i o n / E q u a l O p p o r t u n i t y I n s t i t u t i o n C Y C L I C T H E R M A L S H O C K I N C E R A M I C S A N D C E R A M I C M A T R I X C O M P O S I T E S B y Y o u n g m a n K i m A D I S S E R T A T I O N S u b m i t t e d t o M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y i n p a r t i a l f u l fi l l m e n t o f t h e r e q u i r e m e n t s ' f o r t h e d e g r e e o f D O C T O R O F P H I L O S O P H Y D e p a r t m e n t o f M e t a l l u r g y , * M e c h a n i c s a n d M a t e r i a l s S c i e n c e 1 9 9 1 é 8 0 5 ~ w a y « ( - / / A B S T R A C T C Y C L I C T H E R M A L S H O C K I N C E R A M I C S A N D C E R A M I C M A T R I X C O M P O S I T E S B Y Y O U N G H A N K I M T h e r m a l f a t i g u e d a m a g e f o r S i C f i b e r / A l u m i n o s i l i c a t e c o m p o s i t e s , M a c o r g l a s s - c e r a m i c s , a n d p o l y c r y s t a l l i n e t i t a n i u m d i b o r i d e w a s m o n i t o r e d b y Y o u n g ’ s m o d u l u s a n d i n t e r n a l f r i c t i o n c h a n g e s . A f a t i g u e — l i k e p o w e r l a w r e l a t i o n b e t w e e n t h e d a m a g e s a t u r a t i o n l e v e l a n d A T , t h e q u e n c h t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e , w a s o b s e r v e d . A s i m i l a r p o w e r l a w f a t i g u e r e l a t i o n w a s o b s e r v e d i n p r e v i o u s s t u d i e s o f S i C w h i s k e r / a l u m i n a c o m p o s i t e s a n d u n r e i n f o r c e d a l u m i n a . T h e r e s u l t s a l s o s u g g e s t t h e e x i s t e n c e o f a f r a c t u r e t o u g h n e s s ( o r s t r e n g t h ) t h r e s h o l d a b o v e w h i c h t h e r m a l s h o c k d a m a g e w i l l n o t a c c u m u l a t e f o r a g i v e n A T . A m e a s u r e m e n t t e c h n i q u e f o r t h e s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t w a s d e v e l o p e d . T h e m a x i m u m s u r f a c e t e n s i l e s t r e s s d e v e l o p e d d u r i n g q u e n c h i n g w a s c a l c u l a t e d f r o m t h e m e a s u r e d s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t a s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r e . A m o d u l u s - m i c r o c r a c k i n g m o d e l w a s p r e s e n t e d f o r s u r f a c e l i m i t e d m i c r o c r a c k d i s t r i b u t i o n s b a s e d o n t h e c o n c e p t t h a t a s p e c i m e n c o n t a i n i n g a s u r f a c e - l i m i t e d p o p u l a t i o n o f m i c r o c r a c k s c o u l d b e v i e w e d a s a c o m p o s i t e . T h e m i c r o c r a c k d a m a g e d r e g i o n s a c t a s l a y e r s o f r e d u c e d m o d u l u s , i d e a l l y b o n d e d t o a n u n d a m a g e d s u b s t r a t e . T h e m o d u l u s o f t h e i n d i v i d u a l d a m a g e d l a y e r s w a s m o d e l e d i n t e r m s o f t h e d a m a g e p a r a m e t e r , A = f G N , w h i c h a c c o u n t s f o r t h e s p a t i a l M I ' Y o u n g m a n K i m o r i e n t a t i o n o f t h e c r a c k s , t h e c r a c k g e o m e t r y , a n d t h e n u m b e r d e n s i t y o f t h e m i c r o c r a c k s . A R u l e o f M i x t u r e s m o d e l a n d a d y n a m i c m o d u l u s m o d e l d e v e l o p e d i n t h e p r e s e n t s t u d y w e r e u s e d t o c a l c u l a t e t h e m o d u l i o f t h e d a m a g e d l a y e r s . F o r t h e p a r t i c u l a r c a s e o f m o d e l i n d e n t a t i o n c r a c k d i s t r i b u t i o n s , c o r r e c t i o n s w e r e m a d e t o t h e c r a c k p e r i m e t e r a n d a r e a c a l c u l a t i o n s t o a c c o u n t f o r t h e l i g a m e n t b r i d g i n g t h e t w o c r a c k f a c e s i n a n i n d e n t a t i o n c r a c k . F o r t h e V i c k e r s i n d u c e d i n d e n t a t i o n c r a c k s , t h e m e a s u r e d n o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s c h a n g e s , ( E a - E ) / E o , i n c r e a s e d l i n e a r l y w i t h i n c r e a s i n g m i c r o c r a c k n u m b e r d e n s i t y N . T h e o b s e r v e d c r a c k - i n d u c e d m o d u l u s c h a n g e s w e r e c o m p a r e d t o a n u m b e r o f m i c r o c r a c k i n g m o d e l s . T h e s u r f a c e - l i m i t e d d a m a g e m o d e l b a s e d o n t h e d y n a m i c b e a m v i b r a t i o n t h e o r y a n d o n a m o d i f i e d h a l f - e l l i p s e c r a c k s h a p e f i t t h e e x p e r i m e n t a l d a t a w e l l . A C K N O W L E D G E M E N T S I w o u l d l i k e t o t h a n k m y a d v i s e r , P r o f e s s o r E l d o n D . C a s e f o r h i s c o n t i n u o u s g u i d a n c e , e n c o u r a g e m e n t , a n d s u p p o r t t h r o u g h o u t t h i s w o r k . I t w a s a j o y t o w o r k t o g e t h e r w i t h D r . C a s e . I n a d d i t i o n t o a c a d e m i c a l a d v i c e , h e g a v e m e a g o o d r e s e a r c h e r ’ s a t t i t u d e , h o n e s t a n d h a r d w o r k i n g . M y t h a n k s a r e e x t e n d e d t o t h e o t h e r m e m b e r s o f m y P h D . c o m m i t t e e , P r o f e s s o r K . M u k h e r j e e , P r o f e s s o r N . A l t i e r o a n d P r o f e s s o r W . P r a t t . I a l s o w o u l d l i k e t o t h a n k m y c o l l e g u e s f o r t h e i r h e l p f u l d i s c u s s i o n . I w o u l d l i k e t o a c k n o w l e d g e t h e f i n a n c i a l s u p p o r t b y t h e N a t i o n a l S c i e n c e F o u n d a t i o n u n d e r g r a n t n u m b e r M S M - 8 7 0 6 9 1 5 a n d b y t h e S t a t e o f M i c h i g a n ' s R e s e a r c h E x c e l l e n c e F u n d . G r a t e f u l t h a n k s s h o u l d g o t o m y p a r e n t s a n d w i f e ( E u n j u ) f o r t h e i r l o v e , c a r e a n d s u p p o r t . E s p e c i a l l y m y p a r e n t s w h o g a v e m e l i f e a n d w i s d o m s h o u l d b e g r a t e f u l l y a c k n o w l e d g e d . H ‘ ‘ F F ‘ F ‘ ‘ F F J J F B ‘ N P ‘ N F ‘ N F ‘ N F ‘ N P ‘ N F ‘ N F N H M N I J S T 0 F L I S T O F S e c t i o n P ‘ P ‘ F ‘ u n u r u S e c t i o n N N M l . 2 3 N M T A B L E O F C O N T E N T S P a g e F I G U R E S x T A B I E S x x i 1 I N T R O D U C T I O N 1 T h e r m a l F a t i g u e 3 1 T h e r m a l S h o c k R e s i s t a n c e P a r a m e t e r s 3 2 T h e r m a l F a t i g u e 5 T i m e - d e p e n d e n t E l a s t i c M o d u l u s R e c o v e r y M e a s u r e m e n t o n T h e r m a l l y S h o c k e d S i C f i b e r / A l u m i n o s i l i c a t e C o m p o s i t e s , M a c h i n a b l e G l a s s C e r a m i c s a n d P o l y c r y s t a l l i n e A l u m i n a 8 T h e M e a s u r e m e n t o f t h e S u r f a c e H e a t T r a n s f e r C o e f f i c i e n t f o r C e r a m i c s Q u e n c h e d i n t o a W a t e r B a t h 8 E f f e c t s o f S u r f a c e A b r a s i o n o n t h e T h e r m a l F a t i g u e o f C e r a m i c s 1 0 T h e E f f e c t o f S u r f a c e L i m i t e d M i c r o c r a c k s o n t h e E f f e c t i v e Y o u n g ' s M o d u l u s o f C e r a m i c s 1 1 A n a l y s i s 1 1 C r a c k G e o m e t r y M o d i f i c a t i o n 1 3 M o d e l S y s t e m o f I n d e n t a t i o n C r a c k s 1 5 2 E X P E R I M E N T A L P R O C E D U R E 1 6 T h e r m a l F a t i g u e 1 6 1 M a t e r i a l s T e s t e d a n d S p e c i m e n C h a r a c t e r i z a t i o n 1 6 2 T h e r m a l S h o c k T r e a t m e n t 2 0 3 E l a s t i c M o d u l u s M e a s u r e m e n t 2 3 3 . 1 R o o m T e m p e r a t u r e E l a s t i c i t y M e a s u r e m e n t 2 3 3 . 1 . 1 S t a t i c E l a s t i c M o d u l u s t e s t i n g 2 3 3 . 1 . 2 D y n a m i c E l a s t i c M o d u l u s M e a s u r e m e n t ( T h e S o n i c R e s o n a n c e M e t h o d ) 2 7 3 . 2 E l e v a t e d T e m p e r a t u r e E l a s t i c M o d u l u s a n d I n t e r n a l F r i c t i o n M e a s u r e m e n t 3 1 4 I n t e r n a l F r i c t i o n M e a s u r e m e n t 3 3 T i m e - d e p e n d e n t E l a s t i c M o d u l u s R e c o v e r y M e a s u r e m e n t o n T h e r m a l l y S h o c k e d S i C f i b e r / A l u m i n o s i l i c a t e C o m p o s i t e s , M a c h i n a b l e G l a s s C e r a m i c s a n d P o l y c r y s t a l l i n e A l u m i n a 3 6 1 M a t e r i a l s T e s t e d 3 6 2 Y o u n g ' s m o d u l u s m e a s u r e m e n t a s a f u n c t i o n o f t i m e e l a p s e d a f t e r t h e t h e r m a l s h o c k 3 9 T h e M e a s u r e m e n t o f t h e S u r f a c e H e a t T r a n s f e r C o e f f i c i e n t f o r C e r a m i c s Q u e n c h e d i n t o a W a t e r B a t h 4 2 1 E x p e r i m e n t a l P r o c e d u r e 4 2 B a c k g r o u n d 4 6 N N N ) » H k W N ‘ ‘ w F P H ‘ ‘ w P P N ‘ ‘ u P P W ‘ D w F N ‘ J w P N N S e c t i o n 0 - ) U 3 L . L . L . 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C e r a m i c C o m p o s i t e C o m p a r i s o n o f t h e r m a l c y c l i n g d a m a g e i n S i C f i b e r / L A S c o m p o s i t e s w i t h p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a a n d S i C w h i s k e r / a l u m i n a c o m p o s i t e s S t a t i c Y o u n g ' s M o d u l u s M e a s u r e m e n t o f u n s h o c k e d M a c o r G l a s s - C e r a m i c T h e r m a l S h o c k F a t i g u e o f M a c o r G l a s s - C e r a m i c C o m p a r i s o n o f t h e r m a l f a t i g u e d a m a g e i n M a c o r g l a s s - c e r a m i c s w i t h S i C f i b e r / A S , S i C w h i s k e r / a l u m i n a a n d p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a T h e r m a l f a t i g u e r e s u l t s a n d t h e i r r e l a t i o n t o t h e r m a l r e s i s t a n c e p a r a m e t e r s R " ' , R " " , a n d R s T h e r m a l F a t i g u e i n P o l y c r y s t a l l i n e T i t a n i u m D i b o r i d e T h e r e l a t i o n o f A , B , a , a n d 6 t o m a t e r i a l p r o p e r t i e s E l e v a t e d T e m p e r a t u r e E l a s t i c M o d u l u s a n d I n t e r n a l F r i c t i o n M e a s u r e m e n t T i m e - d e p e n d e n t E l a s t i c M o d u l u s R e c o v e r y M e a s u r e m e n t o n T h e r m a l l y S h o c k e d S i C f i b e r / A l u m i n o s i l i c a t e C o m p o s i t e s , M a c h i n a b l e G l a s s C e r a m i c s a n d P o l y c r y s t a l l i n e A l u m i n a V I t P a g e 6 1 6 1 6 2 6 2 6 3 6 6 6 7 6 8 7 8 8 9 9 1 9 6 9 9 1 0 4 1 0 9 1 1 1 1 1 7 . . . . l » ) , w N H w N N w N N H w N N N w W » J w F i ‘ » w F i ‘ w P w : J w u N ‘ h ‘ ‘ h P ‘ ‘ k P ‘ J h H ‘ J k N b h fl L w w I ' w w H U n w w N L D w L w “ L g . ) w w w w w w w U 1 L fi U ' I U ' i L D U ' I U ’ I U 1 N N N H N H Y o u n g ' s m o d u l u s r e c o v e r y P o s s i b l e M o d u l u s R e c o v e r y M e c h a n i s m s V i r t u a l m a s s c h a n g e s d u e t o m o i s t u r e e v a p o r a t i o n M i c r o c r a c k h e a l i n g T h e M e a s u r e m e n t o f t h e S u r f a c e H e a t T r a n s f e r C o e f f i c i e n t f o r C e r a m i c s Q u e n c h e d i n t o a W a t e r B a t h H e a t T r a n s f e r c o e f f i c i e n t d u r i n g t h e r m a l s h o c k F r e e C o n v e c t i o n F o r c e d C o n v e c t i o n T h e M e a s u r e m e n t o f t h e S u r f a c e H e a t T r a n s f e r C o e f f i c i e n t f o r C e r a m i c s Q u e n c h e d i n t o a W a t e r B a t h M a x i m u m S u r f a c e T h e r m a l S t r e s s C a l c u l a t i o n o f T i B z , A 1 2 0 3 , a n d M a c o r g l a s s - c e r a m i c d u r i n g q u e n c h i n g A c o m p a r i s o n o f s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r a m o n g T i B z , A 1 2 0 3 , a n d M a c o r g l a s s - c e r a m i c i n d u c e d b y t h e r m a l s t r e s s E f f e c t s o f S u r f a c e A b r a s i o n o n t h e T h e r m a l F a t i g u e o f C e r a m i c s T h e r m a l s h o c k e x p e r i m e n t s o n a b r a d e d a n d u n a b r a d e d s p e c i m e n s A n e s t i m a t e o f t h e r e l a t i v e q u e n c h e d - i n d u c e d s u r f a c e s t r e s s e s f o r a b r a d e d a n d u n a b r a d e d s p e c i m e n s E s t i m a t i n g t h e s u r f a c e f l a w e x t e n s i o n T h e E f f e c t o f S u r f a c e L i m i t e d M i c r o c r a c k s o n t h e E f f e c t i v e Y o u n g ’ s M o d u l u s o f C e r a m i c s A n a l y s i s L a y e r C o m p o s i t e M o d e l R u l e o f M i x t u r e s M o d e l D y n a m i c B e a m V i b r a t i o n M o d e l C o m p a r i s o n o f R O M a n d d y n a m i c m o d u l u s c a l c u l a t i o n s C r a c k G e o m e t r y M o d i f i c a t i o n t o c o n f o r m I n d e n t a t i o n C r a c k S h a p e G e n e r a l i z e d M o d e l s f o r S u r f a c e - L i m i t e d M i c r o c r a c k D a m a g e R e l a t i v e C r a c k S i z e V e r s u s L a y e r D e p t h C o n s i d e r a t i o n s I n d e n t a t i o n C r a c k s a s a n E x a m p l e o f a M o d e l C r a c k S y s t e m M o d e l E x p e r i m e n t M e a s u r e m e n t s o n U n d a m a g e d S p e c i m e n s C h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e I n d e n t a t i o n C r a c k s M o d u l u s D e c r e m e n t a s a F u n c t i o n o f V i c k e r s I n d e n t a t i o n D a m a g e V I I P a g e 1 1 7 1 2 9 1 2 9 1 3 7 1 4 4 1 4 4 1 A A 1 4 6 1 4 7 1 6 2 1 7 2 1 8 2 1 8 6 1 9 5 1 9 8 I 9 8 1 9 8 2 0 0 2 0 6 2 2 0 2 2 3 2 2 3 2 2 8 2 3 0 2 3 8 2 3 8 2 3 9 2 4 3 S e c t i o n 4 C o n c l u s i o n s 4 . 1 4 . 2 T h e r m a l f a t i g u e T i m e - d e p e n d e n t E l a s t i c M o d u l u s R e c o v e r y M e a s u r e m e n t o n T h e r m a l l y S h o c k e d S i C f i b e r / A l u m i n o s i l i c a t e C o m p o s i t e s , M a c h i n a b l e G l a s s C e r a m i c s a n d P o l y c r y s t a l l i n e A l u m i n a T h e M e a s u r e m e n t o f t h e S u r f a c e H e a t T r a n s f e r C o e f f i c i e n t f o r C e r a m i c s Q u e n c h e d i n t o a W a t e r B a t h E f f e c t s o f S u r f a c e A b r a s i o n o n t h e T h e r m a l F a t i g u e o f C e r a m i c s T h e E f f e c t o f S u r f a c e L i m i t e d M i c r o c r a c k s o n t h e E f f e c t i v e Y o u n g ’ s M o d u l u s o f C e r a m i c s S e c t i o n 5 S u m m a r y A P P E N D I X A . R e f e r e n c e s o f A P P E N D I X B . A P P E N D I X C . R e f e r e n c e s o f A P P E N D I X D . A P P E N D I X E . R e f e r e n c e s o f A P P E N D I X F . R e f e r e n c e s o f A P P E N D I X C . D y n a m i c a n d S t a t i c E l a s t i c C o n s t a n t s A d i a b a t i c a n d I s o t h e r m a l E l a s t i c C o n s t a n t s . A p p e n d i x A A R u l e o f M i x t u r e s M o d e l f o r T w o - L a y e r a n d T h r e e - L a y e r C o m p o s i t e M o d e l s o f S u r f a c e - M i c r o c r a c k e d S p e c i m e n s . L a y e r c o m p o s i t e m o d e l a p p r o a c h f o r Y o u n g ' s m o d u l u s c h a n g e u s i n g d y n a m i c b e a m v i b r a t i o n t h e o r y . A p p e n d i x C T h e r a t i o o f n o r m a l i z e d Y o u n g ’ s m o d u l u s c h a n g e ( d y n a m i c ) t o n o r m a l i z e d Y o u n g ’ s m o d u l u s c h a n g e ( R O M ) w h e n a ( d £ / d s ) a p p r o a c h e s z e r o . A R e l a t i o n B e t w e e n E x p r e s s i o n s f o r 2 - D i m e n s i o n a 1 T h r o u g h P l a t e S l i t C r a c k s i n P l a t e s a n d 3 - D i m e n s i o n a l S l o t C r a c k s i n S u r f a c e D a m a g e d B a r s . A p p e n i d x E T w o - D i m e n s i o n a l M o d e l s o f A l i g n e d , T h r o u g h - P l a t e C r a c k s A l i g n e d t w o - d i m e n s i o n a l c r a c k m o d e l s . A p p e n d i x F L i m i t i n g v a l u e o f ( E s - E s D Y N V E s f o r R 1 + w , R 2 4 w ( ( 1 5 4 0 ) . V I I I P a g e 2 6 6 2 6 6 2 6 7 2 6 8 2 6 8 2 6 9 2 7 1 2 7 4 2 7 8 2 7 9 2 8 3 2 9 2 2 9 3 2 9 7 2 9 9 3 0 0 3 0 5 3 0 6 P a g e A P P E N D I X E . P o r o s i t y D e p e n d e n c e o f Y o u n g ’ s M o d u l u s i n U n i n d e n t e d ( P o l i s h e d ) A l u m i n a S p e c i m e n s 3 1 0 R e f e r e n c e s o f A p p e n d i x H 3 1 1 A P P E N D I X I . N o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s c h a n g e c a l c u l a t i o n f o r e l e v e n d i f f e r e n t c r a c k g e o m e t r y b a s e d o n d y n a m i c b e a m v i b r a t i o n t h e o r y . 3 1 3 A P P E N D I X J . N o r m a l i z e d Y o u n g ’ s m o d u l u s c h a n g e c a l c u l a t i o n f o r e l e v e n d i f f e r e n t c r a c k g e o m e t r y b a s e d o n r u l e o f m i x t u r e s . 3 2 1 L i s t o f R e f e r e n c e s 3 2 9 I X F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e L I S T O F F I G U R E S N u m b e r 1 . T e m p e r a t u r e a n d s t r e s s d i s t r i b u t i o n s f o r p l a t e c o o l e d f r o m t h e s u r f a c e ( a f t e r K i n g e r y e t a 1 . [ 1 2 ] ) . 2 . I l l u s t r a t i o n o f l o n g t r a n s v e r s e s u r f a c e o f p r i s m a t i c b a r - s h a p e d s p e c i m e n . 3 . S E M M i c r o g r a p h o f S i C f i b e r - A l u m i n o s i l i c a t e C o m p o s i t e . 4 . S E M M i c r o g r a p h o f M a c o r M a c h i n a b l e G l a s s - C e r a m i c . 5 . S E M M i c r o g r a p h o f P o l y c r y s t a l l i n e T i t a n i u m D i b o r i d e . 6 . S c h e m a t i c o f T h e r m a l F a t i g u e A p p a r a t u s . 7 . S c h e m a t i c o f F o u r P o i n t B e n d L o a d i n g . 8 . S c h e m a t i c o f t h e S o n i c R e s o n a n c e A p p a r a t u s . 9 . L o g a r i t h m i c D e c r e m e n t M e t h o d o f D e t e r m i n i n g I n t e r n a l F r i c t i o n . 1 0 S E M M i c r o g r a p h o f P o l y c r y s t a l l i n e A l u m i n a . 1 1 M e t h o d o f S p e c i m e n S u s p e n s i o n f o r t h e S o n i c R e s o n a n c e M e a s u r e m e n t . 1 2 P r i s m a t i c B a r S p e c i m e n b o n d e d w i t h T h i n F i l m T h e r m o c o u p l e . l 3 S c h e m a t i c o f e x p e r i m e n t a l s e t u p f o r s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t m e a s u r e m e n t . 1 4 ( a ) S p a t i a l A r r a n g e m e n t s o f i n d e n t a t i o n c r a c k s f o r b o t h s u r f a c e i n d e n t e d a t 4 9 N l o a d . 1 4 ( b ) S p a t i a l A r r a n g e m e n t s o f i n d e n t a t i o n c r a c k s f o r s i n g l e s u r f a c e i n d e n t e d a t 4 9 N l o a d . 1 4 ( c ) S p a t i a l A r r a n g e m e n t s o f i n d e n t a t i o n c r a c k s f o r b o t h s u r f a c e i n d e n t e d a t 9 8 N l o a d . 1 4 ( d ) S p a t i a l A r r a n g e m e n t s o f i n d e n t a t i o n c r a c k s f o r s i n g l e s u r f a c e i n d e n t e d a t 9 8 N l o a d . P a g e 1 4 1 8 1 8 1 9 2 2 2 5 2 8 4 O 4 3 4 4 5 3 5 4 F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e T h e F o r m a t i o n o f l a t e r a l c r a c k s a t c r a c k s u r f a c e t h e c r a c k s u r f a c e a s p e r i t i e s ( a f t e r E v a n s [ 1 2 9 ] ) . I n t e r n a l f r i c t i o n o f S i C f i b e r / A S c o m p o s i t e s a s t h e S i C w h i s k e r / a l u m i n a T h e f i g u r e ( b ) r e p r e s e n t s t h e l e s s d a m a g e d r e g i o n ° C N u m b e r 1 4 . ( e ) S p a t i a l A r r a n g e m e n t s o f i n d e n t a t i o n c r a c k s f o r b o t h s u r f a c e i n d e n t e d a t 1 9 6 N l o a d . 1 4 . ( f ) S p a t i a l A r r a n g e m e n t s o f i n d e n t a t i o n c r a c k s f o r s i n g l e s u r f a c e i n d e n t e d a t 1 9 6 N l o a d . 1 5 . a s p e r i t i e s ( a f t e r E v a n s [ 1 2 9 ] ) . 1 6 . T h e l i m i t a t i o n o n c r a c k c l o s u r e p r o v i d e d b y 1 7 . T h e s e q u e n c e i n v o l v e d i n f a i l u r e b y m i c r o c r a c k f o r m a t i o n a n d c o a l e s c e n c e ( a f t e r E v a n s [ 1 2 9 ] ) . 1 8 . Y o u n g ’ s m o d u l u s o f S i C f i b e r / A S c o m p o s i t e s a s a f u n c t i o n o f t h e c u m u l a t i v e n u m b e r o f t h e r m a l s h o c k c y c l e s . 1 9 a f u n c t i o n o f t h e c u m u l a t i v e n u m b e r o f t h e r m a l s h o c k c y c l e s . _ 1 2 O A Q a s a f u n c t i o n o f c r a c k d a m a g e p a r a m e t e r f o r t h e S i C f i b e r / L A S c o m p o s i t e s , c o m p o s i t e s a n d u n r e i n f o r c e d a l u m i n a . o f f i g u r e ( a ) . 2 1 L o g a r i t h m o f t h e n o r m a l i z e d l s a t u r a t i o n d a m a g e p a r a m e t e r s ( A / E o ) a n d ( B / Q o ) v e r s u s l o g a r i t h m o f t h e n o r m a l i z e d t e m p e r a t u r e . 2 2 L o a d - d i s p l a c e m e n t c u r v e f o r M a c o r s p e c i m e n . 2 3 . Y o u n g ’ s m o d u l u s o f M a c o r g l a s s - c e r a m i c s a s a f u n c t i o n o f t h e c u m u l a t i v e n u m b e r o f t h e r m a l s h o c k c y c l e s . ( a ) A T - 2 0 0 , 3 0 0 , 3 5 0 a n d 4 0 0 ( b ) A T - 4 5 0 a n d 5 0 0 ° C 2 4 I n t e r n a l f r i c t i o n o f M a c o r g l a s s - c e r a m i c s a s a f u n c t i o n o f t h e c u m u l a t i v e n u m b e r o f t h e r m a l s h o c k c y c l e s . ( a ) A T = 2 0 0 , 3 0 0 , 3 5 0 a n d 4 0 0 ° C ( b ) A T - 4 5 0 a n d 5 0 0 ° C X I P a g e 5 7 5 8 7 1 7 3 8 5 8 6 9 O 9 3 9 4 F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e N u m b e r P a g e 2 5 . S c h e m a t i c o f Y o u n g ’ s m o d u l u s d e c r e a s e a n d i n t e r n a l f r i c t i o n i n c r e a s e w i t h m i c r o c r a c k d a m a g e i n d u c e d b y t h e r m a l c y c l i n g . 9 5 L o g a r i t h m o f t h e n o r m a l i z e d l s a t u r a t i o n d a m a g e p a r a m e t e r s ( A / E o ) a n d ( B / Q o ) v e r s u s l o g a r i t h m o f t h e n o r m a l i z e d t e m p e r a t u r e . 9 8 _ 1 . A Q a s a f u n c t i o n o f c r a c k d a m a g e p a r a m e t e r f o r M a c o r g l a s s - c e r a m i c s , S i C f i b e r / A S a n d S i C w h i s k e r / a l u m i n a c o m p o s i t e s . 1 0 0 L o g a r i t h m o f t h e r m a l s h o c k d a m a g e p a r a m e t e r , R " " v e r s u s L o g a r i t h m o f t h e r m a l f a t i g u e e x p o n e n t , p l 1 0 3 T h e r m a l s h o c k d a m a g e p a r a m e t e r , R " " v e r s u s t h e r m a l f a t i g u e e x p o n e n t , p l 1 0 3 . Y o u n g / s m o d u l u s o f p o l y c r y s t a l l i n e t i t a n i u m d i b o r i d e a s a f u n c t i o n o f t h e c u m u l a t i v e n u m b e r o f t h e r m a l s h o c k c y c l e s . 1 0 7 I n t e r n a l F r i c t i o n o f p o l y c r y s t a l l i n e t i t a n i u m d i b o r i d e a s a f u n c t i o n o f t h e c u m u l a t i v e n u m b e r o f t h e r m a l s h o c k c y c l e s . 1 0 7 T G A R e s u l t s f o r T i B 2 s p e c i m e n . 1 0 8 F r a c t u r e t o u g h n e s s a n d s t r e n g t h v e r s u s p r o d u c t s t h e r m a l f a t i g u e c o n s t a n t s ( a ) A n a n d ( b ) 8 6 1 1 0 . Y o u n g ' s m o d u l u s o f S i C f i b e r - A l u m i n o s i l i c a t e - c o m p o s i t e a s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r e . 1 1 3 I n t e r n a l f r i c t i o n o f S i C f i b e r - A l u m i n o s i l i c a t e c o m p o s i t e a s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r e . 1 1 6 . N o r m a l i z e d Y o u n g ’ s m o d u l u s r e c o v e r i e s a s a f u n c t i o n o f t i m e f o r S i C f i b e r / A l u m i n o s i l i c a t e s p e c i m e n a t ( a ) A T = 3 7 0 a n d ( b ) 4 5 0 ° C . 1 1 8 N o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s r e c o v e r i e s a s a f u n c t i o n o f t i m e f o r M a c o r g l a s s - c e r a m i c s p e c i m e n a t ( a ) A T a 3 0 0 ° C . 1 1 9 . N o r m a l i z e d Y o u n g ’ s m o d u l u s r e c o v e r i e s a s a f u n c t i o n o f t i m e f o r M a c o r g l a s s - c e r a m i c s p e c i m e n a t ( b ) A T = 3 5 0 ° C . 1 2 0 X I I F i g u r e N u m b e r ‘ P a g e F i g u r e 3 7 . F i g u r e 3 7 . F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e N o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s r e c o v e r i e s a s a f u n c t i o n o f t i m e f o r M a c o r g l a s s - c e r a m i c s p e c i m e n a t ( c ) A T - 4 0 0 ° C . 1 2 1 N o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s r e c o v e r i e s a s a f u n c t i o n o f t i m e f o r M a c o r g l a s s - c e r a m i c s p e c i m e n a t ( d ) A T - 4 5 0 ° C . 1 2 2 . N o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s r e c o v e r i e s a s a f u n c t i o n o f t i m e f o r M a c o r g l a s s - c e r a m i c s p e c i m e n a t ( e ) A T - 5 0 0 ° C . 1 2 3 . N o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s r e c o v e r i e s a s a f u n c t i o n o f t i m e f o r p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a s p e c i m e n a t A T - 2 5 0 ° C . 1 2 4 3 9 ( a ) - ( e ) . N o r m a l i z e d v i r t u a l m a s s c h a n g e s e q u i v a l e n t 4 1 . t o Y o u n g ' s m o d u l u s r e c o v e r i e s f o r M a c o r g l a s s - c e r a m i c s p e c i m e n ( A T - 3 0 0 , 3 5 0 , 4 0 0 4 5 0 , 5 0 0 ° C ) u n d e r t h e a s s u m p t i o n t h a t t h e o b s e r v e d Y o u n g ' s m o d u l u s r e c o v e r i e s a r e d u e o n l y t o c h a n g e s i n t h e s p e c i m e n m a s s . T h e s t a n d a r d d e v i a t i o n o f t h e m e a s u r e d m a s s a t e a c h p o i n t w a s s m a l l e r t h a n t h e p l o t t i n g s y m b o l s i z e u s e d i n t h i s f i g u r e . 1 3 2 - 1 3 6 . C a l c u l a t e d s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t f o r f r e e c o n v e c t i o n w a t e r a s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r e . 1 4 8 C a l c u l a t e d s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t f o r f o r c e d c o n v e c t i o n w a t e r a s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r e . 1 4 9 4 2 ( A ) . T h e e x p e r i m e n t a l l y o b t a i n e d t h e r m o c o u p l e v o l t a g e v e r s u s c o o l i n g t i m e f o r t h e M a c o r a t A T - ( a ) 2 0 0 ° C , ( b ) 2 8 0 ° C , ( c ) 3 5 0 ° C , ( d ) 4 0 0 ° C , ( e ) 4 5 0 ° C a n d ( f ) 5 0 0 ° C ; e a c h d i v i s i o n o n t h e x a x i s r e p r e s e n t s 6 . 2 5 m s e c , e a c h d i v i s i o n o n t h e y a x i s r e p r e s e n t s 2 m v f o r A T - 2 0 0 ° C a n d 5 m v f o r A T - 2 8 0 , 3 5 0 , 4 0 0 , 4 5 0 , a n d 5 0 0 ° C . 1 5 0 - 1 5 1 4 2 ( B ) . T h e e x p e r i m e n t a l l y o b t a i n e d t h e r m o c o u p l e v o l t a g e v e r s u s c o o l i n g t i m e f o r t h e a l u m i n a a t A T - ( a ) 2 5 0 ° C , ( b ) 3 0 0 ° C , a n d ( c ) 3 5 0 ° C ; e a c h d i v i s i o n o n t h e x a x i s r e p r e s e n t s 6 . 2 5 m s e c , e a c h d i v i s i o n o n t h e y a x i s r e p r e s e n t s 5 m v . 1 5 2 X I I I F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e N u m b e r 4 2 ( 6 ) . T h e e x p e r i m e n t a l l y o b t a i n e d t h e r m o c o u p l e 4 4 . v o l t a g e v e r s u s c o o l i n g t i m e f o r t h e T i B 2 a t A T - ( a ) 2 0 0 ° C , ( b ) 3 0 0 ° C , ( c ) 4 0 0 ° C , a n d ( d ) 5 0 0 ° C ; e a c h d i v i s i o n o n t h e x a x i s r e p r e s e n t s 6 . 2 5 m s e c , e a c h d i v i s i o n o n t h e y a x i s r e p r e s e n t s 2 m v f o r A T - 2 0 0 D C a n d 5 m v f o r A T - 3 0 0 , 4 0 0 , 5 0 0 ° C . . T h e e s t i m a t e d s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t v e r s u s t e m p e r a t u r e c a l c u l a t e d f r o m t h e e x p e r i m e n t a l l y o b t a i n e d t h e r m o c o u p l e v o l t a g e v e r s u s c o o l i n g t i m e f o r a ) M a c o r ( A I = 2 0 0 , 2 8 0 , a n d 3 5 0 ° C ) . . T h e e s t i m a t e d s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t v e r s u s t e m p e r a t u r e c a l c u l a t e d f r o m t h e e x p e r i m e n t a l l y o b t a i n e d t h e r m o c o u p l e v o l t a g e v e r s u s c o o l i n g t i m e f o r b ) M a c o r ( A T = 4 0 0 , 4 5 0 , a n d 5 0 0 ° C ) . . T h e e s t i m a t e d s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t v e r s u s t e m p e r a t u r e c a l c u l a t e d f r o m t h e e x p e r i m e n t a l l y o b t a i n e d t h e r m o c o u p l e v o l t a g e v e r s u s c o o l i n g t i m e f o r c ) a l u m i n a . T h e e s t i m a t e d s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t v e r s u s t e m p e r a t u r e c a l c u l a t e d f r o m t h e e x p e r i m e n t a l l y o b t a i n e d t h e r m o c o u p l e v o l t a g e v e r s u s c o o l i n g t i m e f o r d ) T i B z . S c h e m a t i c o f l o g h v e r s u s T e m p e r a t u r e ( a f t e r [ 1 6 9 ] ) . 4 5 ( a ) . Y o u n g ' s m o d u l u s o f M a c o r g l a s s - c e r a m i c a s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r e . 4 5 ( b ) . T h e r m a l e x p a n s i o n c o e f f i c i e n t o f M a c o r g l a s s - c e r a m i c a s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r e . 4 5 ( c ) . P o i s s o n ’ s r a t i o o f M a c o r g l a s s - c e r a m i c a s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r e . 4 5 ( d ) . T h e r m a l c o n d u c t i v i t y o f M a c o r g l a s s - c e r a m i c a s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r e . X I V P a g e 1 5 3 1 5 6 1 5 7 1 5 8 1 5 9 1 6 0 1 6 4 1 6 4 1 6 5 1 6 5 F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e N u m b e r 4 6 ( a ) . M a x i m u m s u r f a c e t e n s i l e s t r e s s c a l c u l a t e d f r o m m e a s u r e d s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t a n d t e m p e r a t u r e d e p e n d e n t p a r a m e t e r s , E ( T ) , a ( T ) , V ( T ) a n d k ( T ) f o r T i B 2 s p e c i m e n . 4 6 ( b ) . M a x i m u m s u r f a c e t e n s i l e s t r e s s c a l c u l a t e d f r o m m e a s u r e d s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t a n d t e m p e r a t u r e d e p e n d e n t p a r a m e t e r s , E ( T ) , a ( T ) , v ( T ) a n d k ( T ) f o r M a c o r s p e c i m e n . 4 6 ( c ) . M a x i m u m s u r f a c e t e n s i l e s t r e s s c a l c u l a t e d f r o m m e a s u r e d s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t a n d t e m p e r a t u r e d e p e n d e n t p a r a m e t e r s , E ( T ) , a ( T ) , u ( T ) a n d k ( T ) f o r a l u m i n a s p e c i m e n . L o g a r i t h m o f t h e n o r m a l i z e d s a t u r a t i o n d a m a g e p a r a m e t e r , A / E 0 v e r s u s l o g a r i t h m o f t h e n o r m a l i z e d t h e r m a l s t r e s s . C r a c k e d f l a t p l a t e i n i t i a l l y a t t e m p e r a t u r e T o c o o l e d b y a m b i e n t t e m p e r a t u r e T c o a t x - 0 , x = L ( a f t e r [ 1 7 3 ] ) . 4 9 ( a ) . C a l c u l a t e d s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r a s a f u n c t i o n o f n o n d i m e n s i o n a l c r a c k l e n g t h f o r ( a ) T i B 2 . 4 9 ( b ) . C a l c u l a t e d s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r a s a f u n c t i o n o f n o n d i m e n s i o n a l c r a c k l e n g t h f o r ( b ) M a c o r . 4 9 ( c ) . C a l c u l a t e d s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r a s a f u n c t i o n o f n o n d i m e n s i o n a l c r a c k l e n g t h f o r ( c ) a l u m i n a . E f f e c t o f a b r a s i o n o n t h e n o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s v e r s u s t h e n u m b e r o f c u m u l a t i v e t h e r m a l s h o c k c y c l e s f o r M a c o r a n d a l u m i n a . A l l t h e r m a l s h o c k i n g f o r e a c h s p e c i m e n w a s d o n e f r o m 2 7 0 “ G i n t o a r o o m t e m p e r a t u r e d e i o n i z e d w a t e r b a t h . T h e s u r f a c e s t r e s s r a t i o , c a b / a u n , v e r s u s t h e r a t i o o f p r e - e x i s t i n g c o m p f e s s T v e s u r f a c e s t r e s s t o t h e u n s h o c k e d Y o u n g ’ s m o d u l u s , x / E o w h e r e h = 3 h . a b u n P a g e 1 6 8 1 6 9 1 7 0 1 7 1 1 7 3 1 7 6 1 7 7 1 7 8 1 8 3 1 8 9 F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e N u m b e r 5 2 . 5 3 . 5 4 . a b u n T h e s u r f a c e s t r e s s r a t i o , a / a , v e r s u s t h e r e l a t i v e h e a t t r a n s f e r c g g f f i c i g h t , h a / h u n a t x / E o - 0 , 0 . 0 0 0 2 , a n d 0 . 0 0 0 4 f o r b o t h a I u m l n a a n d M a c o r . I d e a l i z e d s c h e m a t i c s h o w i n g t h e h e a t t r a n s f e r r e g i m e s i n w a t e r [ 6 7 ] , w h e r e A T - T - T t ’ T S - t e m p e r a t u r e o f s p e c i m e n s u r f a c e , s a T - 1 0 0 ° C f o r w a t e r . F o r e x a m p l e , i f A T , t fi g t q u e n c h t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e i s 2 5 0 ° C , A T e i s 1 7 0 ° C . S c h e m a t i c o f ( a ) t w o a n d ( b ) t h r e e l a y e r c o m p o s i t e m o d e l . 5 5 ( a ) . T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n a , t h e v o l u m e n u m b e r d e n s i t y o f c r a c k s i n l a y e r , a n d t h e n o r m a l i z e d Y o u n g ’ s m o d u l u s c h a n g e f o r ( a ) t w o l a y e r c o m p o s i t e b a s e d o n r u l e o f m i x t u r e s m o d e l ( w h e n f G - 0 . 1 ) . 5 5 ( b ) . T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n d / d , t h e v o l u m e n u m b e r d e n s i t y o f c r a c k s i n l a y e r s , a n d t h e n o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s c h a n g e f o r ( b ) t h r e e l a y e r c o m p o s i t e b a s e d o n r u l e o f m i x t u r e s m o d e l ( w h e n f G - 0 . 1 , d - 0 . 1 x b a r . £ 2 t h i c k n e s s ) . 5 6 ( a ) . T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n a , A ( - f G fi N g ) a n d t h e n o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s c h a n g e f o r ( a ) t w o l a y e r c o m p o s i t e b a s e d o n r u l e o f m i x t u r e s m o d e l . 5 6 ( b ) . T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n d / d £ 2 , A l / A 2 ( - f G N / f G N ) , a n d t h e n o r m a l i z e d Y o u n g ' s m 6 d £ l u £ l c h i n é 6 f 6 r ( a ) t h r e e l a y e r c o m p o s i t e b a s e d o n r u l e o f m i x t u r e s m o d e l ( w h e n A 2 - 0 . 1 , d £ 2 = 0 . 1 x b a r t h i c k n e s s ) . . T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n a , A ( - f G N ) a n d t h e n o r m a l i z e d Y o u n g ’ s m o d u l u s c h a n g e f o r ( a ) t w o l a y e r c o m p o s i t e b a s e d o n d y n a m i c b e a m v i b r a t i o n m o d e l . . T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n a , A , a n d t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n f u l l ( e q u a t i o n 8 0 ) a n d a p p r o x i m a t i o n ( e q u a t i o n 8 0 c ) i n n o r m a l i z e d Y o u n g ’ s m o d u l u s c h a n g e o f t w o l a y e r c o m p o s i t e . X V I P a g e 1 9 0 1 9 1 1 9 9 2 0 4 2 0 4 2 0 7 2 0 7 2 0 8 2 1 3 F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e N u m b e r 5 9 . 6 0 . 6 1 . 6 2 ( a ) . 6 2 ( b ) . 6 3 . 6 4 . 6 5 . 6 6 . 6 7 . T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n d / d £ , A l / A Z ’ a n d t h e n o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s c h a n g e f o r ( a ) t h r e e l a y e r c o m p o s i t e b a s e d o n d y n a m i c b e a m v i b r a t i o n m o d e l . ( w h e n A 2 - 0 . 1 , d £ 2 T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n d l / d 2 2 ’ A l / A , a n d t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n f u l i ( e q u a t i o n 8 8 ) a n d a p p r o x i m a t i o n ( e q u a t i o n 8 8 b ) i n n o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s c h a n g e o f t h r e e l a y e r c o m p o s i t e . = 0 . 1 x b a r t h i c k n e s s ) T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n d / d , A l / A Z ’ a n d t h e l i m i t o f n o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s c h a n g e w h e n b o t h R 1 a n d R 2 g o e s t o i n f i n i t y f o r t h r e e l a y e r ( w h e n d = 0 . 1 x b a r t h i c k n e s s , £ 2 A 2 - 0 . 1 ) . T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n a , A , a n d t h e r a t i o o f n o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s c h a n g e ( d y n a m i c ) t o n o r m a l i z e d Y o u n g ’ s m o d u l u s c h a n g e ( R O M ) f o r t w o l a y e r c o m p o s i t e . T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n d / d s , A + A 2 , a n d t h e r a t i o o f n o r m a l i z e d Y o u n g ’ s m o d u l u s c h a n g e ( d y n a m i c ) t o n o r m a l i z e d Y o u n g ’ s m o d u l u s c h a n g e ( R O M ) f o r t w o l a y e r c o m p o s i t e ( w h e n d £ 1 - d 2 2 , A 1 - A 2 ) . S c h e m a t i c s o f ( a ) i n d e n t a t i o n h a l f e l l i p s e c r a c k ( b ) P a l m q v i s t c r a c k . M o d i f i c a t i o n o f c r a c k g e o m e t r y t o a c c o u n t f o r p l a s t i c z o n e l i g a m e n t o f V i c k e r s i n d e n t a t i o n i n d u c e d c r a c k . S c h e m a t i c s o f ( a ) t w o l a y e r a n d ( b ) t h r e e l a y e r c o m p o s i t e s w h e n i n d e n t a t i o n d a m a g e i s i n t r o d u c e d i n t o s p e c i m e n s u r f a c e . M i c r o g r a p h s o f c o m p r e s s i o n s i d e f r a c t u r e s u r f a c e s h o w i n g t h e s h a p e a n d s i z e o f m e d i a n c r a c k f o r ( a ) 4 9 N , ( b ) 9 8 N , E x p e r i m e n t a l r e s u l t s o f t h e ( E a - E V E o v e r s u s N ( m m ) w h e r e ( E o - E ) / E o i s t h e n o r m a l i z e d v a l u e o f t h e m o d u l u s c h a n g e d u e t o a s u r f a c e c r a c k n u m b e r d e n s i t y N o f m i c r o c r a c k s . X V I I . ( c ) 1 9 6 N l o a d i n d e n t a t i o n s . P a g e 2 1 5 2 1 9 2 2 1 2 2 2 2 2 2 2 3 1 2 3 4 2 4 0 2 4 2 2 4 5 F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e N u m b e r 6 8 ( a ) . 6 8 ( b ) . 6 8 ( c ) . 6 9 ( a ) . 6 9 ( b ) . 6 9 ( a ) . 7 0 ( a ) . 7 0 ( b ) . T h e c o m p a r i s o n o f e x p e r i m e n t a l v a l u e o f ( E o - E ) / E o v e r s u s N ( m m - ) w i t h d y n a m i c b e a m v i b r a t i o n t h e o r y p r e d i c t i o n s f r o m e a c h o f e i g h t d i f f e r e n t c r a c k g e o m e t r i e s f o r ( a ) 4 9 N i n d e n t a t i o n l o a d . T h e c o m p a r i s o n o f e x p e r i m e n t a l v a l u e o f ( E o - E ) / E o v e r s u s N ( m m - ) w i t h d y n a m i c b e a m v i b r a t i o n t h e o r y p r e d i c t i o n s f r o m e a c h o f e i g h t d i f f e r e n t c r a c k g e o m e t r i e s f o r ( b ) 9 8 N i n d e n t a t i o n l o a d . T h e c o m p a r i s o n o f e x p e r i m e n t a l v a l u e o f ( E o - E ) / E 0 v e r s u s N ( m m - ) w i t h d y n a m i c b e a m v i b r a t i o n t h e o r y p r e d i c t i o n s f r o m e a c h o f e i g h t d i f f e r e n t c r a c k g e o m e t r i e s f o r ( c ) 1 9 6 N i n d e n t a t i o n l o a d . T h e c o m p a r i s o n o f e x p e r i m e n t a l v a l u e o f ( E o - E ) / E o v e r s u s N ( m m - ) w i t h r u l e o f m i x t u r e s p r e d i c t i o n s f r o m e a c h o f e i g h t d i f f e r e n t c r a c k g e o m e t r i e s f o r ( a ) 4 9 N i n d e n t a t i o n l o a d . T h e c o m p a r i s o n o f e x p e r i m e n t a l v a l u e o f ( E D - E ) / E 0 v e r s u s N ( m m ) w i t h r u l e o f m i x t u r e s p r e d i c t i o n s f r o m e a c h o f e i g h t d i f f e r e n t c r a c k g e o m e t r i e s f o r ( b ) 9 8 N i n d e n t a t i o n l o a d . T h e c o m p a r i s o n o f e x p e r i m e n t a l v a l u e o f ( E o - E ) / E o v e r s u s N ( m m - ) w i t h r u l e o f m i x t u r e s p r e d i c t i o n s f r o m e a c h o f e i g h t d i f f e r e n t c r a c k g e o m e t r i e s f o r ( c ) 1 9 6 N i n d e n t a t i o n l o a d . T h e c o m p a r i s o n o f e x p e r i m e n t a l v a l u e o f ( E o - E ) / E o v e r s u s N ( m m - ) w i t h d y n a m i c b e a m v i b r a t i o n t h e o r y p r e d i c t i o n s f r o m e a c h o f t h r e e d i f f e r e n t c r a c k g e o m e t r i e s f o r ( a ) 4 9 N i n d e n t a t i o n l o a d . T h e c o m p a r i s o n o f e x p e r i m e n t a l v a l u e o f ( E D - E ) / E 0 v e r s u s N ( m m ' ) w i t h d y n a m i c b e a m v i b r a t i o n t h e o r y p r e d i c t i o n s f r o m e a c h o f t h r e e d i f f e r e n t c r a c k g e o m e t r i e s f o r ( b ) 9 8 N i n d e n t a t i o n l o a d . X V I I I P a g e 2 4 7 2 4 8 2 4 9 2 5 0 2 5 1 2 5 2 2 5 6 2 5 7 F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e F i g u r e N u m b e r 7 0 ( c ) . T h e c o m p a r i s o n o f e x p e r i m e n t a l v a l u e o f ( E a - E ) / E o v e r s u s N ( m m ' ) w i t h d y n a m i c b e a m v i b r a t i o n t h e o r y p r e d i c t i o n s f r o m e a c h o f t h r e e d i f f e r e n t c r a c k g e o m e t r i e s f o r ( c ) 1 9 6 N i n d e n t a t i o n l o a d . 7 1 ( a ) . T h e c o m p a r i s o n o f e x p e r i m e n t a l v a l u e o f ( E D - E ) / E o v e r s u s N ( m m - ) w i t h r u l e o f _ m i x t u r e s p r e d i c t i o n s f r o m e a c h o f t h r e e d i f f e r e n t c r a c k g e o m e t r i e s f o r ( a ) 4 9 N i n d e n t a t i o n l o a d . 7 1 ( b ) . T h e c o m p a r i s o n o f e x p e r i m e n t a l v a l u e o f ( E D - E ) / E o v e r s u s N ( m m - ) w i t h r u l e o f m i x t u r e s p r e d i c t i o n s f r o m e a c h o f t h r e e d i f f e r e n t c r a c k g e o m e t r i e s f o r ( b ) 9 8 N i n d e n t a t i o n l o a d . 7 1 ( 0 ) . T h e c o m p a r i s o n o f e x p e r i m e n t a l v a l u e o f 7 2 . 7 3 . 7 4 . B l . C 1 . C 2 . F l . ( E o - E ) / E o v e r s u s N ( m m - ) w i t h r u l e o f m i x t u r e s p r e d i c t i o n s f r o m e a c h o f t h r e e d i f f e r e n t c r a c k g e o m e t r i e s f o r ( c ) 1 9 6 N i n d e n t a t i o n l o a d . ( E o - E ) / E 0 v e r s u s N p l o t s b e t w e e n t h e o r y p r e d i c t i o n s a n d e x p e r i m e n t a l d a t a f o r m o d i f i e d h a l f e l l i p s e m o d e l - d y n a m i c b e a m v i b r a t i o n t h e o r y . ( E a - E ) / E o v e r s u s N p l o t s b e t w e e n t h e o r y p r e d i c t i o n s a n d e x p e r i m e n t a l d a t a f o r m o d i f i e d h a l f e l l i p s e m o d e l w i t h e l l i p t i c a l i n d e n t b o t t o m - d y n a m i c b e a m v i b r a t i o n t h e o r y . ( E o - E ) / E o v e r s u s N p l o t s b e t w e e n t h e o r y p r e d i c t i o n s a n d e x p e r i m e n t a l d a t a f o r m o d i f i e d 2 D s l i t c r a c k m o d e l - r u l e o f m i x t u r e s . S c h e m a t i c o f u n i a x i a l t e n s i l e l o a d i n g f o r ( a ) t w o l a y e r c o m p o s i t e a n d ( b ) t h r e e l a y e r c o m p o s i t e m o d e l . S c h e m a t i c o f t w o l a y e r m o d e l c o m p o s i t e b e a m , s t r a i n a n d s t r e s s d i s t r i b u t i o n . S c h e m a t i c o f t h r e e l a y e r m o d e l c o m p o s i t e b e a m , s t r a i n a n d s t r e s s d i s t r i b u t i o n . S c h e m a t i c o f p l a t e w i t h r e c t a n g u l a r a r r a y o f c r a c k s , w h i c h c o n s i d e r s i n t e r a c t i o n b e t w e e n r o w s o f c r a c k s . X I X P a g e 2 5 8 2 5 9 2 6 0 2 6 1 2 6 3 2 6 4 2 6 5 2 8 0 2 8 6 2 8 9 3 0 1 F i g u r e N u m b e r F i g u r e F 2 . F l a t p l a t e w i t h a d o u b l y p e r i o d i c r e c t a n g u l a r F i g u r e F i g u r e F 3 . G 1 . a r r a y o f c r a c k s , w h i c h c o n s i d e r s i n t e r a c t i o n s o f r o w a n d s t a c k o f c r a c k s o n e f f e c t i v e e l a s t i c c o n s t a n t s ( a f t e r [ f 3 ] ) . N o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s c h a n g e a s a f u n c t i o n o f s u r f a c e n u m b e r d e n s i t y o f c r a c k s f o r f u l l ( e q u a t i o n f 4 ) a n d d i l u t e ( e q u a t i o n f l ) . T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n d / d , A / A , a n d t h e l i m i t o f n o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s c h a n g e w h e n b o t h R 1 a n d R 2 g o e s t o a n i n f i n i t y ( w h e n d £ 2 - 0 . 1 x b a r t h i c k n e s s , A 2 = 0 . 1 ) . P a g e 3 0 3 3 0 4 3 0 9 ' T a b l e T a b l e T a b l e T a b l e T a b l e T a b l e T a b l e T a b l e T a b l e T a b l e T a b l e T a b l e T a b l e T a b l e T a b l e L I S T O F T A B L E S N u m b e r V P a g e 1 . D i m e n s i o n s a n d d e n s i t i e s o f p r i s m a t i c b a r — s h a p e d S i C f i b e r - A l u m i n o s i l i c a t e c o m p o s i t e s . l 7 2 . D i m e n s i o n s a n d D e n s i t y o f M a c o r G l a s s - c e r a m i c S p e c i m e n s l 7 3 . D i m e n s i o n s a n d d e n s i t i e s o f p r i s m a t i c b a r - s h a p e d T i 8 2 s p e c i m e n s . 2 1 4 . D i m e n s i o n s a n d D e n s i t i e s o f M a t e r i a l s u s e d i n t h i s S t u d y ( T i m e - d e p e n d e n t M o d u l u s R e c o v e r y ) . 3 8 5 . T h e d i m e n s i o n s a n d d e n s i t i e s o f t h e m a t e r i a l s t e s t e d ( h m e a s u r e m e n t ) . 4 5 6 . D i m e n s i o n s a n d D e n s i t i e s o f M a c o r a n d A l u m i n a S p e c i m e n s ( A b r a s i o n S t u d y ) . 4 9 7 . D i m e n s i o n s a n d d e n s i t i e s o f t h e p r i s m a t i c b a r s h a p e d a l u m i n a s p e c i m e n s . 5 1 8 . T h e n o n - l i n e a r r e g r e s s i o n r e s u l t s o f t h e r m a l f a t i g u e d a t a o f S i C f i b e r / A S c o m p o s i t e 7 9 9 . L e a s t - s q u a r e s b e s t f i t r e s u l t s o f l o g - l o g p l o t s _ 1 o f t h e n o r m a l i z e d s a t u r a t i o n v a l u e s ( A / E o a n d B / Q o ) w i t h A T / T r 8 7 1 0 T h e r m a l f a t i g u e r e s u l t s f o r M a c o r g l a s s - c e r a m i c s s e e f i g u r e 2 5 . f o r s c h e m a t i c o f t h e p a r a m e t e r s r e l a t i n g t o t h e r m a l f a t i g u e d a m a g e . 9 2 1 1 . M a t e r i a l s p r o p e r t i e s , t h e r m a l s h o c k r e s i s t a n c e p a r a m e t e r s , a n d e m p i r i c a l e x p o n e n t f o r t h e f o u r m a t e r i a l s i n c l u d e d i n t h i s t h e r m a l f a t i g u e s t u d y 1 0 2 1 2 . N o n - l i n e a r r e g r e s s i o n r e s u l t s o f Y o u n g ' s m o d u l u s a s a f u n c t i o n o f t h e n u m b e r o f t h e r m a l s h o c k c y c l e s . 1 0 5 1 3 . T h e r e s u l t s o f n o n - l i n e a r r e g r e s s i o n a n a l y s i s o f Y o u n g ’ s m o d u l u s r e c o v e r y v e r s u s t i m e d a t a f o r S i C f i b e r - A S c o m p o s i t e s 1 2 6 1 4 T h e r e s u l t s o f n o n - l i n e a r r e g r e s s i o n a n a l y s i s o f Y o u n g ' s m o d u l u s r e c o v e r y v e r s u s t i m e d a t a f o r M a c o r g l a s s - c e r a m i c s 1 2 7 T a b l e T a b l e T a b l e T a b l e T a b l e T a b l e T a b l e T a b l e T a b l e T a b l e T a b l e T a b l e T a b l e T a b l e N u m b e r 1 5 . T h e r e s u l t s o f n o n - l i n e a r r e g r e s s i o n a n a l y s i s o f Y o u n g ' s m o d u l u s r e c o v e r y v e r s u s t i m e d a t a f o r A l u m i n a 1 6 . A c o m p a r i s o n o f t h e r e c o v e r y t i m e c o n s t a n t s f o r t h e e l a s t i c i t y d a t a o b t a i n e d i n t h i s s t u d y a n d t h e c a l c u l a t e d t i m e c o n s t a n t s f o r p h y s i c a l p r o p e r t i e s f r o m o t h e r r e s e a r c h e r s 1 7 . T h e s p e c i f i c h e a t , c , a s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r e . 1 8 . T h e p o l y n o m i a l s e r i e s f o r m e a s u r e d t e m p e r a t u r e c h a n g e s v e r s u s t i m e . 1 9 . M a t e r i a l p r o p e r t i e s a s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r e , T ( ° C ) . 2 0 . L i n e a r r e g r e s s i o n r e s u l t s o f l n ( A / E o ) v e r s u s l n ( a m a x / a ) ( e q u a t i o n 5 6 ) t h f ' 2 1 . T h e v a l u e s o f f r a c t u r e t o u g h n e s s a n d s t r e n g t h f o r T i B z , A 1 2 0 3 a n d M a c o r . 2 2 . T h e r e s u l t s o f n o n - l i n e a r r e g r e s s i o n o f t h e r m a l f a t i g u e d a t a f o r a b r a d e d a n d u n a b r a d e d s p e c i m e n s . 2 3 M i c r o c r a c k i n g - m o d u l u s r e l a t i o n s f o r t h r e e - d i m e n s i o n a l c r a c k d i s t r i b u t i o n s . 2 4 . C r a c k g e o m e t r y m o d i f i c a t i o n s 2 5 . M e a n r a d i a l c r a c k l e n g t h s a s a f u n c t i o n o f i n d e n t l o a d , a s m e a s u r e d o p t i c a l l y f o r t h e i n d i c a t e d n u m b e r o f i n d e n t a t i o n s i t e s . 2 6 . I n d e n t a t i o n c r a c k d e p t h a s a f u n c t i o n o f i n d e n t l o a d , a s m e a s u r e d f r o m m i c r o g r a p h s o f f r a c t u r e s u r f a c e . 2 7 . E x p e r i m e n t a l l y d e t e r m i n e d s l o p e S , o f t h e ( E 0 - E ) / E o v e r s u s N ( m m - ) d a t a , w h e r e ( E o - E ) / E o i s t h e n o r m a l i z e d v a l u e o f t h e m o d u l u s c h a n g e d u e t o a s u r f a c e c r a c k n u m b e r d e n s i t y N o f m i c r o c r a c k s i n t h e p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a s p e c i m e n s . X X I I P a g e 1 2 8 1 4 2 1 5 5 1 5 5 1 6 3 1 6 7 1 8 1 1 8 5 2 2 7 2 3 6 2 4 4 2 4 4 2 4 4 T a b l e N u m b e r P a g e T a b l e 2 8 . T h e c o m p a r i s o n s o f t h e § l o p e s i n t h e ( E a - E ) / E o v e r s u s N ( m m - ) p l o t o f e x p e r i m e n t a l r e s u l t s w i t h t h o s e o f t h e o r e t i c a l p r e d i c t i o n ( D y n a m i c b e a m v i b r a t i o n t h e o r y ; a s s u m i n g v a r i o u s c r a c k g e o m e t r i e s , w h e r e N ( m m ' ) w a s c a l c u l a t e d c o n s i d e r i n g o n l y l a y e r v o l u m e . 2 5 3 T a b l e 2 9 . T h e c o m p a r i s o n s o f t h e g l o p e s i n t h e ( E o - E ) / E o v e r s u s N ( m m - ) p l o t o f e x p e r i m e n t a l r e s u l t s w i t h t h o s e o f t h e o r e t i c a l p r e d i c t i o n ( R u l e o f M i x g u r e s ) a s s u m i n g v a r i o u s c r a c k g e o m e t r i e s , w h e r e N ( m m - ) w a s c a l c u l a t e d c o n s i d e r i n g o n l y l a y e r v o l u m e . 2 5 4 T a b l e 3 0 . T h e c o m p a r i s o n s o f t h e s l o p e s i n t h e ( E o - E ) / E o v e r s u s N ( m m - ) p l o t o f e x p e r i m e n t a l r e s u l t s w i t h t h o s e o f t h e o r e t i c a l p r e d i c t i o n ( D y n a m i c B e a m V i b r a t i o n T h e o r y } a s s u m i n g v a r i o u s c r a c k g e o m e t r i e s , w h e r e N ( m m - ) i s a s u r f a c e n u m b e r d e n s i t y o f c r a c k s . 2 6 2 T a b l e 3 1 . T h e c o m p a r i s o n s o f t h e § 1 0 p e s i n t h e ( E o - E ) / E o v e r s u s N ( m m - ) p l o t o f e x p e r i m e n t a l r e s u l t s w i t h t h o s e o f t h e o r e t i c a l p r e d i c t i o n ( R u l e o f M i x t u r e s ) a s s u m i n g v a r i o u s c r a c k g e o m e t r i e s , w h e r e N ( m m - ) i s a s u r f a c e n u m b e r d e n s i t y o f c r a c k s . 2 6 2 X X I I I 1 . I N T R O D U C T I O N T h e r m o m e c h a n i c a l s t r e s s d e v e l o p e d b y r a p i d a m b i e n t t e m p e r a t u r e c h a n g e s [ 1 ] c a n r e s u l t i n m i c r o c r a c k i n g o r c a t a s t r o p h i c f a i l u r e f o r b r i t t l e m a t e r i a l s s u c h a s c e r a m i c s a n d c e r a m i c m a t r i x c o m p o s i t e s [ 2 - 9 ] . M a n y e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s o f c e r a m i c s i n v o l v e a m b i e n t t e m p e r a t u r e c h a n g e s , t h u s t h e r m a l s h o c k d a m a g e c h a r a c t e r i z a t i o n m u s t b e a n i n t e g r a l p a r t o f t h e e f f o r t t o i m p r o v e t h e r e l i a b i l i t y o f c e r a m i c s a n d c e r a m i c m a t r i x c o m p o s i t e s i n a n u m b e r o f t e c h n i c a l a p p l i c a t i o n s [ 1 0 , 1 1 ] . A m e a s u r e m e n t t e c h n i q u e f o r t h e s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t s o f s p e c i m e n w a s p r e s e n t e d t o c a l c u l a t e t h e m a x i m u m s u r f a c e t e n s i l e s t r e s s d u r i n g q u e n c h i n g . S i n c e a t e n s i l e s t r e s s d e v e l o p s o n t h e s u r f a c e f o r p l a t e c o o l e d f r o m t h e s u r f a c e ( f i g u r e 1 ) , m i c r o c r a c k i n g d a m a g e d u e t o t h e r m a l s h o c k c y c l i n g s i s e x p e c t e d t o b e s u r f a c e l i m i t e d . M o d u l u s - m i c r o c r a c k i n g c o m p o s i t e m o d e l s w h i c h b a s e d o n a r u l e o f m i x t u r e s a n d a d y n a m i c b e a m v i b r a t i o n t h e o r y w e r e d e v e l o p e d f o r t h e s u r f a c e l i m i t e d m i c r o c r a c k d i s t r i b u t i o n . A s p e c i m e n c o n t a i n i n g a s u r f a c e - l i m i t e d p o p u l a t i o n o f m i c r o c r a c k s w a s v i e w e d a s a c o m p o s i t e , w i t h t h e m i c r o c r a c k e d d a m a g e d r e g i o n a s l a y e r ( s ) o f r e d u c e d m o d u l u s i d e a l l y b o n d e d t o a n u n d a m a g e d l a y e r . I n t h i s s t u d y t h e t h e r m a l f a t i g u e d a m a g e o f c e r a m i c s a n d c e r a m i c m a t r i x c o m p o s i t e s w a s i n v e s t i g a t e d i n t e r m s o f n o n - d e s t r u c t i v e Y o u n g ' s m o d u l u s a n d i n t e r n a l f r i c t i o n m e a s u r e m e n t s , m a x i m u m t e n s i l e s u r f a c e s t r e s s d u r i n g q u e n c h i n g , a n d m o d u l u s - m i c r o c r a c k i n g c o m p o s i t e m o d e l s . c o m p r e s s i o n t e n s i o n \ o / \ / \ l o w e r t e m p e r a t u r e n e a r t h e s u r f a c e h i g h e r t e m p e r a t u r e i n t h e m i d d l e F i g u r e 1 . T e m p e r a t u r e a n d s t r e s s d i s t r i b u t i o n s f o r p l a t e c o o l e d f r o m t h e s u r f a c e ( a f t e r K i n g e r y e t a 1 . [ 1 2 ] ) . I t 1 . 1 T h e r m a l F a t i g u e 1 . 1 . 1 T h e r m a l S h o c k R e s i s t a n c e P a r a m e t e r s A l t h o u g h a n u m b e r o f t h e r m a l s h o c k r e s i s t a n c e p a r a m e t e r s a p p e a r i n t h e l i t e r a t u r e , t h e t h e r m a l s h o c k r e s i s t a n c e p a r a m e t e r s a r e n o t q u a n t i t a t i v e m e a s u r e o f t h e r m a l s h o c k r e s i s t a n c e . A t b e s t , t h e s e p a r a m e t e r s s e r v e t o r a n k t h e r e l a t i v e t h e r m a l s h o c k r e s i s t a n c e o f b r i t t l e m a t e r i a l s . T o c h a r a c t e r i z e t h e t h e r m a l s t r e s s r e s i s t a n c e o f c e r a m i c m a t e r i a l s , K i n g e r y [ 1 2 , 1 3 ] p r o p o s e d t h e r m a l s h o c k r e s i s t a n c e p a r a m e t e r s R a n d R ' R - a f ( 1 - v ) / ( E a ) ( 1 ) R ’ - R a f ( 1 - V ) / ( E a ) ( 2 ) w h e r e o f S t r e n g t h 7 “ h e r m a l c o n d u c t i v i t y P o i s s o n ' s r a t i o Y I E - Y o u n g ’ s m o d u l u s a - t h e r m a l e x p a n s i o n c o e f f i c i e n t A h i g h n u m e r i c a l v a l u e o f R o r R ' r e p r e s e n t s a t e n d e n c y t o a v o i d c r a c k i n i t i a t i o n . F o r e x a m p l e , a m a t e r i a l w i t h h i g h s t r e n g t h , h i g h t h e r m a l c o n d u c t i v i t y , l o w Y o u n g ' s m o d u l u s , l o w t h e r m a l e x p a n s i o n c o e f f i c i e n t , a n d P o i s s o n ’ s r a t i o m i n i m i z e c r a c k i n i t i a t i o n b y t h e r m a l s h o c k . T h u s t h e r e l i a b i l i t y o f c e r a m i c c o m p o n e n t s u n d e r t h e r m a l s h o c k i s i m p r o v e d i f t h e s u r f a c e o f t h e c o m p o n e n t i s s m o o t h e n o u g h t h a t c r a c k i n i t i a t i o n i s a m a j o r f a c t o r o f f a i l u r e . I f t h e r e a r e m a n y f l a w s p r e s e n t i n t h e c e r a m i c ( s u c h a s i s t h e c a s e i n a p o r o u s r e f r a c t o r y b r i c k ) , t h e n c r a c k i n i t i a t i o n i s n o t t h e i s s u e s i n c e m a n y i n i t i a l f l a w s a r e a l r e a d y p r e s e n t . F o r m a t e r i a l s w i t h a s i g n i f i c a n t n u m b e r o f i n i t i a l f l a w s , c r a c k p r o p a g a t i o n r a t h e r t h a n i n i t i a t i o n b e c o m e s t h e f o c u s o f t h e r m a l s h o c k r e s i s t a n c e p a r a m e t e r s . I n t h e c o n t e x t o f c r a c k p r o p a g a t i o n , t h e t h e r m a l s h o c k r e s i s t a n c e p a r a m e t e r s , R " ’ a n d R " " a r e d e f i n e d a s [ 1 2 , 1 3 ] 2 R " ’ = E / { U f ( 1 - V ) } ( 3 ) I I I ! 2 R = E A e f f / ( a f ( l - V ) } ( 4 ) w h e r e A e f f = f r a c t u r e s u r f a c e e n e r g y o f t h e c e r a m i c T h e p a r a m e t e r R " ’ r e p r e s e n t s t h e m i n i m u m a v a i l a b l e e l a s t i c e n e r g y f o r c r a c k p r o p a g a t i o n . R " " i s t h e m i n i m u m c r a c k p r o p a g a t i o n d i s t a n c e b e f o r e c a t a s t r o p h i c t h e r m a l s t r e s s f a i l u r e . T o m i n i m i z e c r a c k p r o p a g a t i o n u n d e r t h e r m a l s h o c k , a m a t e r i a l w h i c h h a s h i g h Y o u n g ' s m o d u l u s , f r a c t u r e s u r f a c e e n e r g y , P o i s s o n ’ s r a t i o a n d l o w s t r e n g t h i s r e q u i r e d . T h u s , t h e r o l e s o f Y o u n g ’ s m o d u l u s , s t r e n g t h a n d P o i s s o n ' s r a t i o i n t h e r m a l s h o c k r e s i s t a n c e p a r a m e t e r s a r e o p p o s i t e i n n a t u r e d e p e n d i n g o n w h e t h e r t h e r m a l s h o c k r e s i s t a n c e i s b e i n g d e t e r m i n e d f r o m t h e v i e w p o i n t o f a v o i d i n g t h e r m a l c r a c k i n i t i a t i o n o r w h e t h e r o n e i s c o n c e r n e d w i t h a v o i d i n g t h e r m a l c r a c k p r o p a g a t i o n . T h u s t h e r m a l s h o c k r e s i s t a n c e p a r a m e t e r s s h o u l d b e s e l e c t e d o n t h e b a s i s o f w h e t h e r c r a c k i n i t i a t i o n o r c r a c k p r o p a g a t i o n i s d o m i n a n t f o r a g i v e n c e r a m i c . T h e r m a l s h o c k r e s i s t a n c e p a r a m e t e r s a r e c o n t r a d i c t o r y t h e m s e l v e s d e p e n d i n g o n t h e r m a l s h o c k d a m a g e m e c h a n i s m . F u r t h e r m o r e t h e r m a l s h o c k d a m a g e p a r a m e t e r s d o n o t p r e d i c t r e p e a t e d t h e r m a l s h o c k b e h a v i o r o f c e r a m i c s . T h u s i n t h i s s t u d y t h e r m a l f a t i g u e p a r a m e t e r s f r o m Y o u n g ' s m o d u l u s a n d i n t e r n a l f r i c t i o n m e a s u r e m e n t s w e r e r e l a t e d w i t h m a t e r i a l p a r a m e t e r s , s u c h a s f r a c t u r e t o u g h n e s s . 1 . 1 . 2 T h e r m a l F a t i g u e S i n g l e q u e n c h t h e r m a l s h o c k t e s t i n g ( s i n g l e q u e n c h - f r a c t u r e t e s t ) [ 5 - 9 ] d o e s n o t d i r e c t l y m o d e l t h e t h e r m a l s h o c k d a m a g e i n d u c e d i n m a n y i n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s . I f a c o m p o n e n t i s s e v e r e l y d a m a g e d a f t e r t h e f i r s t t h e r m a l s h o c k c y c l e , t h e n t h e d e s i g n , t h e m a t e r i a l ( o r b o t h ) a r e j u d g e d t o b e u n s a t i s f a c t o r y . F o r e x a m p l e , i f a c e r a m i c t u r b i n e r o t o r d e v e l o p s s e v e r e c r a c k s a f t e r t h e f i r s t t h e r m a l s h o c k , t h e n t h e r o t o r m u s t b e r e d e s i g n e d t o a l l o w t h e r o t o r t o s u r v i v e t h e s e v e r a l h u n d r e d o r s e v e r a l t h o u s a n d t h e r m a l s h o c k c y c l e s e x p e c t e d o f a f u n c t i o n i n g t u r b i n e r o t o r . E v e n i n l e s s s e v e r e t h e r m a l s h o c k s i t u a t i o n s , s u c h a s i n c o m p u t e r s u b s t r a t e s [ 1 4 , 1 5 ] , t h e d e s i g n e r s t i l l i s c o n c e r n e d w i t h r e p e t i t i v e t h e r m a l l o a d i n g t h a t d e g r a d e s t h e s u b s t r a t e a f t e r a g r e a t n u m b e r o f t h e r m a l c y c l e s . T h u s , i n o r d e r t o a d d r e s s t h e t y p e o f d a m a g e i n v o l v e d i n m a n y i n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s o f c e r a m i c s , o n e m u s t d e a l w i t h c y c l i c t h e r m a l s h o c k ( t h e r m a l f a t i g u e ) . W h i l e m o s t o f t h e t h e r m a l s h o c k s t u d i e s o n c e r a m i c s h a v e e m p l o y e d t h e " s i n g l e q u e n c h - f r a c t u r e t e s t " p r o t o c o l , s e v e r a l s t u d i e s h a v e a d d r e s s e d c y c l i c t h e r m a l s h o c k d a m a g e i n c e r a m i c s [ 1 6 - 2 0 ] . H o w e v e r , e v e n c y c l i c t h e r m a l s h o c k s t u d i e s [ 1 6 - 2 0 ] a r e t y p i c a l l y b a s e d s o l e l y o n r e s i d u a l s t r e n g t h t e s t i n g . T h e r m a l s h o c k d a m a g e c h a r a c t e r i z a t i o n v i a f r a c t u r e t e s t i n g a l o n e i s s o m e w h a t l i m i t e d b y t h e n a t u r e o f b r i t t l e f r a c t u r e i t s e l f , r e g a r d l e s s o f w h e t h e r t h e s p e c i m e n s a r e s u b j e c t e d t o s i n g l e o r m u l t i p l e t h e r m a l s h o c k s . F r a c t u r e o f m o n o l i t h i c c e r a m i c s d e p e n d s o n t h e d e t a i l s o f t h e l e n g t h a n d s p a t i a l d i s t r i b u t i o n s o f m a x i m a l f l a w s i n t h e t e s t s p e c i m e n [ 2 1 ] , a s w e l l a s t h e d e t a i l s o f t h e s t r e s s d i s t r i b u t i o n . S t r e n g t h d a t a c a n e x h i b i t c o n s i d e r a b l e s c a t t e r , w h e r e t h e u n c e r t a i n t y i n s t r e n g t h v a l u e s c a n e a s i l y e x c e e d 1 0 t o 1 5 p e r c e n t o f t h e m e a s u r e d m e a n s t r e n g t h [ 6 , 7 ] . A c c o r d i n g t o B r a d t e t . a 1 [ 2 - 4 ] , a f a t i g u e e x p e r i m e n t w o u l d l i k e l y i n c l u d e a s u f f i c i e n t n u m b e r o f s p e c i m e n s t o g u a r a n t e e g o o d s t a t i s t i c s f o r r e s i d u a l s t r e n g t h t e s t i n g . A l s o , f o r r e s i d u a l s t r e n g t h t e s t i n g , a s f o r a n y d e s t r u c t i v e t e s t , o n e m u s t a c c o u n t f o r s t a t i s t i c a l f l u c t u a t i o n s i n t h e m e a s u r e d p r o p e r t y ( s t r e n g t h ) a m o n g t h e m a n y i n d i v i d u a l s p e c i m e n s m e a s u r e d . C e r a m i c s c a n e x h i b i t s i g n i f i c a n t s p e c i m e n t o s p e c i m e n v a r i a t i o n s i n s t r e n g t h f o r s p e c i m e n s t a k e n f r o m a s i n g l e b i l l e t , a n d e v e n m o r e s i g n i f i c a n t v a r i a t i o n s b e t w e e n d i f f e r e n t b a t c h e s o f a g i v e n m a t e r i a l . I n a d d i t i o n t o t h e s t a t i s t i c a l d i f f i c u l t i e s , t e c h n i c a l c e r a m i c s c a n b e e x p e n s i v e , d i f f i c u l t t o p r o c e s s a n d m a c h i n e . T h u s a c y c l i c t h e r m a l s h o c k s t u d y i n v o l v i n g a t h o u s a n d s t r e n g t h s p e c i m e n s w o u l d b e u n w i e l d i l y a n d e x p e n s i v e a t b e s t . I n c o n t r a s t , m o n i t o r i n g c y c l i c t h e r m a l s h o c k d a m a g e b y e l a s t i c i t y a n d i n t e r n a l f r i c t i o n m e a s u r e m e n t s o v e r c o m e s m a n y o f t h e s h o r t c o m i n g s o f t h e s i n g l e q u e n c h - f r a c t u r e t e s t m e t h o d o l o g y [ 2 2 - 2 5 ] . E l a s t i c i t y a n d i n t e r n a l f r i c t i o n t e s t s a r e n o n d e s t r u c t i v e s o t h e e v o l u t i o n o f t h e r m a l s h o c k d a m a g e d u r i n g r e p e a t e d t h e r m a l s h o c k i n g c a n b e s t r a i g h t f o r w a r d l y d e t e r m i n e d f o r e a c h s p e c i m e n . I n a d d i t i o n , f o r a s p e c i m e n h a v i n g Y o u n g ' s m o d u l u s E , t h e u n c e r t a i n t y i n t h e m o d u l u s m e a s u r e m e n t i s a t m o s t a b o u t 0 . 0 1 8 , w h i c h i s a n o r d e r o f m a g n i t u d e o r m o r e i m p r o v e m e n t i n p r e c i s i o n , w h e n c o m p a r e d t o f r a c t u r e t e s t s . I n t h i s s t u d y , t h e r m a l f a t i g u e d a m a g e w a s m o n i t o r e d n o n - d e s t r u c t i v e l y b y e l a s t i c m o d u l u s a n d i n t e r n a l f r i c t i o n m e a s u r e m e n t s o n S i C f i b e r r e i n f o r c e d a l u m i n o s i l i c a t e c o m p o s i t e s [ 2 2 ] , M a c o r g l a s s - c e r a m i c s [ 2 3 ] , S i C w h i s k e r / a l u m i n a c o m p o s i t e s [ 2 4 ] , p o l y c r y s t a l l i n e t i t a n i u m d i b o r i d e , a n d p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a [ 2 5 ] . 1 . 2 . T i m e - d e p e n d e n t E l a s t i c M o d u l u s R e c o v e r y M e a s u r e m e n t o n T h e r m a l l y S h o c k e d S i C f i b e r / A l u m i n o s i l i c a t e C o m p o s i t e s , M a c h i n a b l e G l a s s C e r a m i c s a n d P o l y c r y s t a l l i n e A l u m i n a M i c r o c r a c k s i n m o n o l i t h i c c e r a m i c s a n d c e r a m i c c o m p o s i t e s m a y b e g e n e r a t e d b y m a n y m e c h a n i s m s i n c l u d i n g t h e r m a l e x p a n s i o n m i s m a t c h [ 2 6 , 2 7 ] , t h e r m a l s h o c k [ 1 ] , p h a s e c h a n g e s [ 2 8 , 2 9 ] , g r i n d i n g a n d m e c h a n i c a l i m p a c t [ 3 0 - 3 2 ] . E x p e r i m e n t a l s t u d i e s h a v e d o c u m e n t e d m i c r o c r a c k - i n d u c e d c h a n g e s i n a d i v e r s e r a n g e o f p r o p e r t i e s s u c h a s s t r e n g t h [ 6 , 7 ] , e l a s t i c m o d u l u s [ 2 2 - 2 5 , 3 3 , 3 4 ] , i n t e r n a l f r i c t i o n [ 2 2 - 2 5 , 3 3 , 3 4 ] , a n d o p t i c a l t r a n s p a r e n c y [ 3 4 ] . I n a d d i t i o n t o m i c r o c r a c k - g e n e r a t i o n s t u d i e s , n u m e r o u s s t u d i e s s h o w t h a t m i c r o c r a c k s a l s o c a n b e h e a l e d [ 3 5 - 5 8 ] . H o w e v e r , m i c r o c r a c k h e a l i n g t y p i c a l l y i s o b s e r v e d i n t e r m s o f h i g h — t e m p e r a t u r e d i f f u s i v e h e a l i n g , t h a t i s , f o r t e m p e r a t u r e s a b o v e a h o m o l o g o u s t e m p e r a t u r e o f a b o u t 0 . 6 [ 3 6 - 4 8 ] . M i c r o c r a c k a n d m a c r o c r a c k h e a l i n g i n c e r a m i c s h a v e b e e n o b s e r v e d a t o r n e a r r o o m t e m p e r a t u r e , m a i n l y i n g l a s s [ 5 1 - 5 3 , 5 5 - 5 7 ] a n d m i c a [ 4 9 , 5 0 , 5 5 ] , a n d o n l y r e c e n t l y f o r a p o l y c r y s t a l l i n e c e r a m i c [ 5 8 ] . T h i s s t u d y c o n s i d e r s p a r t i a l r o o m - t e m p e r a t u r e m i c r o c r a c k h e a l i n g i n t h r e e d i f f e r e n t t h e r m a l l y s h o c k e d c e r a m i c m a t e r i a l s . 1 . 3 . T h e M e a s u r e m e n t o f t h e S u r f a c e H e a t T r a n s f e r C o e f f i c i e n t f o r C e r a m i c s Q u e n c h e d i n t o a W a t e r B a t h T h e t h e r m a l s t r e s s e s t h a t d e v e l o p i n a c e r a m i c d u r i n g t h e r m a l q u e n c h i n g c a n b e e x p r e s s e d a s a f u n c t i o n o f t h e q u e n c h t e m p e r a t u r e * d i f f e r e n c e , t h e Y o u n g ' s m o d u l u s , t h e c o e f f i c i e n t o f t h e r m a l e x p a n s i o n , P o i s s o n ' s r a t i o , a n d B i o t ' s m o d u l u s [ 1 2 , 5 9 , 6 0 ] , w h e r e B i o t ’ s m o d u l u s i s d e f i n e d a s B - a h / k ( 5 ) s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t w h e r e h k a t h e r m a l c o n d u c t i v i t y o f t h e q u e n c h e d s p e c i m e n a - s p e c i m e n h a l f - t h i c k n e s s . C a l c u l a t i o n s o f t h e r m a l s t r e s s e s a r e c o m p l i c a t e d b y t h e f a c t t h a t m o s t o f t h e p a r a m e t e r s i n v o l v e d a r e a l s o f u n c t i o n s o f t e m p e r a t u r e . W h i l e m e a s u r e m e n t t e c h n i q u e s a r e a v a i l a b l e a n d r e l a t i v e l y w e l l k n o w n f o r d e t e r m i n i n g t h e t e m p e r a t u r e d e p e n d e n c e o f Y o u n g ' s m o d u l u s [ 3 5 , 6 1 ] , P o i s s o n ’ s r a t i o [ 6 1 ] , t h e r m a l e x p a n s i o n [ 6 2 ] , a n d t h e r m a l c o n d u c t i v i t y [ 6 3 ] , m a t e r i a l s s c i e n t i s t s t y p i c a l l y r e s o r t t o c a l c u l a t i o n s f o r t h e t e m p e r a t u r e d e p e n d e n c e o f h , t h e s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t [ 8 , 6 4 , 6 6 ] . F o r a q u e n c h i n t o a w a t e r b a t h t h e s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t e x p r e s s i o n s t h a t a r e a v a i l a b l e a r e s e m i - e m p i r i c a l a n d d e p e n d e n t o n a h o s t o f t h e r m o p h y s i c a l p r o p e r t i e s [ 8 , 6 4 - 6 9 ] . F u r t h e r m o r e , t h e f o r m s o f t h e h m o d e l s c h a n g e d r a m a t i c a l l y i f b o i l i n g o c c u r s o r i f ( a t h i g h e r t e m p e r a t u r e s ) a v a p o r * T h e q u e n c h t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e i s t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e s p e c i m e n ' s m a x i m u m t e m p e r a t u r e a n d t h e t e m p e r a t u r e o f t h e q u e n c h b a t h . 1 0 f i l m f o r m s a r o u n d t h e q u e n c h e d s p e c i m e n [ 6 7 - 6 9 ] . A s a f u r t h e r c o m p l i c a t i o n , m o d e l s o f h f o r t h e b o i l i n g r e g i m e a r e s t i l l v e r y s k e t c h y [ 6 7 - 6 9 ] . I n s p i t e o f t h e d i f f i c u l t i e s i n c a l c u l a t i n g h , s u c h v a l u e s a r e c r u c i a l t o t h e r m a l s t r e s s c a l c u l a t i o n s , s i n c e f o r a w a t e r q u e n c h , t h e v a l u e o f h i s p r e d i c t e d t o c h a n g e b y w e l l o v e r a n o r d e r o f m a g n i t u d e a s t h e q u e n c h t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e r a n g e s o v e r a f e w h u n d r e d d e g r e e s C e l c i u s [ 8 , 6 4 - 6 6 , 7 0 ] . I n t h i s s t u d y , w e p r e s e n t a t e c h n i q u e f o r m e a s u r i n g t h e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t f o r c e r a m i c s t h e r m a l l y q u e n c h e d i n t o a r o o m t e m p e r a t u r e w a t e r b a t h . T h e t e c h n i q u e c o m b i n e s a p a r a m e t e r e s t i m a t i o n t e c h n i q u e f o r h d e v e l o p e d b y m e c h a n i c a l e n g i n e e r s b u t ( t o t h e a u t h o r s ' k n o w l e d g e ) n o t p r e v i o u s l y u t i l i z e d b y m a t e r i a l s s c i e n t i s t s , w i t h t h e f a s t - r e s p o n s e c a p a b i l i t i e s o f r e c e n t l y d e v e l o p e d t h i n f i l m t h e r m o c o u p l e s . 1 . 4 . E f f e c t s o f S u r f a c e A b r a s i o n o n t h e T h e r m a l F a t i g u e o f C e r a m i c s I n a d d i t i o n t o i n t r o d u c i n g s u r f a c e f l a w s , s u r f a c e a b r a s i o n o f c e r a m i c s m a y i n t r o d u c e s i g n i f i c a n t s u r f a c e c o m p r e s s i v e s t r e s s e s [ 7 1 , 7 2 ] . F o r e x a m p l e , s u c h s t r e s s e s m a y i n c r e a s e t h e s t r e n g t h o f a b r a d e d g l a s s c e r a m i c s p e c i m e n s b y u p t o 4 6 p e r c e n t a b o v e t h e s t r e n g t h o f u n a b r a d e d s p e c i m e n s [ 7 1 ] . I n t h e r m a l s h o c k t e s t s , s u r f a c e a b r a s i o n h a s b e e n o b s e r v e d t o d e c r e a s e t h e c r i t i c a l q u e n c h t e m p e r a t u r e 1 1 d i f f e r e n c e , A T C , f o r r e t a i n e d s t r e n g t h m e a s u r e m e n t s f o r g l a s s e s [ 7 3 ] a n d g l a s s c e r a m i c s [ 7 4 ] . H o w e v e r , t h e c e r a m i c s l i t e r a t u r e d o e s n o t d i s c u s s a n o t h e r s i g n i f i c a n t a n d p o t e n t i a l l y i m p o r t a n t e f f e c t o f s u r f a c e a b r a s i o n , w h i c h i s t h e i n c r e a s e i n t h e s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t f o r t h e b o i l i n g n u c l e a t i o n r e g i m e [ 7 5 ] . S i n c e t h e B i o t m o d u l u s i s a l i n e a r f u n c t i o n o f h , a n d q u e n c h - i n d u c e d s u r f a c e s t r e s s e s c a n b e s e n s i t i v e f u n c t i o n s o f t h e B i o t m o d u l u s , i n c r e a s e s i n h i m p l y i n c r e a s e s i n t h e s u r f a c e t e n s i l e s t r e s s e s e x p e r i e n c e d b y a s p e c i m e n d u r i n g q u e n c h i n g . I n t h i s s t u d y , c h a n g e s i n Y o u n g ’ s m o d u l u s m o n i t o r t h e e f f e c t o f s u r f a c e a b r a s i o n o n c y c l i c a l l y t h e r m a l s h o c k e d s p e c i m e n s o f a b r a d e d a n d u n a b r a d e d a l u m i n a a n d g l a s s c e r a m i c s . I n a d d i t i o n , e s t i m a t e s a r e m a d e o f t h e n e t s u r f a c e s t r e s s e s i n d u c e d b y t h e r m a l q u e n c h i n g o f a b r a d e d s p e c i m e n s . 1 . 5 . T h e E f f e c t o f S u r f a c e L i m i t e d M i c r o c r a c k s o n t h e E f f e c t i v e Y O u n g ' s M o d u l u s o f C e r a m i c s 1 . 5 . 1 . A n a l y s i s M i c r o c r a c k s d e c r e a s e t h e e f f e c t i v e Y o u n g ’ s m o d u l u s [ 2 2 - 2 5 , 7 6 - 7 8 ] o f m a t e r i a l s . T h e o r i e s r e l a t i n g t h e a v e r a g e m i c r o c r a c k s i z e , m i c r o c r a c k g e o m e t r y , a n d t h e n u m b e r d e n s i t y o f m i c r o c r a c k s t o t h e d e c r e m e n t i n Y o u n g ' s m o d u l u s t y p i c a l l y d e s c r i b e e i t h e r t h r e e - 1 2 d i m e n s i o n a l d i s t r i b u t i o n s o f m i c r o c r a c k s i n a m a t e r i a l [ 7 6 - 7 8 ] o r t w o - d i m e n s i o n a l d i s t r i b u t i o n s s u c h a s t h r o u g h c r a c k s i n p l a t e s [ 7 9 — 8 1 ] . T h e t h r e e d i m e n s i o n a l t h e o r i e s t r e a t e i t h e r r a n d o m l y o r i e n t e d o r a l i g n e d m i c r o c r a c k s [ 7 6 - 7 8 ] , w h e r e t h e t h e c e n t r o i d o f t h e c r a c k s u r f a c e s a r e h o m o g e n e o u s l y d i s t r i b u t e d i n t h r e e d i m e n s i o n s . T h u s , s u c h t h e o r i e s [ 7 6 - 8 1 ] d o n o t t r e a t n o n u n i f o r m s p a t i a l d i s t r i b u t i o n s o f t h e m i c r o c r a c k s p a t i a l d i s t r i b u t i o n s , s u c h a s t h e c a s e o f a m i c r o c r a c k p o p u l a t i o n l i m i t e d t o a l a y e r n e a r t h e s u r f a c e o f a b r i t t l e s p e c i m e n . I n c e r a m i c s , s u r f a c e - l i m i t e d m i c r o c r a c k d i s t r i b u t i o n s ( t h a t i s , d i s t r i b u t i o n s o f m i c r o c r a c k s t h a t o c c u r p r e f e r e n t i a l l y i n a l a y e r n e a r t h e s p e c i m e n ' s s u r f a c e ) a r e e x p e r i m e n t a l l y o b s e r v e d i n : ( a ) m a c h i n i n g d a m a g e [ 3 1 , 3 2 , 8 2 - 8 6 ] , ( b ) i n d e n t a t i o n [ 8 7 - 9 2 ] a n d ( c ) i m p a c t d a m a g e [ 9 3 - 9 6 ] . F o r e x a m p l e , m i c r o c r a c k s g e n e r a t e d b y m a c h i n i n g t y p i c a l l y a p p e a r a s t w o a r r a y s o f s e m i - e l l i p t i c a l c r a c k s w i t h o n e s e t p a r a l l e l t o t h e g r i n d i n g d i r e c t i o n a n d t h e o t h e r s e t n o r m a l t o t h e g r i n d i n g d i r e c t i o n [ 8 2 ] . W e c o n s i d e r m i c r o c r a c k i n g - m o d u l u s r e l a t i o n s h i p s f o r m i c r o c r a c k d a m a g e d i s t r i b u t e d u n i f o r m l y w i t h i n a s u r f a c e l a y e r o r l a y e r s . W i t h i n t h e d a m a g e d l a y e r , t h e c r a c k s m a y b e e i t h e r r a n d o m l y o r i e n t e d o r a l i g n e d , b u t b e n e a t h t h e s u r f a c e d a m a g e d l a y e r ( s ) t h e s p e c i m e n i s m i c r o c r a c k f r e e . 1 . 5 . 2 C r a c k G e o m e t r y M o d i f i c a t i o n I n t h i s p a p e r , w e e x t e n d g e n e r a l i z e d e x p r e s s i o n s f o r t h e m o d u l u s o f b r i t t l e m a t e r i a l s s u b j e c t e d t o s u r f a c e l i m i t e d m i c r o c r a c k i n g [ 9 7 ] . T o m o d e l c h a n g e s i n e l a s t i c m o d u l i f o r s u r f a c e l i m i t e d m i c r o c r a c k d a m a g e , t h e a u t h o r s c o n v e r t e d t h e p r o b l e m o f c h a r a c t e r i z i n g t h e d a m a g e s t a t e o f a s u r f a c e - m i c r o c r a c k e d b a r t o a n e l a s t i c i t y p r o b l e m [ 9 7 ] . M i c r o c r a c k i n g d e c r e a s e s t h e e l a s t i c m o d u l u s o f e i t h e r o n e o r t w o o f t h e l o n g t r a n s v e r s e f a c e s o f a b a r - s h a p e d s p e c i m e n ( f i g u r e 2 ) . T h u s t h e b a r c a n b e v i e w e d a s a t w o o r t h r e e l a y e r c o m p o s i t e , w i t h t h e m i c r o c r a c k e d l a y e r ( s ) h a v i n g a r e d u c e d e l a s t i c m o d u l u s . T h e a u t h o r s m o d e l e d t h e o v e r a l l , e f f e c t i v e m o d u l u s o f t h e c o m p o s i t e v i a ( b o n d e d d a m a g e d a n d u n d a m a g e d l a y e r s ) i n t h e f o l l o w i n g w a y s : ( 1 ) v i a a r u l e o f m i x t u r e s f o r m u l a t i o n , w h i c h i m p l i e s a s t a t i c , t e n s i l e m e a s u r e m e n t o f m o d u l u s a n d ( 2 ) b y t h e B e r n o u l i - E u l e r b e a m e q u a t i o n , w h i c h i s a p p r o p r i a t e t o a d y n a m i c e l a s t i c m o d u l u s m e a s u r e m e n t o f t h e o v e r a l l m o d u l u s . T h e R O M a n d d y n a m i c m o d u l u s e x p r e s s i o n s w e r e t h u s f u n c t i o n s o f E 1 , t h e e l a s t i c m o d u l u s o f t h e m i c r o c r a c k e d l a y e r . T o e x p r e s s t h e c o m p o s i t e ( o v e r a l l ) m o d u l u s e x p l i c i t l y i n t e r m s o f m i c r o c r a c k p a r a m e t e r s , E 2 w a s e x p r e s s e d d i r e c t l y i n t e r m s o f m i c r o c r a c k o r i e n t a t i o n , g e o m e t r y , a n d n u m b e r d e n s i t y . I n t h i s s t u d y w e c o n s i d e r t h e e f f e c t o f p a r t i c u l a r c r a c k g e o m e t r i e s a n d c r a c k o r i e n t a t i o n s , i n c l u d i n g a " m o d e l " c r a c k f i e l d p r o d u c e d b y a d i s t r i b u t i o n o f i n d e n t a t i o n c r a c k s . l 3 l o n g t r a n s v e r s e f a c e F i g u r e 2 . I l l u s t r a t i o n o f l o n g t r a n s v e r s e s u r f a c e o f p r i s m a t i c b a r - S h a P e d s p e c i m e n . 1 . 5 . 3 . H e d e l S y s t e m o f I n d e n t a t i o n C r a c k s A l i g n e d V i c k e r s i n d e n t a t i o n c r a c k s i n p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a b a r s s e r v e d a s a m o d e l p o p u l a t i o n o f s u r f a c e - l i m i t e d m i c r o c r a c k s . T h e a b i l i t y t o c o n t r o l a n d m e a s u r e t h e n u m b e r , l o c a t i o n , a n d s i z e o f t h e i n d e n t a t i o n - i n d u c e d s u r f a c e c r a c k s f a c i l i t a t e s t h e c o m p a r i s o n b e t w e e n t h e o r y a n d e x p e r i m e n t . C h a n g e s i n t h e Y o u n g ’ s m o d u l u s w e r e m e a s u r e d a s a f u n c t i o n o f t h e n u m b e r a n d s i z e o f V i c k e r s i n d e n t a t i o n c r a c k s p l a c e d o n t h e s p e c i m e n s u r f a c e s . T w o t y p e s o f c o m p o s i t e l a y e r m o d e l s f o r s u r f a c e - l i m i t e d m i c r o c r a c k i n g d a m a g e w e r e c o n s i d e r e d : ( 1 ) d y n a m i c b e a m t h e o r y m o d e l s a n d ( 2 ) r u l e o f m i x t u r e s ( R O M ) m o d e l s . I n b o t h t y p e s o f m o d e l s , t h e m o d u l u s o f t h e c r a c k - d a m a g e d l a y e r ( s ) i s r e d u c e d a c c o r d i n g t o t h e n u m b e r , s i z e a n d g e o m e t r y o f i n d e n t a t i o n c r a c k s p r e s e n t o n t h e s p e c i m e n s u r f a c e [ 7 6 - 7 8 , 9 7 ] . A r e a l i s t i c d e s c r i p t i o n o f t h e i n d e n t a t i o n c r a c k s , n a m e l y a h a l f e l l i p s e c r a c k m o d i f i e d t o a c c o u n t f o r t h e i n d e n t a t i o n - i n d u c e d p l a s t i c z o n e m o d e l s t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s w e l l . 1 5 2 . E X P E R I M E N T A L P R O C E D U R E 2 . 1 T h e r m a l f a t i g u e 2 . 1 . 1 M a t e r i a l s T e s t e d a n d S p e c i m e n C h a r a c t e r i z a t i o n U n i a x i a l l y r e i n f o r c e d S i C f i b e r ( N i c a l o n ) / 1 i t h i u m a l u m i n o s i l i c a t e ( L A S ) g l a s s c e r a m i c c o m p o s i t e s h a v i n g a f i b e r v o l u m e f r a c t i o n o f 3 5 % w e r e f a b r i c a t e d b y C o r n i n g G l a s s W o r k s . T h e f i b e r d i a m e t e r w a s a p p r o x i m a t e l y 1 0 p m ( f i g u r e 3 ) . T h e a s - r e c e i v e d c o m p o s i t e s , w h i c h h a d a m e a n m a s s d e n s i t y o f a b o u t 2 . 2 4 g r a m s p e r c u b i c c e n t i m e t e r , w e r e c u t i n t o p r i s m a t i c b a r s p e c i m e n s a p p r o x i m a t e l y 0 . 1 5 c m x 1 . 2 c m x 4 . 9 c m ( t a b l e 1 ) . A f t e r c u t t i n g , s p e c i m e n s w e r e a n n e a l e d a t 5 0 0 d e g r e e C i n a i r f o r 1 0 h o u r s t o r e l i e v e r e s i d u a l s t r e s s e s . M a c o r ( C o r n i n g c o d e 9 6 5 8 ) m a c h i n a b l e g l a s s - c e r a m i c s c o n t a i n i n g a d i s p e r s e d p h a s e o f r a n d o m l y o r i e n t e d f l u o r o m i c a p l a t e l e t s o f a p p r o x i m a t e l y 1 0 p m l o n g a n d a f e w m i c r o m e t e r w i d e ( f i g u r e 4 ) m a y b e c o n s i d e r e d t o b e a p a r t i c u l a t e r e i n f o r c e d c e r a m i c c o m p o s i t e . A s - c u t s p e c i m e n s w e r e a n n e a l e d a t 5 0 0 ° C f o r 1 0 h o u r s t o e l i m i n a t e r e s i d u a l s t r e s s e s t h a t m a y h a v e b e e n g e n e r a t e d d u r i n g s p e c i m e n p r e p a r a t i o n . T h e d i m e n s i o n s a n d d e n s i t y o f M a c o r s p e c i m e n s a r e g i v e n i n t a b l e 2 . H o t - p r e s s e d t i t a n i u m d i b o r i d e ( E a g l e - P i c h e r I n d u s t r i e s , I n c . , Q u a p a w , O k l a h o m a ) h a s g r a i n s i z e a p p r o x i m a t e l y 1 5 u m a n d a d e n s i t y o f 9 8 t o 9 9 p e r c e n t o f t h e o r e t i c a l d e n s i t y ( f i g u r e 5 ) . S p e c i m e n s w e r e c u t i n t o p r i s m a t i c b a r s u s i n g a s u r f a c e g r i n d e r s / s l i c e r s ( L e e m a t i c 1 6 1 7 T a b l e . 1 . D i m e n s i o n s a n d d e n s i t i e s o f p r i s m a t i c b a r - s h a p e d S i C f i b e r - A l u m i n o s i l i c a t e c o m p o s i t e s . S p e c i m e n T h i c k n e s s W i d t h L e n g t h D e n s i g y F i b e r c o n t e n t ( c m ) ( c m ) ( c m ) ( g / c m ) ( v o l u m e % ) R L A 5 1 4 0 1 4 2 5 1 5 4 7 1 2 2 4 7 5 3 5 i i i ' é ' é i " " " 6 ' i 3 6 " " " i i i é " " " L ' é é " " " " é ' é é é " " " " " é é " " " " fi i i ' é ' é é " " " 6 ' 1 3 5 " " " i i i é i " " " A ' é é " " " " é ' é é é " " " " " é é " " ' ; " T a b l e 2 . D i m e n s i o n s a n d D e n s i t y o f M a c o r G l a s s - c e r a m i c S p e c i m e n s S p e c i m e n T h i c k n e s s W i d t h L e n g t h D e n s i g y ( c m ) ( c m ) ( c m ) ( g / c m ) M A - l 0 1 7 8 5 l 3 9 6 7 8 2 4 9 3 ' A i i é " " " " " 6 ' i % é é " " " i i i ; " " " é ’ é é " " " " " " é é é é " " " " " ’ i i i é " " " " " 6 ' i 9 é é " " " i i é é é " " " é ' i é " " " " " " 5 3 i ; " " " " " ’ A A I ; " " " " " 6 ' i 9 5 5 " " " 1 : 3 1 5 " " " % ’ % é " " " " " " " i 5 5 ; " " " " " ' fi i i é " " " " " 6 ' i i é é " " " 1 : 3 5 6 " " " 9 ' } ; " " " " " " " 5 i i i " " " " " ' é i i é " " " " " 6 ' i 3 é 5 " " " i f i é é " " " 3 ' 5 3 " " " " " " é ' é é é " " " " " l 8 F i g u r e 3 . S E M M i c r o g r a p h o f S i C f i b e r - A l u m i n o s i l i c a t e C o m p o s i t e . ‘ 3 , a m a s s ‘ a s w v a . 1 ‘ " F i g u r e 4 . S E M M i c r o g r a p h o f M a c o r M a c h i n a b l e G l a s s - C e r a m i c ( x 2 0 0 0 ) . l 9 F i g u r e 5 . S E M M i c r o g r a p h o f P o l y c r y s t a l l i n e T i t a n i u m D i b o r i d e . 2 0 2 0 0 0 , K . 0 . L e e C o m p a n y ) . T h e a s - c u t s p e c i m e n s w e r e a n n e a l e d i n A r a t m o s p h e r e h i g h t e m p e r a t u r e h o r i z o n t a l m u f f l e t u b e f u r n a c e ( T h e r m t e c , M R L i n d u s t r i e s ) a t 1 0 0 0 ° C f o r 1 0 h o u r s t o r e d u c e r e s i d u a l s t r e s s e s t h a t g e n e r a t e d d u r i n g s p e c i m e n p r e p a r a t i o n . T h e d i m e n s i o n s o f T i B 2 s p e c i m e n s a r e g i v e n i n t a b l e 3 . 2 . 1 . 2 T h e r m a l S h o c k T r e a t m e n t T h e r m a l f a t i g u e t e s t s w e r e p e r f o r m e d u s i n g t h e a p p a r a t u s s h o w n i n f i g u r e 6 . D u r i n g t h e r m a l s h o c k t e s t i n g , t h e s p e c i m e n w a s h e l d a t a p r e d e t e r m i n e d t e m p e r a t u r e f o r a t l e a s t 3 0 m i n u t e s i n a v e r t i c a l m u f f l e t u b e e l e c t r i c f u r n a c e . T h e s p e c i m e n w a s q u e n c h e d i n t o a c o n t a i n e r o f r o o m t e m p e r a t u r e d e i o n i z e d w a t e r . T h e q u e n c h e d s p e c i m e n r e m a i n e d i n t h e d e i o n i z e d w a t e r f o r 1 0 m i n u t e s , t h e n t h e s p e c i m e n w a s p u l l e d b a c k i n t o t h e f u r n a c e f o r t h e n e x t t h e r m a l s h o c k c y c l e . A f t e r a p r e s e l e c t e d n u m b e r o f t h e r m a l s h o c k c y c l e s , t h e s p e c i m e n w a s d r i e d w i t h a p a p e r t o w e l a n d a l l o w e d t o d r y i n r o o m t e m p e r a t u r e a i r f o r 1 0 h o u r s p r i o r t o m e a s u r i n g t h e e l a s t i c m o d u l u s a n d i n t e r n a l f r i c t i o n . T h e f u r n a c e u s e d i n t h i s s t u d y w a s a n e l e c t r i c r e s i s t a n c e f u r n a c e c o n t r o l l e d b y a t e m p e r a t u r e c o n t r o l l e r ( C N 5 0 0 1 K 2 , O m e g a E n g i n e e r i n g , I n c . , S t a m f o r d , C T ) w i t h t h e h e a t e d c h a m b e r o f 3 2 c m l o n g a n d 3 . 5 c m i n d i a m e t e r . T h e f u r n a c e w a s a l l o w e d t o a p p r o a c h t h e r m a l e q u i l i b r i u m b e f o r e o p e r a t i n g t h e t h e r m a l f a t i g u e e q u i p m e n t . T e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t w a s m a d e w i t h a K t y p e t h e r m o c o u p l e w i t h i t s h o t j u n c t i o n l o c a t e d t o t h e s i d e o f t h e s a m p l e n e a r i t s m i d d l e . A n e l e c t r o n i c i c e 2 1 T a b l e 3 . D i m e n s i o n s a n d d e n s i t i e s o f p r i s m a t i c b a r - s h a p e d T i B 2 s p e c i m e n s . 3 S p e c i m e n T h i c k n e s s ( c m ) W i d t h ( c m ) L e n g t h ( c m ) D e n s i t y ( g / c m ) T - 2 0 0 0 1 6 9 0 . 6 1 0 6 4 2 3 4 4 2 1 3 1 1 6 " " " " 1 3 : 1 2 . 6 " " " " " " 6 : 5 6 1 " " " " " " 1 7 . 1 1 " " " " " " " 2 . 7 . 1 " " " 1 3 1 6 6 " " " " 6 : 1 1 1 " " " " " 6 : 1 6 1 " " " " " " 6 7 . 1 1 " " " " " " " 2 . 7 . } . " " " 1 3 2 . 6 6 " " " 6 : 1 1 1 ; " " " " " 6 : 8 1 1 : : : : : : : : 2 . 7 . 1 6 : : : : : : : : : : : : : 2 . 7 . 6 : : : : : 1 3 1 6 6 : : : : : : 6 : 1 1 1 : : : : : : : : : : 6 : 5 1 1 : : : : : : : { 2 . 2 . 1 : : : : : : : : : : : : 2 . 7 . 2 1 : : : : e c a n r u f 2 2 t h e r m o c o u p l e w a t e r ‘ s p e c i m e n F i g u r e 6 . S c h e m a t i c o f T h e r m a l F a t i g u e A p p a r a t u s . 2 3 p o i n t ( M o d e l M C J , O m e g a E n g i n e e r i n g , I n c . ) w a s u s e d w i t h t h e t h e r m o c o u p l e . T h e p l a s t i c c o n t a i n e r f o r t h e w a t e r b a t h w a s r e c t a n g u l a r w i t h d i m e n s i o n s 2 6 c m x 2 6 c m x 1 4 c m . A p p r o x i m a t e l y 9 . 5 l i t e r s o f d e i o n i z e d w a t e r w e r e u s e d f o r t h e w a t e r b a t h . T h e t e m p e r a t u r e o f t h e w a t e r b a t h w a s m e a s u r e d b y a m e r c u r y - i n - g l a s s t h e r m o m e t e r . 2 . 1 . 3 E l a s t i c M o d u l u s M e a s u r e m e n t 2 . 1 . 3 . 1 R o o m T e m p e r a t u r e E l a s t i c i t y M e a s u r e m e n t 2 . 1 . 3 . 1 . 1 S t a t i c E l a s t i c M o d u l u s t e s t i n g M a c o r s p e c i m e n s o f r e c t a n g u l a r c r o s s s e c t i o n w e r e t e s t e d i n f o u r p o i n t f i x t u r e u s i n g a h y d r a u l i c m e c h a n i c a l t e s t i n g m a c h i n e ( M T S 8 1 0 S y s t e m , M T S S y s t e m s C o . ) . T h e b a r s r e s t e d o n t w o s u p p o r t s a n d w e r e l o a d e d a t t h e t w o q u a r t e r p o i n t s , e a c h a n e q u a l d i s t a n c e f r o m t h e a d j a c e n t s u p p o r t p o i n t . T h e l o a d s p a n w a s 2 0 m m a n d s u p p o r t s p a n w a s 4 0 m m . T h e s p e c i m e n w a s l o a d e d a t a a t a s t r a i n r a t e o f 0 . 0 1 m m / m m m i n u n t i l f r a c t u r e . A c r o s s h e a d s p e e d e q u i v a l e n t t o a s t r a i n r a t e o f 0 . 0 1 m m / m m m i n w a s c a l c u l a t e d u s i n g t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n [ 9 8 ] 1 w I t _ , _ _ . _ - . _ _ . - - . _ _ _ . - . . _ . « - 2 4 R - Z L 2 / 6 d ( 6 ) w h e r e R - r a t e o f c r o s s h e a d m o t i o n ( m m / m i n ) Z a r a t e o f s t r a i n i n g o f o u t e r f i b e r s ( m m / m m m i n ) , s h a l l e q u a l 0 . 0 1 L - s u p p o r t s p a n ( m m ) d = d e p t h o f b e a m ( m m ) F o r a b e a m l o a d e d i n f o u r p o i n t b e n d a t t w o c e n t r a l p o i n t s a n d s u p p o r t e d a t t w o o u t e r p o i n t s ( f i g u r e 7 ) , t h e m a x i m u m s t r e s s , a m , i s g i v e n , 2 a m - 3 P L / 4 b d ( 7 ) w h e r e P - l o a d a t a g i v e n p o i n t o n t h e l o a d d e f l e c t i o n c u r v e ( N ) L 9 s u p p o r t s p a n 0 ‘ [ i d t h o f s p e c i m e n Q . h i c k n e s s o f s p e c i m e n T h e m a x i m u m s t r a i n i n t h e o u t e r f i b e r o c c u r s a t m i d s p a n a n d m a y b e c a l c u l a t e d a s f o l l o w s , 2 5 2 0 m m 1 i F i g u r e 7 . 4 0 m m S c h e m a t i c o f F o u r P o i n t B e n d L o a d i n g . 2 6 e - 6 F d / L 2 ( 8 ) w h e r e F - d e f l e c t i o n a t l o a d f i x t u r e a t p o s i t i o n L / 4 o r 3 L / 4 ( m m ) T h e e l a s t i c m o d u l u s i n b e n d i n g m a y b e c a l c u l a t e d b y t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n s , 3 3 E = S P L / 3 8 4 I D o r E = P L / 9 6 I ¢ ( 9 ) w h e r e E - e l a s t i c m o d u l u s ( M P a ) I = m o m e n t o f i n e r t i a , I n t h i s c a s e , I = b d 3 / 1 2 ( m m 4 ) D - c o r r e c t e d d e f l e c t i o n a t t h e c e n t e r o f s a m p l e F o r f o u r p o i n t b e n d , D = e L 2 / 4 . 3 6 3 d ( m m ) ¢ - c o r r e c t e d d e f l e c t i o n a t l o a d f i x t u r e ( m m ) U s i n g a l o w - s p e e d d i a m o n d s a w t h e M a c o r s p e c i m e n s u s e d i n t h i s s t u d y w e r e c u t i n t o p r i s m a t i c b a r s s h a p e 1 . 7 7 m m w i d e , 1 1 . 4 8 m m w i d e , a n d 7 8 m m l o n g . A s - r e c e i v e d s u r f a c e s o f s p e c i m e n s w e r e u s e d w i t h o u t f u r t h e r s u r f a c e t r e a t m e n t . T h e e d g e s o f t h e s p e c i m e n s w e r e b e v e l e d w i t h 6 0 0 g r i t a b r a s i v e p a p e r t o p r e v e n t p r e m a t u r e f r a c t u r e c a u s e d b y s t r e s s c o n c e n t r a t i o n a l o n g e d g e s . P r i o r t o t h e s t a t i c m o d u l u s m e a s u r e m e n t , s p e c i m e n s w e r e a n n e a l e d a t 5 0 0 ° C f o r 1 0 h o u r s . T o m a i n t a i n t h e s t r a i n i n g r a t e o f o u t e r f i b e r , 2 , a s 0 . 0 1 m m / m m m i n , t h e r a t e o f c r o s s s e c t i o n m o t i o n , R , w a s m a i n t a i n e d a s 0 . 0 2 5 1 m m / s e c 2 7 ( e q u a t i o n 5 ) . T h e d a t a a c q u i s i t i o n o f l o a d a n d d e f l e c t i o n w a s d o n e b y I B M p e r s o n a l c o m p u t e r . 2 . 1 . 3 . 1 . 2 D y n a m i c E l a s t i c M o d u l u s M e a s u r e m e n t ( T h e S o n i c R e s o n a n c e M e t h o d ) T h e Y o u n g ' s m o d u l u s o f t h e s p e c i m e n s b e f o r e a n d a f t e r a p r e s e l e c t e d n u m b e r o f t h e r m a l s h o c k c y c l e s w a s m e a s u r e d n o n - d e s t r u c t i v e l y u s i n g t h e s o n i c r e s o n a n c e m e t h o d [ 9 9 ] . A p r i s m a t i c b a r - s h a p e d s p e c i m e n i s s u s p e n d e d t o a " d r i v e r " p i e z o e l e c t r i c t r a n s d u c e r ( m o d e l 6 2 - 1 , A s t a t i c C o r p . , C o n n e a u t , O H ) a n d t o a " p i c k u p " t r a n s d u c e r b y c o t t o n t h r e a d s ( f i g u r e 1 1 ) h o r i z o n t a l l y . E l e c t r o n i c s i g n a l s f r o m t h e f r e q u e n c y s y n t h e s i z e r ( 3 3 2 5 A S y n t h e s i z e r / F u n c t i o n G e n e r a t o r , H e w l e t t - P a c k a r d ) i s c o n v e r t e d i n t o m e c h a n i c a l v i b r a t i o n s b y t h e d r i v e r t r a n s d u c e r ( f i g u r e 8 ) . T h e " p i c k u p " t r a n s d u c e r c o n v e r t s t h e s p e c i m e n r e s p o n s e t o m e c h a n i c a l v i b r a t i o n f r o m t h e " d r i v e r " t r a n s d u c e r i n t o a n e l e c t r o n i c s i g n a l , w h i c h i s i n t u r n a m p l i f i e d , f i l t e r e d ( 4 3 0 2 D u a l 2 4 D B / O c t a v e F i l t e r - A m p l i f i e r , I t h a c o , I t h a c a , N . Y . ) , a n d s h o w n o n a n o s c i l l o s c o p e ( V - l O O A 1 0 0 M H z O s c i l l o s c o p e , H i t a c h i , J a p a n ) . F o r t h e Y o u n g ’ s m o d u l u s c a l c u l a t i o n , n o t o n l y r e s o n a n t f r e q u e n c i e s o f s p e c i m e n s b u t a l s o i n d e n t i f i c a t i o n s o f t h e v i b r a t i o n m o d e a n d t y p e a r e r e q u i r e d [ 1 0 0 , 1 0 1 ] . R e s o n a n t f r e q u e n c i e s o f p r i s m a t i c b a r - s h a p e d s p e c i m e n w e r e d e t e r m i n e d a s f r e q u e n c i e s w h e r e t h e m a x i m u m a m p l i t u d e o f t h e v i b r a t i o n w e r e d e t e c t e d . T h e v i b r a t i o n a l t y p e a n d m o d e w e r e i d e n t i f i e d b y p r o b i n g t h e n o d a l a n d a n t i - n o d a l p o i n t o f t h e p r i s m a t i c b a r - s h a p e d s p e c i m e n w i t h a s e w i n g n e e d l e a l o n g F i g u r e 8 . S c h e m a t i c o f t h e S o n i c R e s o n a n c e A p p a r a t u s . f r e q u e n c y s y n t h e s i z e r 2 8 v o l t m e t e r o s c i l l o s c o p e u n i v e r s a l c o u n t e r l t r i g g e r — E H E a m p l i fi e r d r i v e r t r a n s d u c e r p i c k u p t r a n s d u c e r / s p e c n n e n I a 2 9 t h e l e n g t h d i r e c t i o n . W h i l e t h e a m p l i t u d e o f s p e c i m e n ' s r e s p o n s e s h o w s l i t t l e c h a n g e w h e n t h e n e e d l e i s l o c a t e d o n a n o d a l l i n e , t h a t o f s p e c i m e n ' s r e s p o n s e s h o w s a r e d u c e d v a l u e w h e n t h e n e e d l e i s l o c a t e d o n a a n t i - n o d a l l i n e b e c a u s e t h e n e e d l e d a m p e n s t h e a m p l i t u d e o f s p e c i m e n v i b r a t i o n . T h r o u g h o u t a l l t h e e x p e r i m e n t s , t h e r e s o n a n t f r e q u e n c i e s o f s p e c i m e n s w e r e m e a s u r e d a t l e a s t f i v e t i m e s , a n d t h e a v e r a g e o f f i v e o r m o r e r e s o n a n t f r e q u e n c y m e a s u r e m e n t s w a s u s e d t o o b t a i n e l a s t i c m o d u l u s v a l u e s u s i n g t h e e q u a t i o n s d e r i v e d b y P i c k e t t [ 1 0 2 ] a n d l a t e r m o d i f i e d b y H a s s e l m a n [ 1 0 3 ] . S h e a r m o d u l u s , G , w a s c a l c u l a t e d f r o m t h e e q u a t i o n 2 G = p ( 2 L - F / N ) - R ( 1 0 ) w h e r e N = a n i n t e g e r ( u n i t y f o r t h e f u n d a m e n t a l m o d e ) F = t o r s i o n a l r e s o n a n c e f r e q u e n c y L - s p e c i m e n l e n g t h p a m a s s d e n s i t y 2 : s h a p e f a c t o r . F o r p r i s m a t i c s p e c i m e n s o f r e c t a n g u l a r c r o s s s e c t i o n , R c a n b e a p p r o x i m a t e d b y a n e q u a t i o n a s f o l l o w s ; 3 0 2 2 2 2 { l + ( w / b ) } ~ { 1 + ( 0 . 0 0 8 5 N w / L ) } [ a - 2 . 5 2 1 ( b / w ) { ( l - l . 9 9 l ) / ( e x p ( w / b ) + 1 ) } ] l 5 2 - 0 . 0 6 ( N w / L ) ° ( w / b - 1 ) ( 1 1 ) w h e r e b - t h i c k n e s s o f s p e c i m e n w = w i d t h o f s p e c i m e n . Y o u n g ' s m o d u l u s , E , f o r a r e c t a n g u l a r s p e c i m e n c a n b e c a l c u l a t e d f r o m t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n 4 2 0 . 9 4 6 4 2 L f p T E - ( 1 2 a ) 2 b 4 2 0 . 9 4 6 4 2 L f m T . . . ( 1 2 b ) w h e r e L - s p e c i m e n l e n g t h f - f l e x u r a l r e s o n a n t f r e q u e n c y p - s p e c i m e n d e n s i t y b - s p e c i m e n t h i c k n e s s w - s p e c i m e n w i d t h m - s p e c i m e n m a s s T - s h a p e f a c t o r f o r t h e p r i s m a t i c s p e c i m e n . 3 1 T h e s h a p e f a c t o r T f o r t h e p r i s m a t i c s p e c i m e n i s t h e f o l l o w i n g f u n c t i o n o f t h e s p e c i m e n d i m e n s i o n s a n d P o i s s o n ’ s r a t i o [ 1 0 1 ] 2 2 4 T - 1 + 6 . 5 8 5 ( 1 + 0 . 0 7 5 2 u + 0 . 8 1 0 9 v ) ( b / L ) - 0 8 6 8 ( b / L ) 2 4 8 . 3 4 ( l + 0 . 2 0 2 3 V + 2 . 1 7 3 u ) ( b / L ) 2 2 l + 6 . 3 3 8 ( 1 + 0 . 1 4 0 8 l u + 1 . 5 3 6 u ) ( b / L ) w h e r e v = P o i s s o n ' s r a t i o . P o i s s o n ' s r a t i o , u , o f t h e s p e c i m e n c a n b e o b t a i n e d f r o m t h e m e a s u r e d Y o u n g ' s m o d u l u s , E , a n d s h e a r m o d u l u s , G o n t h e c o n d i t i o n t h a t t h e s p e c i m e n i s i s o t r O p i c a n d h o m o g e n e o u s m a c r o s c o p i c a l l y . v - E / Z G - l ( 1 3 ) 2 . 1 . 3 . 2 E l e v a t e d T e m p e r a t u r e E l a s t i c M o d u l u s a n d I n t e r n a l F r i c t i o n M e a s u r e m e n t F o r t h e e l e v a t e d t e m p e r a t u r e e l a s t i c m o d u l u s m e a s u r e m e n t s , t h e s p e c i m e n w a s s u s p e n d e d i n a n e l e c t r i c r e s i s t a n c e f u r n a c e b y 0 . 1 3 m m d i a m e t e r p l a t i n u m w i r e ( T e d F e l l a . I n c . , T u s t i n , C A ) i n s t e a d o f c o t t o n w i r e i n t h e c a s e o f r o o m t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t s . T h e f u n d a m e n t a l f l e x u r a l r e s o n a n c e f r e q u e n c y w a s m e a s u r e d a t a n i n t e r v a l o f 4 0 t o 5 0 ° C i n c r e m e n t o n h e a t i n g f r o m r o o m t e m p e r a t u r e t o 9 5 0 ° C a n d o n c o o l i n g f r o m 9 5 0 ° C t o r o o m t e m p e r a t u r e . M e a s u r e m e n t s o f r e s o n a n c e f r e q u e n c y w e r e m a d e a f t e r h o l d i n g t h e s p e c i m e n f o r a t l e a s t 2 0 m i n u t e s a t t h a t 3 2 t e m p e r a t u r e t o a l l o w t o r e a c h t h e r m a l e q u i l i b r i u m . T h e e l e v a t e d Y o u n g ' s m o d u l u s w a s o b t a i n e d f r o m t h e e q u a t i o n [ 1 0 1 ] a s f o l l o w i n g , T 2 9 8 T 2 9 8 E / E - ( f / f ) ( 1 + a A T ) ( 1 4 ) T 2 9 8 w h e r e E , E - e l a s t i c m o d u l u s a t e l e v a t e d t e m p e r a t u r e a n d r o o m t e m p e r a t u r e r e s p e c t i v e l y I 2 9 8 ‘ f , f a r e s o n a n c e f r e q u e n c y a t e l e v a t e d t e m p e r a t u r e a n d r o o m t e m p e r a t u r e r e s p e c t i v e l y a a l i n e a r t h e r m a l e x p a n s i o n c o e f f i c i e n t A T — e l e v a t e d t e m p e r a t u r e - r o o m t e m p e r a t u r e . I n t e r n a l f r i c t i o n a t e l e v a t e d t e m p e r a t u r e w a s m e a s u r e d f o r u n s h o c k e d s p e c i m e n u s i n g o n e s u s p e n s i o n p o s i t i o n . T h e i n t e r n a l 1 f r i c t i o n a t e l e v a t e d t e m p e r a t u r e , ( Q ; ) T w a s n o r m a l i z e d b y t h e s p e c i m e n r o o m t e m p e r a t u r e i n t e r n a l f r i c t i o n . ( Q > - ( Q : : ) 2 : 8 { ( Q i 1 > T / < Q i l > 2 9 8 } ( 1 5 ) s s w h e r e ( Q s ) - s p e c i m e n i n t e r n a l f i c t i o n a t r o o m t e m p e r a t u r e ( Q é 1 ) - m e a s u r e d i n t e r n a l f r i c t i o n a t e l e v a t e d t e m p e r a t u r e w i t h p l a t i n u m w i r e i n a i r ( Q m ) - m e a s u r e d i n t e r n a l f r i c t i o n a t r o o m t e m p e r a t u r e w i t h p l a t i n u m w i r e i n a i r . - _ _ " . . . — . . . . _ . l a — ~ — — - — — ~ w . - - . — . . _ l ~ - - » — — 2 . 1 . 4 I n t e r n a l F r i c t i o n M e a s u r e m e n t T h e i n t e r n a l f r i c t i o n w a s d e t e r m i n e d b y t h e f r e e d e c a y m e t h o d [ 1 0 4 ] , i n w h i c h t h e s p e c i m e n i s d r i v e n a t a m e c h a n i c a l r e s o n a n c e , t h e n t h e d r i v i n g s i g n a l i s t u r n e d o f f w i t h t r i g g e r a n d t h e n u m b e r o f c y c l e s , N , r e q u i r e d f o r t h e s i g n a l a m p l i t u d e t o d e c a y f r o m a m p l i t u d e A 1 t o a m p l i t u d e A 2 i s m e a s u r e d w i t h e l e c t r o n i c c o u n t e r ( M o d e l 5 3 1 4 A U n i v e r s a l C o u n t e r , H e w l e t t - P a c k a r d ) ( f i g u r e 9 ) . T h e m e a s u r e d i n t e r n a l - 1 f r i c t i o n , Q , i s g i v e n b y _ , l n ( A 1 / A 2 ) Q m = ( 1 6 ) « N _ 1 w h e r e Q m - m e a s u r e d i n t e r n a l f r i c t i o n 3 1 > l m p l i t u d e o f d r i v i n g s i g n a l A 2 - p r e s e t a m p l i t u d e N - n u m b e r o f c y c l e s r e q u i r e d f o r a d r i v i n g s i g n a l t o d e c a y f r o m d r i v i n g a m p l i t u d e t o p r e s e t a m p l i t u d e . T h e m e a s u r e d i n t e r n a l f r i c t i o n , 0 & 1 , h a s t w o c o n t r i b u t i o n s ; o n e f r o m t h e s p e c i m e n i n t e r n a l f r i c t i o n , Q ; : , a n d t h e o t h e r f r o m t h e a p p a r a t u s i n t e r n a l f r i c t i o n , Q ; : . T h e s p e c i m e n a n d a p p a r a t u s c o n t r i b u t i o n s m a y b e s e p a r a t e d b y m e a s u r i n g i n t e r n a l f r i c t i o n a s a f u n c t i o n o f s u s p e n s i o n p o s i t i o n [ 1 0 4 ] . A n e q u a t i o n i n t r o d u c e d b y _ 1 _ 1 W a t c h m a n a n d T e f f t [ 1 0 4 ] w h i c h c a n s e p a r a t e t h e O S . a n d Q a w a s u s e d 3 3 ] _ H w y - w F i g u r e 9 . L F o r g i a c r t i i t o h n m . i c D e c r e m e n t M e t h o d o f D e t e r m i n i n g I n t e r n a l 3 4 1 " " l ' \ \ ’ e n v e l o p e o f f r e e d e c a y a m p l i t u d e \ 1 7 1 7 1 7 1 1 1 1 7 1 — / / / / V l / _ _ . _ - . L L _ _ _ A , d r i v i n g f o r c e r e m o v e d 3 5 , 1 t o g e t t h e Q S - 1 - 1 2 _ 1 { Q 8 + k Q a ( Y / Y o ) } Q m = ( 1 7 > 2 { l + k ( Y / Y O ) } w h e r e k a n e m p i r i c a l c o n s t a n t y = t h e v e r t i c a l d i s p l a c e m e n t o f t h e s u s p e n s i o n p o s i t i o n f r o m e q u i l i b r i u m Y o = t h e v e r t i c a l d i s p l a c e m e n t o f t h e e n d o f t h e s p e c i m e n R a l y l e i g h [ 1 0 5 ] g a v e t h e e q u a t i o n d e s c r i b i n g y / y o i n t e r m s o f s p e c i m e n l e n g t h , L , a n d x , t h e d i s t a n c e f r o m t h e s u s p e n s i o n p o s i t i o n t o t h e e n d o f t h e s p e c i m e n y / y o = { 1 . 0 1 8 ( c o s h 4 . 7 3 0 x / L + c o s 4 7 3 0 x / L ) - ( s i n h 4 . 7 3 0 x / L + s i n 4 . 7 3 0 x / L ) } / 2 . 0 3 6 ( 1 8 ) I n t e r n a l f r i c t i o n s o f t h e s p e c i m e n a n d a p p a r a t u s w e r e s u s p e n s i o n p o s i t i o n d e p e n d e n t . I n t e r n a l f r i c t i o n s w e r e m e a s u r e d a t f i v e p a i r s o f s u s p e n s i o n p o s i t i o n s o n e a c h c o n d i t i o n o f t h e s p e c i m e n i n a i r n e g l e c t i n g a i r d a m p i n g e f f e c t . I n t e r n a l f r i c t i o n m e a s u r e m e n t w a s p e r f o r m e d a t l e a s t e i g h t t i m e s a t a g i v e n p a i r o f p o s i t i o n r e p e a t e d l y . T h e a v e r a g e v a l u e s w e r e c o n s i d e r e d a s t h e m e a s u r e d i n t e r n a l f r i c t i o n v a l u e s f o r t h a t s u s p e n s i o n p o s i t i o n . T h e n o n - l i n e a r l e a s t s q u a r e b e s t f i t - . — h _ _ . _ _ . . . . - - » — ~ 3 6 p r o g r a m w h i c h w a s d e v e l o p e d b y E . D . C a s e w a s u s e d t o d e t e r m i n e t h e i n t e r n a l f r i c t i o n o f t h e s p e c i m e n . 2 . 2 . T i m e - d e p e n d e n t E l a s t i c M o d u l u s R e c o v e r y M e a s u r e m e n t o n T h e r m a l l y S h o c k e d S i C f i b e r / A l u m i n o s i l i c a t e C o m p o s i t e s , M a c h i n a b l e G l a s s C e r a m i c s a n d P o l y c r y s t a l l i n e A l u m i n a 2 . 2 . 1 M a t e r i a l s T e s t e d T h e t h r e e m a t e r i a l s e m p l o y e d i n t h i s s t u d y i n c l u d e d a n S i C f i b e r r e i n f o r c e d a l u m i n o s i l i c a t e , a c o m m e r c i a l g l a s s c e r a m i c , a n d a p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a . T h e S i C f i b e r r e i n f o r c e d a l u m i n o s i l i c a t e ( A S ) g l a s s c e r a m i c c o m p o s i t e s w e r e f a b r i c a t e d b y C o r n i n g G l a s s W o r k s u s i n g a 3 5 v o l u m e p e r c e n t l o a d i n g o f N i c a l o n f i b e r s ( N i p p o n C a r b o n C o . ) ( f i g u r e 3 ) . T h e g l a s s - c e r a m i c s p e c i m e n s w e r e p r e p a r e d f r o m c o m m e r c i a l M a c o r m a c h i n a b l e g l a s s c e r a m i c ( C o r n i n g c o d e 9 6 5 8 ) w i t h t h e m i c r o s t r u c t u r e o f r a n d o m l y d i s p e r s e d f l u o r o m i c a p l a t e l e t s ( a p p r o x i m a t e l y 1 0 p m a c r o s s a n d 1 p m t h i c k ) i n a g l a s s - c e r a m i c m a t r i x ( f i g u r e 4 ) . T h e p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a ( A D - 9 6 C o o r s C e r a m i c s ) s p e c i m e n s h a d a n a v e r a g e g r a i n s i z e o f a p p r o x i m a t e l y 6 t o 7 : p m a n d a d e n s i t y o f 8 6 . 7 t o 9 3 . 5 p e r c e n t o f t h e t h e o r e t i c a l d e n s i t y ( f i g u r e 1 0 ) . S p e c i m e n s o f e a c h o f t h e t h r e e m a t e r i a l s w e r e c u t i n t o p r i s m a t i c b a r s u s i n g a l o w s p e e d d i a m o n d s a w ( t a b l e 4 ) . P r i o r t o t e s t i n g , t h e a s - c u t s p e c i m e n s o f S i C f i b e r r e i n f o r c e d a l u m i n o s i l i c a t e a n d F i g u r e 1 0 . S E M M i c r o g r a p h o f P o l y c r y s t a l l i n e A l u m i n a . 3 8 T a b l e 4 . D i m e n s i o n s a n d D e n s i t i e s o f M a t e r i a l s u s e d i n t h i s S t u d y . M a t e r i a l T h i c k n e s s W i d t h L e n g t h D e n s i t y ( c m ) ( c m ) ( c m ) ( g / c m s ) S i C / A s R L A 5 . 2 2 0 . 1 5 2 1 . 1 3 7 4 . 9 2 2 . 3 9 6 1 6 : 6 : 1 6 : : : : : : 6 : 1 6 1 : : : : : : : 1 : 6 1 6 : : : : : : : 6 : 1 1 : : : : : : : 1 : 6 1 : : : : : : : : : : : : : 6 1 3 1 ' : : " : : ' : : 6 : 1 1 6 : : : : ' : : 1 : 1 6 6 : : : ' 1 ' : 1 : 1 6 : : : ' : : : 1 : 1 1 : " : ' 6 1 3 6 : : : : : : : : : : 6 1 1 6 : : : : : : : 1 : 6 1 6 : : : : : : : 1 : 1 6 : : : : : : : 1 : 1 1 : : : : : M a c o r 6 1 3 6 : : : : : : : : : : 6 : 1 1 6 : : : : : : : 1 : 1 6 1 : : : : : : : 1 : 1 6 : : : : : : : 1 : 6 1 : : : : : 6 1 : 6 : : : : : : : : : 6 1 1 6 : : : : : : : 1 : 1 6 6 : : : : : : : 1 : 1 6 : : : : : : : 1 : 1 1 : : : : : 6 1 1 6 : : : : : : : : : : 6 : 1 1 1 : : : : : : : 1 : 1 6 6 : : : : : : : 1 : 6 6 : : : : : : : 1 : 6 6 : : : : : A l u m i n a 0 . 1 0 5 1 . 2 0 7 . 0 1 3 . 4 9 3 9 t h e c o m m e r c i a l M a c o r g l a s s c e r a m i c s p e c i m e n s w e r e t h e r m a l l y a n n e a l e d i n a i r a t 5 0 0 ° C f o r a p p r o x i m a t e l y 1 2 h o u r s . T h e p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a s p e c i m e n s w e r e a n n e a l e d i n a i r a t 8 5 0 ° C f o r a p p r o x i m a t e l y 1 2 h o u r s . T h e t h e r m a l a n n e a l s h e l p e d t o r e d u c e r e s i d u a l s t r e s s e s t h a t m a y h a v e b e e n g e n e r a t e d d u r i n g s p e c i m e n p r e p a r a t i o n . 2 . 2 . 2 Y o u n g ' s m o d u l u s m e a s u r e m e n t a s a f u n c t i o n o f t i m e e l a p s e d a f t e r t h e t h e r m a l s h o c k T h e Y o u n g ’ s m o d u l u s o f t h e s p e c i m e n s b e f o r e a n d a f t e r t h e r m a l s h o c k w a s m e a s u r e d v i a t h e s o n i c r e s o n a n c e m e t h o d [ 1 0 1 , 1 0 2 ] , i n w h i c h a s p e c i m e n i s s u s p e n d e d b y c o t t o n t h r e a d s ( f i g u r e 1 1 ) . O n e o f t h e t h r e a d s i s a t t a c h e d t o a " d r i v e r " p i e z o e l e c t r i c t r a n s d u c e r , w h i l e t h e o t h e r t h r e a d i s a t t a c h e d t o a " p i c k u p " t r a n s d u c e r . T h e d r i v e r t r a n s d u c e r c o n v e r t s e l e c t r o n i c s i g n a l s f r o m t h e f r e q u e n c y s y n t h e s i z e r i n t o m e c h a n i c a l v i b r a t i o n s ( f i g u r e 8 ) . T u n i n g t h e f r e q u e n c y s y n t h e s i z e r a l l o w s o n e t o f i n d a r e s o n a n t c o n d i t i o n o f t h e s p e c i m e n , w h i c h i s t h e n s e n s e d b y t h e p i c k u p t r a n s d u c e r . T h e Y o u n g ’ s m o d u l u s o f t h e p r i s m a t i c b a r - s h a p e d s p e c i m e n s w a s c a l c u l a t e d f r o m t h e m e a s u r e d r e s o n a n t f r e q u e n c i e s [ 1 0 1 , 1 0 3 ] . A n u n s h o c k e d M a c o r g l a s s c e r a m i c s p e c i m e n w a s u s e d a s a c o n t r o l s p e c i m e n t o g u a r d a g a i n s t a p o s s i b l e s y s t e m a t i c " d r i f t " i n t h e t r a n s d u c e r r e s p o n s e . T h e m o d u l u s o f t h e M a c o r c o n t r o l s p e c i m e n w a s r e m e a s u r e d a f t e r e v e r y f i v e t o s i x m o d u l u s r e c o v e r y r u n s . D u r i n g t h e e n t i r e s t u d y , t h e m e a s u r e d m o d u l u s o f t h e c o n t r o l s p e c i m e n v a r i e d b y F i g u r e 1 1 . M M e e t a h s o u d r e o m f e S p e c i m e n S u s p e n s i o n f o r t h e S o n i c R e s o n a n c e n t . 4 0 t r a n s d u c e r 0 c o t t o n t h r e a d t r a n s d u c e r 1 l / L l p r i s m a t i c b a r - s h a p e d s p e c i m e n 4 1 l e s s t h a n i 0 . 0 0 7 5 G P a ( t h e a v e r a g e m o d u l u s o f t h e c o n t r o l s p e c i m e n w a s 6 2 . 7 0 G P a ) , w h i c h i n d i c a t e d n e g l i g i b l e c h a n g e i n t h e t r a n s d u c e r r e s p o n s e o v e r t h e c o u r s e o f t h e s t u d y . T o i n d u c e t h e r m a l s h o c k d a m a g e , s p e c i m e n s w e r e f i r s t h e l d a t a p r e s e l e c t e d t e m p e r a t u r e f o r a t l e a s t 3 0 m i n u t e s i n a v e r t i c a l - m u f f l e t u b e e l e c t r i c f u r n a c e . T h e s p e c i m e n s w e r e t h e n q u e n c h e d i n t o a r o o m - t e m p e r a t u r e d e i o n i z e d w a t e r b a t h . A f t e r d r y i n g t h e q u e n c h e d s p e c i m e n s w i t h a p a p e r t o w e l , t h e e l a s t i c m o d u l u s o f t h e s p e c i m e n s w a s m e a s u r e d ( i n a i r a t r o o m t e m p e r a t u r e ) a s a f u n c t i o n o f t i m e f o r t i m e s u p t o 6 0 0 m i n u t e s f o l l o w i n g t h e q u e n c h . M o d u l u s r e a d i n g s w e r e t a k e n a t t i m e i n t e r v a l s o f a b o u t 1 5 t o 2 0 m i n u t e s d u r i n g t h e f i r s t 1 5 0 m i n u t e s a f t e r t h e q u e n c h a n d t h e n a t i n t e r v a l s o f 6 0 t o 9 0 m i n u t e s d u r i n g t h e r e m a i n d e r o f t h e m o d u l u s r e c o v e r y m e a s u r e m e n t . D u r i n g t h e t i m e i n t e r v a l s b e t w e e n t h e a c t u a l m o d u l u s m e a s u r e m e n t s , t h e s p e c i m e n a n d s u s p e n s i o n t h r e a d s w e r e s u p p o r t e d o n a b l o c k , s o t h a t t h e t r a n s d u c e r w o u l d n o t b e s u b j e c t e d t o a d e a d w e i g h t l o a d d u r i n g t h e e x t e n d e d p e r i o d o v e r w h i c h t h e m o d u l u s m e a s u r e m e n t s w e r e c o n d u c t e d . S i n c e t h e c a l c u l a t i o n o f Y o u n g ' s m o d u l u s r e q u i r e s t h a t t h e s p e c i m e n m a s s b e k n o w n , s p e c i m e n m a s s w a s d e t e r m i n e d b y a n e l e c t r o n i c a n a l y t i c a l b a l a n c e ( S a r t o r i u s A n a l y t i c A 2 1 0 P ) . I n o r d e r t o a s s e s s e r r o r s i n t h e m a s s m e a s u r e m e n t s , a w o r k i n g s t a n d a r d w a s u s e d w h e n e v e r t h e m a s s o f t h e s p e c i m e n w a s m e a s u r e d . D u r i n g t h e m a s s d e t e r m i n a t i o n s a n d t h e m o d u l u s m e a s u r e m e n t s , t h e s p e c i m e n s w e r e h a n d l e d u s i n g t w e e z e r s i n o r d e r t o m i n i m i z e m a s s c h a n g e b y c o n t a m i n a t i o n . 2 . 3 . T h e M e a s u r e m e n t o f t h e S u r f a c e H e a t T r a n s f e r C o e f f i c i e n t f o r C e r a m i c s Q u e n c h e d i n t o a . W a t e r B a t h 2 . 3 . 1 E x p e r i m e n t a l P r o c e d u r e T h i n f o i l " c e m e n t - o n " K - t y p e t h e r m o c o u p l e s ( C O Z - K , O m e g a E n g i n e e r i n g , S t a m f o r d , C T ) w i t h a v e r y r a p i d r e s p o n s e t i m e ( 2 - 5 m s e c ) w e r e b o n d e d w i t h h i g h t e m p e r a t u r e c e m e n t ( O m e g a E n g i n e e r i n g ) o n t o p r i s m a t i c b a r - s h a p e d s p e c i m e n s ( f i g u r e 1 2 ) . T h e t h e r m o c o u p l e s w e r e c o n n e c t e d t o a n e l e c t r o n i c i c e p o i n t ( M o d e l M C J , O m e g a E n g i n e e r i n g ) w h i c h w a s c o n n e c t e d i n t u r n t o a d i g i t a l s t o r a g e o s c i l l o s c o p e ( M o d e l P M 3 3 6 5 , P h i l i p s , f i g u r e 1 3 ) . T h e t h e r m o c o u p l e - b o n d e d s p e c i m e n w a s h e l d i n a v e r t i c a l m u f f l e t u b e e l e c t r i c f u r n a c e a t a p r e s e l e c t e d t e m p e r a t u r e f o r 3 0 m i n u t e s . T h e s p e c i m e n w a s t h e n q u e n c h e d i n t o a r o o m t e m p e r a t u r e w a t e r b a t h . T h e h e i g h t d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e s p e c i m e n ' s p o s i t i o n i n t h e f u r n a c e a n d t h e s u r f a c e o f t h e w a t e r b a t h w a s a p p r o x i m a t e l y 4 0 c m . D u r i n g t h e t h e r m a l q u e n c h , t h e o s c i l l o s c o p e r e c o r d e d t h e t h e r m o c o u p l e v o l t a g e a s a f u n c t i o n o f t i m e ( f i g u r e 1 3 ) . T h e m a t e r i a l s t e s t e d i n t h i s s t u d y i n c l u d e d a m a c h i n a b l e g l a s s c e r a m i c ( M a c o r , C o r n i n g c o d e 9 6 5 8 ) , a p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a ( A D - 9 6 , C o o r s C e r a m i c s , I n c . ) a n d a h o t - p r e s s e d t i t a n i u m d i b o r i d e ( E a g l e - P i c h e r I n d u s t r i e s , I n c . ) . T h e s p e c i m e n s ' d i m e n s i o n s a n d d e n s i t i e s a r e g i v e n i n t a b l e 5 . 4 2 4 3 U . . . - W T h e r m o c o u p l e S p e c i m e n F i g u r e 1 2 . P r i s m a t i c B a r S p e c i m e n b o n d e d w i t h T h i n F i l m T h e r m o c o u p l e . 4 4 I c e p o i n t W a t e r B a t h F i g u r e 1 3 . S c h e m a t i c o f e x p e r i m e n t a l s e t u p f o r s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t m e a s u r e m e n t . 4 5 T a b l e 5 . T h e d i m e n s i o n s a n d d e n s i t i e s o f t h e m a t e r i a l s t e s t e d 3 M a t e r i a l w i d t h ( c m ) l e n g t h ( c m ) t h i c k n e s s ( c m ) d e n s i t y ( g / c m ) . - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - — - - - — — - - - - - - - - - - - — — ‘ - — - . l v | t 2 . 3 . 2 B a c k g r o u n d T h e s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t w a s c a l c u l a t e d u s i n g a p a r a m e t e r e s t i m a t i o n m e t h o d [ 1 0 6 , 1 0 7 ] w h i c h a s s u m e s t h a t t e m p e r a t u r e i s a f u n c t i o n o f t i m e o n l y . I f w e m o d e l t h e s p e c i m e n a s a l u m p e d b o d y w h i c h i s s u d d e n l y e x p o s e d t o a f l u i d a t a t e m p e r a t u r e T m , t h e g o v e r n i n g d i f f e r e n t i a l e q u a t i o n i s [ 1 0 6 , 1 0 7 ] d T p C p V O E E h A ( T m - T ) ( 1 9 ) h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t w h e r e h d e n s i t y o f t h e s p e c i m e n E I I c - s p e c i f i c h e a t o f t h e s p e c i m e n < l o l u m e o f t h e s p e c i m e n t = t i m e h e a t e d s u r f a c e a r e a o f t h e s p e c i m e n p l r - i | r u e s p e c i m e n t e m p e r a t u r e . F o l l o w i n g B e c k ' s p r o c e d u r e [ 1 0 6 , 1 0 7 ] , w e u s e d a p o l y n o m i a l f o r m i n t h e r e g r e s s i o n o f t h e t e m p e r a t u r e - t i m e d a t a , _ 1 T = p , + 8 2 ( t / A t ) + - . - + fl p ( t / A t ) p + 6 ( 2 0 a ) " _ 1 T - 5 , + 6 2 ( t / A t ) + . . . + fl p ( t / A t ) p ( 2 0 b ) w h e r e T = e s t i m a t e d t e m p e r a t u r e A t — t i m e i n t e r v a l b e t w e e n r e a d i n g s o f t h e t h e r m o c o u p l e v o l t a g e 6 - r e s i d u e o f t h e p o l y n o m i a l 4 6 4 7 A I n t h i s s t u d y , f o u r t h o r d e r p o l y n o m i a l s ( p = 5 ) w e r e u s e d t o o b t a i n T f r o m t h e t i m e - t e m p e r a t u r e d a t a . T h e d e r i v a t i v e o f e s t i m a t e d A t e m p e r a t u r e , d T / d t , w a s o b t a i n e d f r o m e q u a t i o n 2 0 , s u c h t h a t A 2 3 d T / d t - { fi z + 2 6 3 ( t / A t ) + 3 6 4 ( t / A t ) + 4 fl 5 ( t / A t ) } / A t ( 2 1 ) U s i n g e q u a t i o n s 1 9 , 2 0 , a n d 2 1 w e o b t a i n t h e e s t i m a t e d h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t h [ 1 0 6 , 1 0 7 ] , w h e r e A p C V A h - P - d T < 2 2 ) A ( ' I _ ‘ c o - T ) d t I n a d d i t i o n t o T a n d d T / d t , t h e t e m p e r a t u r e d e p e n d e n c e o f t h e o t h e r p a r a m e t e r s i n e q u a t i o n 2 2 s h o u l d b e c o n s i d e r e d . F o r a g i v e n m a t e r i a l , a n e x p r e s s i o n f o r c p ( T ) , t h e s p e c i f i c h e a t a s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r e m a y b e t a k e n ( i f a v a i l a b l e ) d i r e c t l y f r o m t h e l i t e r a t u r e . O t h e r w i s e , ( a s i n t h i s s t u d y ) c p ( T ) m a y b e o b t a i n e d b y r e g r e s s i o n o n a v a i l a b l e c v e r s u s t e m p e r a t u r e d a t a . F r o m t h e d e f i n i t i o n o f m a s s d e n s i t y , t h e p r o d u c t p V i s t h e s p e c i m e n m a s s , w h i c h i s t e m p e r a t u r e i n d e p e n d e n t . T h e c h a n g e i n t h e s u r f a c e a r e a , A , w i t h t e m p e r a t u r e w i l l b e p r o p o r t i o n a l t o 2 a , w h e r e a i s t h e l i n e a r t h e r m a l e x p a n s i o n c o e f f i c i e n t . S i n c e A i s a r a t h e r w e a k f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r e ' c o m p a r e d t o t h e o t h e r t e m p e r a t u r e d e p e n d e n t t e r m s i n e q u a t i o n 2 2 , A w a s c o n s i d e r e d t o b e c o n s t a n t i n t h i s s t u d y . 2 . 4 . E f f e c t s o f S u r f a c e A b r a s i o n o n t h e T h e r m a l F a t i g u e o f C e r a m i c s P r i s m a t i c b a r - s h a p e d s p e c i m e n s o f a m a c h i n a b l e g l a s s - c e r a m i c ( M a c o r , C o r n i n g C o d e 9 6 5 8 ) a n d p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a ( A D 9 6 C o o r s C e r a m i c s I n c . ) w e r e c u t f r o m c o m m e r c i a l p l a t e s u s i n g a l o w s p e e d d i a m o n d s a w . T h e a s - c u t s p e c i m e n s o f p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a w e r e a n n e a l e d i n a i r a t 8 5 0 ° C f o r a p p r o x i m a t e l y 1 2 h o u r s . T h e g l a s s c e r a m i c s p e c i m e n s w e r e a n n e a l e d i n a i r a t 5 0 0 ° C f o r a p p r o x i m a t e l y 1 2 h o u r s . T h e p u r p o s e o f t h e t h e r m a l a n n e a l s w a s t o r e d u c e r e s i d u a l s t r e s s e s t h a t m a y h a v e b e e n g e n e r a t e d d u r i n g s p e c i m e n p r e p a r a t i o n . A f t e r a n n e a l i n g , a l u m i n a a n d g l a s s - c e r a m i c s p e c i m e n s w e r e a b r a d e d a l o n g t h e w i d t h d i r e c t i o n u s i n g a 2 4 0 g r i t S i C a b r a s i v e p a p e r . T h e d i m e n s i o n s a n d d e n s i t i e s o f t h e s p e c i m e n s t e s t e d i n t h i s s t u d y a r e g i v e n i n T a b l e 6 . D u r i n g t h e r m a l s h o c k t e s t i n g , t h e a b r a d e d a n d u n a b r a d e d s p e c i m e n s w e r e h e l d a t 2 7 0 ° C a t l e a s t 3 0 m i n u t e s i n a v e r t i c a l m u f f l e t u b e e l e c t r i c f u r n a c e . T h e s p e c i m e n s w e r e q u e n c h e d i n t o a r o o m t e m p e r a t u r e d e i o n i z e d w a t e r b a t h w h e r e t h e y r e m a i n e d f o r 1 0 m i n u t e s . T h e s p e c i m e n s t h e n w e r e r e t u r n e d t o t h e f u r n a c e f o r t h e n e x t t h e r m a l s h o c k c y c l e . A f t e r a p r e s e l e c t e d n u m b e r o f t h e r m a l s h o c k c y c l e s , t h e s p e c i m e n s ' Y o u n g ' s m o d u l u s w a s m e a s u r e d b y t h e s o n i c r e s o n a n c e t e c h n i q u e [ 1 0 2 ] . 4 8 4 9 T a b l e 6 . D i m e n s i o n s a n d D e n s i t i e s o f M a c o r a n d A l u m i n a S p e c i m e n s . M a t e r i a l T h i c k n e s s ( c m ) W i d t h ( c m ) L e n g t h ( c m ) D e n s i t y ( g / c m 3 ) M a c o r u n a b r a d e d 0 . 1 7 6 1 . 1 0 2 7 . 8 3 2 . 5 0 " ' 6 6 1 6 6 6 6 " " " 6 : 1 1 1 : : : : : : : 1 : 1 6 6 " " " " 1 ' 6 6 " " " " " 1 ' 6 1 " " " " 1 1 6 1 1 6 6 6 6 1 6 1 1 6 ; " " " " 6 : 1 6 6 " " " " " 1 ' 1 6 : : : : : : 1 ' 6 1 " " " " " 6 ' 6 6 " " " " a b r a d e d 0 . 1 0 2 1 . 2 0 6 . 1 7 3 . 6 3 2 . 5 . T h e E f f e c t o f S u r f a c e L i m i t e d . M i c r o c r a c k s o n t h e E f f e c t i v e Y o u n g ' s M o d u l u s o f C e r a m i c s 2 . 5 . 1 M a t e r i a l P r e p a r a t i o n a n d C h a r a c t e r i z a t i o n P o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a ( A D - 9 6 , C o o r s C e r a m i c s C o . ) b i l l e t s w e r e c u t i n t o p r i s m a t i c b a r s u s i n g a l o w s p e e d d i a m o n d s a w ( B u e h l e r I s o m e t ) . T h e s p e c i m e n s w e r e p o l i s h e d w i t h 3 m i c r o n d i a m o n d p a s t e t o a m i r r o r f i n i s h b e f o r e a n n e a l i n g a t 8 5 0 ° C i n a i r f o r 1 2 h o u r s . T h e p u r p o s e o f t h e a n n e a l w a s t o r e l i e v e t h e r e s i d u a l s t r e s s e s w h i c h m a y h a v e b e e n g e n e r a t e d d u r i n g t h e c u t t i n g a n d p o l i s h i n g o f t h e s p e c i m e n s . T h e m a s s d e n s i t i e s o f t h e s p e c i m e n s w e r e d e t e r m i n e d f r o m m e a s u r e d m a s s a n d s p e c i m e n d i m e n s i o n s ( T a b l e 7 ) . T h e m e a n g r a i n s i z e o f 6 t o 7 m i c r o n s w a s d e t e r m i n e d b y t h e l i n e a r i n t e r c e p t t e c h n i q u e o n S E M m i c r o g r a p h s o f f r a c t u r e d s u r f a c e s . 2 . 5 . 2 M i c r o i n d e n t a t i o n a n d F r a c t o g r a p h y A l i g n e d m i c r o c r a c k s w e r e g e n e r a t e d o n t h e l o n g t r a n s v e r s e s u r f a c e s o f t h e a l u m i n a b a r s ( f i g u r e 2 ) b y V i c k e r s m i c r o i n d e n t a t i o n ( D i g i t a l S e m i m a c r o h a r d n e s s t e s t e r , B u e h l e r , L t d . ) . L o a d s o f 4 9 N , 9 8 N a n d 1 9 6 N w e r e u s e d w i t h a l o a d i n g s p e e d o f 7 0 p m / s e c a n d a l o a d i n g t i m e o f 1 0 s e c o n d s . T h e i n d e n t a t i o n c r a c k f i e l d f o r e a c h s p e c i m e n c o n s i s t e d o f t w o s u b g r o u p s o f c r a c k s , w i t h o n e s u b g r o u p o r i e n t e d l o n g i t u d i n a l l y a n d t h e o t h e r s u b g r o u p o r i e n t e d t r a n s v e r s e l y o n t h e s p e c i m e n s u r f a c e ( f i g u r e 1 4 ) . 5 0 5 1 T a b l e 7 . D i m e n s i o n s a n d d e n s i t i e s o f t h e p r i s m a t i c b a r s h a p e d a l u m i n a s p e c i m e n s 3 I n d e n t a t i o n t h i c k n e s s ( c m ) w i d t h ( c m ) l e n g t h ( c m ) d e n s i t y ( g / c m ) l o a d 4 9 N ( 5 * ) 0 . 1 0 0 0 1 . 2 0 6 . 3 9 0 3 . 7 5 8 4 9 N ( B ) 0 . 1 0 1 0 0 . 6 1 2 6 . 8 7 0 3 . 6 8 0 9 8 N ( s ) 0 1 0 1 4 1 2 0 6 9 4 3 3 7 3 4 9 8 N ( B ) 0 1 0 0 0 1 . 2 0 7 0 7 0 3 7 5 7 1 9 6 N ( 3 : ) 0 . 1 0 0 5 1 2 0 6 9 7 0 3 . 7 5 5 1 9 6 N ( B ) 0 . 1 0 0 0 1 2 0 6 8 5 0 3 7 4 2 * B - i n d e n t e d b o t h t o p a n d b o t t o m s u r f a c e , S = i n d e n t e d o n l y s i n g l e s u r f a c e . 5 2 F o r e a c h o f t h e t h r e e i n d e n t a t i o n l o a d s ( 4 9 N , 9 8 N a n d 1 9 6 N ) , p a i r s o f n o m i n a l l y i d e n t i c a l s p e c i m e n s w e r e i n d e n t e d . O n e s p e c i m e n o f t h e p a i r w a s i n d e n t e d o n a s i n g l e l o n g t r a n s v e r s e s u r f a c e o n l y a n d t h e o t h e r s p e c i m e n o f t h e p a i r w a s i n d e n t e d o n b o t h o f t h e l o n g t r a n s v e r s e s u r f a c e s . S p e c i m e n s i n d e n t e d o n b o t h l o n g t r a n s v e r s e s u r f a c e s w e r e i n d e n t e d a l t e r n a t i v e l y o n t h e t o p a n d b o t t o m s u r f a c e s . T h e s p a t i a l a r r a n g e m e n t o f i n d e n t a t i o n c r a c k s i s i l l u s t r a t e d i n f i g u r e s 1 4 ( a ) , ( c ) a n d ( e ) . S p e c i m e n s i n d e n t e d o n a s i n g l e s u r f a c e w e r e i n d e n t e d a s s p e c i f i e d i n f i g u r e s 1 4 ( b ) , ( d ) a n d ( f ) . T h e a v e r a g e s p a c i n g b e t w e e n t h e i n d e n t a t i o n s w a s 2 . 2 m m . R a d i a l c r a c k l e n g t h s w e r e m e a s u r e d u s i n g a n o p t i c a l m i c r o s c o p e m o u n t e d o n t h e i n d e n t e r , w h i c h u t i l i z e d a d i g i t a l r e a d o u t a c c u r a t e t o w i t h i n i 0 . 1 m i c r o n s . T o d i r e c t l y o b s e r v e t h e g e o m e t r y a n d d e p t h o f t h e i n d e n t a t i o n - i n d u c e d c r a c k s w i t h o u t c a u s i n g t h e c r a c k s t o e x t e n d u n d e r a n a p p l i e d l o a d , t h i s s t u d y e m p l o y e d a f r a c t o g r a p h i c t e c h n i q u e u s e d b y K i r c h n e r , e t a 1 . [ 3 1 , 3 2 ] a n d L a w n , e t a l . [ 1 0 8 ] . I n K i r c h n e r ’ s [ 3 1 , 3 2 ] a n d L a w n ' s [ 1 0 8 ] s t u d i e s , s p e c i m e n s a b r a d e d o n a s i n g l e s u r f a c e w e r e f r a c t u r e d i n f o u r p o i n t b e n d . T h e s p e c i m e n s w e r e o r i e n t e d i n t h e b e n d t e s t f i x t u r e s o t h a t t h e u n d a m a g e d s u r f a c e o f t h e s p e c i m e n w a s t h e t e n s i l e s u r f a c e , a n d t h e c o m p r e s s i o n s u r f a c e w a s t h e a b r a s i o n - d a m a g e d f a c e . T h e m a c r o c r a c k w h i c h c a u s e d c a t a s t r o p h i c f a i l u r e t h u s g r e w f r o m t h e t e n s i l e s u r f a c e d r i v e n b y t h e f o u r - p o i n t l o a d i n g s t r e s s e s . T h e m a c r o c r a c k t h u s i n t e r s e c t e d t h e d a m a g e d s u r f a c e ( c o m p r e s s i o n s u r f a c e ) o n l y s l i g h t l y b e f o r e t h e f i n a l i n s t a n t o f s p e c i m e n f a i l u r e . T h u s a 5 3 l ’ L S n u n i L l fi l n m i ' + - + - + + - + - + - — r 4 4 m m : r u m 3 ' + ' + ' - + - + ' + ‘ L 1 + - + + - - + + - 1 + l 3 1 5 4 2 6 4 9 N b o t h s u r f a c e i n d e n t e d , t o p s u r f a c e F i g u r e 1 4 . ( a ) 4 9 N b o t h s u r f a c e i n d e n t e d , b o t t o m s u r f a c e S p a t i a l A r r a n g e m e n t s o f i n d e n t a t i o n c r c a k s f o r b o t h s u r f a c e i n d e n t e d a t 4 9 N l o a d . 5 4 6 1 % | - + + + + + + + 7 * ; + + + + + + + 3 , 3 + + + + + + + 7 3 6 1 5 2 4 F i g u r e 1 4 . ( b ) S p a t i a l A r r a n g e m e n t s o f i n d e n t a t i o n c r c a k s f o r s i n g l e s u r f a c e i n d e n t e d a t 4 9 N l o a d . 5 5 . 1 3 6 ? “ 1 . - L — J m m 4 . 5 m m l ‘ . + + + + + + + 7 ’ : + + + + + m m + + + + + + + T + + + + + T + - - + - + + - - + ‘ + + - + - + — - + - + - + a l l l 5 l l g ; 2 a l l 5 3 7 l 7 3 5 6 4 2 4 6 9 8 N b o t h s u r f a c e i n d e n t e d , W P s u r f a c e 9 8 N b o t h s u r f a c e i n d e n t e d , b o t t o m s u r f a c e F i g u r e 1 4 . ( c ) S p a t i a l A r r a n g e m e n t s o f i n d e n t a t i o n c r c a k s f o r b o t h s u r f a c e i n d e n t e d a t 9 8 N l o a d . F i g u r e 1 4 . ( d ) S s p u a r t f i a a c l e A i r n r d a e n n g t e e e m d s n a t t f o 8 9 N i n l d o e a n d t . a t i o n c r c a k s f o r s i n g l e 5 6 4 1 . 5 1 1 1 4 — + + + + + + + ' 1 — + + + + + + + — ' — + + + + + + + 4 1 3 2 3 l 4 5 7 l » — — 6 m m — + _ — 6 m m _ . i + - r — 3 m m + . . t . _ + 1 1 9 6 N b o t h s u r f a c e i n d e n t e d , t o p s u r f a c e l — — 4 m m _ + _ 4 m m _ + — 4 m r n _ _ [ + + s — 3 m m + + - = — + + l l l l 2 2 1 9 6 N b o t h s u r f a c e i n d e n t e d , b o t t o m s u r f a c e F i g u r e 1 4 . ( e ) S p a t i a l A r r a n g e m e n t s o f i n d e n t a t i o n c r c a k s f o r b o t h s u r f a c e i n d e n t e d a t 1 9 6 N l o a d . 5 8 | ~ — 3 m m — - l ~ 1 - + + + + + + + + + + + + + + + + F i g u r e 1 4 . ( f ) S p a t i a l A r r a n g e m e n t s o f i n d e n t a t i o n c r c a k s f o r s i n g l e s u r f a c e i n d e n t e d a t 1 9 6 N l o a d . 5 9 s e t o f r e l a t i v e l y u n p e r t u r b e d s u r f a c e m i c r o c r a c k s w e r e r e v e a l e d b y i n t e r s e c t i o n w i t h t h e p l a n e o f t h e a d v a n c i n g m a c r o c r a c k [ 3 1 , 3 2 , 1 0 8 ] . T h e s u c c e s s o f t h i s t e c h n i q u e , o f c o u r s e , d e p e n d s o n t h e s u r f a c e c r a c k n u m b e r d e n s i t y o n t h e s p e c i m e n ' s c o m p r e s s i o n f a c e . I f t h e s u r f a c e c r a c k s a r e t o o s p a r s e , t h e n t h e a d v a n c i n g m a c r o c r a c k m a y n o t i n t e r s e c t o n e o f t h e m i c r o c r a c k s o f i n t e r e s t . F o l l o w i n g t h e i n d e n t a t i o n - m o d u l u s m e a s u r e m e n t s , i n d e n t d a m a g e d s p e c i m e n s i n t h i s s t u d y w e r e o r i e n t e d i n a f o u r - p o i n t b e n d f i x t u r e w i t h a n i n d e n t e d s u r f a c e o n t h e c o m p r e s s i o n s i d e o f t h e b e n d b a r . ( T h e f o u r - p o i n t b e n d f i x t u r e h a d a n u p p e r s p a n o f 2 0 m m , a l o w e r s p a n o f 4 0 m m , a n d a r o l l e r d i a m e t e r o f 3 . 1 m m ) . S p e c i m e n s i n d e n t e d a t e a c h o f t h e t h r e e d i f f e r e n t l o a d s ( 4 9 N , 9 8 N , 1 9 6 N ) w e r e t h e n f r a c t u r e d i n f o u r p o i n t b e n d , w h i c h a l l o w e d a m a c r o c r a c k f r o m t h e b a r ' s t e n s i l e s u r f a c e t o p r o p a g a t e d o w n a n d i n t e r c e p t a n i n d e n t e d s u r f a c e . T h e g e o m e t r y o f i n d e n t a t i o n c r a c k s ( a s r e v e a l e d o n t h e f r a c t u r e s u r f a c e o f t h e b e n d b a r s ) w a s t h e n s t u d i e d v i a o p t i c a l a n d s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y . I n a d d i t i o n t o s e r v i n g a s a m o d e l a r r a y o f s u r f a c e c r a c k s , t h e V i c k e r s m i c r o i n d e n t a t i o n s a l s o w e r e u s e d t o d e t e r m i n e t h e h a r d n e s s a n d f r a c t u r e t o u g h n e s s o f t h e s p e c i m e n s [ 8 9 , 9 0 , 1 0 9 ] . 2 . 5 . 3 E l a s t i c M o d u l u s M e a s u r e m e n t s T h e s o n i c r e s o n a n c e t e c h n i q u e a n d a p p a r a t u s u s e d f o r t h e m o d u l u s m e a s u r e m e n t s a r e d e s c r i b e d i n d e t a i l e l s e w h e r e [ l l - 1 9 ] . T h e Y o u n g ' s 6 0 m o d u l u s a n d P o i s s o n ' s r a t i o o f t h e u n d a m a g e d a l u m i n a s p e c i m e n s w e r e m e a s u r e d a f t e r a n n e a l i n g a n d p r i o r t o i n d e n t a t i o n [ l l - 1 4 ] . A l s o m o d u l u s m e a s u r e m e n t s w e r e m a d e i m m e d i a t e l y a f t e r f i n i s h i n g a p r e s e l e c t e d n u m b e r o f i n d e n t a t i o n s a t e a c h l o a d . F o r e x a m p l e , f o r t h e s p e c i m e n i n d e n t e d o n b o t h s u r f a c e s a t 9 8 N l o a d , t h e e l a s t i c m o d u l u s w a s m e a s u r e d p r i o r t o i n d e n t a t i o n a n d w a s t h e n r e m e a s u r e d a f t e r 4 6 , 9 2 , 1 8 4 , 3 6 8 , 4 6 0 , a n d 5 5 2 c u m u l a t i v e i n d e n t a t i o n s . 3 R E S U L T S A N D D I S C U S S I O N 3 . 1 T h e r m a l F a t i g u e 3 . 1 . 1 B r i e f R e v i e w o f M e c h a n i c a l F a t i g u e B e h a v i o r i n C e r a m i c s a n d C e r a m i c M a t r i x C o m p o s i t e s T h e f a t i g u e f a i l u r e o f a n y s t r u c t u r e c o n s i s t s o f t h r e e s t a g e s ; 1 ) c r a c k i n i t i a t i o n , 2 ) c r a c k p r o p a g a t i o n , a n d 3 ) c a t a s t r o p h i c f a i l u r e . T h e i n f o r m a t i o n o f t h e l i f e o f h i g h p e r f o r m a n c e e n g i n e e r i n g s t r u c t u r e s i s e s s e n t i a l . M o s t o f t h e l i f e t i m e s o f e n g i n e e r i n g s t r u c t u r e s i s m o s t l y a t t r i b u t e d t o t h e c r a c k p r o p a g a t i o n . T h e r e f o r e c r a c k p r o p a g a t i o n l a w s h a v e b e e n a v e r y i m p o r t a n t s u b j e c t f o r d e s i g n e n g i n e e r s . T h e e x i s t i n g c r a c k p r o p a g a t i o n l a w s i n m e t a l s a n d a l l o y s a r e b r i e f l y r e v i e w e d i n f o u r d i f f e r e n t c a t e g o r i e s f o r t h e p u r p o s e o f c o m p a r i n g a n d a n a l y z i n g t h e f u t u r e f a t i g u e d a t a o f c e r a m i c s a n d c e r a m i c m a t r i x c o m p o s i t e s . S o m e o f f a t i g u e r e s u l t s a n d p l a u s i b l e f a t i g u e m e c h a n i s m s a r e r e p o r t e d . 6 1 3 . 1 . 1 . 1 B r i e f R e v i e w o f V a r i o u s C r a c k P r o p a g a t i o n L a w i n M e t a l s a n d A l l o y s 3 . 1 . 1 . 1 . 1 E m p i r i c a l C r a c k P r o p a g a t i o n L a w s P a r i s a n d E r d o g a n [ 1 l l ] i n t r o d u c e d a s i m p l e e m p i r i c a l p r o p a g a t i o n e q u a t i o n a f t e r c o m p a r i n g f a t i g u e d a t a o f 2 0 2 4 - T 3 A l - a l l o y s w i d e l y . d a / d N C ( A K ) n ( 2 3 ) w h e r e a h a l f c r a c k l e n g t h N - n u m b e r o f c y c l e s o f a p p l i e d l o a d A K - r a n g e o f s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r ( c o r r e s p o n d i n g t o s t r e s s r a n g e C - m a t e r i a l c o n s t a n t n — n u m e r i c a l e x p o n e n t F o r e m a n , e t a l . [ l l 2 ] m o d i f i e d P a r i s a n d E r d o g a n ' s l a w t o i n c l u d e t h e l o a d r a t i o , R ( r a t i o o f m i n i m u m K t o m a x i m u m K i n a g i v e n c y c l e ) a n d i n s t a b i l i t y w h e n t h e s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r a p p r o a c h e s t h e f r a c t u r e t o u g h n e s s o f t h e m a t e r i a l . d a / d N - [ C ( A K > “ 1 / [ ( 1 ; R > K C - A K 1 ( 2 4 > w h e r e R - r a t i o o f m i n i m u m K t o m a x i m u m K i n a g i v e n c y c l e K C - c r i t i c a l s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r 6 2 6 3 F o r e m a n , e t a l . [ 1 1 2 ] a l s o u s e d n u m e r i c a l i n t e g r a t i o n t e c h n i q u e u s i n g a c o m p u t e r t o a n a l y z e t h e c r a c k p r o p a g a t i o n a n d t i m e t o f a i l u r e . P e a r s o n [ 1 l 3 ] m o d i f i e d F o r m a n , e t a l . ’ s l a w t o f i t A l u m i n u m a l l o y d a t a . F o r h i g h t o u g h n e s s a l l o y s , f a t i g u e c r a c k g r o w t h r a t e w a s n o t a f f e c t e d b y i n c r e a s i n g R , b u t t h e r a t e i n c r e a s e d r a p i d l y w i t h i n c r e a s i n g R a t h i g h v a l u e o f A K . n 1 / 2 d a / d N = [ C ( A K ) l / [ ( 1 - R ) K C - A K ] ( 2 5 ) 3 . 1 . 1 . 1 . 2 C r a c k P r o p a g a t i o n L a w s B a s e d o n D e f o r m a t i o n a h e a d o f c r a c k t i p L i u [ 1 l 4 ] d e r i v e d a e x p r e s s i o n f o r t h e c r a c k l e n g t h , a , i n a s e m i - i n f i n i t e s h e e t o f 2 0 2 4 - T 3 A l - a l l o y u n d e r r e p e a t e d l o a d i n g i n t e r m s o f n u m b e r o f l o a d i n g c y c l e s , N , a n d a s t r e s s d e p e n d e n t f a c t o r , C , t o a c c o u n t f o r t h e e f f e c t o f a n i n c r e a s i n g s t r e s s r a n g e a n d m e a n s t r e s s a s c r a c k p r o p a g a t e d . d a / d N - C a ( 2 6 ) w h e r e C - c r a c k p r o p a g a t i o n f a c t o r i n a s e m i - i n f i n i t e s h e e t w h i c h d e p e n d s o n t h e i n i t i a l v a l u e o f t h e s t r e s s r a n g e a n d t h e m e a n s t r e s s T h o m k i n s [ 1 1 5 ] t r e a t e d t h e c r a c k p r o p a g a t i o n a s a c o n t i n u u m m e c h a n i c s p r o b l e m b y c o n s i d e r i n g t h e c r a c k t i p p l a s t i c z o n e a n d t h e 6 4 n e t s e c t i o n m i c r o p l a s t i c r a n g e , w h i c h i s a p a r t o f t h e s t r a i n r a n g e a p p l i e d t o t h e u n c r a c k e d s e c t i o n . d a / d N - A 6 ( D — D . - p m a x m i n ) ( 2 7 ) w h e r e A s p = a p p l i e d p l a s t i c s t r a i n r a n g e D m a x ’ D m i n - d e f o r m a t i o n z o n e s i z e a s s o c i a t e w i t h m a x i m u m a n d m i n i m u m s t r e s s r e s p e c t i v e l y . T h i s m o d e l i s m o s t l y b a s e d o n M a n s o n - C o f f i n r e l a t i o n s h i p w h i c h p r e d i c t s f r a c t u r e w h e n t h e c y c l i c p l a s t i c i t y b u i l d u p t o a c r i t i c a l v a l u e . a A e p r a C ( 2 8 ) w h e r e N f - n u m b e r o f c y c l e s t o f r a c t u r e a - f r a c t u r e d u c t i l i t y e x p o n e n t C - f r a c t u r e d u c t i l i t y c o e f f i c i e n t w h i c h i s a n e x p e r i m e n t a l l y o b t a i n a b l e v a l u e R a j u [ l l 6 ] d e r i v e d a c r a c k p r o p a g a t i o n l a w b y c o n s i d e r i n g t h e e n e r g y o f p l a s t i c d e f o r m a t i o n a t t h e t i p o f t h e c r a c k g r o w i n g u n d e r s i n u s o i d a l l o a d i n g w i t h c o n s t a n t a m p l i t u d e , s u c h t h a t 6 5 d a / d N 4 _ m 4 2 2 [ C ( 1 - R ) K m a x ] / ( K C - K m a x ) ( 2 9 ) w h e r e C - m a t e r i a l c o n s t a n t R - m i n i m u m s t r e s s / m a x i m u m s t r e s s m - n u m e r i c a l e x p o n e n t K = s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r c o r r e s p o n d i n g t o t h e m a x i m u m s t r e s s i n t h e c y c l e K a f r a c t u r e t o u g h n e s s D u g g a n [ l l 7 ] d e v e l o p e d a c o n t i n u u m m e c h a n i c s m o d e l t o p r e d i c t f a t i g u e c r a c k p r o p a g a t i o n r a t e . F a t i g u e c r a c k g r o w t h w a s c o n t r o l l e d b y t h e f a t i g u e d u c t i l i t y e x p o n e n t , t h e f a t i g u e d u c t i l i t y c o e f f i c i e n t , t h e e l a s t i c m o d u l u s a n d f r a c t u r e t o u g h n e s s , s u c h t h a t 2 / a d a / d N I 1 2 l / a ( “ / 3 2 ) / a { 2 [ 1 - A K I / K C ] / [ 6 % E ( K C - K m a x ) ] } 1 / a A K ( 3 0 ) w h e r e a f a t i g u e d u c t i l i t y e x p o n e n t e - f a t i g u e d u c t i l i t y c o e f f i c i e n t 1 ' 1 1 ” E a e l a s t i c m o d u l u s A K - s t r e s s i n t e n s i t y r a n g e ( m o d e I ) = K m a X - K m i n D u g g a n ' s m o d e l i m p l i e s t h a t f a t i g u e c r a c k g r o w t h i s c r i t i c a l l y d e p e n d e n t o n t h e c o n d i t i o n o f c r a c k t i p a s e x p r e s s e d i n t e r m s o f t h e s t r e s s i n t e n s i t y r a n g e . E q u a t i o n 3 0 s h o w e d g o o d a g r e e m e n t w i t h t h e f a t i g u e d a t a o f a c r e e p r e s i s t a n t s t a i n l e s s s t e e l , F V 5 3 5 , 2 . 5 % N i - C r - 6 6 M o d i r e c t h a r d e n i n g s t e e l , N i - b a s e d h e a t r e s i s t a n t a l l o y , I N C O 9 0 l , a n d a f e r r o u s a l l o y c o n t a i n i n g T i C i n m e d i u m a l l o y t o o l s t e e l m a t r i x . 3 . 1 . 1 . 1 . 3 C r a c k P r o p a g a t i o n L a w s C o n s i d e r i n g C r a c k T i p G e o m e t r y F r o s t a n d D i x o n [ 1 1 8 ] c o n s i d e r e d t h e c h a n g e s i n c r a c k p r o f i l e d u r i n g l o a d i n g c y c l e t o p r o d u c e c r a c k p r o p a g a t i o n l a w . " a ) c r a c k i s c l o s e d u n d e r n o l o a d ( s l i t ) b ) a s t h e l o a d i s i n c r e a s e d t o m a x i m u m s t r e s s , c r a c k t i p o p e n s a n d b l u n t s ( e l l i p t i c a l p r o f i l e ) - c r a c k t i p b l u n t i n g c a n o c c u r b y b o t h e l a s t i c a n d p l a s t i c d e f o r m a t i o n a t t h e c r a c k t i p a n d b y ' u n b o n d i n g o f a t o m s ' a t t h e c r a c k t i p c ) a s t h e l o a d i s r e d u c e d t h e b l u n t e d t i p r e s h a r p e n s a n d c r a c k c l o s e s c o m p l e t e l y a t z e r o l o a d . " 2 2 2 d a / d N - a a [ l n ( 4 E / a ) - l ] / E z 8 ( K I / E ) / n ( 3 1 ) w h e r e a - a p p l i e d s t r e s s E - e l a s t i c m o d u l u s I n t h i s m o d e l ( e q u a t i o n 3 1 ) F r o s t a n d D i x o n [ 1 1 8 ] t h o u g h t t h a t f a t i g u e c r a c k g r o w t h t o o c c u r v i a a p r o c e s s w h e r e t h e c r a c k t i p i s b l u n t e d a n d r e s h a r p e n e d r e p e a t e d l y d u r i n g c y c l i c l o a d i n g . : P o o k a n d F r o s t [ l l 9 ] d e r i v e d a c r a c k p r o p a g a t i o n l a w d i r e c t l y f r o m t h e s t r e s s a n d d i s p l a c e m e n t f i e l d a r o u n d a c r e e k o r s h a r p n o t c h . 2 d a / d N = K I [ l + l n ( 4 E / o y ) / ( n E 2 ) ( 3 2 ) w h e r e a y - y i e l d s t r e s s E - e l a s t i c m o d u l u s 6 7 T h e v a l u e o f E / a y f o r c o m m o n e n g i n e e r i n g m a t e r i a l s i s o f t h e o r d e r o f 3 3 1 0 . I f w e s e t E / a y = 1 0 t h e n P o o k a n d F r o s t ’ s e q u a t i o n b e c o m e s 2 d a / d N = 9 ( K I / E ) / n f o r p l a n e s t r e s s 2 2 = 9 [ K I ( l - u ) / E ] f o r p l a n e s t r a i n E q u a t i o n 3 2 i s s i m i l a r t o F r o s t a n d D i x o n ’ s l a w b u t i t i s d e r i v e d f r o m t h e g e n e r a l g e o m e t r y o f t h e c r a c k s . 3 . 1 . 1 . 1 . 4 C r a c k P r o p a g a t i o n L a w C o n s i d e r i n g C r a c k C l o s u r e P a r i s a n d E r d o g a n ' s l a w [ 1 1 1 ] i s i n a d e q u a t e s i n c e r e s i d u a l s t r e s s m a y h o l d t h e c r a c k c l o s e d a s e x t e r n a l s t r e s s i s a p p l i e d t o o p e n t h e c r a c k . E b l e r [ 1 2 0 ] i n t r o d u c e d a m o d i f i e d f a t i g u e c r a c k g r o w t h l a w , d a / d N - C ( U A K ) n ( 3 3 ) w h e r e U - e f f e c t i v e s t r e s s r a n g e f a c t o r g i v e n b y ( a m a x : a o p ) / ( a m a x : a m i n ) 0 , a . - m a x i m u m a n d m i n i m u m s t r e s s r e s p e c t i v e l y m a x m i n a o p - s t r e s s a t w h i c h t h e c r a c k s t a r t s t o o p e n a l o n g i t s l e n g t h 6 8 E b l e r [ 1 2 0 ] i n t r o d u c e d t h e h y p o t h e s i s t h a t c r a c k p r o p a g a t i o n c a n o c c u r o n l y a p o r t i o n o f t h e c y c l e w h e r e t h e c r a c k i s f u l l y o p e n a t t h e c r a c k t i p . 3 . 1 . 1 . 2 M e c h a n i c a l F a t i g u e i n C e r a m i c s F o r p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a , K r o h n a n d H a s s e l m a n [ 1 2 1 ] f o u n d t h a t c y c l i c l o a d i n g i n f o u r p o i n t b e n d r e s u l t e d i n l o w e r t i m e t o f a i l u r e t h a n s t a t i c l o a d i n g w i t h m a x i m u m c y c l i c l o a d . K r o h n a n d H a s s e l m a n [ 1 2 1 ] s u g g e s t e d p o s s i b l e c y c l i c f a t i g u e m e c h a n i s m s , s u c h a s t h e d e f e c t s c r e a t e d b y d i s l o c a t i o n m o t i o n a t t h e c r a c k t i p a n d t h e r m a l l y a c t i v a t e d p r o c e s s e s s u c h a s s o f t e n i n g o f g r a i n b o u n d a r y p h a s e s b y h e a t g e n e r a t e d f r o m m i c r o c r a c k f r i c t i o n . T h e t h e r m a l l y a c t i v a t e d p r o c e s s e s w e r e a l s o r e p o r t e d i n g l a s s c l o t h r e i n f o r c e d e p o x i e s d u r i n g c y c l i c l o a d i n g [ 3 4 ] . G u i u [ 1 2 2 ] r e p o r t e d a r e d u c e d t i m e t o f r a c t u r e f o r c y c l i c a l l y l o a d e d ’ L u c a l o x ' a l u m i n a u s i n g t h e d i r e c t p u s h - p u l l t e s t . T i m e t o f a i l u r e w a s i n s t a t i c f a t i g u e a b o u t 1 0 t i m e s g r e a t e r t h a n u n d e r 5 - 1 0 H z c y c l i c l o a d i n g c o n d i t i o n s f o r a g i v e n m a x i m u m s t r e s s v a l u e o f 1 9 5 : 5 M P a . I n o r d e r t o e l i m i n a t e s t a t i c f a t i g u e e f f e c t s a n d s t u d y o n l y c y c l i c m e c h a n i c a l f a t i g u e e f f e c t s o n t h e s i n t e r e d s i l i c o n n i t r i d e s p e c i m e n s , t h e s p e c i m e n w i t h i n d e n t a t i o n - i n d u c e d f l a w s w a s a p p l i e d a s t a t i c l o a d w h i c h w a s t h e m a x i m u m s t r e s s o f l o a d i n g c y c l e f o r a s u f f i c i e n t p e r i o d o f t i m e b e f o r e c y c l i c l o a d i n g [ 1 2 3 ] . T h e s p e c i m e n s w e r e l o a d e d i n f o u r - p o i n t b e n d c y c l i c a l l y a t a f r e q u e n c y o f 1 t o 2 0 H z . B y d o i n g t h i s , H o r i b e [ 1 2 3 ] r e p o r t e d a c l e a r i n c r e a s e i n 6 9 r a d i a l c r a c k l e n g t h o f i n d e n t a t i o n - i n d u c e d f l a w s a s a f u n c t i o n o f l o a d i n g c y c l e s . E w a r t a n d S u r e s h [ 1 2 4 , 1 2 5 ] s h o w e d c y c l i c c o m p r e s s i o n a p p l i e d t o n o t c h e d p o l y c r y s t a l l i n e a n d s i n g l e c r y s t a l a l u m i n a l e a d s t o s t a b l e m o d e I c r a c k g r o w t h a t r o o m t e m p e r a t u r e . D i s l o c a t i o n p l a s t i c i t y , m i c r o c r a c k i n g , m a r t e n s i t i c t r a n s f o r m a t i o n i n s o m e c e r a m i c s , o r c r e e p a t e l e v a t e d t e m p e r a t u r e s a r e p l a u s i b l e s o u r c e s o f t h e r e s i d u a l t e n s i l e s t r e s s r e q u i r e d t o p r o d u c e s t a b l e c r a c k g r o w t h e v e n i n b r i t t l e m a t e r i a l s [ 1 2 4 , 1 2 5 ] . E w a r t a n d S u r e s h [ 1 2 4 , 1 2 5 ] s u g g e s t e d p l a u s i b l e m e c h a n i s m s o f c y c l i c f a t i g u e , s u c h a s a p r o g r e s s i v e f a i l u r e d u e t o g r a i n b o u n d a r y c r a c k i n g . D e b r i s p a r t i c l e s t r a p p e d b e t w e e n c r a c k s u r f a c e s c a u s e d a d d i t i o n a l c o n t a c t f o r c e s w h i c h s l o w e d d o w n t h e f a t i g u e c r a c k g r o w t h , a s o b s e r v e d i n a n S E M [ 1 2 4 , 1 2 5 ] . K a w a g u b o a n d K o m e y a [ 1 2 6 ] i n v e s t i g a t e d t h e s t a t i c a n d c y c l i c f a t i g u e o f s i n t e r e d s i l i c o n n i t r i d e s p e c i m e n s w i t h i n d e n t a t i o n i n d u c e d f l a w s u s i n g f o u r p o i n t b e n d i n g a t r o o m t e m p e r a t u r e i n a i r . F o r t h e m e c h a n i c a l c y c l i c l o a d i n g , l o a d i n g f r e q u e n c i e s o f 0 . 0 1 t o 1 0 H z w e r e u s e d . W h e n a r e l a t i v e l y h i g h s t r e s s i s a p p l i e d , t h e l o w e r l i m i t o f c y c l i c f a t i g u e l i f e t i m e i s a l m o s t t h e s a m e a s t h a t o f s t a t i c f a t i g u e l i f e t i m e , w h i l e t h e u p p e r l i m i t o f c y c l i c f a t i g u e l i f e t i m e i n c r e a s e s ( a p p r o a c h e s t h e u p p e r l i m i t o f s t a t i c f a t i g u e l i f e t i m e ) w i t h l o w e r i n g f r e q u e n c y . W h e n r e l a t i v e l y l o w s t r e s s e s w e r e a p p l i e d , o b s e r v e d c y c l i c f a t i g u e l i f e t i m e w a s s h o r t e r b y t w o o r d e r s o f m a g n i t u d e t h a n p r e d i c t e d l i f e t i m e , w h i c h m e a n s t h a t c y c l i c l o a d a c c e l e r a t e s t h e f a t i g u e c r a c k g r o w t h . S e m i c i r c u l a r m a r k i n g s o n s u r f a c e s f r a c t u r e d i n s t a t i c f a t i g u e g a v e e v i d e n c e o f c r a c k a r r e s t a n d r e p r o p a g a t i o n [ 1 2 6 ] . T h e a r r e s t e d 7 0 c r a c k m a y c o n t i n u e t o g r o w b y c y c l i c l o a d i n g . . F a t i g u e f a i l u r e o c c u r r e d m o s t l y b y i n t e r g r a n u l a r c r a c k i n g w i t h s o m e t r a n s g r a n u l a r c r a c k i n g . T h e c r a c k g r o w t h r a t e v e r s u s s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r p l a t e a u e d a t v a l u e s o f a b o u t 7 0 t o 9 0 p e r c e n t o f f r a c t u r e t o u g h n e s s . S t r e s s c o r r o s i o n c r a c k i n g o f g l a s s y m a t e r i a l s a l o n g t h e g r a i n b o u n d a r i e s i n s i n t e r e d s i l i c o n n i t r i d e i s a p o s s i b l e f a t i g u e m e c h a n i s m [ 1 2 6 ] . I n o t h e r c a s e s , m e c h a n i c a l f a t i g u e e f f e c t s w e r e f o u n d t o b e e i t h e r n o n - e x i s t e n t o r e x i s t e n t o n l y i n a v e r y r e s t r i c t e d r a n g e s a n d l o a d i n g c o n d i t i o n s [ 1 2 7 - 1 3 1 ] . C h e n a n d K n a p p [ 1 2 7 ] o b s e r v e d t h a t c y c l i c e f f e c t s w e r e l i m i t e d o n l y i n a r a n g e f r o m r o o m t e m p e r a t u r e t o 2 1 6 ° C i n p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a ; d e c r e a s i n g w i t h i n c r e a s i n g t e m p e r a t u r e . E v a n s a n d F u l l e r [ 1 2 8 ] w h o a l s o r e p o r t e d n o n - e x i s t e n c e o r l i m i t e d e x i s t e n c e o f c y c l i c e f f e c t s i n s o d a l i m e g l a s s a n d e l e c t r i c a l p o r c e l a i n , p r e s e n t e d a n a n a l y s i s w h i c h p r e d i c t e d c r a c k p r o p a g a t i o n r a t e u n d e r c y c l i c l o a d f r o m s t a t i c c r a c k p r o p a g a t i o n p a r a m e t e r s . E v a n s [ 1 2 9 ] p r o p o s e d t w o c a t e g o r i e s o f p l a u s i b l e f a t i g u e m e c h a n i s m s f o r t e n s i o n - c o m p r e s s i o n f a t i g u e : m a c r o c r a c k a n d m i c r o c r a c k g r o w t h . F o r m a c r o c r a c k g r o w t h , l a r g e s t r e s s e s d e v e l o p e d f r o m a n a p p l i e d c o m p r e s s i o n s t r e s s a t t h e c r a c k s u r f a c e a s p e r i t i e s m a y h a v e s t r e s s h i g h e n o u g h t o i n d u c e p l a s t i c i t y . P l a s t i c i t y n e a r c r a c k s u r f a c e a s p e r i t i e s m a y i n d u c e t h e l a t e r a l c r a c k f o r m a t i o n o n u n l o a d i n g ( f i g u r e 1 5 ) . C r a c k s u r f a c e a s p e r i t i e s m a y i n f l u e n c e c r a c k c l o s u r e d u r i n g u n l o a d i n g a n d s u b s e q u e n t c o m p r e s s i v e l o a d i n g b y c o n t a c t i n g c r a c k s u r f a c e a s p e r i t i e s n e a r t h e c r a c k t i p . T h i s n o n c l o s u r e o f a s p e r i t i e s 7 1 C R A C K s u a r a c a s I ’ O R I C I N A L M “ ‘ 9 " 7 " a s p s m r v C O N T A C T ( c l I N I T I A L C R A C K C O M P R E S S I O N \ \ \ I fl P L A S T I C m s D U E T O I N D E N T A T I O N ( b ) C O M P R E S S E D c a t s I l l I I I I g A P P L I E D : I I L A T E R A L I / C R A C K W I c a n c x 5 “ " C R E M E N I ( c I U N L O A O E O C R A C K I n I I I I I F i g u r e 1 5 . T h e F o r m a t i o n o f l a t e r a l c r a c k s a t c r a c k s u r f a c e a s p e r i t i e s ( a f t e r E v a n s [ 1 2 9 ] ) . 7 2 c o u l d r e s u l t i n a t e n s i l e o p e n i n g f o r c e a t t h e c r a c k t i p t h r o u g h o u t t h e t e n s i o n a n d c o m p r e s s i o n c y c l e ( f i g u r e 1 6 ) . F a t i g u e m e c h a n i s m s i n c l u d e s g r a i n b o u n d a r y c r a c k f o r m a t i o n b y t h e r m a l e x p a n s i o n a n i s o t r o p y ( c o a r s e g r a i n e d m a t e r i a l ) , m i c r o c r a c k e x t e n s i o n a n d c o a l e s c e n c e t o f o r m c r i t i c a l s i z e c r a c k . A s a s u m m a r y , c y c l i c f a t i g u e e f f e c t s a p p e a r s t o b e e x i s t e n t i n c e r a m i c s . S t a t i c f a t i g u e i s m o s t l y c o n t r o l l e d b y e n v i r o n m e n t a l l y a s s i s t e d s t r e s s c o r r o s i o n c r a c k i n g . F a t i g u e c r a c k g r o w t h v i a c y c l i c l o a d i n g m a y o c c u r b y ( l ) s o f t e n i n g o f g r a i n b o u n d a r y p h a s e s b y h e a t g e n e r a t e d b y f r i c t i o n o f m i c r o c r a c k s u r f a c e s [ 3 4 , 1 2 1 ] , ( 2 ) c o a l e s c e n c e o f t h e r m a l e x p a n s i o n a n i s o t r o p y i n d u c e d g r a i n b o u n d a r y m i c r o c r a c k s ( f i g u r e 1 7 ) [ 1 2 9 ] , ( 3 ) l a t e r a l c r a c k g r o w t h o n u n l o a d i n g d u e t o t h e c o m p r e s s i o n l o a d i n d u c e d p l a s t i c i t y n e a r c r a c k s u r f a c e ( f i g u r e 1 5 ) [ 1 2 9 ] , ( 4 ) a t e n s i l e s t r e s s a t t h e c r a c k t i p ( f i g u r e 1 6 ) [ 1 2 9 ] i n d u c e d b y t h e n o n - c l o s u r e o f a s p e r i t i e s n e a r t h e c r a c k t i p , a n d ( 5 ) s t a b l e c r a c k g r o w t h [ 1 2 4 , 1 2 5 ] d u e t o r e s i d u a l t e n s i l e s t r e s s a t t h e c r a c k t i p i n d u c e d b y u n l o a d i n g ( f a r - f i e l d c o m p r e s s i o n - c o m p r e s s i o n l o a d i n g ) . A l s o c y c l i c f a t i g u e c r a c k g r o w t h w a s o b s e r v e d t o b e m o s t l y i n t e r g r a n u l a r a n d p a r t i a l l y t r a n s g r a n u l a r [ 1 2 6 ] . 3 . 1 . 1 . 3 M e c h a n i c a l F a t i g u e i n C e r a m i c M a t r i x C o m p o s i t e s T h e f a t i g u e c h a r a c t e r i s t i c s o f c e r a m i c m a t r i x c o m p o s i t e s ( C M C ) a r e v e r y c o m p l e x b e c a u s e c o m p o s i t e s e x h i b i t i n h o m o g e n i e t i e s a n d a n i s o t r o p i e s i n m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s . E v e n t h o u g h t h e f a t i g u e 7 3 O ’ N E A R E S T C O N T A C T I N G 5 1 1 6 2 1 3 1 3 1 8 5 t A S P E R I T Y q I I - — ' _ . . I . : U l l _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 1 _ _ _ - . Z r - - - - - * - * 1 \ ‘ E O U I V A L E N T O P E N I N G O F I S W O T H S U R F A C E D C R A C K ( 0 ) C R A C K A T P E A K A P P L I E D T E N S I L E S T R E S S ( b l C O M P L E T E A S P E R I T Y C O ‘ J T A C T U N D E R A P P L I E D C O M P R E S S I O N F i g u r e 1 6 . T h e l i m i t a t i o n o n c r a c k c l o s u r e p r o v i d e d b y t h e c r a c k s u r f a c e a s p e r i t i e s ( a f t e r E v a n s [ 1 2 9 ] ) . F i g u r e 1 7 . a n d c o a l e s c e n c e ( a f t e r E v a n s [ 1 2 9 ] ) . T h e s e q u e n c e i n v o l v e d i n f a i l u r e b y m i c r o c r a c k f o r m a t i o n a t I F R A C T U R E P A T , 1 c » — — — — - — — — 4 C R I T I C A L M A C R O C R A C K S I Z E M I C R O C R A C K S G R A I N B O U N D A R I E S 7 4 7 5 r e s p o n s e o f C M C i s c r i t i c a l i n m a n y e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s , l i t t l e w o r k h a s b e e n d o n e o n f a t i g u e o f C M C . L e w i s [ 1 3 2 ] p r o p o s e d a c y c l i c f a t i g u e f a i l u r e m e c h a n i s m i n c e r a m i c m a t r i x - f i b e r r e i n f o r c e d c o m p o s i t e s b a s e d o n i r r e v e r s i b i l i t y i n t h e p r o c e s s o f m a t r i x c r a c k i n g a n d f i b e r p u l l - o u t . : A c c o r d i n g t o L e w i s [ 1 3 2 ] , f a t i g u e f a i l u r e o c c u r s i n f i v e b a s i c s t e p s ( 1 ) M a t r i x c r a c k i n g b e c a u s e o f l o w e r s t r a i n t o f a i l u r e o f t h e m a t r i x , ( 2 ) C r a c k a r r e s t a n d d e f l e c t i o n a t t h e f i b e r - m a t r i x i n t e r f a c e w h i c h l e a d s t o f i b e r - m a t r i x d e b o n d i n g , ( 3 ) F u r t h e r l o a d i n g e n t a i l s s t r e s s t r a n s f e r f r o m t h e m a t r i x t o t h e f i b e r , ( 4 ) F i b e r s b r e a k a t t h e u l t i m a t e s t r e n g t h a n d s l i d e o u t o f t h e m a t r i x , ( 5 ) I d e a l l y , u n l o a d i n g r e v e r s e s o f t h e p r o c e s s . H o w e v e r t h e n o n - i d e a l f r i c t i o n a l r e s t r a i n t a t t h e f i b e r - m a t r i x i n t e r f a c e c a u s e s u n l o a d i n g t o e x e r t a c o m p r e s s i v e s t r e s s o n t h e f i b e r b e i n g f o r c e d i n t o t h e c a v i t y c r e a t e d b y t h e p u l l - o u t . D e p e n d i n g o n t h e f i b e r l e n g t h , t h i s e v e n t u a l l y l e a d s t o f i b e r b u c k l i n g a n d c o n s e q u e n t f i b e r f a i l u r e i n c o m p r e s s i o n . P r e w o [ 1 3 3 ] p e r f o r m e d t e n s i l e f a t i g u e t e s t i n g o n t w o d i f f e r e n t L A S - S i C f i b e r c o m p o s i t e s . L A S I - S i C u n i a x i a l l y r e i n f o r c e d f i b e r c o m p o s i t e s h o w e d a l i n e a r s t r e s s - s t r a i n c u r v e w i t h n o c h a n g e i n s t r e s s - s t r a i n b e h a v i o r d u r i n g f a t i g u e m a x i m u m l o a d l o w e r t h a n t h e f r a c t u r e s t r e s s . W h i l e u n i a x i a l l y r e i n f o r c e d L A S I I - S i C f i b e r c o m p o s i t e w h i c h s h o w e d h i g h e r s t r e n g t h e x h i b i t e d a p o r t i o n o f n o n - l i n e a r s t r e s s - s t r a i n c u r v e a t h i g h e r s t r e s s r e g i o n ( t h a n t h e p r o p o r t i o n a l l i m i t ) a t 2 2 ° C . R e p e a t e d c y c l i c l o a d i n g w i t h m a x i m u m l o a d i n g h i g h e r t h a n t h e p r o p o r t i o n a l l i m i t r e d u c e d t h e p r o p o r t i o n a l 7 6 l i m i t a n d a n o t h e r l i n e a r s t r e s s - s t r a i n r e g i o n a p p e a r e d a b o v e t h e r e d u c e d p r o p o r t i o n a l l i m i t . T h e c a u s e o f t h i s c h a n g e s i n s t r e s s - s t r a i n c u r v e w a s t h o u g h t t o b e m a t r i x m i c r o c r a c k i n g a n d m a t r i x m i c r o c r a c k c l o s u r e o n u n l o a d i n g . L A S I I - S i C w e r e f a t i g u e d a t u p t o 1 0 5 c y c l e s w i t h 0 . 5 H z f r e q u e n c y a t t e m p e r a t u r e s 2 2 , 6 0 0 , 9 0 0 ° C . A t r o o m t e m p e r a t u r e , m o s t o f c o m p o s i t e s s u r v i v e d u p t o 1 0 5 c y c l e s . R e s i d u a l s t r e n g t h s w e r e n o t c h a n g e d a n d i n c r e a s e d i n s o m e s p e c i m e n s . A t 6 0 0 ° C t h e L A S I I - S i C s p e c i m e n s e x h i b i t e d a f l e x u r a l s t r e n g t h o f 1 0 0 0 - 1 1 0 0 M P a f o r a s i n g l e l o a d i n g c y c l e . T h e s t r e n g t h t h e n d e t e r i o r a t e d a s t h e n u m b e r o f f a t i g u e c y c l e s i n c r e a s e d s u c h t h a t t h e s p e c i m e n s f a i l e d a t o n e t h i r d o f t h e i r r o o m t e m p e r a t u r e s t r e n g t h a f t e r 1 0 5 c y c l e s . A g r a d u a l d e c r e a s e i n t h e s t i f f n e s s w a s o b s e r v e d i n t h e l o a d - d e f l e c t i o n b e h a v i o r . T h e g r a d u a l r e d u c t i o n i n s t i f f n e s s w a s a c c o m p a n i e d b y v i s i b l e i n t e r l a m e l l a s h e a r c r a c k s i n a d d i t i o n t o t h e m a j o r t e n s i l e c r a c k s . T h e L A S I I - S i C c o m p o s i t e e x h i b i t e d s t a b l e f a t i g u e b e h a v i o r w i t h o u t c a t a s t r o p h i c f a i l u r e , t h e r e f o r e t h e c o m p o s i t e i s p r e f e r r e d t o t h e m a t r i x a l o n e . T h e s t r e n g t h o f t h e L A S I I - S i C _ c o m p o s i t e s d i d n o t c h a n g e s i g n i f i c a n t l y w i t h i n c r e a s i n g n u m b e r o f c y c l e s f o r f a t i g u e t e s t i n g a t 9 0 0 ° C . T h e o n l y a n o m a l y o b s e r v e d w a s a n o n - l i n e a r l o a d - d e f l e c t i o n b e h a v i o r . A s i n t h e c a s e o f t h e s p e c i m e n f a t i g u e d a t 6 0 0 ° C , f r a c t u r e w a s n o n - c a t a s t r o p h i c . T h e r e s u l t a n t f r a c t u r e f e a t u r e s w e r e a l s o n o n - f i b r o u s ( b r i t t l e ) . 7 7 S u r e s h , e t a l . [ 1 3 4 ] a p p l i e d f a r - f i e l d c o m p r e s s i o n c y c l i c l o a d i n g o n s i l i c o n n i t r i d e a n d s i l i c o n n i t r i d e - S i C w h i s k e r c o m p o s i t e s t o i n v e s t i g a t e s t a b l e m o d e I f a t i g u e c r a c k g r o w t h i n C M C . S u r e s h a n d c o - w o r k e r s [ 1 3 4 ] u s e d s i n g l e n o t c h e d s p e c i m e n s o f S i s N 4 a n d S i a N 4 - S i C w h i s k e r c o m p o s i t e s l o a d e d w i t h a t f r e q u e n c y o f 2 0 H z a n d l o a d r a t i o ( = m a x i m u m c o m p r e s s i v e s t r e s s / m i n i m u m c o m p r e s s i v e s t r e s s ) o f 1 0 . T h r e s h o l d s t r e s s r a n g e s t o i n i t i a t e a f a t i g u e c r a c k i n c r e a s e d a n d t h e r e s u l t a n t c r a c k l e n g t h s a f t e r 1 0 5 c y c l e s w e r e 2 . 5 a n d 2 . 2 t i m e s l o n g e r t h a n S i 3 N 4 m a t r i x f o r t h e 1 0 v o l u m e p e r c e n t a n d 2 0 v o l u m e p e r c e n t S i C w h i s k e r c o m p o s i t e s r e s p e c t i v e l y . H o w e v e r , t h e t h r e s h o l d s t r e s s r a n g e w a s l o w e r t h a n S i 3 N 4 b y 2 0 p e r c e n t . T h e c r a c k l e n g t h a f t e r 5 x 1 0 5 c y c l e s w a s a s s h o r t a s 0 . 0 5 m m f o r 3 0 v o l u m e p e r c e n t S i C w h i s k e r c o m p o s i t e u n d e r m a x i m u m s t r e s s 3 1 8 M P a a n d m i n i m u m s t r e s s 3 1 . 8 M P a , w h i l e t h e c r a c k l e n g t h f o r 2 0 v o l u m e p e r c e n t S i C w h i s k e r c o m p o s i t e w a s 0 . 2 2 m m u n d e r m a x i m u m l o a d 4 2 2 M P a a n d m i n i m u m l o a d 4 2 . 2 M P a . S u r e s h , e t a l . [ 1 3 4 ] o b s e r v e d t h a t t h e c r a c k g r o w t h r a t e g r a d u a l l y d e c r e a s e d w i t h f a t i g u e c y c l e s b e c a u s e o f t h e p r e s e n c e o f d e b r i s a n d w h i s k e r s t r a p p e d i n t h e c r a c k w a k e . W h i s k e r p u l l - o u t a n d d e b r i s d u r i n g c y c l i n g w e r e o b s e r v e d f r o m f r a c t o g r a p h y o f f a t i g u e f a i l u r e s u r f a c e . S u r s h e t a l . [ 1 3 4 ] a s s u m e d a r e l a t i v e l y f l a t a n d s m o o t h f r a c t u r e s u r f a c e d u e t o t h e s e v e r e a b r a s i o n b e t w e e n c r a c k s u r f a c e s d u r i n g c y c l i n g f r o m f r a c t o g r a p h y o f f a t i g u e f a i l u r e s u r f a c e s w i t h o u t p r e s e n t i n g u n f a t i g u e d c r a c k s u r f a c e . L a r g e r c r a c k o p e n i n g i n t h e c o m p o s i t e s a p p e a r e d t o r e s u l t f r o m t h e r e m o v a l o f m a t e r i a l ( c a u s e d b y h i g h f r e q u e n c y c o n t a c t o f ' p u l l e d - o u t a n d b r o k e n w h i s k e r s ' w i t h c r a c k s u r f a c e s ) f r o m t h e 7 8 c r a c k . S i C w h i s k e r r e i n f o r c e m e n t i n S 1 3 N 4 a p p e a r e d t o d e t e r i o r a t e t h e c y c l i c f a t i g u e b e h a v i o r u p t o 2 0 v o l u m e p e r c e n t w h i s k e r r e i n f o r c e m e n t e v e n t h o u g h t h e r e i n f o r c e m e n t p r o d u c e d h i g h e r t o u g h n e s s . F o r 3 0 v o l u m e p e r c e n t w h i s k e r c o m p o s i t e , t h e c r a c k g r o w t h r a t e s w e r e s m a l l e r b u t a f a t i g u e c r a c k i n i t i a t i o n t h r e s h o l d s t r e s s i s 2 0 p e r c e n t l o w e r t h a n u n r e i n f o r c e d S i a N 4 m a t r i x . M o r r o n e , e t a l . [ l 3 5 ] u s e d a s i m i l a r m e t h o d t o S u r e s h ’ s [ 1 3 4 ] t o s t u d y A 1 2 0 3 - S i C w h i s k e r c o m p o s i t e . S i n g l e a n d d o u b l e e d g e n o t c h e d s p e c i m e n s w i t h d i f f e r e n t n o t c h r o o t r a d i i w e r e u s e d t o m o n i t o r t h e e d g e c r a c k p r o p a g a t i o n u n d e r c y c l i c c o m p r e s s i o n l o a d i n g [ 1 2 4 , 1 2 5 , 1 3 4 ] . T h e l e n g t h o f s e l f a r r e s t e d c r a c k i n c r e a s e d f r o m 1 8 2 t o 8 3 5 p m a s t h e n o t c h r o o t r a d i u s i n c r e a s e d f r o m 1 3 0 t o 1 0 5 0 p m a f t e r 1 0 6 c y c l e s . T h e c h a n g i n g r o o t r a d i u s d i d n o t a f f e c t t h e m a x i m u m c o m p r e s s i v e s t r e s s a t t h e n o t c h t i p d u r i n g c y c l i c l o a d i n g . A s o b s e r v e d p r e v i o u s l y [ 1 3 4 ] , t h e c r a c k c l o s u r e f o r c e w h i c h c a n s l o w d o w n t h e f a t i g u e c r a c k g r o w t h c a n b e s u p p l i e d b y t h e p r e s e n c e o f t h e d e b r i s a n d p u l l e d - o u t w h i s k e r s t r a p p e d i n t h e c r a c k w a k e . H o w e v e r , f a t i g u e b e h a v i o r d o e s n o t s e e m l i k e l y t o b e i m p r o v e d v e r y m u c h b y w h i s k e r r e i n f o r c e m e n t . 3 . 1 . 2 T h e r m a l S h o c k F a t i g u e 3 . 1 . 2 . 1 T h e r m a l F a t i g u e i n S i C F i b e r R e i n f o r c e d A l u m i n o s i l i c a t e G l a s s - C e r a m i c C o m p o s i t e U n s h o c k e d ( a n n e a l e d ) Y o u n g ' s m o d u l u s v a l u e s ( T a b l e 8 ) m e a s u r e d i n t h i s s t u d y a g r e e r e a s o n a b l y w e l l w i t h d a t a r e p o r t e d b y P r e w o [ 1 3 6 ] f o r 7 9 T a b l e 8 . T h e n o n - l i n e a r r e g r e s s i o n r e s u l t s o f t h e r m a l f a t i g u e d a t a o f S i C f i b e r / A S c o m p o s i t e S p e c i m e n L a b e l 5 . 2 1 5 . 2 2 5 . 1 4 5 . 2 1 5 . 2 2 5 . 1 4 A T ( C ) 3 0 0 3 7 0 4 5 0 3 0 0 3 7 0 4 5 0 B o [ c P a ] , Q ; i x 1 0 ' 5 ] 1 4 2 . 2 1 2 5 . 5 1 3 2 . 7 2 3 . 0 6 2 3 . 2 5 2 5 . 8 2 A [ G P a ] , B [ x 1 0 : ] 0 2 8 8 0 5 1 4 0 9 5 6 1 4 0 0 1 9 9 8 3 9 3 8 A / B o 0 . 0 0 2 0 2 0 . 0 0 4 0 9 0 . 0 0 7 2 0 8 * k B / Q ; 1 * 4 * 0 5 4 2 2 0 8 5 9 4 1 . 7 0 7 7 8 0 l o n g i t u d i n a l Y o u n g ' s m o d u l i o f u n i a x i a l l y r e i n f o r c e d S i C f i b e r ( 4 4 - 4 6 v o l p e r c e n t ) / L A S c o m p o s i t e s a t r o o m t e m p e r a t u r e ; 1 2 8 - 1 3 6 G P a m e a s u r e d b y t e n s i o n t e s t , 1 3 2 - 1 7 2 G P a f r o m f o u r p o i n t f l e x u r a l t e s t . I n t e r n a l f r i c t i o n d a t a f o r u n s h o c k e d s p e c i m e n s a r e a l s o l i s t e d i n t a b l e 8 . F o r 3 1 0 f i b e r r e i n f o r c e d L A S , t h e Y o u n g ' s m o d u l u s , E , d e c r e a s e d a n d i n t e r n a l f r i c t i o n , Q 1 1 , i n c r e a s e d m o n o t o n i c a l l y w i t h n , t h e c u m u l a t i v e n u m b e r o f t h e r m a l c y c l e s ( f i g u r e s 1 8 a n d 1 9 ) , a s d e s c r i b e d b y t h e e q u a t i o n s E ( n ) - E o - A { l - e x p ( - a n ) } ( 3 4 ) _ 1 , 1 Q ( n ) - Q 0 + B { l - e x p ( - fi n ) ) ( 3 5 ) w h e r e E ( n ) , Q - ( n ) = Y o u n g ’ s m o d u l u s a n d i n t e r n a l f r i c t i o n a s a f u n c t i o n o f n , t h e c u m u l a t i v e n u m b e r o f t h e r m a l s h o c k c y c l e s E 0 , l e - Y o u n g ' s m o d u l u s o f u n s h o c k e d s p e c i m e n A , B - d a m a g e s a t u r a t i o n c o n s t a n t s a , 5 - r a t e o f d e c r e m e n t a n d i n c r e m e n t ( r a t e c o n s t a n t ) . P a r a m e t e r s A , a , B a n d B ( T a b l e 8 ) w e r e c a l c u l a t e d v i a n o n - l i n e a r , 1 r e g r e s s i o n o n t h e E a n d Q 0 d a t a . F o r a g i v e n A T , A a n d B r e p r e s e n t a s t e a d y s t a t e l e v e l o f d a m a g e ( d a m a g e s a t u r a t i o n ) f o r a l a r g e n u m b e r o f c u m u l a t i v e t h e r m a l s h o c k c y c l e s , n . T h e c o n s t a n t s a a n d 6 m e a s u r e t h e ) o E / E ( S U L U D O M S ‘ G N U O Y D E Z I L A M R O N ) s ‘ 0 1 x ( N O I T C I R F L A N R E T N I 9 O 5 . O 8 1 1 . 0 0 0 0 3 3 ‘ s ? - - - - - - - o - - - - - - - - o - - - - - - ~ o - - - - - - - 0 6 “ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . . . q ‘ 0 ‘ A Q _ _ _ _ _ _ A _ _ _ _ _ _ 1 > 0 . 9 9 5 \ 0 “ ? - - - - - 0 - - - - - - O - - - - - - - - - - - - - 1 3 0 . 9 9 0 I - O A ? = 3 0 0 ° C ( R L A 5 . 2 1 ) 0 . 9 8 5 I - 0 A T = 3 7 0 ° C ( R L A 5 . 2 2 ) 0 A T = 4 5 0 ° C ( R L A 5 . 1 4 ) L A 0 . 9 8 0 J 1 a A 1 A A O 1 0 2 0 3 O 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 N U M B E R O F T H E R M A L C Y C L E S F i g u r e 1 8 . Y o u n g ' s m o d u l u s o f S i C f i b e r / A S c o m p o s i t e s a s a f u n c t i o n o f t h e c u m u l a t i v e n u m b e r o f t h e r m a l s h o c k c y c l e s . 7 0 ° 1 ’ . 0 . . - “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ r r - - - - . P ’ O o I I , ! s o ~ 9 4 0 9 5 , - 1 3 — - - - - - o " " ' " " " “ " “ " 9 ' ‘ ‘ ‘ ‘ ‘ 8 1 , A ’ , . . o _ _ _ _ _ _ _ 0 ' % U . . . . . . . r , ( T n o A 0 A r = 3 0 0 ° C ( n u 5 . 2 1 ] A A T = 3 7 0 ' C ( R M 5 . 2 2 ) 0 A T = 4 5 0 ° C ( R M 5 . 1 4 ) o A A A L 1 A A A L O 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 B O 7 0 B O 9 0 1 0 0 N U M B E R O F T H E R M A L C Y C L E S F i g u r e 1 9 . I n t e r n a l f r i c t i o n o f S i C f i b e r / A S c o m p o s i t e s a s a f u n c t i o n o f t h e c u m u l a t i v e n u m b e r o f t h e r m a l s h o c k c y c l e s . : 8 2 r a t e o f d e c r e a s e i n Y o u n g ' s m o d u l u s a n d t h a t o f i n c r e a s e i n i n t e r n a l f r i c t i o n . T h e v a l u e s o f a , 6 a n d t h o s e o f A , B i n c r e a s e d a s A T i n c r e a s e d . T h e m o s t p r o b a b l e c a u s e f o r t h i s t h e r m a l f a t i g u e i s t h e m i c r o c r a c k i n g a n d i t s c o a l e s c e n c e i n d u c e d b y t h e s u p e r p o s i t i o n o f m i c r o s c o p i c t h e r m a l e x p a n s i o n m i s m a t c h b e t w e e n t h e m a t r i x a n d f i b e r , t h e r m a l e x p a n s i o n a n i s o t r o p y o f c r y s t a l , a n d m a c r o s c o p i c t h e r m a l g r a d i e n t s t r e s s p r e s e n t d u r i n g t h e q u e n c h i n g i n d e i o n i z e d w a t e r [ 1 3 7 ] . C r y s t a l l i n e b e t a - e u c r y p t i t e , a m a j o r c r y s t a l l i n e p h a s e i n L A S m a t r i x , h a s a s e v e r e t h e r m a l e x p a n s i o n a n i s o t r o p y ( t h e r m a l e x p a n s i o n c o e f f i c i e n t a l o n g t h e c - a x i s i s - l 7 . 6 x 1 0 : 6 C 1 1 , w h e r e a s a l o n g t h e a - a x i s , i t i s + 8 . 2 x 1 0 : 6 C 1 1 ) [ 1 3 8 , 1 3 9 ] . B e t a - e u c r y p t i t e g r a i n s i n g l a s s c e r a m i c s a r e u s u a l l y s u b m i c r o n i n s i z e , t h u s d e p e n d i n g o n t h e c r i t i c a l g r a i n s i z e [ 3 5 ] m i c r o c r a c k i n g d u e t o t h e r m a l e x p a n s i o n a n i s o t r o p y m a y n o t b e s i g n i f i c a n t . T h e e f f e c t i v e , m a c r o s c o p i c t h e r m a l e x p a n s i o n c o e f f i c i e n t o f b e t a - e u c r y p t i t e i s - 8 x 1 0 : 6 C : 1 a n d t h e t h e r m a l e x p a n s i o n c o e f f i c i e n t o f S i C f i b e r i s 3 . 2 x 1 0 : 6 [ 1 4 0 ] , t h u s t h e t h e r m a l e x p a n s i o n s m a y p a r t i a l l y c a n c e l e a c h o t h e r d u r i n g h e a t i n g a n d c o o l i n g . T h i s i s c o n s i s t e n t w i t h t h e v e r y l o w l e v e l o f t h e r m a l s h o c k d a m a g e o b t a i n e d i n t h i s s t u d y e v e n a f t e r 1 0 0 t h e r m a l s h o c k c y c l e s . 3 . 1 . 2 . 2 C o m p a r i s o n o f t h e r m a l c y c l i n g d a m a g e i n S i C f i b e r / L A S c o m p o s i t e s w i t h p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a a n d S i C w h i s k e r / a l u m i n a c o m p o s i t e s A s i m p l e l i n e a r r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e c h a n g e i n i n t e r n a l f r i c t i o n a n d t h e " c r a c k d a m a g e p a r a m e t e r " , a s d e f i n e d b y S a l g a n i k [ 1 4 1 ] a n d b y B u d i a n s k y a n d O ' C o n n e l l [ 7 6 ] * w a s d e m o n s t r a t e d . Y o u n g ’ s m o d u l u s d e c r e a s e s a s a f u n c t i o n o f t h e m i c r o c r a c k d a m a g e p a r a m e t e r * * , 5 , a c c o r d i n g t o E = E { l - f ( u ) € } ( 3 6 ) O w i t h t h e e m p i r i c a l e q u a t i o n s 3 4 a n d 3 5 , o n e o b t a i n s a r e l a t i o n o f t h e f o r m , 1 - 1 C 3 A Q / Q 0 - C 1 [ l - { l - C 2 f ( v ) e } ] ( 3 7 ) w h e r e C 1 , C 2 a n d C 3 a r e c o n s t a n t s [ 2 4 ] . F o r a s u f f i c i e n t l y s m a l l C 3 C 2 f ( u ) e , t h e t e r m { 1 - C 2 f ( v ) e } i n e q u a t i o n 3 7 b e c o m e s { 1 - C 2 C 3 f ( u ) e } u s i n g t h e b i n o m i a l e x p a n s i o n t h e o r e m . E q u a t i o n 3 7 t h e n c a n _ 1 b e a p p r o x i m a t e d b y t h e l i n e a r e q u a t i o n , A 0 = D e , w h e r e D i s c o n s t a n t . F o r b o t h t h e S i C f i b e r / L A S a n d t h e S i C w h i s k e r / a l u m i n a . . . . . . . . . . . . . 3 * T h e c r a c k d a m a g e p a r a m e t e r c i s d e f i n e d a s t h e p r o d u c t , N < a > , w h e r e N i s m i c r o c r a c k d e n s i t y ( n u m b e r o f m i c r o c r a c k s p e r u n i t v o l u m e ) a n d < a > i s m e a n m i c r o c r a c k r a d i u s . * * f ( v ) i s a w e a k f u n c t i o n o f P o i s s o n ' s r a t i o V . F o r m o s t m a t e r i a l s , f ( u ) i s a p p r o x i m a t e l y 1 . 7 . f ( u ) m a y d i f f e r d e p e n d i n g o n t h e d i s t r i b u t i o n o f c r a c k s a n d o r i e n t a t i o n s [ 7 7 , 1 9 ] . 8 3 8 4 c o m p o s i t e s , t h e A Q : 1 v e r s u s 6 p l o t s w e r e l i n e a r , c o r r e s p o n d i n g t o A Q 1 1 - D e . E a c h o f t h e i n t e r n a l f r i c t i o n v e r s u s c u m u l a t i v e s h o c k c u r v e s ( f i g u r e 1 9 ) c o r r e s p o n d s t o t h e r m a l s h o c k d a m a g e e v o l u t i o n a t a d i f f e r e n t A T . H o w e v e r , i n t e r m s o f A 0 : 1 v e r s u s 6 , a l l o f t h e t h e r m a l s h o c k d a m a g e c u r v e s c o l l a p s e o n t o a s i n g l e l i n e ( f i g u r e 2 0 ) . F o r t h e p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a s p e c i m e n s , t h e d e v i a t i o n f r o m l i n e a r i t y i n t h e A Q : 1 v e r s u s 6 p l o t i s t h o u g h t t o b e d u e t o e x t e n s i v e l i n k u p o f m i c r o c r a c k s i n t h e u n r e i n f o r c e d s p e c i m e n , w h e r e s u c h l i n k u p i s l i m i t e d i n t h e c o m p o s i t e s p e c i m e n s [ 2 5 ] . F o r t h e S i C f i b e r / L A S c o m p o s i t e , t h e S i C w h i s k e r / a l u m i n a c o m p o s i t e [ 2 4 ] , a n d t h e p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a [ 2 5 ] , l o g - l o g p l o t s o f t h e n o r m a l i z e d s a t u r a t i o n v a l u e s ( A / E o a n d B / l e ) i n f i g u r e 2 1 s h o w e d a p o w e r l a w r e l a t i o n s h i p w i t h n o n d i m e n s i o n a l t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e , A T / T r n a m e l y . p l A / E o = J 1 ( A T / T r ) ( 3 8 ) B / Q : : = 1 2 ( A T / T > p 2 ( 3 9 ) o r w h e r e T r , i s a r e f e r e n c e t e m p e r a t u r e ( 2 9 3 K ) . A T , t h e t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e f u r n a c e t e m p e r a t u r e a n d t h e w a t e r b a t h t e m p e r a t u r e , w a s e x p r e s s e d i n t e r m s o f d e g r e e s K ( f i g u r e 2 1 ) . A c o m p a r i s o n o f t h e s l o p e s o f l n ( A / E 0 ) a n d l n ( B / Q 6 1 ) v e r s u s l n ( A T / T r ) 1 2 ( w h e r e t h e s l o p e s c o r r e s p o n d t o t h e e x p o n e n t s p a n d p i n e q u a t i o n s 3 8 a n d 3 9 , r e s p e c t i v e l y ) s h o w t h a t t h e s l o p e f o r t h e S 1 6 f i b e r / L A S r / ! r “ u ‘ A L ‘ A o o a w M S I o o C w t r fl h e e . ‘ . M . e T 8 2 o ’ 2 0 . . ‘ 0 ‘ O 0 m h e n A u S W m m a n h - 6 . ‘ ‘ I 0 . 0 4 q ; O 0 . 1 0 6 Q O 2 0 . 0 8 5 f ( ” ) 6 - 1 F i g u r e 2 0 . A Q a s a f u n c t i o n o f c r a c k d a m a g e p a r a m e t e r f o r t h e S i C f i b e r / L A S c o m p o s i t e s , t h e S i C w h i s k e r / a l u m i n a c o m p o s i t e s a n d u n r e i n f o r c e d a l u m i n a . T h e f i g u r e ( b ) r e p r e s e n t s t h e l e s s d a m a g e d r e g i o n o f f i g u r e ( a ) . F i g u r e 2 1 . ( L t A o e / g m a E p r o e i ) r t a h a t m n u d r o f ( B t / h Q e a l e . o n ) r v m e a r l s i u z s e d l o s g a a t r u i r t a h t m i o o n f a d t a h m e g n e o p m a a r l r a i m z e e t d e r s 8 6 O O S I C f i b e r / L A S D I S l C ' t h s k e r / A l u m l n a A A P o l y c r y s t a l l i n e A l u m l n e 6 I - T 8 A 3 I — v A / ’ I ’ c / I ‘ . ’ 0 I - / _ _ _ _ _ _ . . — r " ’ A o — — - _ _ , A , 4 ] ' 0 " 3 / . 4 0 ” u I ” A s — { T ’ A ” - O 2 : [ I ‘ £ > _ ‘ _ , , . — E ‘ 6 1 ' / / 0 " " " " ' 1 : - A - 9 1 i I - < 3 0 1 ) O J I 1 3 0 5 I n ( A T / T 0 8 7 T a b l e 9 . L e a s t - s q u a r e s b e s t f i t r e s u l t s o f l o g - l o g p l o t s o f t h e n o r m a l i z e d s a t u r a t i o n v a l u e s ( A / E o a n d B / Q o ) w i t h A T / T r S p e c i m e n S i C f i b e r / A S S i C w h i s k e r / a l u m i n a A l u m i n a L a b e l 3 1 0 0 0 2 0 . 0 1 2 O 0 3 0 3 2 0 5 1 0 2 . 2 2 5 1 4 7 9 5 " ' I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p 2 3 1 3 5 . 9 7 1 1 8 3 p 2 8 2 5 . 6 9 1 1 3 2 A / E 0 ( A T = 3 0 0 ) 0 . 0 0 2 2 0 . 0 1 3 8 0 . 0 3 9 7 A / E 0 ( A T - 4 0 0 ) 0 . 0 0 5 3 0 . 0 7 7 0 1 1 9 2 0 _ 1 B / Q o ( A T - 3 0 0 ) 0 . 5 4 5 2 . 5 4 5 1 9 . 3 2 8 , 1 B / Q o ( A T - 4 0 0 ) 1 . 2 2 7 1 3 . 0 7 9 5 0 1 . 7 5 6 8 8 c o m p o s i t e i s a p p r o x i m a t e l y h a l f t h a t o f t h e S i C w h i s k e r / a l u m i n a a n d a p p r o x i m a t e l y q u a r t e r t h a t o f t h e p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a ( T a b l e 9 ) . U s i n g e q u a t i o n 3 8 a n d t h e p a r a m e t e r s j l a n d p 1 ( o b t a i n e d v i a n o n - l i n e a r l e a s t - s q u a r e f i t o f E v e r s u s A T d a t a ) , A / E o c a n b e c o m p a r e d f o r _ t h e t h r e e m a t e r i a l s a t a g i v e n A T . E q u a t i o n 3 8 l i k e w i s e c a n p r e d i c t B / Q ; 1 f o r t h e t h r e e m a t e r i a l s f o r f i x e d A T . F o r a A T o f 3 0 0 K , t h e r e l a t i v e m o d u l i d e c r e a s e b y 0 . 2 2 % , 1 . 3 8 % a n d 3 . 9 7 % f o r S i C f i b e r / L A S , S i C w h i s k e r / a l u m i n a a n d u n r e i n f o r c e d a l u m i n a , r e s p e c t i v e l y ( T a b l e 9 ) , w h i l e t h e i n t e r n a l f r i c t i o n i n c r e a s e s b y 5 4 . 5 % , 2 5 4 . 5 % a n d 1 9 3 2 . 8 % f o r t h e s a m e t h r e e m a t e r i a l s ( T a b l e 9 ) . C h a n g e s i n E a n d 0 - 1 f o r t h e t h r e e m a t e r i a l s w e r e a l s o c a l c u l a t e d f o r a A T o f 4 0 0 K ( T a b l e 9 ) . A l l c h a n g e s i n E a n d Q . 1 w e r e c a l c u l a t e d w i t h r e s p e c t t o t h e s a t u r a t i o n d a m a g e l e v e l s a t t h e g i v e n A T . T h i s d a t a p r o v i d e s a q u a n t i t a t i v e m e a s u r e o f t h e i m p r o v e m e n t i n t h e r m a l s h o c k r e s i s t a n c e o f f e r e d b y f i b e r a n d w h i s k e r r e i n f o r c e m e n t o f c e r a m i c s . T h e j 2 / j 1 r a t i o r e p r e s e n t s t h e r e l a t i v e s e n s i t i v i t y i n i n t e r n a l f r i c t i o n c o m p a r e d t o t h e c h a n g e s i n Y o u n g ' s m o d u l u s f o r a g i v e n t h e r m a l s h o c k d a m a g e l e v e l . T h e j 2 / j l r a t i o i s a p p r o x i m a t e l y 2 5 0 f o r t h e S i C f i b e r / L A S c o m p o s i t e s , 2 0 0 f o r t h e S i C w h i s k e r / a l u m i n a c o m p o s i t e s [ 2 4 ] a n d 5 0 0 f o r t h e p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a [ 2 5 ] . T h e p o w e r l a w r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e s a t u r a t i o n d a m a g e l e v e l a n d t h e r m a l s h o c k d i f f e r e n c e i m p l i e s a f a t i g u e - l i k e p o w e r l a w r e l a t i o n i n s t r e s s , s i n c e f o r b r i t t l e m a t e r i a l s , A T i s l i n e a r l y r e l a t e d t o t h e i n d u c e d t h e r m o e l a s t i c s t r e s s [ 2 4 , 2 5 ] . T h u s e q u a t i o n s 3 8 a n d 3 9 a r e , e q u i v a l e n t l y , p o w e r l a w f u n c t i o n s o f t h e a p p l i e d 8 9 t h e r m a l s t r e s s e s . S u c h p o w e r l a w f u n c t i o n s a r e c o m m o n i n t h e f a t i g u e o f m e t a l s [ 1 1 1 ] , w h e r e i n s t e a d o f s t r e s s t h e p o w e r l a w r e l a t i o n i s e x p r e s s e d i n t e r m s o f s t r e s s i n t e n s i t y , s u c h t h a t d a / d n - W A K q w h e r e a i s t h e l e n g t h o f t h e f a t i g u e c r a c k , n i s t h e c u m u l a t i v e n u m b e r o f s t r e s s c y c l e s , A K i s t h e s t r e s s i n t e n s i t y r a n g e K m a x - K m i n ’ a n d t h e p a r a m e t e r s W a n d q d e p e n d o n t h e m a t e r i a l , t h e t e s t t e m p e r a t u r e , e t c . T h u s , e q u a t i o n s 3 8 a n d 3 9 ( w h i c h a s s t a t e d a b o v e m a y b e r e w r i t t e n i n t e r m s o f a p o w e r l a w i n s t r e s s o r s t r e s s i n t e n s i t y ) d e m o n s t r a t e t h e e x i s t e n c e o f f a t i g u e - l i k e b e h a v i o r f o r t h e r m a l s h o c k l o a d i n g o f c e r a m i c s . M a c r o c r a c k e x t e n s i o n d u e t o r e p e a t e d p u r e l y m e c h a n i c a l c y c l i c l o a d i n g o f c e r a m i c s a l s o r e c e n t l y h a s b e e n d e s c r i b e d b y s i m i l a r p o w e r - l a w t y p e f a t i g u e e q u a t i o n s [ 1 4 2 - 1 4 4 ] . 3 . 1 . 2 . 3 S t a t i c Y o u n g ' s M o d u l u s M e a s u r e m e n t o f u n s h o c k e d M a c o r G l a s s - C e r a m i c T h e l o a d v e r s u s d i s p l a c e m e n t c u r v e o f M a c o r s p e c i m e n w i t h t h i c k n e s s o f 1 . 7 7 m m a n d w i d t h o f 1 1 . 4 8 m m i s s h o w n i n f i g u r e 2 2 . F r o m t h e m a x i m u m l o a d o f 1 0 7 . 4 2 N , t h e f r a c t u r e s t r e n g t h o f M a c o r w a s 8 9 . 6 0 M P a ( e q u a t i o n 7 ) . C h y u n g e t a l . [ 1 4 5 ] r e p o r t e d 1 0 0 M P 3 f o r t h e f l e x u r a l s t r e n g t h o f M a c o r . T h e t e n s i l e s t r e n g t h o f 1 0 3 M P a w a s r e p o r t e d f o r M a c o r [ 1 4 7 ] . T h e m a x i m u m s t r a i n i n o u t e r f i b e r a t m i d s p a n w a s c a l c u l a t e d a s 1 . 4 2 6 x 1 0 . 3 f r o m t h e m a x i m u m d i s p l a c e m e n t v a l u e o f 0 . 2 1 5 m m i n l o a d v e r s u s d i s p l a c e m e n t c u r v e ( e q u a t i o n 8 ) . T h e m a x i m u m d e f l e c t i o n o f s p e c i m e n a t m i d s p a n w a s c a l c u l a t e d a s 0 . 2 9 5 m m ( e q u a t i o n 9 ) . T h e s t a t i c Y o u n g ' s m o d u l u s o f M a c o r s p e c i m e n w a s ) 0 9 0 L O A D ( N T fi ' T t r l r r l r r r ‘ ' l ‘ r I fi fi r a 0 . 0 0 - - . 0 3 - . 0 6 - . 0 9 — . 1 2 - . 1 5 - . 1 8 - . 2 1 D I S P L A C E M E N T ( m m ) 0 0 0 . l N . p F i g u r e 2 2 . L o a d - d i s p l a c e m e n t c u r v e f o r M a c o r s p e c i m e n 9 1 o b t a i n e d a s 5 7 . 1 2 G P a ( e q u a t i o n 9 ) . T h e d y n a m i c Y o u n g ' s m o d u l u s o f M a c o r m e a s u r e d b y t h e s o n i c r e s o n a n c e m e t h o d r a n g e d f r o m 6 1 . 6 t o 6 3 . 4 G P a ( T a b l e 1 0 ) , w h i c h w a s s e v e r a l p e r c e n t h i g h e r i n v a l u e t h a n t h e s t a t i c Y o u n g ’ s m o d u l u s . G e n e r a l l y t h e m o d u l u s m e a s u r e d b y d y n a m i c m e t h o d i s r e p o r t e d t o b e h i g h e r b y a f e w p e r c e n t t h a t t h e m o d u l u s m e a s u r e d b y s t a t i c m e t h o d [ 1 4 7 ] ( A p p e n d i x A ) . 3 . 1 . 2 . 4 T h e r m a l S h o c k F a t i g u e o f M a c o r G l a s s - C e r a m i c F o r t h e M a c o r g l a s s - c e r a m i c s p e c i m e n s , d e c r e m e n t i n Y o u n g ’ s m o d u l u s a n d i n c r e m e n t i n i n t e r n a l f r i c t i o n u p o n t h e r m a l c y c l i n g w e r e f i t t o t h e e q u a t i o n s g i v e n i n f i g u r e 2 3 a n d 2 4 . E 0 a n d Q 5 1 r e f e r t o t h e u n d a m a g e d Y o u n g ' s m o d u l u s a n d i n t e r n a l f r i c t i o n , r e s p e c t i v e l y . T h e r m a l f a t i g u e p a r a m e t e r s A , a , B a n d 6 ( t a b l e 1 0 ) w e r e c a l c u l a t e d f r o m t h e Y o u n g ' s m o d u l u s a n d i n t e r n a l f r i c t i o n d a t a u s i n g n o n - l i n e a r r e g r e s s i o n . F o r a g i v e n A T , A a n d B r e p r e s e n t t h e d i f f e r e n c e ( f o r Y o u n g ' s m o d u l u s a n d i n t e r n a l f r i c t i o n , r e s p e c t i v e l y ) b e t w e e n t h e u n d a m a g e d s t a t e a n d t h e s t e a d y s t a t e l e v e l o f d a m a g e ( d a m a g e s a t u r a t i o n ) ( f i g u r e 3 ) . A c o n s t a n t a m e a s u r e s t h e r a t e o f d e c r e a s e i n Y o u n g ’ s m o d u l u s a n d a c o n s t a n t 6 m e a s u r e s t h e r a t e o f i n c r e a s e i n i n t e r n a l f r i c t i o n . T h e Y o u n g ’ s m o d u l u s d e c r e m e n t a s a f u n c t i o n o f c u m u l a t i v e t h e r m a l s h o c k c y c l e s r e a c h e d a s t e a d y s t a t e v a l u e f o r s p e c i m e n s s h o c k e d a t A T = 2 0 0 , 3 0 0 a n d 3 5 0 ° C . S p e c i m e n s s h o c k e d a t A T = 4 0 0 a n d 4 5 0 ° C s h o w e d a t w o - s t a g e d e c r e a s e a f t e r e x h i b i t i n g a n i n i t i a l d a m a g e s a t u r a t i o n a t 9 2 T a b l e 1 0 . T h e r m a l f a t i g u e r e s u l t s f o r M a c o r g l a s s — c e r a m i c s s e e f i g u r e 2 5 . f o r s c h e m a t i c o f t h e p a r a m e t e r s r e l a t i n g t o t h e r m a l f a t i g u e d a m a g e S p e c i m e n L a b e l M A - l M A - 2 M A - 3 M A - 4 M A - 5 M A - 6 £ 6 2 6 3 " " " " " " " £ 6 6 " " " 5 6 6 " " " 5 5 6 " " " 2 . 6 6 " " " 2 . 5 6 " " " 5 6 6 " ” 6 ; " 2 6 1 3 5 " " " " " 6 i ? " " " 6 5 ' ; " " " 6 5 ? ; " " " 6 5 ' ; " " " 6 2 - 2 " " " é i ' é ' " A ( G P a ) 0 5 3 1 . 4 1 1 6 3 2 7 6 3 9 1 4 1 2 A / E o ( x 1 0 - ) 8 5 5 2 2 . 2 2 5 3 4 4 2 6 2 9 6 6 8 a 0 0 0 4 3 6 0 2 . 3 9 0 4 7 5 1 1 6 0 9 6 4 6 ; 6 1 1 3 ' S " " " " " { i i " " " £ 3 6 " " " { i s } " " " { i 6 " " " 5 ’ } ; " " " i ' é é " B ( x 1 0 ' 4 ) 1 . 6 4 6 . 1 3 7 . 1 3 1 0 . 2 1 3 . 0 1 2 . 9 B / Q C ‘ ) 1 0 . 7 0 6 2 . 6 7 3 . 2 6 4 . 8 4 3 . 4 3 8 . 4 6 fl 0 . 1 3 2 2 . 5 1 2 . 3 4 0 . 7 3 1 0 . 2 6 3 3 . 6 4 9 3 a : 3 1 . 0 0 4 . , c . 1 . . a 2 T o L 2 - . L A A m U U ' r E : 0 9 7 - 5 ° ° 2 I D o ‘ ' > ~ J ' = o ' - E 3 o s 4 ~ " : 3 S o l i d C u r v e s a r e . 1 1 1 - 4 0 0 c a L e a s t - S q u a r e s F i t t o a 4 1 7 - 3 5 0 C o - _ - _ 0 1 1 2 - 3 0 0 c z E ( n ) / E : o 1 M 1 e x p ( d u n / E a a w h e n " G 0 3 1 . 4 r . . . 4 4 . , 4 . , . 0 l b ' 2 ' 0 ' 3 ' 0 ' 4 0 5 ‘ 0 6 ' 0 7 0 s o 9 0 1 0 0 N U M B E R O F T H E R M A L C Y C L E S ( a ) 3 S o l i d C u r v e s a r e A ” . 4 5 0 c S 1 . 0 0 ” “ L e a s t — S q u a r e s F i t t o A A T ' 5 O O C 8 E ( n ) / E o u - l - M 1 - - e x p ( - a z n ) ] / E o 2 1 £ 0 0 0 . 9 7 - z D . O > ~ ‘ 1 Q A 0 E 3 0 . 9 4 4 ‘ . g A ‘ A 3 0 2 O . 9 1 . , . , . , . . . , . , . , . I 0 1 o 2 0 : 5 0 4 0 s o s o 7 0 5 0 ' 9 ' 0 ' 1 0 0 N U M B E R O F T H E R M A L C Y C L E S ( b ) [ F i g u r e 2 3 . Y o u n g ’ s m o d u l u s o f M a c o r g l a s s - c e r a m i c s a s a f u n c t i o n o f t h e c u m u l a t i v e n u m b e r o f t h e r m a l s h o c k c y c l e s . ( a ) A T - 2 0 0 , 3 0 0 , 3 5 0 a n d 4 0 0 ° C ( b ) A T = 4 5 0 a n d 5 0 0 ° C 0 1 0 2 N 0 U 3 0 E R M B 4 O 0 F 5 H 0 E T s o R M A L 7 C 0 Y C L 0 E 0 S ' 9 0 ' 1 0 0 ) 4 ’ 0 1 x ( N O I T C I R F L A N R E T N I F i g u r e 2 4 . I o ( n a f t ) e t r h A n e T a - l 2 c f m r u i l 0 , u 0 n e c a 3 t 0 t i i 0 o v , o 5 n 3 f u 0 m o M b a a e n c r d r o 4 f 0 g 0 l t a h ° s e C s r - m c a ( e l b r ) a s m h A i o T c c - s k 4 5 s y a c 0 a n l f s . u 5 e d c a n 0 c 0 t n i ° o C 9 4 2 0 A S o l i d C u r v e : a r e 0 3 . 3 3 g V ‘ O I l L e a s t - S q u a r e . F i t t o a “ 5 3 5 0 c 3 ‘ Q ' 1 ( n ) - Q ; 1 + B l I - O x p ( - fl n ) l I A T - 4 0 0 c x , 1 5 4 . V . g o E ' I 2 o n o l m - n O h v Z m A ( I : V U [ — . z . o l — ' I ' l ' I ' I ' l ' I ' I 1 l ( a ) N O U D D b b D D D 1 0 5 8 0 1 1 : ! C u r v e : a r e h u t - S q u a r e s F i t t o ‘ 1 n - ‘ 1 4 - 8 1 - - 9 U Q . l o x p ( fi n “ ‘ 1 5 7 - 0 0 0 : : 0 f 6 0 7 - 4 5 0 0 r I v I v T 0 1 0 2 0 3 ' 0 4 5 T s h fi s ' 0 ' 7 1 0 fi 0 ' 0 ' 9 ' 0 1 0 0 . N U M B E R I M P T H E R M A L C W T W E S ( b ) 9 5 U ) 3 4 . E ; u l " E o - - - - - - - T ’ — — — — — — — — 2 : « A l J 1 S a t u r a t i o n d a m a g e l e v e l o f E g . . . I : ¢ S a l u r a l l o n d a m a g e l e v e l o f Q 9 l a : l U - l ( e B _ , l a v - . ' C : c 3 . " ‘ . ( 3 0 _ _ _ _ _ _ _ i . _ _ _ _ _ _ _ _ u : p . E N U M B E R O F T H E R M A L S H O C K S F i g u r e 2 5 . S c h e m a t i c o f Y o u n g ' s m o d u l u s d e c r e a s e a n d i n t e r n a l f r i c t i o n i n c r e a s e w i t h m i c r o c r a c k d a m a g e i n d u c e d b y t h e r m a l c y c l i n g . 9 6 t w e n t y t h e r m a l s h o c k c y c l e s . F o r s p e c i m e n s h o c k e d a t A T = 5 0 0 ° C , a s h a r p d e c r e a s e i n Y o u n g ' s m o d u l u s w a s o b s e r v e d b e t w e e n t h e t e n t h a n d t h e t w e n t i e t h s h o c k , f o l l o w e d b y a n o t h e r d a m a g e s a t u r a t i o n r e g i m e . T h i s m u l t i - s t a g e t h e r m a l f a t i g u e b e h a v i o r m a y r e s u l t f r o m m i c r o c r a c k i n g a n d m i c r o c r a c k c o a l e s c e n c e r e s u l t i n g f r o m t h e s u p e r p o s i t i o n o f : ( 1 ) s h o r t r a n g e s t r e s s d u e t o t h e r m a l e x p a n s i o n m i s m a t c h b e t w e e n t h e d i s p e r s e d m i c a c r y s t a l s a n d m a t r i x p h a s e a n d ( 2 ) t h e m a c r o s c o p i c t h e r m a l g r a d i e n t s t r e s s i n d u c e d b y q u e n c h i n g i n d e i o n i z e d w a t e r [ 1 3 7 ] . D a m a g e s a t u r a t i o n b e h a v i o r s f o r A T = 2 0 0 , 3 0 0 a n d 3 5 0 ° C m a y r e f l e c t m i c r o c r a c k a r r e s t a t i n t e r l o c k e d m i c r o m e t e r s c a l e m i c a f l a k e s i n t h e M a c o r . T h e m u l t i - s t a g e Y o u n g ' s m o d u l u s d e c r e a s e f o r A T - 4 0 0 a n d 4 5 0 ° C s p e c i m e n s m a y i n d i c a t e p r o g r e s s i v e c r a c k e x t e n s i o n o v e r t h e m i c a f l a k e c r a c k a r r e s t e r . I n t h i s s t u d y , t h e Y o u n g ’ s m o d u l u s f o r u n s h o c k e d M a c o r s p e c i m e n s ( t a b l e 1 0 ) w a s a p p r o x i m a t e l y 6 4 G P a [ 1 4 6 ] a s m e a s u r e d b y s o n i c r e s o n a n c e m e t h o d a n d 5 7 . 5 G P a a s m e a s u r e d q u a s i s t a t i c a l l y f r o m b e a m d e f l e c t i o n . S i n c e s t a t i c m o d u l u s d e t e r m i n a t i o n s o f Y o u n g ’ s m o d u l u s a r e t y p i c a l l y a b o u t 1 0 p e r c e n t l o w e r t h a n d y n a m i c a l l y d e t e r m i n e d m o d u l i , t h e a g r e e m e n t b e t w e e n t h e s t a t i c a n d d y n a m i c d e t e r m i n a t i o n s w a s a c c e p t a b l e . 3 . 1 . 2 . 5 C o m p a r i s o n o f t h e r m a l f a t i g u e d a m a g e i n M a c o r g l a s s - c e r a m i c s w i t h S i C f i b e r / A S , S i C w h i s k e r / a l u m i n a a n d p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a S i C f i b e r r e i n f o r c e d A S [ 2 2 ] , S i C w h i s k e r r e i n f o r c e d a l u m i n a [ 2 4 ] a n d u n r e i n f o r c e d p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a [ 2 5 ] , s h o w e d a r a p i d c h a n g e 9 7 i n t h e r m a l s h o c k d a m a g e a s a f u n c t i o n o f a n i n c r e a s i n g n u m b e r o f t h e r m a l s h o c k c y c l e s . C h a n g e s i n d a m a g e t h e n l e v e l e d o f f , r e a c h i n g a " s a t u r a t i o n " a s t h e c u m u l a t i v e n u m b e r o f t h e r m a l s h o c k c y c l e s i n c r e a s e d ( f i g u r e 2 5 ) . T h e s a t u r a t i o n v a l u e i n c r e a s e d a s t h e r m a l s h o c k t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e i n c r e a s e d . F o r t h e S i C f i b e r / A S c o m p o s i t e , t h e S i C w h i s k e r / a l u m i n a c o m p o s i t e a n d a l u m i n a , t h e p r e s e n t a u t h o r s h a v e d e v e l o p e d a p o w e r l a w r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e s a t u r a t i o n d a m a g e l e v e l a n d t h e r m a l s h o c k t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e w h i c h i m p l i e s a f a t i g u e - l i k e p o w e r l a w r e l a t i o n i n t e r m s o f t h e r m a l s t r e s s i n d u c e d b y r e p e t a t i v e t h e r m a l s h o c k i n g [ 2 2 , 2 4 , 2 5 ] . F o r M a c o r g l a s s - c e r a m i c s , t h e S i C f i b e r / A S c o m p o s i t e [ 2 2 ] , t h e S i C w h i s k e r / a l u m i n a c o m p o s i t e [ 2 4 ] , a n d t h e p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a [ 2 5 ] , l o g - l o g p l o t s o f t h e n o r m a l i z e d s a t u r a t i o n v a l u e s ( A / E O a n d B / l e ) i n f i g u r e 2 6 s h o w e d a p o w e r l a w r e l a t i o n s h i p w i t h n o n d i m e n s i o n a l t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e , A T / T r n a m e l y [ 2 2 , 2 4 , 2 5 ] . p 1 A / E - J 1 ( A T / T ) ( 3 8 ) o r - 1 . p 2 B / Q o " 3 2 ( A T / T r ) ( 3 9 ) w h e r e T r , i s a r e f e r e n c e t e m p e r a t u r e ( 2 9 3 K ) . A T , t h e t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e f u r n a c e t e m p e r a t u r e a n d t h e w a t e r b a t h t e m p e r a t u r e , w a s e x p r e s s e d i n t e r m s o f d e g r e e s K ( f i g u r e 2 6 ) . S i n c e A T i s l i n e a r l y r e l a t e d t o t h e i n d u c e d t h e r m o e l a s t i c s t r e s s [ 1 ] f o r b r i t t l e m a t e r i a l s , t h e p o w e r l a w r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e s a t u r a t i o n 9 8 4 I n t e r n a l F r i c t i o n A o ‘ . O H e c o r Q 2 “ , ' . 3 1 0 1 / A S a : < m t g / A l u m i n a v 5 0 " / . M u m m ‘ O - 2 . ’ 5 - 4 4 Y o u n g ' s M o d u l u s g l 0 0 1 1 1 1 0 0 : - : 5 , - 5 . A S l c f / A 8 £ 5 D S l e / A l u m l n e 4 O O A l u x n l n e - a . - . , . . . , . . . , - l s , . - . ‘ - 0 2 0 . 0 0 0 2 0 0 ‘ l n ( A T / T r ) F i g u r e 2 6 . L o g a r i t h m o f t h e l n o r m a l i z e d s a t u r a t i o n d a m a g e p a r a m e t e r s ( A / E o ) a n d ( B / Q g ) v e r s u s l o g a r i t h m o f t h e n o r m a l i z e d t e m p e r a t u r e . 9 9 d a m a g e l e v e l a n d t h e r m a l s h o c k d i f f e r e n c e i m p l i e s a f a t i g u e - l i k e p o w e r l a w r e l a t i o n i n s t r e s s . R e c e n t w o r k b y o t h e r r e s e a r c h e r s [ 1 4 3 , 1 4 4 ] h a s s h o w n t h a t c r a c k e x t e n s i o n d u e t o r e p e a t e d p u r e l y m e c h a n i c a l l o a d i n g o f c e r a m i c s c a n b e d e s c r i b e d i n t e r m s o f s i m i l a r p o w e r l a w e q u a t i o n i n s t r e s s . I n a d d i t i o n t o t h e f a t i g u e - l i k e r e l a t i o n s , t h e p r e s e n t a u t h o r s h a v e s h o w n t h a t c h a n g e s i n i n t e r n a l f r i c t i o n c a n b e a p p r o x i m a t e d b y t h e l i n e a r e q u a t i o n , A Q 1 = D e , w h e r e D i s c o n s t a n t f o r l o w d a m a g e l e v e l s i n p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a , S i C f i b e r / A S a n d S i C w h i s k e r / a l u m i n a c o m p o s i t e s ( f i g u r e 2 7 ) . F o r M a c o r g l a s s - c e r a m i c s , t h e A 0 . 1 v e r s u s 6 p l o t i s a l s o l i n e a r a t l o w e r d a m a g e l e v e l s . S c a t t e r o b s e r v e d i n t h e A Q - 1 v e r s u s 6 p l o t a t h i g h e r d a m a g e l e v e l s m a y b e d u e t o e x t e n s i v e l i n k u p o f m i c r o c r a c k s i n t h e M a c o r s p e c i m e n s , a s i n t h e c a s e o f p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a [ 2 5 ] . 3 . 1 . 2 . 6 T h e r m a l f a t i g u e r e s u l t s a n d t h e i r r e l a t i o n t o t h e r m a l r e s i s t a n c e p a r a m e t e r s R " ' , R " " , a n d R s t A s m a t e r i a l u n d e r g o e s a r a p i d c h a n g e s i n t e m p e r a t u r e , s u f f i c i e n t s t r e s s e s m a y d e v e l o p f o r c r a c k e x t e n s i o n . R e s i s t a n c e t o c r a c k i n g i s c l a s s i c a l l y t e r m e d t h e r m a l s h o c k r e s i s t a n c e [ 2 ] . T h e r m o e l a s t i c a n a l y s i s , w h i c h i n v o l v e s t h e i n i t i a t i o n o f c r a c k s , y i e l d s t h e r m a l s h o c k r e s i s t a n c e p a r a m e t e r s ( R a n d R ’ [ 2 ] ) w h i c h a r e n o t a p p r o p r i a t e f o r t h e r m a l f a t i g u e . H o w e v e r s t o r e d e l a s t i c e n e r g y a n a l y s i s r e l a t e s t h e s t a b i l i t y o f p r e - e x i s t i n g c r a c k s t o G r i f f i t h ' s e n e r g y b a l a n c e , w h e r e t h e t h e r m a l s h o c k r e s i s t a n c e p a r a m e t e r s i n c l u d e R " ’ , R " " a n d 1 0 0 o M a c o r 5 " a s : c , / A S ' ‘ a S i g / A l u m i n a ° 4 - O 3 . 0 e o 0 ' 3 " ] 0 e \ \ ; 0 ' « ° . Q 0 0 2 . . . O A . a . . . a 1 - . d O ' / ' 0 - ' . , . , . 0 . 0 0 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 _ 1 F i g u r e 2 7 . A 0 a s a f u n c t i o n o f c r a c k d a m a g e p a r a m e t e r f o r M a c o r g l a s s - c e r a m i c s , S i C f i b e r / A S a n d S i C w h i s k e r / a l u m i n a c o m p o s i t e s . ; . ¢ . - ‘ u _ - _ _ - : - . u . - — - - . _ ‘ 1 0 1 R , w h i c h a r e S t 2 R " ’ = E / a f ( l — u ) ( 3 ) 2 1 / 2 . l R s t = K I C ( l - u ) / E 9 ( 1 n p a n e s t r e s s ) ( 4 0 ) 2 2 a n d R " " = K I C ( 1 + V ) / 0 f ( i n p l a n e s t r e s s ) ( 4 1 ) w h e r e a — f r a c t u r e s t r e n g t h u - P o i s s o n ’ s r a t i o E - Y o u n g ’ s m o d u l u s 0 = t h e r m a l e x p a n s i o n c o e f f i c i e n t K — c r i t i c a l s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r I C R s t m e a s u r e s t h e r e s i s t a n c e o f m a t e r i a l t o t h e r m a l s h o c k d a m a g e b y q u a s i s t a t i c c r a c k g r o w t h . R " ' ( w h i c h d o e s n o t c o n t a i n a f r a c t u r e e n e r g y t e r m ) a n d R " " ( w h i c h d o e s ) , a r e m e a s u r e s o f t h e r e s i s t a n c e o f m a t e r i a l t o t h e r m a l s h o c k d a m a g e b y k i n e t i c c r a c k g r o w t h . T h e t h e r m a l s h o c k r e s i s t a n c e p a r a m e t e r s R " ' , R s t , a n d R " " , t h e e m p i r i c a l e x p o n e n t s p 1 a n d p 2 a s w e l l a s m a t e r i a l p r o p e r t i e s E , o f , 0 , k , u a n d K I C a r e c o m p a r e d i n t a b l e 1 1 f o r t h e f o u r m a t e r i a l s c o n s i d e r e d i n t h i s s t u d y . A n a p p r o x i m a t e l y h y p e r b o l i c r e l a t i o n s h i p b e t w e e n p 1 a n d R ” " w a s o b s e r v e d ( f i g u r e 2 8 a n d 2 9 ) , s u c h t h a t p ? R " " - C - c o n s t a n t ( 4 2 ) 1 0 2 T a b l e 1 1 . M a t e r i a l s p r o p e r t i e s , t h e r m a l s h o c k r e s i s t a n c e p a r a m e t e r s , a n d e m p i r i c a l e x p o n e n t f o r t h e f o u r m a t e r i a l s i n c l u d e d i n t h i s t h e r m a l f a t i g u e s t u d y P r o p e r t y + + + A l u m i n a S i j / A l 2 0 3 S i n / A S M a c o r o f ( M P a ) 3 5 0 * 6 2 0 ( 1 ‘ 3 ) * 8 0 0 ( 1 3 3 ) * 9 0 * 3 2 0 [ 1 4 8 ) * 7 0 0 ( 1 4 9 ) * * 1 0 3 ( 1 4 6 ) + u 0 2 3 0 . 2 2 0 2 6 6 ( x 1 0 C ) 8 . 2 ( 1 4 8 ) 7 . 3 5 ( 1 4 3 ) 2 . 2 ( 1 4 9 ) 1 1 ( 4 6 ) E ( G P a ) 3 3 5 4 0 5 1 3 5 6 3 k ( W / m K ) 3 2 . 3 ( 1 4 3 ) 3 5 . 2 ( 1 4 3 ) 1 . 4 6 ( 1 4 9 ) 1 . 7 ( 1 5 2 ) . . . . . . . . . 1 - 2 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - K I C ( M P a m / ) 2 . 7 5 + + 6 + + 2 + + 2 . 5 - 5 ( 1 5 ° ) 5 . 6 - 8 . 7 ( 1 5 1 ) 1 . 6 - 1 . 8 ( 1 5 2 ) R " ' ( 1 - u ) 2 . 7 3 1 . 0 5 4 0 . 2 1 1 7 . 7 8 " " " " ' 1 7 2 ” " " " " ' ° " " " ' " " " " " " " " ' " " " " " " " " ‘ R { ( 1 - v ) 1 2 5 7 3 R " " / ( 1 + u ) 6 1 . 7 ( p m ) 9 3 . 6 ( p m ) 4 5 0 ( p m ) 4 9 0 ( p m ) p 1 , p 2 1 1 . 8 , 1 1 . 3 6 . 0 , 5 . 7 3 . 1 , 2 . 8 2 . 7 , 2 . 4 A / E 0 ( A T = 3 0 0 ) 0 . 0 4 0 0 . 0 1 4 0 . 0 0 2 0 . 0 2 2 - - - : I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B / Q o ( A T - 3 0 0 ) 1 9 . 3 3 2 . 5 5 0 . 5 5 2 . 1 2 * * * A l l t h e m a t e r i a l p r o p e r t i e s w i t h o u t p a r e n t h e s i s w e r e m e a s u r e d i n t h i s s t u d y . T h e r m a l s h o c k r e s i s t a n c e p a r a m e t e r s w e r e c a l c u l a t e d f r o m t h e m e a s u r e d m a t e r i a l s p r o p e r t i e s . * F o u r p o i n t b e n d t e s t . * * T h r e e p o i n t b e n d t e s t . T e n s i l e s t r e n g t h . K I C w a s m e a s u r e d b y i n d e n t a t i o n m e t h o d . + o f , v , 9 , E , K R " ' , R s t ’ a n d R " " a r e _ d e f i n e d i n 2 , A / E o a n d B / Q o a r e d e f i n e d i n 1 1 ‘ " e q u a t i o n s 3 , 3 9 ? 4 0 . p 1 , p e q u a t i o n s 3 7 a n d 3 8 , a n d k i s t h e r m a l c o n d u c t i v i t y . F i g u r e 2 8 . L v o e g r a s r u i s t h L m o g o a f r i t t h h e m r l m o a f s h t h e o r c m k a l d a f m a a t g i e g a p e u r e a x m p e o t n e e r n , t , " R " p 1 1 0 3 7 . 0 : O fl e c o r . A S l C , / A S 6 . O - : a D S l C V / A l u m l n e . o M u m i a a i { x 1 S 1 5 5 0 - 1 c 1 . . . I . o 4 0 « ° 3 . 0 . . . - , - . . . , . . . . , . . . . 0 . 0 1 . 0 2 . 0 3 . 0 4 . 0 - L n ( P 1 ) 6 0 0 . 0 M a c o r , % a s : c , / A S E 1 ‘ 2 o S i g / A l u m n a 0 E 4 0 0 - 1 l A l u m i n a E 2 l l . 2 l \ 5 l \ . 2 0 0 ] \ = \ a : ‘ ‘ \ 1 O “ \ “ _ _ . “ ‘ p 0 . . . - , r . . . , . . . . 0 . 0 5 . 0 1 0 . 0 1 . 5 . 0 P 1 F i g u r e 2 9 . T h e r m a l s h o c k d a m a g e p a r a m e t e r , R " " v e r s u s t h e r m a l f a t i g u e e x p o n e n t , p 1 1 0 4 I f R " " i s e x p r e s s e d i n u n i t s o f m i c r o n s , a l e a s t s q u a r e b e s t f i t g i v e s n = 1 . 5 a n d C = 2 0 9 0 m i c r o n s w i t h c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t 0 . 9 6 . p 1 w a s u s e d t o o b t a i n a h y p e r b o l i c r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e r m a l f a t i g u e e x p o n e n t a n d R " " . S i n c e p 1 a n d p 2 a r e a p p r o x i m a t e l y t h e s a m e f o r e a c h m a t e r i a l t e s t e d ( t a b l e 1 1 ) , e q u a t i o n 4 2 w o u l d n o t c h a n g e s i g n i f i c a n t l y i f p 2 w e r e u s e d i n p l a c e o f p l . A l t h o u g h t h i s p r e l i m i n a r y e m p i r i c a l p l - R " " r e l a t i o n s h i p r e q u i r e s f u r t h e r s t u d y , i t s u g g e s t s a u s e f u l g u i d e l i n e t o c o m p a r e t h e s e t w o p a r a m e t e r s , w h e r e p l a n d p 2 a r i s e o u t o f r e c e n t t h e r m a l f a t i g u e s t u d i e s b y t h e p r e s e n t a u t h o r s [ 2 2 , 2 4 , 2 5 ] a n d t h e c l a s s i c a l R " " p a r a m e t e r w a s g e n e r a t e d f r o m " s i n g l e q u e n c h a n d f r a c t u r e " t h e r m a l s h o c k t e s t i n g p r o t o c o l s f o r c e r a m i c s [ 2 ] . I n a d d i t i o n , s i n c e R " " i s a f u n c t i o n o f K I C a n d o f , e q u a t i o n 4 2 i n d i c a t e s a l i n k b e t w e e n t h e f a t i g u e e x p o n e n t p 1 a n d p 2 a n d m a t e r i a l p a r a m e t e r s s u c h a s f r a c t u r e t o u g h n e s s . 3 . 1 . 2 . 7 T h e r m a l F a t i g u e i n P o l y c r y s t a l l i n e T i t a n i u m D i b o r i d e U n s h o c k e d ( a n n e a l e d ) Y o u n g ’ s m o d u l u s v a l u e s , E 0 , ( T a b l e 1 2 ) m e a s u r e d i n t h i s s t u d y a g r e e r e a s o n a b l y w e l l w i t h d a t a o f 4 9 7 . 3 t o 5 0 4 . 8 G P a f o r 9 1 . 9 t o 9 2 . 8 p e r c e n t o f t h e o r e t i c a l d e n s i t y r e p o r t e d b y W i l e y e t a l . [ 1 9 9 ] u s i n g t h e s a m e m e t h o d a s u s e d i n t h i s s t u d y . B u t Y o u n g ’ s m o d u l u s o f T i B 2 o f 2 4 0 . 2 G P a r e p o r t e d b y V a h l d i e k [ 2 0 0 ] u s i n g t h e p u l s e - e c h o m e t h o d w e r e d i f f e r e n t s i g n i f i c a n t l y f r o m t h e d a t a o b t a i n e d i n t h i s s t u d y . I n t e r n a l f r i c t i o n d a t a f o r u n s h o c k e d _ 1 - 4 - s p e c i m e n s , Q o , w e r e m e a s u r e d f r o m 0 . 8 4 x 1 0 t o 1 3 2 x 1 0 1 0 5 T a b l e 1 2 . N o n - l i n e a r r e g r e s s i o n r e s u l t s o f Y o u n g ' s m o d u l u s a s a f u n c t i o n o f t h e n u m b e r o f t h e r m a l s h o c k c y c l e s . S p e c i m e n A T ( ° C ) E o ( G P a ) A ( G P a ) a C o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t T - 2 0 0 2 0 0 5 4 7 . 1 8 0 7 4 0 0 6 5 0 7 0 6 £ 5 5 6 " " " " " £ 5 6 " " " " é é é ' é é " " " { i i " " " " 6 1 3 1 i " " " " 6 3 5 6 " " $ 2 3 6 6 " " " " " 3 0 0 " " " " é é i ' i i " " " £ 6 3 6 " " " " 6 1 2 . 2 . " " " " 6 5 9 5 " " { 2 2 2 . 6 6 " " " " " 2 . 6 6 " " " " 5 5 2 . 1 1 " " " £ 1 3 5 " " " " 6 ' 3 6 } " " " " 6 & 7 " 1 0 6 F o r h o t p r e s s e d t i t a n i u m d i b o r i d e , t h e Y o u n g ’ s m o d u l u s , E , d e c r e a s e d m o n o t o n i c a l l y w i t h n , t h e c u m u l a t i v e n u m b e r o f t h e r m a l c y c l e s ( f i g u r e 3 0 ) , a s d e s c r i b e d b y t h e e q u a t i o n 3 4 . T h e r m a l f a t i g u e p a r a m e t e r s A a n d a ( T a b l e 1 2 ) w e r e c a l c u l a t e d o n t h e E ( n ) d a t a u s i n g n o n - l i n e a r r e g r e s s i o n . F o r a g i v e n A T , A r e p r e s e n t a s t e a d y s t a t e l e v e l o f d a m a g e ( d a m a g e s a t u r a t i o n ) f o r a l a r g e n u m b e r o f c u m u l a t i v e t h e r m a l s h o c k c y c l e s , n . T h e c o n s t a n t a m e a s u r e s t h e r a t e o f d e c r e a s e i n Y o u n g ’ s m o d u l u s . Y o u n g ' s m o d u l u s d i d n o t c h a n g e s i g n i f i c a n t l y f o r t h e s p e c i m e n s w i t h A T o f 2 0 0 a n d 2 5 0 ° C e v e n a f t e r 1 0 0 c u m u l a t i v e t h e r m a l s h o c k c y c l e s . B u t Y o u n g ' s m o d u l i o f t h e s p e c i m e n s f o r A T o f 3 0 0 , 4 0 0 , a n d 5 0 0 ° C d e c r e a s e d m o n o t o n i c a l l y ( f i g u r e 3 0 ) . T h e Y o u n g ’ s m o d u l i r e a c h e d a s a t u r a t i o n v a l u e a l t h o u g h t h e v a l u e s o f Y o u n g ' s m o d u l i s h o w e d f l u c t u a t i o n s a f t e r 2 0 t h t h e r m a l s h o c k c y c l e . I n t e r n a l f r i c t i o n f o r t h e s p e c i m e n s w i t h A T o f 2 0 0 a n d 2 5 0 ° C d i d n o t c h a n g e s i g n i f i c a n t l y u p t o 1 0 0 c u m u l a t i v e c y c l e s ( f i g u r e 3 1 ) . F o r t h e s p e c i m e n s o f A T - 3 0 0 , 4 0 0 , a n d 5 0 0 C , i n t e r n a l f r i c t i o n i n c r e a s e d a f t e r f i r s t s h o c k b u t t h e v a l u e s o f i n t e r n a l f r i c t i o n s h o w e d f l u c t u a t i o n s . T h e t h e r m o g r a v i c a n a l y s i s o f t h e T i B s u g g e s t s t h a t t h e o x i d a t i o n 2 o f T i B 2 s p e c i m e n s m a y b e r e s p o n s i b l e f o r t h e f l u c t u a t i o n s i n i n t e r n a l f r i c t i o n a n d Y o u n g ' s m o d u l u s v a l u e s ( f i g u r e 3 2 ) . A l l J l " Q , n o i t c i r F l a n r e t n I D § O O 1 1 l J 1 : 1 1 : 1 1 1 0 7 3 o a , 9 o b . ' 6 O N — a : fl - I O C o x r - I m o c E A m r - a n o c é - < a 1 1 2 - 4 0 0 0 0 n - e o o c 0 3 0 . . . » r . v a r , . . r . . 4 . 4 , 4 . . - 0 2 0 4 0 8 0 8 0 1 0 0 N u m b e r o f t h e r m a l s h o c k c y c l e s F i g u r e 3 0 . Y o u n g ' s m o d u l u s o f p o l y c r y s t a l l i n e t i t a n i u m d i b o r i d e a s a f u n c t i o n o f t h e c u m u l a t i v e n u m b e r o f t h e r m a l s h o c k c y c l e s . 0 . 0 0 5 . . . r . . . , . - 4 r 4 . f r . . . o A T = 2 0 0 C A r r - 2 5 0 0 1 A T = 3 0 0 C - y r s - 4 0 0 0 ' A T = - 5 0 0 0 1 ‘ 1 0 0 . 0 0 1 ~ 0 o O D O 1 1 : 1 1 - [ 0 0 0 0 0 - 3 3 t h $ . . . ? . - - $ fi . - 2 0 1 ' ' 4 0 6 0 8 0 1 0 0 N u m b e r o f t h e r m a l s h o c k c y c l e s F i g u r e 3 1 . I n t e r n a l F r i c t i o n o f p o l y c r y s t a l l i n e t i t a n i u m d i b o r i d e a s a f u n c t i o n o f t h e c u m u l a t i v e n u m b e r o f t h e r m a l s h o c k c y c l e s . 1 0 8 S a m p l e : T 1 3 2 T G A F i l e : T 1 8 2 . 0 3 S i z e : 1 5 . 8 2 9 0 n o O p e r a t o r : Y o u n g m a n K i m M e t h o d : 5 - 1 7 0 . 2 - 3 5 0 . 5 - 5 5 0 R u n D a t e : 1 1 / 2 9 / 9 0 1 7 : 5 4 C o m m e n t : T H I R D S A M P L E R U N B Y M J R 1 0 0 . 5 1 0 0 . 4 - 1 0 0 . 3 ~ E H J c 3 0 7 ‘ 1 0 0 . 2 - 1 0 0 . 1 - J 1 0 0 . 0 . 4 T - 4 4 f . r , . , - . f 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 T e m p e r a t u r e ( ‘ 6 ) G e n e r a l v 2 . 2 a D u P o n t 9 9 0 0 F i g u r e 3 2 . T G A R e s u l t s f o r T i B 2 s p e c i m e n . 3 . 1 . 2 . 8 T h e r e l a t i o n o f A , B , a , a n d 6 t o m a t e r i a l p r o p e r t i e s P r e v i o u s t h e r m a l f a t i g u e s t u d i e s o f M a c o r g l a s s - c e r a m i c [ 2 3 ] , S i C w h i s k e r r e i n f o r c e d a l u m i n a [ 2 4 ] , u n r e i n f o r c e d p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a [ 2 5 ] , a n d S i C f i b e r r e i n f o r c e d a l u m i n o s i l i c a t e [ 2 2 ] , f o u n d t h e r a t e c o n s t a n t s a a n d B , a n d t h e d a m a g e s a t u r a t i o n ( A / E o a n d B / l e ) i n c r e a s e d a s t h e t h e r m a l s h o c k s e v e r i t y i n c r e a s e d . S i n c e f o r s m a l l v a l u e s o f n , t h e c u m u l a t i v e n u m b e r o f t h e r m a l s h o c k s , A a ( o r B 6 ) i s t h e s l o p e o f t h e E ( o r 0 . 1 ) v e r s u s n c u r v e , t h e p r o d u c t A d i s m o r e m e a n i n g f u l t h a n A o r a i t s e l f . S i n c e t h e n o r m a l i z e d t h e r m a l s h o c k d a m a g e s a t u r a t i o n l e v e l s A a n d B a r e f u n c t i o n s o f A T ( e q u a t i o n s 3 8 a n d 3 9 ) , a n d r a t e c o n s t a n t s a a n d 6 a r e a l s o f u n c t i o n s o f A T ( T a b l e 1 0 ) , w e s e l e c t e d a f i x e d A T o f 3 0 0 C f o r t h e p l o t s o f A u a n d 8 6 v e r s u s s t r e n g t h a n d f r a c t u r e t o u g h n e s s ( f i g u r e 3 3 ) . W h e n A a - 0 o r B 5 = 0 , t h e n f r o m t h e d e f i n i t i o n s o f a , 6 , A a n d B , w e w o u l d n o t e x p e c t d a m a g e d t o b e i n d u c e d b y r e p e a t e d t h e r m a l c y c l i n g . T h u s i n t e r c e p t v a l u e s o n t h e f r a c t u r e t o u g h n e s s a x e s ( f i g u r e 3 3 ) m a y r e p r e s e n t a t h r e s h o l d f r a c t u r e t o u g h n e s s l e v e l , a b o v e w h i c h t h e m a t e r i a l w o u l d n o t s u f f e r d a m a g e u p o n r e p e a t e d t h e r m a l s h o c k c y c l i n g a t t h e c o r r e s p o n d i n g A T . ( F i g u r e 3 3 , a s n o t e d a b o v e , w a s c o n s t r u c t e d f r o m t h e A T = 3 0 0 ° C d a t a . ) T h u s , i n a d d i t i o n t o t h e f a t i g u e e x p o n e n t p 1 a n d p 2 ( a s d i s c u s s e d i n t h e p r e v i o u s s e c t i o n ) , t h e t h e r m a l f a t i g u e p a r a m e t e r s A a a n d B 5 a r e f u n c t i o n s o f t h e f r a c t u r e t o u g h n e s s o r s t r e n g t h o f t h e m a t e r i a l . 1 0 9 ) z / l m a P M ( s s e n h g u o T e r u t c a r F ) z / l m a P M ( s s e n h g u o T e r u t c a r F F i g u r e 3 3 . F r a c t u r e t o u g h n e s s a n d s t r e n g t h v e r s u s p r o d u c t s t h e r m a l 1 1 0 2 1 . 7 0 0 M a c o r 0 0 « a 5 1 0 1 / A S 4 . 0 S i g / A l u m i n a A 1 6 : D 0 0 A l u m i n a ~ 6 0 0 § 1 1 . : 4 0 0 . : . 0 ‘ § 1 * 5 I L . 4 . ! 6 - ‘ 7 - 2 O O U ) I o * l ' I ' fi v T " l f ' — r r l " " l " " o 0 . 0 1 . 0 2 . 0 3 . 0 4 . 0 5 . 0 6 . 0 A 0 : ( G P a ) ( a ) 2 1 : 9 0 0 M a c o r L 8 0 0 1 a s n c , / A S , a o S H I V / A l u m i n a , 5 ; o o A l u m i n a 4 5 0 0 5 3 . a 5 1 1 - 1 H 0 0 5 ‘ n o 4 > a . o . . ‘ 3 5 . . ~ 2 0 0 m l 4 0 b l 1 1 . + ' 4 . . 0 0 . 0 5 0 . 0 _ 1 0 0 . 0 1 5 0 . 0 9 5 ( x 1 0 ' 5 ) ( b ) f a t i g u e c o n s t a n t s ( a ) A a a n d ( b ) B 6 3 . 1 . 3 E l e v a t e d T e m p e r a t u r e E l a s t i c M o d u l u s a n d I n t e r n a l F r i c t i o n M e a s u r e m e n t T o c a l c u l a t e Y o u n g ' s m o d u l u s a t a n e l e v a t e d t e m p e r a t u r e , a v a l i d t h e r m a l e x p a n s i o n c o e f f i c i e n t i s r e q u i r e d . T h e Y o u n g ' s m o d u l u s , s h e a r m o d u l u s a n d t h e r m a l e x p a n s i o n c o e f f i c i e n t o f S i C f i b e r a n d L A S m a t r i x w e r e r e p o r t e d [ 1 4 0 , 1 5 3 ] a s E f = 2 0 0 G P a , E m = 8 8 G P a , G f = 7 7 G P a , G m - 6 _ 6 = 3 6 G P a , a a 3 . 9 3 x 1 0 / ° C , a m = 1 x 1 0 / ° C [ 1 5 3 ] . T h e v a l u e o f a m i s f b a s e d o n a f u l l y c r y s t a l l i z e d L A S m a t r i x o f fi - s p o d u m e n e . T h e v a l u e o f a m m a y b e h i g h e r i f t h e m a t r i x c o n t a i n s a c o n s i d e r a b l e a m o u n t o f g l a s s y p h a s e s a n d m a y b e l o w e r i f t h e m a t r i x f o r m s fi - s p o d u m e n e - s i l i c a s o l i d s o l u t i o n [ 1 5 3 ] . P o i s s o n ' s r a t i o , v , o f a h o m o g e n e o u s i s o t r O p i c m a t e r i a l u - E / Z G - 1 . U s i n g t h e k n o w n v a l u e s f o r t h e Y o u n g ' s a n d s h e a r m o d u l i o f t h e f i b e r a n d m a t r i x , a n d a s s u m i n g t h a t t h e m a t r i x a n d f i b e r m a t e r i a l s a r e h o m o g e n e o u s a n d i s o t r o p i c , P o i s s o n ’ s r a t i o o f S i C f i b e r a n d L A S m a t r i x w e r e c a l c u l a t e d a s u f = 0 . 3 0 , u m = 0 . 2 2 . S i n c e t h e S i C f i b e r i s a l i g n e d i n t h e l o n g i t u d i n a l d i r e c t i o n ( 0 0 ) , b o t h t h e l o n g i t u d i n a l a n d t h e t r a n s v e r s e t h e r m a l e x p a n s i o n c o e f f i c i e n t s o f t h e c o m p o s i t e s h o u l d b e c a l c u l a t e d . T h e l o n g i t u d i n a l t h e r m a l e x p a n s i o n c o e f f i c i e n t o f f i b e r r e i n f o r c e c o m p o s i t e s , a 3 , i s g i v e n b y [ 1 5 4 ] , a 2 - ( E m a m v m + E f a f v f ) / ( E m v m + E f v f ) ( 4 3 ) w h e r e E m ’ E f - Y o u n g ' s m o d u l u s o f m a t r i x a n d f i b e r r e s p e c t i v e l y a m , a f - t h e r m a l e x p a n s i o n c o e f f i c i e n t o f m a t r i x a n d f i b e r r e s p e c t i v e l y v m , v f - = v o l u m e f r a c t i o n o f m a t r i x a n d f i b e r r e s p e c t i v e l y 1 1 2 T h e l o n g i t u d i n a l t h e r m a l e x p a n s i o n c o e f f i c i e n t w a s c a l c u l a t e d t o b e - 6 2 . 6 1 x 1 0 / C u s i n g e q u a t i o n 4 3 a n d t h e v a l u e s o f E m ’ E f , a m , o f , v m - 0 . 6 5 , v f - 0 . 3 5 ( T h e c o m p o s i t e c o n t a i n s 3 5 v o l u m e p e r c e n t o f f i b e r ) . T h e c a l c u l a t e d a w a s p u t i n t o e q u a t i o n 1 4 t o o b t a i n e l e v a t e d £ t e m p e r a t u r e Y o u m g ' s m o d u l u s , E T I n a d d i t i o n , t h e t r a n s v e r s e t h e r m a l e x p a n s i o n c o e f f i c i e n t o f u n i a x i a l l y r e i n f o r c e d f i b e r c o m p o s i t e s , a t , i s g i v e n b y [ 1 5 4 ] a = ( 1 + V m ) a m v m + ( 1 + V f ) a m v m - a £ ( V m e + V f V m ) ( 4 4 ) w h e r e E m ’ E = Y o u n g ' s m o d u l u s o f m a t r i x a n d f i b e r r e s p e c t i v e l y - t h e r m a l e x p a n s i o n c o e f f i c i e n t o f m a t r i x a n d f i b e r r e s p e c t i v e l y v , v = v o l u m e f r a c t i o n o f m a t r i x a n d f i b e r r e s p e c t i v e l y - P o i s s o n ’ s r a t i o o f m a t r i x a n d f i b e r r e s p e c t i v e l y a a l o n g i t u d i n a l t h e r m a l e x p a n s i o n c o e f f i c i e n t o f u n i a x i a l l y r e i n f o r c e d f i b e r c o m p o s i t e F o r 3 5 v o l u m e p e r c e n t S i C f i b e r / L A S c o m p o s i t e , a t i s 1 . 9 3 x 1 0 . 6 T h e Y o u n g ' s m o d u l u s o f S i C f i b e r / L A S c o m p o s i t e R L A 5 . 2 3 d e c r e a s e d c o n t i o u s l y w i t h i n c r e a s i n g t e m p e r a t u r e ( f i g u r e 3 4 ) , w h i c h i s u s u a l f o r c e r a m i c s . Y o u n g ' s m o d u l u s d e c r e a s e d r e l a t i v e l y s h a r p l y b e t w e e n 5 5 0 ° C a n d 7 5 0 ° C f o l l o w e d b y a s l o w e r e d d e c r e a s e u p t o 9 5 0 ° C w h i c h w a s t h e h i g h e s t t e m p e r a t u r e i n t h i s e x p e r i m e n t . T h e a m p l i t u d e o f t h e f l e x u r a l r e s o n a n c e s i g n a l w a s v e r y w e a k i n t h e t e m p e r a t u r e r a n g e 5 5 0 - 7 5 0 ° C . F i g u r e 3 4 . Y f o u u n n c g t ' i s o n m u o o d f l t u e s m p o e f r a S t i u C r e . f i b e r - A l u m i n o s i l i c a t e c o m p o s i t e a s a 1 1 3 1 ‘ 3 0 ' F T I I I r l f I r l I 1 r 1 7 ‘ l 4 o h e a fi n g l J D c o o h n g i ” a ? ‘ 1 D . . . 8 1 a ) l 3 1 : 1 « f " o — - l O 8 1 . 1 5 n . o 4 0 0 . O , g 1 1 5 - 4 ° 0 o 3 O 4 O O O o O 1 > 4 4 - l 1 1 0 I T I Y T r r r t r r f j — T f r T 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 T e m p e r a t u r e ( C ) | E l t 1 1 4 T h e Y o u n g ' s m o d u l u s - t e m p e r a t u r e d a t a p a i r s w e r e a n a l y z e d u s i n g a l i n e a r r e g r e s s i o n t o g e t a n a v e r a g e Y o u n g ’ s m o d u l u s c h a n g i n g r a t e w i t h t e m p e r a t u r e b e t w e e n r o o m t e m p e r a t u r e a n d 6 0 0 ° C . f r ) | ( r . t . ) + s T ( 4 5 ) l l w h e r e E ( r . t . ) r o o m t e m p e r a t u r e Y o u n g ' s m o d u l u s s = s l o p e o f t h e m o d u l u s v e r s u s t e m p e r a t u r e l — l l e m p e r a t u r e C e l c i u s d e g r e e s T h e Y o u n g ' s m o d u l u s d e c r e a s e d w i t h a a v e r a g e s l o p e o f 0 . 0 1 0 8 G P a / ° C o n h e a t i n g ( w i t h c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t o f 0 . 9 6 1 ) a n d i n c r e a s e d w i t h a a v e r a g e s l o p e o f 0 . 0 0 9 3 G P a / ° C o n c o o l i n g ( w i t h c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t o f 0 . 9 9 4 ) w i t h i n t h e r a n g e b e t w e e n r o o m t e m p e r a t u r e a n d 6 0 0 ° C . T h e n o r m a l i z e d s l o p e , S n , w h i c h i s a r a t i o o f s l o p e t o r o o m t e m p e r a t u r e Y o u n g ’ s m o d u l u s w a s - 8 . 6 0 6 x 1 0 - 5 / ° C o n h e a t i n g a n d 7 . 4 9 l x 1 0 - 5 / ° C o n c o o l i n g . T h e v a l u e o f S n o b t a i n e d h e r e a p p e a r s t o b e r e a s o n a b l e b y c o m p a r i n g t h e v a l u e s o f o t h e r r e s e a r c h e r s [ 3 5 , 1 5 5 , 1 5 6 ] . G e n e r a l l y Y o u n g ' s m o d u l u s m e a s u r e d i s h i g h e r d u r i n g c o o l i n g t h a n d u r i n g h e a t i n g b e c a u s e o f m i c r o c r a c k h e a l i n g [ 3 5 ] . B u t t h e r e s u l t f r o m t h i s s t u d y w a s t h e o p p o s i t e . T h e r o o m t e m p e r a t u r e m o d u l u s d i f f e r e n c e b e t w e e n h e a t i n g u p a n d a f t e r c o o l i n g d o w n w a s 1 . 3 5 G P a w h i c h w a s 1 . 0 8 % o f r o o m t e m p e r a t u r e m o d u l u s . T h e i n t e r n a l f r i c t i o n w a s a l s o m e a s u r e d a s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r e d u r i n g h e a t i n g . T h e i n t e r n a l f r i c t i o n h a d i n c r e a s e d 1 1 5 g r a d u a l l y f r o m r o o m t e m p e r a t u r e t o 4 3 0 ° C . A t r o o m t e m p e r a t u r e t h e i n t e r n a l f r i c t i o n w a s 2 2 . 6 7 x 1 0 - 5 a n d a t 4 3 0 ° C t h e i n t e r n a l f r i c t i o n w a s 3 7 . 1 9 x 1 0 - 5 . B e t w e e n 4 3 0 ° C a n d 7 5 0 ° C n o d a t a c o u l d b e r e c o r d e d b e c a u s e o f w e a k s i g n a l . H o w e v e r f r o m 7 5 0 ° C t o 9 5 0 ° C t h e r e w a s a g r a d u a l d e c r e a s e i n t h e i n t e r n a l f r i c t i o n f r o m 3 2 . 8 7 x 1 0 . 5 t o _ 5 2 8 . 2 0 x 1 0 ( f i g u r e 3 5 ) . F i g u r e 3 5 . t I a n s r e a n f a u l n t f t r i i o c n c n i o o f o e f m t S e i r C a t p f u i b e r - A l u m i n o s i l i c a t e r e . c o m p o s i t e w : fl - ~ ~ € . - 1 1 6 5 0 i T n l w I — I l T f T l f fi T “ l W I I r ! / - \ 4 2 I n L ' c , 4 0 - ] - H o l - E ; : 3 O - J O O C > . 7 3 ' 3 4 ° _ . . 9 . o _ é z o J _ p 4 J - a . c : ‘ 5 ‘ 1 0 - 4 — , 4 3 . 9 . J - o S i g / A l u m i n o s i l i c a t e 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 T e m p e r a t u r e ( C ) t _ . . - « — ~ w - 3 . 2 . T i n e - d e p e n d e n t E l a s t i c M o d u l u s R e c o v e r y M e a s u r e m e n t o n T h e r m a l l y S h o c k e d S i C f i b e r / A l u m i n o s i l i c a t e C o m p o s i t e s , H a C h i n a b l e G l a s s C e r a m i c s a n d P o l y c r y s t a l l i n e A l u m i n a 3 . 2 . 1 Y o u n g ' s m o d u l u s r e c o v e r y T h e Y o u n g ' s m o d u l u s v e r s u s t i m e d a t a f o r t h e S i C f i b e r - A S c o m p o s i t e s ( f i g u r e 3 6 ) , M a c o r g l a s s - c e r a m i c s ( f i g u r e 3 7 ) a n d p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a ( f i g u r e 3 8 ) w e r e e a c h f i t t o t h e f o l l o w i n g e m p i r i c a l e q u a t i o n u s i n g n o n - l i n e a r r e g r e s s i o n a n a l y s i s [ 5 8 ] . E ( t ) w h e r e E E t = o + A B { 1 - e x p ( - 6 t ) } ( 4 6 ) Y o u n g ' s m o d u l u s a t t i m e t t h e Y o u n g ’ s m o d u l u s a t t i m e t = 0 ( i m m e d i a t e l y f o l l o w i n g t h e t h e r m a l q u e n c h ) E ( t ) f o r l a r g e t i m e t ( t h a t i s , t h e " s a t u r a t e d " v a l u e o f E ( t ) ) s a t - E t = o t h e m o d u l u s r e c o v e r y t i m e c o n s t a n t d e t e r m i n e d b y n o n - l i n e a r r e g r e s s i o n o n t h e m o d u l u s r e c o v e r y d a t a t i m e ( i n m i n u t e s ) e l a p s e d a f t e r t h e t h e r m a l s h o c k F o r e a c h s p e c i m e n o f t h e t h r e e t h e r m a l l y s h o c k e d m a t e r i a l s i n c l u d e d i n t h i s s t u d y , l i n e a r r e g r e s s i o n o n t h e Y o u n g ' s m o d u l u s 1 1 7 A ; 3 7 % C f I i S L ( o e E l a - d s E t t - C - u S o — r v u e a s r l i . B t X l 1 t o P ( - 6 t ) l / r o 1 ” 3 3 3 4 - G - . , 1 4 J J 0 4 4 - 4 4 . e g n a h C s u l l t ( d E e { z i l a m r o N e g n a h C s u l u d o M s t E / l o ' , g E n — u — o Y ) 1 ( d 2 1 e [ z i l a m r o N 1 2 2 8 4 E 5 E 5 E 0 0 0 0 0 — - - - - 0 0 0 O 0 0 4 0 8 . . . 0 0 0 0 0 0 0 0 4 6 0 0 0 . . 4 1 0 I 0 , C 5 0 A T = 0 o 4 2 4 . r 0 0 1 r r o e S L ( E 2 r q ) I . e F m a s ° - 0 = a s E f m o r i / / e e a E m 3 E s r t 0 t e l fi ( I e A \ ‘ o 2 l a ‘ r 0 I i 0 d s E t t T - C = i u S o . r q m ) v u , , T # ” — 6 t ) l a 0 ( : T F 0 - 4 p o n 5 ' ) e = F l i t - e t x - ‘ ' - — — — I — f — — 9 n — — — — o g , 1 I 1 1 l 0 1 i ! 1 0 6 W . , i _ _ 1 4 l e I 0 = t T o _ = 0 E / - 5 t E — 5 l 0 0 l 0 0 3 r 0 0 4 r 0 0 . fi 6 0 0 o u n E g t ' s ( fi t / M E I ? = 0 — — 1 1 8 a T h i r d S h o c k 0 F i r s t S h o c k T i m e ( m i n ) A D O T e n t h S h o c k F i f t h S h o c k F i r s t S h o c k F i g u r e 3 6 . N o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s r e c o v e r i e s a s a f u n c t i o n o f t i m e f o r S i C f i b e r / A l u m i n o s i l i c a t e s p e c i m e n a t ( a ) A T ( b ) 4 5 0 ° c ‘ . 3 7 0 a n d F i g u r e 3 7 . N f o o r r m a M l a i c z o e r d Y l o a u s g n s g - ' c s e r m a o m d i u c l u s s p e r c e i c m o e e v n r a i t e s s a ) a T A ( a u f = n 3 c 0 t 0 i o ° n C . o f t i m e 1 1 9 k l E < 0 . 0 1 5 I : J U A r V 0 m v D a : D O O 2 2 e g ) A K A ( J g o 0 O > . . Q n : E a : < 2 2 a : F I I I I I f I I I o 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 z 0 T I M E ( m m ) 6 0 0 O U D O d O H S I X T I E T H S H O C K F O R T I E T H S H O C l T W E N T I E T H S H O l T E N T H S H O C K F I F T H S H O C K T H I R D S H O C K F I R S T S H O C K O G O D U O 1 2 0 L I I - l % 0 . 0 2 0 — - — — — - — - — - 3 3 ‘ . A ' I ' = 3 5 0 c 1 Q # 1 U - 1 m ~ ! 3 0 . 0 1 5 4 E L 0 - — — — — 3 ’ D 1 D D D I a 4 . v A _ _ - _ _ _ _ _ _ 6 i 1 A A l I o 0 _ - _ _ _ _ _ _ l g o o 0 ° 7 " — — [ g . . o o o l ” o . 1 Q S o l i d C u r v e s a r e : fl L e a s t - S q u a r e s F i t t o l 3 ( E - E t = o ) / E t = o = l g A E l l - e X P ( - 6 t ) l / E t = o 0 . 1 F 4 — I I . — I r ‘ I I o 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 6 0 Z . T I M E ( m m ) E i g h t i e t h S i x t i e t h F o r t i e t h F i f t h T h i r d F i r s t F i g u r e 3 7 . N o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s r e c o v e r i e s a s a f u n c t i o n o f t i m e f o r M a c o r g l a s s - c e r a m i c s p e c i m e n a t ( b ) A T = 3 5 0 ° C . e g n a h C s u l u t d E o . 9 U / 0 ] M l o s z I 1 L l ' g n u o Y d e z i l a m r o N 1 < 1 2 1 0 . 0 2 5 . . A T = 4 0 0 b ' ' ‘ r - 1 o - . 1 D d D D - l 0 0 2 0 — _ o : : - 3 A A l l , l E l t ) 7 ‘ E t S o l i d C u r v e s a r e L e a s t - S q u a r e s F i t t o ( E - E t = o ) / E t = o = A E l l - e x p ( - 6 t ) l / E t = o 0 . 0 0 0 l . I . , r , . , r . F _ . 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 A F I F T H S H O C K t ) T H I R D S H O C K 0 F I R S T S H O C K 1 - l — l . J . 1 . l I l T i m e ( m i n ) F i g u r e 3 7 . N o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s r e c o v e r i e s a s a f u n c t i o n o f t i m e f o r M a c o r g l a s s - c e r a m i c s p e c i m e n a t ( c ) A T = 4 0 0 ° C . e g n a h C s u l u d o M s ‘ 0 = - — — . t g E n u - o Y ) “ d E e 3 z i l a m r o N 1 L 1 1 I L L L 1 1 l I L P 0 > J U J O F i g u r e 3 7 . N f o o r r m a M l a i c d z o e r Y l o a u s g n s g - ’ c s e r m a o m d i u c l u s s p e r c e i c m e o e v n r a i t e s s a ) a T A ( d u f = n 4 c 5 t 0 i o ° n C . o f t i m e o i / E t 1 2 2 ‘ A ' l ‘ = ; i 5 0 é S o l i d C u r v e s a r e L e a s t — S q u a r e s F i t t o ( E _ E t = o ) / E t = o = A E § 1 — e x p ( - 6 t ) g / E t = o L 1 1 T e n t h S h o c k F i f t h S h o c k T h i r d S h o c k F i r s t S h o c k I V r V I t I r I 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 T i m e ( m i n ) 6 0 0 0 . 0 2 5 A T = 5 0 0 C — . . . . . . . . . . _ _ c - _ . _ _ - _ l E G N A H C S U L U D O M S ' G N U O Y D E Z I L A M R O N F i g u r e 3 7 . N f o o r r m a M l a i c z o e r d Y l o a u s g n s g - ' c s e r m a o m d i u c l u s s p e r c e i c m e o e v n r a i t e s s a ) a T A ( e u f - n 5 c 0 t 0 i o ° n C . o f t i m e 1 2 3 S o l i d C u r v e s a r e L e a s t — S q u a r e s F i t t o ( E - E t = o ) / E t = o = A E f l — e x p ( - 6 t ) } / E t = o 0 . 0 0 0 I V T T I fi fi 7 T l T r O 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 T I M E ( m i n ) 6 0 0 A D 0 F i f t h S h o c k T h i r d S h o c k F i r s t S h o c k F i g u r e 3 8 . m N f o o r r a p l o i l z y e c d r y Y s o t u a n l g l ' i s n e m o a d l u u l m u i s n a r e s c p o e v c e i r m s i e e n s a t a a T A u f = n 2 c 5 t 0 i o n C . o f t i m e 1 2 4 0 . 0 4 T 1 r Y I 1 I I V m i a ” J 4 d . 4 . . ' 5 0 . 0 3 ~ 5 ’ 3 o ‘ a l l ‘ ' U I n ‘ O \ L s : 2 ' 1 5 0 fi . ? [ fl . 2 : ” ‘ fl . g I a > - ‘ I : - “ a I : + g . . . . S o l i d C u r v e s a r e 1 ' 3 0 ' 0 0 L e a s t — S q u a r e s F i t t o " E ( E ( t ) — E t = o ) / E t = o = : A T e n t h s h o c k g A E f l - e x p ( - 6 t ) § / E t = o . 0 F i f t h s h o c k A T = 2 5 O C 0 T h i r d s h o c k — - 0 1 I ‘ T ‘ T r I r r t I m r t O 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 T i m e ( m i n ) 1 2 5 r e c o v e r y d a t a s h o w e d t h a t t h e m o d u l u s r e c o v e r y w i t h t i m e w a s d e s c r i b e d w e l l b y e q u a t i o n 4 6 ( w i t h c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t h i g h e r t h a n 0 . 9 4 9 f o r a l l t h e m o d u l u s _ v e r s u s t i m e d a t a ) . F o r e a c h o f t h e t h r e e m a t e r i a l s , t h e Y o u n g ' s m o d u l u s r e c o v e r y s a t u r a t e d ( l e v e l e d o f f ) f o r t i m e s a p p r o a c h i n g h u n d r e d s o f m i n u t e s , a n d s u c h s a t u r a t i o n b e h a v i o r i s a l s o i n a g r e e m e n t w i t h e q u a t i o n 4 6 . F o r t h e $ 1 0 f i b e r / A S c o m p o s i t e s , t h e m o d u l u s r e c o v e r y t i m e c o n s t a n t , 6 a n d m o d u l u s E t = o d e c r e a s e d w i t h a n i n c r e a s i n g t h e n u m b e r o f t h e r m a l s h o c k c y c l e s a t a g i v e n A T ( T a b l e 1 3 ) . T h e o b s e r v e d m o d u l u s r e c o v e r y i s v e r y s i m i l a r t o t h a t r e p o r t e d f o r m o d u l u s r e c o v e r y i n t h e r m a l l y s h o c k e d p o l y c r y s t a l l i n e Y t t r i u m I r o n G a r n e t ( Y I G ) [ 5 8 ] . H o w e v e r , f o r M a c o r ( T a b l e 1 4 ) a n d p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a ( T a b l e 1 5 ) , t h e 6 a n d E t = o v a l u e s s h o w e d n o c o n s i s t e n t t r e n d a s a f u n c t i o n o f N , t h e n u m b e r o f t h e r m a l s h o c k c y c l e s . I t s h o u l d b e e m p h a s i z e d t h a t f o r e a c h o f t h e t h e r m a l s h o c k c y c l e s f o r e a c h o f t h e s p e c i m e n s i n c l u d e d i n t h i s s t u d y , t h e Y o u n g ' s m o d u l u s r e c o v e r y w a s o n l y p a r t i a l . N e v e r d i d t h e Y o u n g ’ s m o d u l u s r e c o v e r e n t i r e l y t o i t s p r e - s h o c k e d v a l u e ( T a b l e s 1 2 - 1 5 ) . I n a d d i t i o n , E s a t ’ t h e v a l u e o f E ( t ) f o r l o n g t i m e s t ( s e e e q u a t i o n 4 6 a n d F i g u r e s 3 6 - 3 8 ) d e c r e a s e d ( o n a v e r a g e ) w i t h a n i n c r e a s e i n t h e n u m b e r o f t h e r m a l s h o c k c y c l e s , N ( T a b l e s 1 3 - 1 5 ) . E v e n t u a l l y , E s a t t e n d e d t o a s t e a d y - s t a t e v a l u e a s a f u n c t i o n o f N f o r e a c h o f t h e t h r e e m a t e r i a l s i n c l u d e d i n t h i s s t u d y ( s e e T a b l e s 1 3 - 1 5 a n d r e f e r e n c e s 2 2 , 2 3 ) . T h e e x t e n t o f t h e m o d u l u s r e c o v e r y f o r a p a r t i c u l a r t h e r m a l s h o c k c y c l e i s s h o w n i n T a b l e s 1 3 - 1 5 i n t e r m s o f t h e r a t i o A E / ( E u n - E ) , w h e r e E u n r e f e r s t - O 1 2 6 T a b l e 1 3 . T h e r e s u l t s o f n o n - l i n e a r r e g r e s s i o n a n a l y s i s o f Y o u n g ' s m o d u l u s r e c o v e r y v e r s u s t i m e d a t a f o r S i C f i b e r - A S c o m p o s i t e s U n s h o c k e d N u m b e r o f * * * _ 1 S p e c i m e n m o d u l u s t h e r m a l E ( G P a ) E ( G P a ) A E / ( E - E ) 6 ( m i n ) t - o s a t u n t = o E ( G P a ) s h o c k s , N u n 1 1 3 2 0 5 1 3 2 . 5 1 6 8 7 % 0 0 4 6 6 R L A 5 . 1 4 1 3 2 . 7 2 5 1 3 1 . 7 0 1 3 2 . 1 6 4 5 . 1 % 0 . 0 1 0 7 ( A T = 4 5 0 C ) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 0 1 3 1 3 5 1 3 1 . 8 7 3 8 0 % O 0 0 6 6 R L A 5 . 2 2 1 1 2 5 . 2 4 1 2 5 . 3 6 6 0 . 0 % 0 . 0 0 6 1 ( A T - 3 7 0 C ) 1 2 5 . 4 4 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 1 2 5 2 6 1 2 5 . 3 9 7 2 2 % 0 0 0 5 8 * R e f e r e q u a t i o n 4 6 . 1 2 7 T a b l e 1 4 . T h e r e s u l t s o f n o n - l i n e a r r e g r e s s i o n a n a l y s i s o f Y o u n g ’ s m o d u l u s r e c o v e r y v e r s u s t i m e d a t a f o r M a c o r g l a s s - c e r a m i c s . U n s h o c k e d N u m b e r o f * * _ 1 S p e c i m e n m o d u l u s t h e r m a l E ( G P a ) E ( G P a ) A E / ( E - E ) 6 ( m i n ) . t - o s a t u n t - o E u n ( G F a ) s h o c k s , N 1 6 1 5 9 6 2 4 2 4 8 . 3 % 0 0 4 1 3 3 6 2 0 3 6 2 3 7 2 6 6 8 0 0 1 7 9 5 6 1 9 6 6 2 4 4 3 5 . 6 8 0 0 4 0 5 M A - 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( A T - 3 0 0 C ) 6 3 . 3 1 1 0 6 2 . 4 6 6 2 . 8 1 4 1 . 2 8 0 . 0 1 9 9 2 0 6 1 6 4 6 2 4 1 4 6 1 8 0 0 4 3 8 4 0 6 2 O 6 6 2 5 8 4 1 6 8 0 0 0 8 4 6 0 6 1 7 9 6 2 5 8 5 2 0 8 0 0 4 4 5 1 6 1 6 3 6 2 1 4 2 9 7 8 0 0 1 2 9 3 6 1 4 3 6 2 3 5 4 7 9 8 0 0 3 6 2 M A - 3 5 6 1 . 7 7 6 2 . 4 8 4 4 . 9 8 0 . 0 3 2 6 ( A T = 3 5 0 C ) 6 3 . 3 5 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 0 6 1 4 3 6 1 9 8 2 8 6 8 0 0 2 0 4 6 0 6 1 5 2 6 2 2 6 4 0 4 8 0 0 2 3 3 8 0 6 0 9 2 6 2 0 4 4 6 1 8 0 0 2 3 2 1 6 0 6 5 6 1 2 6 3 4 . 3 8 0 0 2 9 9 M A — 4 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ( A T - 4 0 0 C ) 6 2 . 4 3 3 5 9 . 7 2 6 1 . 0 3 4 8 . 3 8 0 . 0 5 9 8 5 5 9 9 9 6 1 1 1 4 5 . 9 8 0 0 3 6 9 1 5 9 0 1 5 9 3 7 1 1 . 4 8 0 0 0 9 7 M A - S 3 5 8 . 1 1 5 8 . 7 0 1 4 . 5 8 0 . 0 2 0 6 ( A T - 4 5 0 C ) 6 2 . 1 8 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 5 5 8 1 2 5 8 7 7 1 6 . 0 8 0 0 3 3 2 1 0 5 7 4 4 5 8 7 6 2 7 8 8 0 0 3 4 5 1 5 8 4 5 5 9 2 2 2 0 . 9 8 0 0 1 0 2 M A - 6 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ( A T - 5 0 0 C ) 6 2 . 1 4 3 5 7 . 4 5 5 8 . 7 1 2 6 . 9 8 0 . 0 3 5 9 5 5 7 9 4 5 8 6 7 1 7 . 4 8 0 0 2 6 8 * R e f e r e q u a t i o n 4 6 . 1 2 8 T a b l e 1 5 . T h e r e s u l t s o f n o n - l i n e a r r e g r e s s i o n a n a l y s i s o f Y o u n g ' s m o d u l u s r e c o v e r y v e r s u s t i m e d a t a f o r A l u m i n a U n s h o c k e d N u m b e r o f S p e c i m e n m o d u l u s t h e r m a l E * ( G P a ) E * ( G P a ) A E / ( E - E _ ) 6 ( m i n ) t - o s a t u n t — o E ( G P a ) s h o c k s , N u n 1 2 8 5 0 2 8 8 4 5 4 1 3 % 0 0 4 1 8 A l u m i n a 3 2 7 8 . 0 2 8 6 . 1 4 5 1 . 0 % 0 . 0 2 0 2 ( A T = 2 5 0 C ) 2 9 3 . 9 5 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 5 2 8 0 3 2 8 5 5 7 3 8 6 % 0 0 2 7 3 1 0 2 7 0 6 2 7 6 . 1 7 2 3 9 % 0 0 1 9 6 * R e f e r e q u a t i o n 4 6 . 1 2 9 t o t h e u n s h o c k e d v a l u e o f Y o u n g ' s m o d u l u s . A A E / ( E u n — E t = o ) e q u a l t o z e r o w o u l d i n d i c a t e n o r e c o v e r y , w h i l e a v a l u e o f 1 0 0 p e r c e n t w o u l d i n d i c a t e c o m p l e t e r e c o v e r y . T h e s e r a t i o s r a n g e d f r o m 3 8 . 0 t o 7 2 . 2 p e r c e n t f o r t h e S i C f i b e r / A S c o m p o s i t e s , f r o m 1 1 . 4 t o 5 2 . 0 f o r t h e M a c o r g l a s s c e r a m i c s , a n d f r o m 2 3 . 9 t o 5 1 . 0 p e r c e n t f o r t h e p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a ( T a b l e s 1 3 - 1 5 ) . 3 . 2 . 2 P o s s i b l e M o d u l u s R e c o v e r y M e c h a n i s m s 3 . 2 . 2 . 1 V i r t u a l m a s s c h a n g e s d u e t o m o i s t u r e e v a p o r a t i o n S i n c e t h e s p e c i m e n s i n t h i s s t u d y w e r e t h e r m a l l y s h o c k e d i n t o a r o o m t e m p e r a t u r e w a t e r b a t h , o n e p o s s i b l e m e c h a n i s m f o r t h e a p p a r e n t p a r t i a l m o d u l u s r e c o v e r y m i g h t b e a t i m e - d e p e n d e n t e v a p o r a t i o n o f a b s o r b e d m o i s t u r e f r o m t h e q u e n c h e d s p e c i m e n . I n o r d e r t o c h e c k f o r t h e p o s s i b i l i t y o f a m o i s t u r e e v a p o r a t i o n m e c h a n i s m , w e m e a s u r e d b o t h t h e m a s s a n d t h e e l a s t i c m o d u l u s a s a f u n c t i o n o f e l a p s e d t i m e ( f r o m t h e i n s t a n t o f q u e n c h i n g ) f o r a s e r i e s o f t h e r m a l l y s h o c k e d M a c o r s p e c i m e n s . T h e o b s e r v e d m a s s o f t h e M a c o r s p e c i m e n s w a s t h e n c o m p a r e d t o t h e c a l c u l a t e d m a s s c h a n g e t h a t w o u l d b e n e e d e d t o p r o d u c e t h e o b s e r v e d m o d u l u s c h a n g e . S i n c e t h e e x i s t e n c e o f s u c h a m a s s c h a n g e i s i n q u e s t i o n , w e s h a l l r e f e r t o t h e c h a n g e a s a " v i r t u a l m a s s c h a n g e " I n o r d e r t o c a l c u l a t e t h e v i r t u a l m a s s c h a n g e , w e b e g a n w i t h t h e e x p r e s s i o n f o r t h e e l a s t i c m o d u l u s , E , o f a p r i s m a t i c b a r — s h a p e d 1 3 0 s p e c i m e n t h a t i s a p p r o p r i a t e t o s o n i c r e s o n a n c e , o u r m o d u l u s m e a s u r e m e n t t e c h n i q u e [ 1 0 1 , 1 0 3 ] 4 2 = 0 . 9 4 6 4 2 L f p T 2 b ( 1 2 a ) 3 2 - 0 . 9 4 6 4 2 L f m T ( 1 2 b ) 3 b w w h e r e L = s p e c i m e n l e n g t h f a f l e x u r a l r e s o n a n t f r e q u e n c y p - s p e c i m e n d e n s i t y b - s p e c i m e n t h i c k n e s s w - s p e c i m e n w i d t h m . - s p e c i m e n m a s s T = s h a p e f a c t o r f o r t h e p r i s m a t i c s p e c i m e n . T h e s h a p e f a c t o r T i s t h e f o l l o w i n g f u n c t i o n o f t h e s p e c i m e n d i m e n s i o n s a n d P o i s s o n ' s r a t i o [ 1 0 2 ] 2 2 4 T = l + 6 . 5 8 5 ( 1 + 0 . 0 7 5 2 V + 0 . 8 1 0 9 v ) ( b / L ) - 0 . 8 6 8 ( b / L ) 2 4 8 . 3 4 ( 1 + 0 . 2 0 2 3 u + 2 . 1 7 3 u ) ( b / L ) 2 2 1 + 6 . 3 3 8 ( 1 + 0 . 1 4 0 8 1 V + 1 . 5 3 6 u ) ( b / L ) w h e r e u - P o i s s o n ' s r a t i o . 1 3 1 T o d e t e r m i n e t h e v i r t u a l m a s s t h a t c o u l d p o t e n t i a l l y c a u s e t h e o b s e r v e d m o d u l u s r e c o v e r y , w e f i r s t s o l v e f o r t h e s p e c i m e n m a s s , m , i n e q u a t i o n 1 2 b , s u c h t h a t n . - ( 4 7 ) 3 2 0 . 9 4 6 4 2 L f T w h e r e E t = o r e f e r s t o t h e m o d u l u s i m m e d i a t e l y f o l l o w i n g t h e t h e r m a l q u e n c h . T h e v i r t u a l m a s s e s a s a f u n c t i o n o f t i m e w e r e c a l c u l a t e d b y i n s e r t i n g t h e o b s e r v e d r e s o n a n t f r e q u e n c y d a t a i n t o e q u a t i o n 4 7 , w h i c h t h u s a s s u m e s t h a t t h e o b s e r v e d r e s o n a n t f r e q u e n c i e s c h a n g e o n l y a s a r e s u l t o f m o i s t u r e e v a p o r a t i o n f r o m t h e q u e n c h e d b a r . F i g u r e 3 9 s h o w s t h e c a l c u l a t e d v i r t u a l m a s s c h a n g e ( d u e t o m o i s t u r e e v a p o r a t i o n ) t h a t w o u l d b e r e q u i r e d f o r t h e o b s e r v e d m o d u l u s c h a n g e s f o r M a c o r s p e c i m e n s . T h e v i r t u a l m a s s v a l u e s a s a f u n c t i o n o f t i m e w e r e t h e n f i t t o e q u a t i o n 4 8 , w h e r e n t - o + A n { 1 - e x p ( - § t ) } ( 4 8 ) w h e r e m - m a s s o f s p e c i m e n a t t i m e t m - m a s s o f s p e c i m e n a t t i m e t - 0 ( i m m e d i a t e l y a f t e r t h e t h e r m a l q u e n c h ) A n . - s a t u r a t e d m a s s - n t = o g - a c o n s t a n t w h i c h i s d e t e r m i n e d b y n o n - l i n e a r r e g r e s s i o n t = t i m e ( i n m i n u t e s ) e l a p s e d a f t e r t h e t h e r m a l s h o c k . ) g ( S S A M L A U T R I V F i g u r e 3 9 . w e . . . 1 3 2 4 0 6 0 I I U I V I U I 1 I T . 0 M e a s u r e d m a s s 4 ‘ S o l i d C u r v e s a r e l J L e a s t — S q u a r e s f i t t o 1 + m ( t ) = m o + A m n — e x p ( - a ) g 1 4 . 5 5 ? ‘ 5 q 0 O O O O O O O O O O t h i r d s h o c k 4 4 . 5 0 - t e n t h s h o c k f i f t h s h o c k ~ - f o r t i e t h s h o c k — 4 ‘ t w e n t i e t h L h o g l g ‘ ‘ T fi i fl . S h o é k ‘ 4 . 4 5 A T = 9 ° ° ( , 3 . , . , . , . , . O 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 T I M E ( M I N ) ( a ) N o r m a l i z e d v i r t u a l m a s s c h a n g e s e q u i v a l e n t t o Y o u n g ’ s m o d u l u s r e c o v e r i e s f o r M a c o r g l a s s - c e r a m i c s p e c i m e n ( A T - 3 0 0 ° C ) u n d e r t h e a s s u m p t i o n t h a t t h e o b s e r v e d Y o u n g ' s m o d u l u s r e c o v e r i e s a r e d u e o n l y t o c h a n g e s i n t h e s p e c i m e n m a s s . T h e s t a n d a r d d e v i a t i o n o f t h e m e a s u r e d m a s s a t e a c h p o i n t w a s s m a l l e r t h a n t h e p l o t t i n g s y m b o l s i z e u s e d i n t h i s f i g u r e . 1 3 3 ” r I ' I r * ’ I ' I v I . . 0 M e a s u r e d m a s s 4 . S o l i d C u r v e s a r e 1 . L e a s t — S q u a r e s f i t t o . A ‘ m ( t ) = m o + A m { 1 - e x p ( — ( t ) } 0 : 2 C D 0 O o o o o o o o 0 U ) 4 4 6 5 - m 4 < d 2 f i r s t s h o c k p 1 ‘ . ‘ 5 . f o r t i e t h s h o c k . a £ 1 1 ? s h o c k a : 4 ' 5 0 “ s ' i e t h s h o c > 4 t h i r d s h o c k . ‘ e i g h t i e t h s h o c k ' 4 . 5 5 A T : § 5 0 $ 1 f r T I r I I T I 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 T I M E ( M I N ) F i g u r e 3 9 . ( b ) N o r m a l i z e d v i r t u a l m a s s c h a n g e s e q u i v a l e n t t o Y o u n g ' s m o d u l u s r e c o v e r i e s f o r M a c o r g l a s s - c e r a m i c s p e c i m e n ( A T - 3 5 0 ° C ) u n d e r t h e a s s u m p t i o n t h a t t h e o b s e r v e d Y o u n g ' s m o d u l u s r e c o v e r i e s a r e d u e o n l y t o c h a n g e s i n t h e s p e c i m e n m a s s . T h e s t a n d a r d d e v i a t i o n o f t h e m e a s u r e d m a s s a t e a c h p o i n t w a s s m a l l e r t h a n t h e p l o t t i n g s y m b o l s i z e u s e d i n t h i s f i g u r e . ) g ( S S A M L A U T R I V ( c T w f ) h a i s e g m u a a n N m Y t ( A o h o s s o d r T t m u e u r e . a - n s l g l u ' l p d l i 4 e a s s e z c 0 r r r e m i 0 d d o m e t v o C u e n a c ° d e d h ) l i v v n r e m i u t r u a t s a u i n t h s l s e e o . a e e r d i s c r n p f m o l o t a v o o h s r e f t s e r t o a s a c a e h n h s s c e g M i i t n r m u a s g e m r y q s n e e g p e e a m s l t s b e s o u r l a d i u o u - d s i o t c i e v n h m z r a a l a e l a t y s e m s u t t n i s t c o h a e e t d t s c o p o h e i e b a a n c s Y c n o g h i e t u e m r h n e v s p i g n e o s ' i d i s n n t F i g u r e 3 9 . 1 3 4 f I I r fl I I fi fi I T o M e a s u r e d m a s s . 4 ' 7 0 o o o o o o o o o o o o o o “ f i r s t s h o c k 4 f i f t h s h o c k ‘ t h i r d s h o c k . _ S o l i d C u r v e s a r e L e a s t - S q u a r e s f i t t o “ A T = 4 0 0 c m ( t ) = m t = o + A m i l - e X I > ( - ¢ t ) i I I I I I l r 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 T I M E ( M I N ) ) g ( S S A M L A U T R I V F i g u r e 3 9 . 1 3 5 4 . 7 8 V I I I I I I I I I I I 0 M e a s u r e d m a s s _ o o o o o o o o o O 0 h 4 4 7 4 - ~ f i r s t s h o c k . . t h i r d s h o c k . 4 7 0 " f i f t h s h o c k 7 : S o l i d C u r v e s a r e . . L e a s t — S q u a r e s f i t t o q 4 . 6 6 — m ( t ) = m o + A m § l — e x p ( — g ‘ t ) } : t e n t h s h o c k 4 4 . 6 2 ” = 5 5 " ( , 3 . r . r - , 4 , . O 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 T I M E ( M I N ) ( d ) N o r m a l i z e d v i r t u a l m a s s c h a n g e s e q u i v a l e n t t o Y o u n g ' s m o d u l u s r e c o v e r i e s f o r M a c o r g l a s s - c e r a m i c s p e c i m e n ( A T = 4 5 0 ° C ) u n d e r t h e a s s u m p t i o n t h a t t h e o b s e r v e d Y o u n g ' s m o d u l u s r e c o v e r i e s a r e d u e o n l y t o c h a n g e s i n t h e s p e c i m e n m a s s . T h e s t a n d a r d d e v i a t i o n o f t h e m e a s u r e d m a s s a t e a c h p o i n t w a s s m a l l e r t h a n t h e p l o t t i n g s y m b o l s i z e u s e d i n t h i s f i g u r e . ) g ( S S A M L A U T R I V 1 l J l l 1 A 1 I l . J l l l I 1 3 6 r I ‘ T ' I I I I I S o l i d C u r v e s a r e L e a s t - S q u a r e s f i t t o m ( t ) = m o + A m § 1 — e x p ( - { t ) § v f i f t h s h o c k - t h i r d s h o c k A T = 5 0 0 0 M e n ! j T I ' f 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 T I M E ( M I N ) F i g u r e 3 9 . ( e ) N o r m a l i z e d v i r t u a l m a s s c h a n g e s e q u i v a l e n t t o Y o u n g ' s m o d u l u s r e c o v e r i e s f o r M a c o r g l a s s - c e r a m i c s p e c i m e n ( A T - 5 0 0 ° C ) u n d e r t h e a s s u m p t i o n t h a t t h e o b s e r v e d Y o u n g ' s m o d u l u s r e c o v e r i e s a r e d u e o n l y t o c h a n g e s i n t h e s p e c i m e n m a s s . T h e s t a n d a r d d e v i a t i o n o f t h e m e a s u r e d m a s s a t e a c h p o i n t . w a s s m a l l e r t h a n t h e p l o t t i n g s y m b o l s i z e u s e d i n t h i s f i g u r e . 1 3 7 T h e v i r t u a l m a s s c h a n g e s , A n , p r e d i c t e d f r o m e q u a t i o n 4 8 a r e t w o o r d e r s o f m a g n i t u d e l a r g e r t h a n t h e m e a s u r e d m a s s c h a n g e s f o r t h e t h e r m a l l y s h o c k e d M a c o r s p e c i m e n s ( f i g u r e 3 9 ) . T h e m a s s c h a n g e o f t h e t h e r m a l l y s h o c k e d s p e c i m e n s w a s t h u s m u c h t o o s m a l l t o a c c o u n t f o r t h e o b s e r v e d m o d u l u s c h a n g e , a n d i n f a c t w e r e s m a l l e r t h a n t h e e x p e r i m e n t a l l y d e t e r m i n e d r e s o l u t i o n l i m i t s o f t h e e l e c t r o n i c m a s s b a l a n c e . T h e c o e f f i c i e n t o f v a r i a t i o n f o r m a s s m e a s u r e m e n t s o n t h e c o n t r o l s p e c i m e n ( = 8 . 0 2 4 6 x 1 0 - 5 ) w a s a p p r o x i m a t e l y t h e s a m e a s t h e c o e f f i c i e n t o f v a r i a t i o n f o r t h e m a s s m e a s u r e m e n t s o n t h e t h e r m a l l y s h o c k e d s p e c i m e n s . S i n c e t h e c o n t r o l s p e c i m e n s w e r e n o t t h e r m a l l y s h o c k e d , v a r i a t i o n s i n c o n t r o l s p e c i m e n m a s s e s r e f l e c t t h e e x p e r i m e n t a l s c a t t e r i n t h e m a s s m e a s u r e m e n t s t h e m s e l v e s . T h e t h e r m a l l y s h o c k e d s p e c i m e n s ’ m a s s c h a n g e t h u s w a s w i t h i n t h e e x p e r i m e n t a l s c a t t e r o f t h e e l e c t r o n i c b a l a n c e ' s m a s s m e a s u r e m e n t s . 3 . 2 . 2 . 2 M i c r o c r a c k h e a l i n g T o p l a c e o u r r o o m - t e m p e r a t u r e c r a c k - h e a l i n g s t u d y i n p e r s p e c t i v e , w e s h a l l b r i e f l y d i s c u s s o t h e r c r a c k h e a l i n g s t u d i e s i n c e r a m i c s . T h e n w e s h a l l c o m p a r e t h e c r a c k h e a l i n g r a t e s f o u n d i n o u r s t u d y w i t h t h e r a t e s o b s e r v e d f o r o t h e r c e r a m i c m a t e r i a l s . M e c h a n i s m s f o r m i c r o c r a c k h e a l i n g c a n b e c l a s s i f i e d i n t h r e e d i f f e r e n t c a t e g o r i e s [ 3 5 ] : ( l ) h e a l i n g b y d i f f u s i o n ( t h e r m a l a n n e a l i n g ) , ( 2 ) h e a l i n g b y i n t e r m o l e a r f o r c e s ( a d h e s i o n ) , ( 3 ) h e a l i n g b y c h e m i c a l r e a c t i o n p r o d u c t s . C r a c k h e a l i n g b y d i f f u s i o n h a s 1 3 8 b e e n r e p o r t e d f o r a v a r i e t y o f c e r a m i c s , i n c l u d i n g p o l y c r y s t a l l i n e a n d s i n g l e c r y s t a l a l u m i n a [ 3 6 - 4 1 ] , m a g n e s i a [ 3 8 , 4 2 ] a n d u r a n i a p e l l e t s [ 4 3 - 4 6 ] . H o w e v e r , t h e t i m e - d e p e n d e n t m o d u l u s r e c o v e r y o b s e r v e d i n t h i s s t u d y o c c u r r e d a t r o o m t e m p e r a t u r e , s o d i f f u s i v e h e a l i n g i s l i k e l y t o b e i n s i g n i f i c a n t f o r o u r s p e c i m e n s . C r a c k h e a l i n g b y a d h e s i o n c a n o c c u r a t r o o m t e m p e r a t u r e a n d h a s b e e n r e p o r t e d f o r s e v e r a l m a t e r i a l s . I n m i c a , B a i l e y [ 4 9 ] f o u n d t h a t 3 1 0 e r g s / c m 2 w a s r e q u i r e d t o s p l i t m i c a i n i t i a l l y , 1 9 0 e r g s / c m 2 w a s r e g a i n e d o n h e a l i n g , a n d 2 5 0 e r g s / c m 2 w a s r e q u i r e d t o r e s p l i t t h e m i c a . U s i n g d o u b l e c l e a v a g e d r i l l e d c o m p r e s s i o n s p e c i m e n s o f s o d a l i m e - s i l i c a g l a s s a n d v i t r e o u s s i l i c a g l a s s e s , M i c h a l s k e a n d F u l l e r [ 5 1 ] m e a s u r e d t h e s t r a i n e n e r g y r e l e a s e r a t e f o r c r a c k c l o s u r e a n d r e p r o p a g a t i o n a s a f u n c t i o n o f a m b i e n t r e l a t i v e h u m i d i t y . H y d r o g e n - b o n d e d l i n k a g e o f s u r f a c e a d s o r b e d w a t e r m o l e c u l e s w a s p r o p o s e d t o a c c o u n t f o r t h e e x p e r i m e n t a l l y d e t e r m i n e d s t r a i n e n e r g y r e l e a s e r a t e o f 0 . 1 5 J / m 2 t o r e o p e n h e a l e d c r a c k s i n h u m i d e n v i r o n m e n t s [ 5 1 ] . T h e r e l a t i v e l y h i g h c r a c k r e p r o p a g a t i o n e n e r g i e s ( 1 . 7 i 0 . 2 J / m 2 ) u n d e r t h e d r i e s t n i t r o g e n a t m o s p h e r e f o r s o d a - l i m e g l a s s a f t e r h e a l i n g o f c r a c k s w a s a t t r i b u t e d t o t h e f o r m a t i o n o f e i t h e r c a t i o n i c b r i d g e s o r s i l o x a n e b o n d s b e t w e e n f r a c t u r e s u r f a c e s [ 5 1 ] . U s i n g c h e v r o n - n o t c h e d s h o r t - b a r s p e c i m e n s , I n a g a k i e t a 1 . [ 5 3 ] m e a s u r e d t h e w o r k o f f r a c t u r e o f s o d a - l i m e - s i l i c a g l a s s a s 5 . 5 J / m 2 i n a t m o s p h e r e s o f a r g o n a n d o f n i t r o g e n . A w o r k o f f r a c t u r e o f 4 . 4 J / m 2 w a s f o u n d i n a i r . T h e h y s t e r e s i s o b s e r v e d i n t h e l o a d v e r s u s d i s p l a c e m e n t c u r v e u p o n l o a d i n g a n d u n l o a d i n g t h e s p e c i m e n w a s a t t r i b u t e d t o c r a c k h e a l i n g [ 5 3 ] . T h e 1 3 9 c r a c k h e a l i n g e n e r g y , m e a s u r e d f r o m t h e a r e a i n s i d e t h e l o a d - d i s p l a c e m e n t h y s t e r e s i s l o o p , w a s 0 . 6 5 J / m 2 i n t h e i n e r t a t m o s p h e r e a n d 0 . 2 1 J / m 2 i n a i r [ 5 3 ] . S t a v r i n i d i s a n d H o l l o w a y [ 5 2 ] f o u n d t h a t n o c r a c k c l o s u r e o c c u r r e d f o r s o d a - l i m e - s i l i c a g l a s s i m m e r s e d e i t h e r i n D i m e t h y l s u l p h o x i d e o r l i q u i d p a r a f f i n , b u t f o u n d t h a t c r a c k c l o s u r e d i d o c c u r w h e n s p e c i m e n s w e r e i m m e r s e d i n d i s t i l l e d w a t e r . T h u s f o r s o m e c e r a m i c s , r o o m — t e m p e r a t u r e c r a c k h e a l i n g c a n o c c u r i n h u m i d a i r a s w e l l a s i n i n e r t a t m o s p h e r e s . C h e m i c a l r e a c t i o n p r o d u c t s c a n a l s o h e a l c r a c k s . P u l l i a m [ 5 4 ] o b s e r v e d c r a c k h e a l i n g f o r K C l a n d N a C l c r y s t a l s i n w a t e r a n d w a t e r v a p o r a n d a t t r i b u t e d t h e h e a l i n g t o t h e p r e c i p i t a t i o n o f r e a c t i o n p r o d u c t s b e t w e e n c r a c k s u r f a c e s . R o a c h a n d c o - w o r k e r s [ 5 5 ] f o u n d t h a t i n t e r f a c i a l l a y e r s d e p o s i t e d o n c r a c k s u r f a c e s i n m u s c o v i t e m i c a a n d s i l i c a t e g l a s s w e r e c o r r o s i o n p r o d u c t s f o r m e d - b y e n v i r o n m e n t a l s p e c i e s i n t e r a c t i n g w i t h t h e c r a c k s u r f a c e . F o r r o o m - t e m p e r a t u r e t e s t i n g i n a i r o f a h e a v y - m e t a l f l u o r i d e g l a s s , L e h m a n e t a 1 . [ 5 6 ] f o u n d t h a t V i c k e r s i n d e n t a t i o n - i n d u c e d r a d i a l c r a c k s d e c r e a s e d i n l e n g t h ( a p p a r e n t l y h e a l e d ) a s a f u n c t i o n o f t i m e a n d r e l a t i v e h u m i d i t y . T h e r a d i a l c r a c k s f r o m a 0 . 4 9 N V i c k e r s i n d e n t a t i o n i m p r e s s i o n a p p a r e n t l y c l o s e d a f t e r a g i n g f o r 1 3 d a y s a t r o o m t e m p e r a t u r e i n a n 8 5 p e r c e n t r e l a t i v e h u m i d i t y e n v i r o n m e n t ( f i g u r e 2 i n [ 5 6 ] ) . C r a c k h e a l i n g i n t h e i n d e n t e d f l u o r i d e g l a s s d i d o c c u r a t r e l a t i v e h u m i d i t i e s t h a t r a n g e d f r o m O t o 8 5 p e r c e n t , b u t a s t h e r e l a t i v e h u m i d i t y d e c r e a s e d , t h e o b s e r v e d c r a c k h e a l i n g r a t e d e c r e a s e d [ 5 6 ] . V i s c o u s r e l a x a t i o n o f t h e g l a s s a r o u n d t h e c r a c k t i p , a n d / o r t h e g e n e r a t i o n a n d t r a n s p o r t o f 1 4 0 a f l u o r i d e g e l p h a s e t o t h e c r a c k a p e r t u r e w e r e p r o p o s e d a s p o s s i b l e l o w - t e m p e r a t u r e c r a c k c l o s u r e m e c h a n i s m s [ 5 6 ] . I n a c r a c k h e a l i n g s t u d y o f s o d a - l i m e - s i l i c a f l o a t g l a s s i n h u m i d e n v i r o n m e n t s , H o l d e n a n d F r e c h e t t e [ 5 7 ] p r o p o s e d a c r a c k h e a l i n g m e c h a n i s m t h a t p r o c e e d e d v i a f o r m a t i o n o f a m o i s t u r e - i n d u c e d g e l l a y e r , c l o s u r e o f t h e c r a c k b y s t r e s s r e l i e f , a n d g e l d r y i n g i n a c o n t r o l l e d a t m o s p h e r e . T h u s , i n r o o m - t e m p e r a t u r e a i r e n v i r o n m e n t s a n d a t a v a r i e t y o f r e l a t i v e h u m i d i t i e s , r e a c t i o n p r o d u c t s a l s o c a n i n d u c e c r a c k h e a l i n g i n c e r a m i c s . T h e t i m e c o n s t a n t s , 6 , f o r Y o u n g ' s m o d u l u s r e c o v e r y v e r s u s t i m e t h a t w e r e o b t a i n e d i n t h i s s t u d y w e r e c o m p a r e d t o t h e c r a c k h e a l i n g r e s u l t s o f o t h e r r e s e a r c h e r s ' ( T a b l e 1 6 ) [ 5 2 , 5 4 , 5 6 , 5 8 ] . I n o r d e r t o u n i f o r m l y a n d s y s t e m a t i c a l l y c o m p a r e o u r d a t a t o t h e d a t a f r o m o t h e r r e s e a r c h e r s , w e u s e d a r e g r e s s i o n e q u a t i o n o f t h e f o r m M P P ( t ) - M P P t - o + A M P P { l - e x p ( - F t ) } ( 4 9 a ) w h e r e M P P ( t ) - m e a s u r e d p h y s i c a l p r o p e r t i e s , s u c h a s c r a c k l e n g t h , s t r a i n e n e r g y r e l e a s e r a t e t o r e p r o p a g a t e a c l o s e d c r a c k , a n d Y o u n g ' s m o d u l u s r e c o v e r y M P P - m e a s u r e d p h y s i c a l p r o p e r t i e s a t t = 0 A M P P - M P P s a t - M P P t - o M P P s a t - M P P ( t ) f o r v e r y l a r g e t ( t h a t i s , t h e " s a t u r a t e d " v a l u e o f M P P ( t ) ) F - t h e p h y s i c a l p r o p e r t y r e c o v e r y t i m e c o n s t a n t , a s 1 4 1 d e t e r m i n e d b y n o n - l i n e a r r e g r e s s i o n o n t h e p h y s i c a l p r o p e r t y r e c o v e r y d a t a t = t i m e ( i n m i n u t e s ) e l a p s e d a f t e r t h e b e g i n n i n g o f t h e r e c o v e r y m e a s u r e m e n t . N o t e t h a t e q u a t i o n 4 9 a i s i d e n t i c a l t o o u r e q u a t i o n 4 6 i f t h e p h y s i c a l p r o p e r t y m e a s u r e d ( M P P ) i s t h e Y o u n g ' s m o d u l u s , a s w a s t h e c a s e i n o u r e x p e r i m e n t . I f w e e x p r e s s t h e e q u a t i o n 4 9 a i n t e r m s o f a n o r m a l i z e d p r o p e r t y c h a n g e , t h e n M P P s a t - M P P ( t ) = e x p ( - F t ) ( 4 9 b ) M P P - M P P t = s a t 0 E q u a t i o n 4 9 b e m p h a s i z e s t h a t t h e n o r m a l i z e d p r o p e r t y c h a n g e i s u n i t l e s s a n d t h a t F h a s u n i t s o f i n v e r s e t i m e . I n t a b l e 1 6 ( a s w a s _ 1 t h e c a s e f o r o u r m o d u l u s r e c o v e r y a n a l y s i s ) , w e u s e d m i n a s t h e u n i t s f o r t h e p h y s i c a l p r o p e r t y r e c o v e r y t i m e c o n s t a n t . I n e q u a t i o n 4 9 a , t h e t e r m M P P t - o i s t h e i n i t i a l v a l u e ( t = 0 ) f o r m e a s u r e d p r o p e r t y M P P i n t h e c r a c k e d s p e c i m e n . M P P t = o i s a m e a s u r e o f t h e e x t e n t t o w h i c h p r o p e r t y M P P i s a f f e c t e d b y t h e c r a c k ( s ) i n t h e s p e c i m e n . T h e r e f o r e , M P P t = o c o n t a i n s l i t t l e , i f a n y , i n f o r m a t i o n a b o u t t h e c r a c k h e a l i n g b e h a v i o r d u r i n g r e c o v e r y . M P P s a t m e a s u r e s t h e " s a t u r a t e d v a l u e " o f M P P ( t h a t i s , t h e l i m i t o f M P P ( t ) f o r t l a r g e ) . E x p e r i m e n t a l l y , M P P s a c a n b e d i f f i c u l t t o d e t e r m i n e a c c u r a t e l y . F o r t 1 4 2 T a b l e 1 6 . A c o m p a r i s o n o f t h e r e c o v e r y t i m e c o n s t a n t s f o r t h e e l a s t i c i t y d a t a o b t a i n e d i n t h i s s t u d y a n d t h e c a l c u l a t e d t i m e c o n s t a n t s f o r p h y s i c a l p r o p e r t i e s f r o m o t h e r r e s e a r c h e r s M a t e r i a l T i m e c o n s t a n t M e t h o d o f c r a c k P h y s i c a l p r o p e r t y R e f e r e n c e ( m i n ) g e n e r a t i o n m e a s u r e d S i C / A S ( A T = 3 7 0 C ) . 0 0 6 + t h e r m a l s h o c k Y o u n g ' s m o d u l u s t h i s s t u d y ( A T = 4 5 0 C ) . 0 4 7 + t h e r m a l s h o c k Y o u n g ' s m o d u l u s t h i s s t u d y ( A T = 3 0 0 C ) . 0 4 1 + t h e r m a l s h o c k Y o u n g ' s m o d u l u s t h i s s t u d y ( A T - 3 5 0 C ) . 0 1 3 + t h e r m a l s h o c k Y o u n g ’ s m o d u l u s t h i s s t u d y M a c o r ( A T = 4 0 0 C ) . 0 3 0 + t h e r m a l s h o c k Y o u n g ' s m o d u l u s t h i s s t u d y ( A T - 4 5 0 C ) . 0 1 0 + t h e r m a l s h o c k Y o u n g ' s m o d u l u s t h i s s t u d y ( A T - 5 0 0 C ) . 0 1 0 + t h e r m a l s h o c k Y o u n g ' s m o d u l u s t h i s s t u d y P o l y c r y s t a l l i n e . 0 4 2 + t h e r m a l s h o c k Y o u n g ' s m o d u l u s t h i s s t u d y a l u m i n a ( A T = 2 5 0 C ) P o l y c r y s t a l l i n e . 0 9 l + + t h e r m a l s h o c k Y o u n g ’ s m o d u l u s [ 5 8 ] Y I G ( A T = 1 6 5 C ) K C l . 0 2 8 c l e a v a g e l e n g t h o f c r a c k f i l l g u p [ 5 4 ] ( c r a c k a n g l e = 2 . 6 x 1 0 r a d ) N a C l . 0 2 3 c l e a v a g e l e n g t h o f c r a c k f i l l a u p [ 5 4 ] ( c r a c k a n g l e = 7 . 5 x 1 0 r a d ) S o d a - l i m e - s i l i c a 3 3 3 x 1 0 - f i n e s c r a t c h s t r a i n e n e r g y [ 5 2 ] g l a s s a n d t a p p i n g r e l e a s e r a t e ( G ) " " " " " " " " { 8 , } " n " " " " Z Z " " " " " " " " " ' " " " " " " " " " " " " " u " ' F l u o r i d e g l a s s . 5 6 9 x 1 0 V i c k e r s m o d i f i e d r a d i a l c r a c k s i z e [ 5 6 ] i n d e n t a t i o n ( 2 C - 2 a ) + R e c o v e r y d a t a f o r t h e f i r s t t h e r m a l s h o c k c y c l e a t g i v e n A T + + S p e c i m e n e d g e s u n b e v e l e d , t h e f i r s t t h e r m a l s h o c k c y c l e * S i n g l e c r y s t a l , s a t u r a t e d s o l u t i o n s o f t h e c r y s t a l s w e r e f e d i n t o t h e i n d u c e d c l e a v a g e c r a c k * * Z B L A N I ( Z r F 4 , B a n , L a n , A l F a , N a F , I n F a ) f l u o r i d e g l a s s 1 4 3 e x a m p l e , i t c o u l d b e d i f f i c u l t t o c h o o s e a n a p p r o p r i a t e t i m e c u t o f f i n e v a l u a t i n g M P P S H o w e v e r , t h e r e c o v e r y t i m e c o n s t a n t , F , a l l o w s o n e a t ' t o q u a n t i t a t i v e l y c o m p a r e t h e r e l a t i v e r e c o v e r y r a t e s o f p h y s i c a l p r o p e r t i e s i n t e r m s o f a m o d e l e d e x p o n e n t i a l - t i m e d e p e n d e n c e o f t h e r e c o v e r y . R e g a r d l e s s o f t h e p h y s i c a l u n i t s o f M P P ( t ) , t h e t i m e - d e p e n d e n c e o f M P P c a n b e m o d e l e d ( f o r e q u a t i o n 4 9 b ) i n t e r m s o f a s i n g l e n u m b e r w i t h r e c i p r o c a l t i m e u n i t s . T h i s , o f c o u r s e , a s s u m e s t h a t t h e p r o p e r t y r e c o v e r y c a n b e d e s c r i b e d w e l l w i t h e q u a t i o n s 4 9 a o r 4 9 b . T h e d a t a f r o m o t h e r r e s e a r c h e r s [ 5 2 , 5 4 , 5 6 , 5 8 ] w e r e t a k e n d i r e c t l y f r o m t h e i r p u b l i s h e d p l o t s o f p r o p e r t y r e c o v e r y . T h e r e c o v e r y t i m e c o n s t a n t F w a s c a l c u l a t e d b y a n o n l i n e a r r e g r e s s i o n f i t o f e q u a t i o n 4 9 a t o t h e i r d a t a . A c o m p a r i s o n o f t h e r e c o v e r y t i m e c o n s t a n t s f o r t h e e l a s t i c i t y d a t a o b t a i n e d i n t h i s s t u d y a n d t h e c a l c u l a t e d F ' s f r o m o t h e r r e s e a r c h e r s s h o w e d t h a t t h e F ' s a r e g e n e r a l l y i n t h e s a m e r a n g e f o r p o l y c r y s t a l l i n e a n d s i n g l e c r y s t a l s p e c i m e n s , w h i l e t h e F ' s f o r p h y s i c a l p r o p e r t y r e c o v e r y i n c r a c k e d g l a s s a r e m u c h l o w e r ( T a b l e 1 6 ) . T h e p h y s i c a l p r o p e r t y r e c o v e r i e s s u m m a r i z e d i n T a b l e 1 6 w e r e d e t e r m i n e d f o r a v a r i e t y o f f r a c t u r e c o n d i t i o n s , i n c l u d i n g c l e a v a g e c r a c k s [ 5 4 ] , V i c k e r s i n d e n t a t i o n c r a c k s [ 5 6 ] , s c r i b i n g c r a c k s [ 5 2 ] , a n d c r a c k s i n d u c e d b y t h e r m a l s h o c k . H o w e v e r , e x c e p t f o r t h i s s t u d y a n d t h e s t u d y o f c y c l i c t h e r m a l s h o c k i n p o l y c r y s t a l l i n e Y I G [ 5 8 ] , t h e f r a c t u r e c o n d i t i o n s i n v o l v e d o n l y a s i n g l e l o a d c y c l e ( t h a t i s , a c r a c k w a s i n d u c e d i n t h e s p e c i m e n , a n d t h e c r a c k s u b s e q u e n t l y h e a l e d ) I t 1 4 4 w i t h o u t f u r t h e r r e l o a d i n g o f t h e s p e c i m e n . T o e x p r e s s t h e c o m p a r i s o n s i n T a b l e 1 6 i n t e r m s o f s i m i l a r l o a d i n g h i s t o r i e s , t h e r e c o v e r y t i m e c o n s t a n t d a t a f r o m t h i s s t u d y ( t h a t i s , t h e t a b l e ’ s e n t r i e s f o r S i C / A S , M a c o r , a n d p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a ) r e p r e s e n t t h e m o d u l u s r e c o v e r y r a t e s f o r t h e f i r s t l o a d i n g c y c l e o n l y . 3 . 3 . T h e M e a s u r e m e n t o f t h e S u r f a c e H e a t T r a n s f e r C o e f f i c i e n t f o r C e r a m i c s Q u e n c h e d i n t o a w a t e r B a t h 3 . 3 . 1 H e a t T r a n s f e r c o e f f i c i e n t d u r i n g t h e r m a l s h o c k 3 . 3 . 1 . 1 F r e e C o n v e c t i o n F o r a v e r t i c a l v e r t i c a l p l a t e o f l e n g t h L t h e a v e r a g e c o n v e c t i o n h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t , < h > , f o r f r e e c o n v e c t i o n c o n d i t i o n s c a n b e c a l c u l a t e d f r o m [ 1 5 7 ] , < N u L > < h > L / k ( 5 0 ) w h e r e < N u i - a v e r a g e N u s s e l t n u m b e r L - c h a r a c t e r i s t i c l e n g t h W [ h e r m a l c o n d u c t i v i t y o f f l u i d I n t h i s c a s e , f r e e c o n v e c t i o n m e a n s t h a t t h e f l u i d m o v e s a s a r e s u l t s o f t h e b u o y a n c y f o r c e d u e t o t e m p e r a t u r e v a r i a t i o n g e n e r a t e d d e n s i t y g r a d i e n t w i t h i n t h e f l u i d . 1 4 5 C h u r c h i l l a n d C h u [ 1 5 8 ] s u g g e s t t h a t t h e a v e r a g e N u s s e l t n u m b e r , < N u L > i s a f u n c t i o n o f t h e R a y l e i g h n u m b e r , R a L a n d t h e P r a n d t l n u m b e r P r . 1 / 6 9 / 1 6 8 / 2 7 2 < N u L > - [ 0 . 8 2 5 + 0 . 3 8 7 R a L / { 1 + ( 0 . 4 9 2 / P r ) } ] ( 5 1 ) E q u a t i o n 5 1 m a y b e a p p l i e d o v e r t h e e n t i r e r a n g e o f t h e R a y l e i g h n u m b e r , R a L . T h e t r a n s i t i o n f r o m l a m i n a r t o t u r b u l e n t f l o w i n a f r e e c o n v e c t i o n b o u n d a r y l a y e r d e p e n d s o n t h e R a y l e i g h n u m b e r , R a L w h i c h i s t h e r e l a t i v e m a g n i t u d e o f t h e b u o y a n c y a n d v i s c o u s f o r c e s i n t h e f l u i d . T h e c r i t i c a l R a y l e i g h n u m b e r f o r t h e v e r t i c a l p l a t e i s 3 9 R a = G r L - P r = { g fi ( T s - T Q ) L } / ( V a ) z 1 0 ( 5 2 ) G r a s h o f n u m b e r w h e r e G r L g - g r a v i t a t i o n a l a c c e l e r a t i o n B = v o l u m e t r i c t h e r m a l e x p a n s i o n c o e f f i c i e n t o f t h e f l u i d T = s u r f a c e t e m p e r a t u r e o f t h e p l a t e T c o - f l u i d t e m p e r a t u r e ( f r e e s t r e a m c o n d i t i o n ) L = c h a r a c t e r i s t i c l e n g t h u - k i n e m a t i c v i s c o s i t y w h i c h i s g i v e n b y t h e r a t i o , v i s c o s i t y / d e n s i t y a - t h e r m a l d i f f u s i v i t y o f f l u i d 1 4 6 F o r t h e s p e c i m e n s q u e n c h e d i n t h i s s t u d y , R a L w a s c a l c u l a t e d f r o m i n e q u a t i o n 5 2 a t t h e f i l m t e m p e r a t u r e , T f = ( T S + T m ) / 2 [ 1 5 7 , 1 5 9 , 1 6 0 ] . P r w a s o b t a i n e d f r o m t h e t a b l e s o f t h e r m o p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f w a t e r a t t h e f i l m t e m p e r a t u r e [ 1 6 0 ] . T h e c a l c u l a t e d R a L a n d P r o b t a i n e d f r o m t h e t a b l e s w e r e i n s e r t e d i n t o e q u a t i o n 5 1 t o o b t a i n t h e a v e r a g e N u s s e l t n u m b e r , < N u L > . T h e a v e r a g e c o n v e c t i v e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t , < h > w a s c a l c u l a t e d f r o m e q u a t i o n 5 0 f o r e a c h t h e r m a l s h o c k o f s e v e r i t y , A T - T S - T m . E q u a t i o n 5 2 r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t , t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e a n d q u e n c h w a t e r t e m p e r a t u r e a r e s h o w n i n f i g u r e 4 0 . 3 . 3 . 1 . 2 F o r c e d C o n v e c t i o n F o r c e d c o n v e c t i o n m e a n s t h a t t h e h e a t t r a n s f e r f l o w i s c a u s e d b y s o m e e x t e r n a l m e a n s . T h e a v e r a g e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t o v e r t h e l a m i n a r a n d t u r b u l e n t b o u n d a r y l a y e r o v e r a f l a t p l a t e i s g i v e n a s t h e f o l l o w i n g [ 1 5 7 ] f o r R e > 2 x 1 0 5 . A t r a n s i t i o n f r o m l a m i n a r t o t u r b u l e n t L 5 5 f l o w t a k e s p l a c e i n t h e r a n g e o f R e y n o l d s n u m b e r s f r o m 2 x 1 0 t o 5 x 1 0 . 4 3 0 o 8 0 2 5 h = 0 . 0 3 6 P r ' - ( R e L ' - 9 2 0 0 ) ( p / p ) ' o k / L ( 5 3 ) w w 2 2 w h e r e R e L - R e y n o l d s N u m b e r = u m L / V = ( u m / L ) / ( V u m / L ) w h i c h i s t h e r a t i o , i n e r t i a f o r c e / v i s c o u s f o r c e u c o = v e l o c i t y o f a f l u i d u - k i n e m a t i c v i s c o s i t y P r L = P r a n d t l N u m b e r 1 4 7 L = c h a r a c t e r i s t i c l e n g t h k - t h e r m a l c o n d u c t i v i t y o f f l u i d = v i s c o s i t y o f f l u i d a t f r e e - s t r e a m t e m p e r a t u r e p - v i s c o s i t y o f f l u i d a t w a l l t e m p e r a t u r e T h e e q u a t i o n 5 3 c o r r e l a t e s t h e e x p e r i m e n t a l d a t a o f a i r , w a t e r , a n d o i l c o v e r i n g t h e f o l l o w i n g r a n g e s r e a s o n a b l y w e l l [ 1 6 1 , 1 6 2 ] . 5 6 2 x 1 0 < R e L < 5 . 5 x 1 0 0 . 7 < P r < 3 8 0 0 . 2 6 < p m / p w < 3 . 5 T h e r e l a t i o n s h i p s g i v e n b y e q u a t i o n 5 3 b e t w e e n t h e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t , t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e a n d q u e n c h w a t e r t e m p e r a t u r e a r e s h o w n i n f i g u r e 4 1 . 3 . 3 . 2 T h e M e a s u r e m e n t o f t h e S u r f a c e H e a t T r a n s f e r C o e f f i c i e n t f o r C e r a m i c s Q u e n c h e d i n t o a W a t e r B a t h T h e t h e r m o c o u p l e v o l t a g e s v e r s u s c o o l i n g t i m e a r e s h o w n i n f i g u r e 4 2 f o r t h e M a c o r s p e c i m e n s q u e n c h e d a t A T o f 2 0 0 , 2 8 0 , 3 5 0 , 4 0 0 , 4 5 0 a n d 5 0 0 ° C , f o r t h e a l u m i n a s p e c i m e n s q u e n c h e d a t A T o f 2 5 0 , 3 0 0 , a n d 3 5 0 ° C , f o r t h e t i t a n i u m d i b o r i d e s p e c i m e n s q u e n c h e d a t A T o f 2 0 0 , 3 0 0 , 4 0 0 , a n d 5 0 0 ° C . T h e o b s e r v e d t i m e - t e m p e r a t u r e b e h a v i o r o f t h e M a c o r , t h e a l u m i n a a n d t h e t i t a n i u m d i b o r i d e w a s s i m i l a r . F o l l o w i n g A B e c k ' s p r o c e d u r e ( e q u a t i o n 1 8 - 2 1 ) , h ( T ) , t h e e s t i m a t e d s u r f a c e h e a t 1 4 8 3 E + O 4 I I # — I r T ” — ! — — — I ’ _ T — I I — I T I I I I " I i ' O . 4 " , . ’ : ; ‘ / — v a r " ‘ I . I ’ l ” / ’ ' 1 I ’ / v ’ V V I I ” / / , x / / 1 ” ” / / A 2 E + O 4 A C ’ I ” / - — 4 h fi / / 7 6 ‘ } / 6 1 , ’ / E 5 4 ‘ C d / J \ / 3 ° C v . C : 1 E + 0 4 ~ < . ~ — C u r v e s r e p r e s e n t h v a r i a t i o n s 1 a s a f u n c t i o n o f A T w h e n a 8 c m s p e c i m e n i s q u e n c h e d i n t o w a t e r t e m p e r a t u r e s p e c i f i e d 0 j — v f I I fl O I . I - I * I T ' I 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 [ T e m p e r a t u r e D i f f e r e n c e , A T ( C ) F i g u r e 4 0 . C a l c u l a t e d s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t f o r f r e e c o n v e c t i o n w a t e r a s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r e . F i g u r e 4 1 . C c a o l n c v u e l c a t t i e o d n s w u a r t f e a r c e a s h a e a t f u t n r c a t n i s o e f n r o f c o t e e f m f p i e c r i a e t n u t r e . f o r f o r c e d 1 4 9 1 I — ‘ f I ’ — " ' I " “ " ‘ T ‘ ” ‘ r I — 1 " — ‘ I “ T ' - — r — ’ “ ' 1 ‘ " " ' 1 . _ — T — ‘ _ I ” " 0 C I 4 - - - 2 c i 6 E + O 4 fi _ _ 5 C — [ ~ - - 7 C 3 1 - 9 c J ’ 5 2 . 4 N E 4 E + 0 4 a - « 4 ' 1 \ \ \ e 8 4 . J . . J : 2 E + 0 4 4 . 9 , 4 3 4 4 ; ’ 1 : ’ / ” / / / . i / / / C u r v e s r e p r e s e n t h v a r i a t i o n s 2 . 4 / . . - 1 / a s a f u n c t i o n o f A T w h e n a 8 c m s p e c 1 m e n I ‘ i s q u e n c h e d i n t o w a t e r t e m p e r a t u r e s p e c i f i e d ] 0 . r r . 4 T 4 , 1 4 , , 4 1 O I I O 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 [ T e m p e r a t u r e D i f f e r e n c e , A T ( C ) F i g u r e 1 5 0 4 2 ( A ) . T h e e x p e r i m e n t a l l y o b t a i n e d t h e r m o c o u p l e v o l t a g e v e r s u s c o o l i n g t i m e f o r t h e M a c o r a t A T = ( a ) 2 0 0 ° C , ( b ) 2 8 0 ° C , ( 0 ) 3 5 0 ° C , ( d ) 4 0 0 ° C , ( e ) 4 5 0 ° C a n d ( f ) 5 0 0 ° C ; e a c h d i v i s i o n o n t h e x a x i s r e p r e s e n t s 6 . 2 5 m s e c , e a c h d i v i s i o n o n t h e y a x i s r e p r e s e n t s 2 m v f o r A T — 2 0 0 ° C a n d 5 m v f o r A T = 2 8 0 , 3 5 0 , 4 0 0 , 4 5 0 , 5 0 0 ° C . ' 5 " ‘ V - I , W M W I H M W 8 8 4 1 - " - I T I J R S O R S S E T T I N G S S H I F T T E X T J J F F 1 5 1 F i g u r e 4 2 ( A ) . T h e e x p e r i m e n t a l l y o b t a i n e d t h e r m o c o u p l e v o l t a g e v e r s u s c o o l i n g t i m e f o r t h e M a c o r a t A T - ( a ) 2 0 0 ° C , ( b ) 2 8 0 ° C , ( c ) 3 5 0 ° C , ( d ) 4 0 0 ° C , ( e ) 4 5 0 ° C a n d ( f ) 5 0 0 ° C ; e a c h d i v i s i o n o n t h e x a x i s r e p r e s e n t s 6 . 2 5 m s e c , e a c h d i v i s i o n o n t h e y a x i s r e p r e s e n t s 2 m y f o r A T - 2 0 0 ° C a n d 5 m v f o r A T = 2 8 0 , 3 5 0 , 4 0 0 , 4 5 0 , 5 0 0 ° C . C U R S O R S S E T T I M I S S H I F T T E X T - 0 F F I “ \ \ M W n W W fi w C L R S W S S E T T I M S S H I F T " W W fi j fi f fi w j i v w g w y , I I U R S O R S S E T T I N G S S H I F T T E X T - O F F 1 5 2 F i g u r e 4 2 ( B ) . T h e e x p e r i m e n t a l l y o b t a i n e d t h e r m o c o u p l e v o l t a g e v e r s u s c o o l i n g t i m e f o r t h e a l u m i n a a t A T = ( a ) 2 5 0 ° C , ( b ) 3 0 0 ° C , a n d ( c ) 3 5 0 ° C ; e a c h d i v i s i o n o n t h e x a x i s r e p r e s e n t s 1 2 . 5 m s e c f o r A T - 2 5 0 ° C , 2 5 m s e c f o r A T - 3 0 0 a n d 3 5 0 ° C , e a c h d i v i s i o n o n t h e y a x i s r e p r e s e n t s 2 m v f o r A T = 2 5 0 ° C 5 m v f o r A T = 3 0 0 , 3 5 0 ° C . 0 : 3 0 . “ g n a w w r u fl d i § 1 ? . l § f . : . ) | 1 5 3 I : L I R ‘ S O R S § E T T I N G S S H X F T T E X T - O F F M L H F " : S E T T I N G S . 2 + e r F i g u r e 4 2 ( C ) . T h e e x p e r i m e n t a l l y o b t a i n e d t h e r m o c o u p l e v o l t a g e v e r s u s c o o l i n g t i m e f o r t h e T 1 3 2 a t A T = ( a ) 2 0 0 ° C , ( b ) 3 0 0 ° C , ( c ) 4 0 0 ° C , a n d ( d ) 5 0 0 ° C ; e a c h d i v i s i o n o n t h e x a x i s r e p r e s e n t s 2 5 m s e c , e a c h d i v i s i o n o n t h e y a x i s r e p r e s e n t s 2 m v f o r A T = 2 0 0 “ C a n d 5 m v f o r A T = 3 0 0 , 4 0 0 , 5 0 0 ° C . 1 5 4 t r a n s f e r c o e f f i c i e n t s w e r e o b t a i n e d f o r M a c o r , a l u m i n a , a n d T i B 2 ( f i g u r e 4 3 ) . T h e t e m p e r a t u r e d e p e n d e n t f o r m o f t h e s p e c i f i c h e a t f o r t h e t h r e e m a t e r i a l s w a s o b t a i n e d v i a a l e a s t - s q u a r e s b e s t f i t ( t a b l e 1 7 ) o f a v a i l a b l e d a t a [ 1 6 3 - 1 6 5 ] . T a b l e 1 8 l i s t s t h e n u m e r i c a l v a l u e s o f t h e p o l y n o m i a l c o e f f i c i e n t s fi i t h a t w e r e o b t a i n e d f r o m t h e r e g r e s s i o n o f t h e t i m e - t e m p e r a t u r e d a t a ( e q u a t i o n s 2 0 a a n d 2 0 b ) . T h e h v a l u e s o b t a i n e d i n t h i s s t u d y f o r a l u m i n a a r e i n b r o a d a g r e e m e n t w i t h t h e h v a l u e s c a l c u l a t e d f o r a l u m i n a b y B e c h e r a n d c o - w o r k e r s [ 6 4 , 6 5 ] a n d H a s s e l m a n a n d c o - w o r k e r s [ 6 6 ] . F o r t h e c e r a m i c m a t e r i a l s p r e s e n t e d i n t h i s s t u d y , t h e r e s u l t s f o r h a s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r e ( f i g u r e 4 3 ) s h o w t h e s a m e g e n e r a l t r e n d s o b s e r v e d b y h e a t t r a n s f e r r e s e a r c h e r s [ 1 6 6 , 1 6 7 ] f o r t h e t e m p e r a t u r e d e p e n d e n c e o f h i n m e t a l s a n d a l l o y s . * F o r a g i v e n m a t e r i a l , t h e h ( T ) c u r v e s ( f i g u r e 4 3 ) a r e s i m i l a r t o o n e a n o t h e r f o r t h e l o w e r q u e n c h t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e s ( A T f r o m a p p r o x i m a t e l y 2 0 0 ° C t o 3 5 0 ° C ) . A b o v e a b o u t 3 5 0 ° C , t h e h ( T ) c u r v e s c h a n g e a s a f u n c t i o n o f t h e q u e n c h t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e , A T , w h i c h m a y r e f l e c t d i f f e r e n t p h y s i c a l m e c h a n i s m s . A s s h o w n i n t h e s c h e m a t i c p l o t o f l o g h v e r s u s T ( f i g u r e 4 4 ) [ 1 6 6 - 1 6 9 ] a l o c a l m a x i m u m i n h m a y o c c u r n e a r t h e b o u n d a r y o f t h e b o i l i n g n u c l e a t i o n ( r e g i m e N , f i g u r e 4 ) a n d t h e t r a n s i t i o n r e g i o n ( r e g i m e T R , f i g u r e 4 4 ) . * T h e a u t h o r s w e r e u n a b l e t o f i n d d i r e c t m e a s u r e m e n t s o f h a s a f u n c t i o n o f q u e n c h i n g t e m p e r a t u r e f o r c e r a m i c m a t e r i a l s i n t h e l i t e r a t u r e , a l t h o u g h a n u m b e r o f r e s e a r c h e r s m e a s u r e d i t f o r m e t a l s a n d a l l o y s [ 1 6 6 , 1 6 7 ] . 1 5 5 T a b l e 1 7 . T h e s p e c i f i c h e a t , c , a s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r e . 2 3 c p [ J / ( K g ° C ) ] = c 1 + c 2 T + c 8 T + c 4 T ( u n i t o f T = ° C ) M a t e r i a l c 1 c 2 c 3 C o r r e l a t i o n t e s t e d [ J / ( K g ° C ) ] [ J / ( K g ° C 2 ) ] [ J / ( K g ° C 3 ) ] [ J / ( K g ° C 4 ) ] c o e f f i c i e n t M a c o r [ l 6 3 ] 7 0 9 . 3 1 . 9 1 7 - 5 . 2 6 4 x 1 0 ' 3 5 . 6 3 1 x 1 0 ' 6 0 . 9 9 4 A i ; 6 ; i i é £ i m % § i i i . " " " " { 2 . 6 % " " " I i i é é z l é i é z " " " 3 : 6 5 . 5 6 : " " " 6 3 6 5 ' " i i i ' i i é é i m é é é l . " " " " i i é i é " " " 3 1 6 6 9 5 6 3 3 " " " 6 3 6 6 5 6 : " " " 6 3 5 E " T a b l e 1 8 . T h e p o l y n o m i a l s e r i e s f o r m e a s u r e d t e m p e r a t u r e c h a n g e s v e r s u s t i m e . A 2 3 T = 3 1 + 6 2 ( t / A t ) + 6 3 ( t / A t ) + 3 4 ( t / A t ) + 6 5 ( t / A t ) 4 M a t e r i a l A T 6 1 6 2 6 3 5 4 6 5 C o r r e l a t i o n ( ° C ) ( ° C ) ( ° C ) ( ° C ) ( ° C ) ( ° C ) C o e f f i c i e n t _ 4 2 0 0 2 2 8 3 7 3 - 2 1 . 0 7 8 1 1 . 7 0 7 1 0 - 0 . 0 6 4 0 3 2 8 . 7 1 1 0 8 x 1 0 _ 4 0 . 9 9 0 2 8 0 3 0 0 6 7 5 - 2 6 . 3 8 9 0 1 . 6 6 2 0 2 - 0 . 0 5 2 5 1 1 6 . 4 9 6 l 3 x 1 0 _ 3 0 . 9 9 6 M a c o r + 3 5 0 3 8 6 0 6 3 - 4 5 . l 7 1 8 3 . 0 6 9 0 2 - 0 . 0 9 3 0 2 3 1 . 0 2 6 6 3 x 1 0 _ 3 0 . 9 9 7 ( 1 . 2 5 4 0 0 4 4 4 3 6 0 - 4 4 . 9 5 3 0 3 . 5 7 9 2 4 - 0 . 1 5 9 7 5 9 2 . 8 0 3 5 6 x 1 0 _ 3 0 . 9 9 8 m s e c ) 4 5 0 4 9 4 9 8 7 - 3 l . 8 4 8 7 0 . 1 7 4 9 1 0 . 0 5 8 0 2 4 1 . 4 1 3 3 8 x 1 0 _ 5 0 . 9 9 6 5 0 0 5 4 9 3 5 4 - 3 0 . 7 8 9 2 0 . 9 2 0 4 3 0 . 0 0 8 5 2 2 6 . 5 2 5 7 2 x 1 0 0 . 9 9 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . : 4 - - - - - - - - - - - A l u m i n a 2 5 0 2 5 8 5 9 9 ~ 1 8 8 7 6 3 1 . 0 9 4 1 2 - 0 . 0 3 0 9 5 8 3 . 2 3 5 9 3 ) : 1 0 . 4 0 . 9 9 7 ( 2 . 5 3 0 0 3 0 9 3 4 3 - 2 1 9 0 1 7 1 . 3 3 0 4 7 - 0 . 0 3 8 3 2 2 3 . 9 l l l l x 1 0 _ 4 0 . 9 9 4 m s e c ) 3 5 0 3 6 5 7 4 0 - 2 8 3 3 3 8 1 7 6 0 9 9 - 0 . 0 5 2 3 6 4 5 . 5 2 8 9 3 x 1 0 0 . 9 9 4 T 1 1 3 2 + 2 0 0 2 2 3 0 6 9 - 1 0 7 0 3 2 0 . 3 8 9 7 2 6 . 8 8 8 x 1 0 - 4 . 3 6 6 7 1 x 1 0 : 4 0 . 9 9 6 ( 5 . 0 3 0 0 3 1 8 1 3 5 - l 8 . l 7 5 3 0 . 7 6 4 7 7 - 0 . 0 2 1 6 3 3 2 . 9 0 4 0 0 x 1 0 _ 3 0 . 9 9 6 m s e c ) 4 0 0 4 0 4 9 0 9 - 3 0 . l 6 8 5 1 . 7 7 2 4 3 - 0 . 0 6 8 9 3 7 1 . 0 8 1 2 5 x l o . 3 0 . 9 9 9 5 0 0 5 0 5 6 6 0 ~ 3 1 3 8 3 4 1 . 7 5 0 7 8 - 0 . 0 5 5 8 5 9 6 . 4 0 2 6 9 x 1 0 0 . 9 9 8 + T h e t i m e s p e c i f i e d i n p a r e n t h e s i s r e p r e s e n t s t h e t i m e s t e p A t ( e q u a t i o n s 2 0 ~ 2 1 ) . + 0 5 I I I I I 2 2 1 8 4 E E E E E \ : 8 / \ v U V 3 C < + + + + < - ‘ . 1 . d 4 . , _ 4 ‘ d ‘ 0 - - d 0 5 ~ 0 O O 5 4 4 O l o Q n I o A u 2 D D I o 2 o o A g f o I I I I — I I _ l " ‘ " l " " ' l “ " l " " I " ' l “ ! . A A o A D A D A 0 0 l U I 0 0 3 I I 1 U I 0 0 4 A A A T T T I = = = 3 2 2 5 6 0 0 0 0 I 5 I 0 0 A 0 a U ‘ ~ c 4 — s M « . 4 . - . ~ ~ " - ‘ C C c 7 U I I U n c 0 I 0 1 I I I I 0 0 2 1 5 6 T e m p e r a t u r e ( C ) F i g u r e 4 3 . T h e e s t i m a t e d s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t v e r s u s t e m p e r a t u r e c a l c u l a t e d f r o m t h e e x p e r i m e n t a l l y o b t a i n e d t h e r m o c o u p l e v o l t a g e v e r s u s c o o l i n g t i m e f o r a ) M a c o r ( A T - 2 0 0 , 2 8 0 , a n d 3 5 0 ° C ) . 1 5 7 2 E + 0 5 I I I 1 I I ’ “ " l “ " ’ l " “ ‘ l " " ‘ l " " l " " l " ‘ " l ' “ l ‘ I " m l ” l " " l " " " l I “ I " " “ 1 2 E + O S ~ ° ~ . O . . O A L ) ‘ o 1 E + 0 5 ~ A N 8 + 0 g D D D [ b o J ~ 0 0 A A - 4 g a t q ] A A A A . \ / 8 E + 0 4 ~ A 0 ° A A A A - . Q “ 4 p m » 6 A A A A - ‘ 9 A A ~ _ 0 A & A A . 4 E + O 4 — 0 3 4 m ; . — ‘ o A A T = 5 0 0 C “ ‘ . 1 3 A T 4 5 0 c : o “ , . 0 A T = 4 0 0 c I I I I ' I I T I I I I I I I _ I l I O 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 T e m p e r a t u r e ( C ) F i g u r e 4 3 . T h e e s t i m a t e d s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t v e r s u s t e m p e r a t u r e c a l c u l a t e d f r o m t h e e x p e r i m e n t a l l y o b t a i n e d t h e r m o c o u p l e v o l t a g e v e r s u s c o o l i n g t i m e f o r b ) M a c o r ( A T a 4 0 0 , 4 5 0 , a n d 5 0 0 ° C ) . m U A g . \ v E 1 : 7 5 5 4 3 1 2 E E E E E E ' I 3 0 + + + + ' O O O 0 + O 4 4 O 4 4 4 - 4 4 O — — " ~ 4 ~ , . ‘ ‘ J - 0 I 0 0 A A A A T T T _ = — I 2 3 3 5 0 5 0 0 0 c C c I l I A ° ° A Y O ° ° A 0 I I I l — I A A 2 0 A c , O A A T I 0 0 3 I Y I 4 . q . . , “ 4 4 _ _ _ . . - - I 0 0 0 4 D A ° 0 o 0 0 U o 3 4 ° 4 t I 0 2 % 3 A ; % , 0 o O A ° O ° i i U I m 0 o a 0 0 1 . . . ° C A , , " 0 1 5 8 T e m p e r a t u r e ( C ) F i g u r e 4 3 . T h e e s t i m a t e d s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t v e r s u s t e m p e r a t u r e c a l c u l a t e d f r o m t h e e x p e r i m e n t a l l y o b t a i n e d t h e r m o c o u p l e v o l t a g e v e r s u s c o o l i n g t i m e f o r c ) a l u m i n a . 1 5 9 7 E + O 4 I j ' 1 j T T I I U I I 4 0 A T = 2 0 0 c . . J 0 A T = 3 0 0 c 5 5 + 0 4 A A T = 4 0 0 c " 4 o A T = 5 0 0 c A - 5 5 + 0 4 — — A O T o 1 N 4 E + O 4 ~ 0 ° ~ 8 o \ ‘ ° ” E 3 E + O 4 a - a - . 2 E + O 4 — - " ' 1 1 5 4 - 0 4 - 1 - J _ 0 . f ‘ . . , . F . , . o 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 T e m p e r a t u r e ( C ) F i g u r e 4 3 . T h e e s t i m a t e d s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t v e r s u s t e m p e r a t u r e c a l c u l a t e d f r o m t h e e x p e r i m e n t a l l y o b t a i n e d t h e r m o c o u p l e v o l t a g e v e r s u s c o o l i n g t i m e f o r d ) T i B Q . . . _ _ F C _ _ . , _ . N ‘ 1 ‘ T R . t _ _ F _ _ _ 1 6 0 F C = F r e e C o n v e c t i o n B o i l i n g N = N u c l e a t e B o i l i n g T R = T r a n s i t i o n F = F i l m B o i l i n g L o g h T e m p e r a t u r e F i g u r e 4 4 . S c h e m a t i c o f l o g h v e r s u s T e m p e r a t u r e ( a f t e r [ 1 6 9 ] ) . 1 6 1 P h y s i c a l l y , t h e b o i l i n g n u c l e a t i o n r e g i m e i n v o l v e s t h e f o r m a t i o n a n d m o v e m e n t o f b u b b l e s o n t h e s p e c i m e n s u r f a c e [ 6 7 - 6 9 , 1 6 6 - 1 6 9 ] . T h e t r a n s i t i o n r e g i m e i n v o l v e s a n u n s t a b l e f i l m w h i c h , a s t e m p e r a t u r e r i s e s , e v e n t u a l l y s t a b i l i z e s o n t h e s u r f a c e o f t h e h o t s o l i d . T h e m a x i m u m i n h c o r r e s p o n d s t o t h e r a p i d c r e a t i o n o f b u b b l e s a n d t h e i r d e p a r t u r e f r o m t h e h e a t e d s o l i d [ 6 7 - 6 9 , 1 6 6 - 1 6 9 ] . H e a t t r a n s f e r i n t h e b o i l i n g n u c l e a t i o n a n d f i l m f o r m a t i o n s r e g i m e s d e p e n d o n s u c h p a r a m e t e r s a s t h e l a t e n t h e a t o f v a p o r i z a t i o n o f l i q u i d , t h e l i q u i d v i s c o s i t y , t h e s u r f a c e t e n s i o n o f t h e l i q u i d v a p o r i n t e r f a c e , t h e n u m b e r d e n s i t y o f b o i l i n g n u c l e a t i o n s i t e s o n t h e s o l i d ' s s u r f a c e , a n d e m p i r i c a l l y d e t e r m i n e d c o n s t a n t s d e p e n d i n g o n t h e p a r t i c u l a r s o l i d - l i q u i d i n t e r f a c e [ 1 6 8 , 1 6 9 ] . T h e t r a n s i t i o n a m o n g t h e v a r i o u s h e a t t r a n s f e r m e c h a n i s m s i s e m b o d i e d e m p i r i c a l l y i n t h e t e m p e r a t u r e - t i m e d a t a . T h e d e r i v a t i v e ' d T / d t i s a m o n o t o n i c a l l y i n c r e a s i n g f u n c t i o n w h o s e i n i t i a l v a l u e i s a l a r g e n e g a t i v e n u m b e r , a n d t h e f a c t o r l / ( T c o - T ) i s a m o n o t o n i c i n c r e a s i n g f u n c t i o n w h o s e i n i t i a l v a l u e i s a s m a l l n e g a t i v e n u m b e r . T h u s t h e p r o d u c t l / ( T c o - T ) v d T / d t g o e s t h r o u g h a m a x i m u m . T o o b t a i n h ( e q u a t i o n 2 2 ) , o n e m u s t m u l t i p l y l / ( T w - T ) b y t h e p V / A ( w h i c h i s e s s e n t i a l l y t e m p e r a t u r e i n d e p e n d e n t , a s d i s c u s s e d p r e v i o u s l y ) a n d c p ( T ) , w h e r e t h e e x p e r i m e n t a l v a l u e s o f c p ( T ) a r e m o n o t o n i c a l l y i n c r e a s i n g f u n c t i o n s o f T [ 1 6 3 - 1 6 5 ] . T h u s t h e v a l u e s o f h f r o m e q u a t i o n 2 2 d i s p l a y a " w a v i n e s s " a s a f u n c t i o n o f T ( f i g u r e s 4 3 a - 4 3 d ) , a s d o t h e h v e r s u s T p l o t s o b t a i n e d i n t h e l i t e r a t u r e f o r n o n - c e r a m i c m a t e r i a l s [ 6 7 - 6 9 , 1 6 6 - 1 6 9 ] . 3 . 3 . 3 M a x i m u m S u r f a c e T h e r m a l S t r e s s C a l c u l a t i o n o f T i B 2 , A 1 2 0 3 , a n d M a c o r g l a s s - c e r a m i c d u r i n g q u e n c h i n g T h e m a x i m u m s u r f a c e t h e r m a l s t r e s s ( e q u a t i o n s 5 4 a n d 5 5 ) w a s c a l c u l a t e d a p p l y i n g t e m p e r a t u r e d e p e n d e n t m a t e r i a l p r o p e r t i e s , i n c l u d i n g Y o u n g ' s m o d u l u s , t h e r m a l e x p a n s i o n , P o i s s o n ' s r a t i o , a n d t h e r m a l c o n d u c t i v i t y f o r t i t a n i u m d i b o r i d e , a l u m i n a a n d M a c o r g l a s s - c e r a m i c f r o m m e a s u r e d s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t [ 1 7 0 ] . A l l m a t e r i a l p r o p e r t i e s w e r e f i t t o t e m p e r a t u r e f u n c t i o n a l f o r m ( T a b l e 1 9 ) ( f i g u r e 4 5 ) . E a A T a m a x a ( 1 _ u ) . f ( B ) ( 5 4 ) w h e r e , E = Y o u n g ' s m o d u l u s o f t h e s p e c i m e n a = t h e r m a l e x p a n s i o n c o e f f i c i e n t A T = t h e r m a l s h o c k s e v e r i t y v = P o i s s o n ' s r a t i o f ( B ) = a f u n c t i o n o f t h e s p e c i m e n ' s B i o t m o d u l u s , w h e r e [ 5 9 ] f ( B ) - ( 1 . 5 + 3 . 2 5 / 3 ) . 1 w h e n O < B < 5 ( 5 5 a ) f ( B ) = ( 1 . 0 + 3 . 2 5 / B 2 / 3 ) . 1 w h e n 5 < B < 2 0 ( 5 5 b ) _ 1 6 / B _ 1 * f ( B ) - ( 1 . 5 + 3 . 2 5 / B - 0 . 5 e ) w h e n O < B < 2 0 . ( 5 5 c ) * E q u a t i o n 5 5 c m a y b e i n e r r o r b y n o m o r e t h a n 5 p e r c e n t e v e n f o r a B v a l u e a s l a r g e a s 2 0 0 [ 6 0 ] . 1 6 2 1 6 3 T a b l e 1 9 . M a t e r i a l p r o p e r t i e s a s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r e , T ( ° C ) . M a t e r i a l P r o p e r t y F u n c t i o n a l f o r m C o r r e l a t i o n - C o e f f i c i e n t 2 1 1 7 E ( N / m ) 4 . 9 6 7 x 1 0 - 3 . 8 4 4 x 1 0 T - 6 - 8 - 1 2 2 a ( l / ° C ) 4 . 1 0 1 x 1 0 + 1 0 1 3 x 1 0 T - 5 . 4 1 4 x 1 0 T T i B 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . _ _ 5 [ 1 6 5 ] u 0 . 0 0 9 8 7 + 1 . 1 3 7 5 x l O T , 4 _ 6 2 - k ( W / m ° C ) 3 2 . 1 8 8 - 8 . 2 7 3 x 1 0 T + 6 . 5 0 6 x 1 0 T - 8 7 8 3 x 1 0 T 2 1 1 7 E ( N / m ) 3 . 3 5 5 x 1 0 - 2 . 7 x 1 0 T - 6 _ 8 _ 1 1 2 a ( 1 / ° C ) 6 . 0 5 0 x 1 0 + 1 . 9 x 1 0 T - 1 . 9 x 1 0 T A 1 2 0 3 " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " [ 1 6 4 ] u 0 . 2 3 3 - 1 . 4 9 x 1 0 ’ T _ - 2 k ( W / m ° C ) 2 0 . 5 - 3 . 1 9 x 1 0 T + 1 . 9 x l O T 1 7 4 2 3 E ( N / m ) 6 . 5 6 9 x 1 0 - 1 . 3 1 8 x 1 0 T + 5 . 1 5 2 x 1 0 T - 7 8 6 2 8 T - 6 _ 8 a ( 1 / ° C ) 7 . 0 4 1 x 1 0 + 1 . 1 2 6 S x 1 0 T M a c o r - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 5 - 7 2 _ 9 3 [ 1 6 3 ] u 0 . 2 7 1 4 - 1 8 8 1 x 1 0 T + 5 . 3 0 8 x 1 0 T - 9 . 4 4 3 x 1 0 T - 5 , 8 2 _ 1 o 3 k ( W / m ° C ) 1 . 2 8 8 4 + 2 . 4 2 0 x 1 0 T + 5 . 8 5 3 x 1 0 T + 8 9 6 5 x 1 0 T ) 1 — C ( ) 6 — 0 1 x ( . f f e o C n o i s n a p x E l a m r e h T l U , L L 1 6 4 6 0 6 E + 1 0 T T I I r " F j r I 1 * T I I i : - - - = 8 . 5 8 9 2 x 1 0 1 0 - — 1 . 3 1 7 8 x 1 o ' 7 T + 5 1 5 1 5 . 8 ' 7 T 2 A i o — 7 8 . 6 2 8 T 3 6 \ E 6 5 E + 1 0 4 \ \ o s \ \ \ z I ) \ ‘ U ‘ \ " ‘ v \ \ g 6 . 4 E + 1 0 - ] ° \ \ ~ — 4 \ O = 1 4 \ . ' 8 \ 2 6 . 3 E + 1 0 ' — 4 \ - 1 2 ’ 0 + \ . ‘ 3 \ o g 6 . 2 E + 1 0 - 1 - 4 > . 1 4 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 T e m p e r a t u r e ( C ) F i g u r e 4 5 ( a ) . Y o u n g ' s m o d u l u s o f M a c o r g l a s s - c e r a m i c a s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r e . 2 0 . . J J ' 1 ' I ' 1 ' i ] a = 7 . 0 4 0 8 5 x 1 0 - 6 + 1 . 1 2 6 5 x 1 0 - 8 T E S L \ J _ _ . . L _ J _ _ L - . . . . L _ . _ . L . . _ L . . _ L _ _ L _ _ _ l _ J . . _ J . . _ _ _ _ L - . I _ . | _ . i a \ _ L O 1 \ J _ 1 1 ' I Y ' T ‘ T ’ r r r - 2 0 0 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 _ A O 0 0 T e m p e r a t u r e ( C ) F i g u r e 4 5 ( b ) . T h e r m a l e x p a n s i o n c o e f f i c i e n t o f M a c o r g l a s s - c e r a m i c a s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r e . 1 6 5 0 0 3 0 T — ] I 1 Y I Y T 7 I r ' T u = o . 2 7 1 4 — 1 . 8 8 1 x 1 0 - ‘ ~ 5 T + 5 . 3 0 7 8 x 1 0 " ' 7 T 2 4 — 9 . 4 4 2 5 x 1 0 _ 1 0 T 3 ] 0 . 2 9 8 0 _ O 3 c u . ° . o r . U ) h 0 . 2 8 4 1 0 8 ‘ 3 0 . 2 7 4 o ] ] C L Z G ’ ‘ * r T ’ I ’ T I ” ’ r r T T ” T ‘ 4 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 T e m p e r a t u r e ( C ) F i g u r e 4 5 ( c ) . P o i s s o n ' s r a t i o o f M a c o r g l a s s - c e r a m i c a s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r e . A 2 . 0 f T I T T f j I I r I 1 ’ ‘ l o k = 1 . 2 8 8 3 9 1 + 2 . 4 2 0 3 4 x 1 0 - 5 T E + 5 . 8 5 2 9 x 1 0 - 3 T 2 + 8 . 9 8 4 9 x 1 o — 1 0 T 3 ‘ E : 1 . 8 4 a : > . J ‘ “ i ' > 1 . 6 ~ — : 3 O 1 - 3 c : 1 . 4 1 J . o o I U 4 P U 1 ' 8 1 . 2 — E “ E 0 4 : 5 l 1 . 0 T Y Y r T I f I ‘ U U 1 r I I T 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 T e m p e r a t u r e ( C ) F i g u r e 4 5 ( d ) . T h e r m a l c o n d u c t i v i t y o f M a c o r g l a s s - c e r a m i c a s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r e . 1 6 6 F i g u r e s 4 6 ( a ) - ( c ) s h o w t h e m a x i m u m s u r f a c e t h e r m a l s t r e s s d e v e l o p e d d u r i n g q u e n c h i n g f o r T i B 2 w i t h 1 . 6 m m t h i c k n e s s , A 1 2 0 3 w i t h 1 m m t h i c k n e s s , a n d M a c o r g l a s s - c e r a m i c w i t h 1 . 7 8 5 m m t h i c k n e s s a s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r e . A f a t i g u e - l i k e p o w e r l a w r e l a t i o n s h i p ( e q u a t i o n 5 6 ) c a n b e w r i t t e n i n t e r m s o f t h e t h e r m a l s t r e s s , s u c h t h a t = m a x q A / E o C ( 0 t h / a f ) ( 5 6 ) w h e r e 0 2 2 x = m a x i m u m v a l u e o f m a x i m u m s u r f a c e t h e r m a l s t r e s s a t a g i v e n A T ( f i g u r e s 4 6 ( a ) - ( c ) ) o f = f r a c t u r e s t r e n g t h o f m a t e r i a l C , q = t h e r m a l f a t i g u e p a r a m e t e r s F r a c t u r e s t r e n g t h v a l u e s o f 3 0 8 M P a f o r T i B 2 [ 1 7 1 ] , 3 5 0 M P a f o r a l u m i n a , a n d 1 0 0 M P a f o r M a c o r g l a s s - c e r a m i c [ 1 7 2 ] w e r e u s e d i n t h e a n a l y s i s . F o r t h e p l o t o f l n ( A / E o ) v e r s u s l n ( a : : x / a f ) , t h e l i n e a r r e g r e s s i o n v a l u e s o f t h e s l o p e q a n d i n t e r c e p t l n ( a : : x / a f ) a r e g i v e n i n t a b l e 2 0 ( f i g u r e 4 7 ) . T h u s n o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s s a t u r a t i o n c o n s t a n t s , A / E o , w e r e c a l c u l a t e d a s 0 . 0 2 1 4 f o r T i B 2 , 0 . 0 0 8 5 f o r a l u m i n a , a n d 0 . 0 0 2 6 f o r M a c o r g l a s s - c e r a m i c f r o m t h e v a l u e s o f i n t e r c e p t s f o r t h r e e m a t e r i a l s c o n s i d e r e d , w h i c h m e a n s t h a t 2 . 1 h p e r c e n t d e c r e a s e f o r T i B Q , 0 . 8 5 p e r c e n t d e c r e a s e f o r a l u m i n a , a n d 0 . 2 6 p e r c e n t d e c r e a s e f o r M a c o r g l a s s - c e r a m i c i n Y o u n g ' s m o d u l u s w h e n t h e m a t e r i a l s r e a c h e d a s a t u r a t i o n d a m a g e l e v e l u n d e r m a x i m u m s u r f a c e t h e r m a l s t r e s s e s o f f r a c t u r e s t r e s s e s . 1 6 7 T a b l e 2 0 . L i n e a r r e g r e s s i o n r e s u l t s o f l n ( A / E o ) v e r s u s l n ( a : : x / a f ) ( e q u a t i o n 5 6 ) . M a t e r i a l q i n t e r c e p t c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t T 1 B 2 2 7 0 + 0 6 5 - 3 . 8 5 i 0 3 5 O 9 2 3 A 1 2 0 3 6 3 6 i 1 . 2 7 - 4 7 6 i 0 2 5 0 9 4 5 1 6 8 0 A T = 2 0 0 C * : 1 A T = 3 0 0 c ‘ A 5 0 0 ‘ A A T = 4 0 0 C o _ ] 5 ' : 0 A T = 5 0 0 c . o . 2 A V 4 0 0 — — m 0 m a : A d Q ) 6 . . ‘ 3 3 0 0 — A o a m A o — — t ' 1 A D 0 ' 4 ( U A D 0 5 2 0 0 + . 8 . o _ . s . . . 4 8 ‘ " . ° g d P 0 ° 0 0 . 1 E - 1 0 0 8 o o ° ° ° ° ° ° J O ' r ' I T I ' l ' I T 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 T e m p e r a t u r e ( C ) F i g u r e 4 6 ( a ) . M a x i m u m s u r f a c e t e n s i l e s t r e s s c a l c u l a t e d f r o m m e a s u r e d s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t a n d t e m p e r a t u r e d e p e n d e n t p a r a m e t e r s , E ( T ) , a ( T ) , v ( T ) a n d k ( T ) f o r T i B 2 s p e c i m e n . 1 6 9 5 0 0 fi — I r 1 I i f r I V 0 A T - 2 0 0 C * a A r - z m s c ‘ A A ‘ 1 ' I - 3 6 0 C g 4 0 0 4 - v " ‘ . 4 V I 3 3 0 0 . . , A L . a t ) A V ) l n ' 7 3 2 0 0 - o 0 A E " n u . d o I : 9 . 1 0 0 4 / - " . . C 1 I 1 I I I I I T I f O 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 T e m p e r a t u r e ( C ) 5 0 0 . , . , . j s , A , e 0 A T - 8 0 0 c , T v A ? - 4 6 0 C 0 T A 0 A T - 6 0 0 C ' ° « 5 4 o o ~ w e - 9 - v 2 ‘ ] V ' 0 3 3 0 0 - ° ‘ a a ) ' 0 L o 0 . ' 2 ‘ o ( I ) : 0 ' 3 2 0 0 — “ . . e , 9 a j s o ‘ 5 ' ' 5 1 0 0 4 H - G I I . r T f I r I I I ' O 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 T e m p e r a t u r e ( C ) F i g u r e 4 6 ( b ) . M a x i m u m s u r f a c e t e n s i l e s t r e s s c a l c u l a t e d f r o m m e a s u r e d s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t a n d t e m p e r a t u r e d e p e n d e n t p a r a m e t e r s , E ( T ) , a ( T ) , u ( T ) a n d k ( T ) f o r M a c o r s p e c i m e n . A v 0 2 3 V . ' E u : ¢ c w 3 d : * ) - 2 " 5 4 Z 0 O 0 0 “ - - . I 0 O 0 — 8 h F i g u r e 4 6 ( c ) . 1 . ~ ‘ . 4 ‘ J ‘ . 0 . M s d a ‘ w fi 7 T I I I I T ' j 0 0 A j T T T A A A f 2 3 3 f 0 0 0 5 0 5 = = = C C c A I I U a r I - _ _ T l . 4 . 0 q 4 d I 4 4 0 c n o A n A ° . . A 4 . 0 A n A A I I r 0 0 T 0 0 3 0 0 0 O J c D D f 2 0 fl 7 j T 0 0 1 a u e l x r p u i f e m m a n i u c d n e m e a n h t s s e u p a r p e t f a c a r i t c a m r e m e t n t . a e n e s n f s e i r e r s , l e c E s e T t f ) o ( a , - l I p d r f e i s c a s i ( c n ) a t , e T c a v u n ( l d T a ) t t e e a d m n u r e d f e r r k o a ( m t T u ) m r e e f a o s r 1 7 0 T e m p e r a t u r e ( C ) > . E / I A < n 1 F i g u r e 4 7 . L A o / g E a o r i v t e h r m s u f o s t o h g e a l a n i r o t r h m m z l o i f e t d h e s a n t o u r r m a a t l i i o z n e d d a t m h a e g r e m a p l a r s a t m r e e t s e s r . 1 7 1 0 r T I 1 I T I I 1 r I I I I I j r I ‘ I d O A l u m i n a . ] u M a c o r . j A T u g . . _ 2 _ - ) \ ,. a p ; I I I I I I I I I I I I I I I I I /I//l////l///II//I///////LHfl/[Ll[[///Lfl/fiflsfl/[ll/llfi I I I I I I I I I I I I I I I ? ' L c U h n I i i B g v R a e A n r s R S i Y t t M i t e a v P T L O C A A D V A E O I I N D R F H I U E N R S T E D U N r E B e t u X O r n o t n o o D e u c e k . e r e r r A o f e e b m T v o E t h d D i a s t c e U h d E o u t f r o m y o u r r e c D A T E D o U r d . E M S U I s A n A f f i r m a t i v e A c t i o n / E q u a l O p p o r t u n \ i t y I n s t i t u t i o n e S 0 5 — é j é 3 . 3 . 4 A c o m p a r i s o n o f s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r a m o n g T i B Q , A 1 2 0 3 , a n d M a c o r g l a s s - c e r a m i c i n d u c e d b y t h e r m a l s t r e s s C o n s i d e r a h o m o g e n e o u s f l a t p l a t e w i t h a n e d g e c r a c k i n i t i a l l y a t u n i f o r m t e m p e r a t u r e , T o . I f t h e p l a t e i s s u d d e n l y q u e n c h e d i n t o a m e d i u m a t a l o w e r t e m p e r a t u r e , T c o ( f i g u r e 4 8 ) , t h e n t h e t r a n s i e n t t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n a l o n g t h e t h i c k n e s s d i r e c t i o n o f t h e p l a t e m a y b e o b t a i n e d u s i n g t h e i n i t i a l b o u n d a r y c o n d i t i o n s , T = T 0 a t t = 0 ( 5 7 a ) 6 T / 6 x = - h a ( T - T m ) / k o n x = L ( 5 7 b ) 8 T / 6 x = h a ( T - T m ) / k o n x = O ( 5 7 c ) w h e r e h a = s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t k = t h e r m a l c o n d u c t i v i t y o f t h e p l a t e L = t h i c k n e s s o f t h e p l a t e ( f i g u r e 4 8 ) T h e t h e r m a l s t r e s s i n t h e q u e n c h e d f l a t p l a t e m a y b e c a l c u l a t e d f r o m t r a n s i e n t t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n b y a p p l y i n g b o u n d a r y c o n d i t i o n s o n t h e f l a t p l a t e a n d t h e c r a c k s u r f a c e ( f i g u r e 4 8 ) , o n x = 0 , L ( 5 8 a ) = O f o r b < x s L o n y = 0 ( 5 8 b ) N o d a e t a l . [ 1 7 3 ] f o r m u l a t e d t h e n o n d i m e n s i o n a l m a x i m u m t r a n s i e n t s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r a s a f u n c t i o n o f t h e B i o t m o d u l u s , h a L / k a n d 1 7 3 F i g u r e 4 8 . C r a c k e d f l a t p l a t e i n i t i a l l y a t t e m p e r a t u r e T o c o o l e d b y a m b i e n t t e m p e r a t u r e T c o a t x = O , x = L ( a f t e r [ 1 7 3 ] ) . 1 7 4 t h e n o n d i m e n s i o n a l c r a c k l e n g t h , a / L v i a f i t t i n g o f n u m e r i c a l r e s u l t s [ 1 7 3 ] , w h e r e L r e p r e s e n t s t h e p l a t e t h i c k n e s s . E ( T T ) 1 / 2 3 0 4 3 ' 6 7 a 0 ' a - e 3 7 , 1 5 ' 1 0 0 0 0 a + 0 . 7 6 e ' 7 - 0 . 2 1 e ( 7 ) / E K I m a x = ( l - v ) B w h e r e , B - B i o t m o d u l u s ( - = h L / k ) 7 = n o n d i m e n s i o n a l c r a c k l e n g t h ( = a / L ) a = t h e r m a l e x p a n s i o n c o e f f i c i e n t E = Y o u n g ' s m o d u l u s a - c r a c k l e n g t h T o - t e m p e r a t u r e o f s p e c i m e n b e f o r e q u e n c h i n g T - t e m p e r a t u r e o f q u e n c h i n g m e d i u m u = P o i s s o n ' s r a t i o . I n t h e p r e s e n t s t u d y B i o t m o d u l i f o r T i B z , a l u m i n a , a n d M a c o r g l a s s - c e r a m i c w e r e c a l c u l a t e d f r o m m e a s u r e d m a x i m u m s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t , h [ 1 7 0 ] a t a g i v e n A T , s p e c i m e n d i m e n s i o n , a n d t h e r m a l c o n d u c t i v i t y a t t h e t e m p e r a t u r e o f s p e c i m e n b e f o r e q u e n c h i n g , T o f o r a g i v e n A T . T h e m a x i m u m s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r , K I m a x ’ w e r e c a l c u l a t e d c o n s i d e r i n g t e m p e r a t u r e d e p e n d e n t m a t e r i a l p r o p e r t i e s a t T 0 f o r a g i v e n A T , s u c h a s E , a a n d u ( e q u a t i o n 5 9 ) . K f o r T i B z , a l u m i n a , a n d M a c o r g l a s s - c e r a m i c i n c r e a s e d I m a x r a p i d l y f r o m z e r o , r e a c h e d a p e a k v a l u e , a n d d e c r e a s e d a s 1 7 5 n o n d i m e n s i o n a l c r a c k l e n g t h i n c r e a s e d ( f i g u r e s 4 9 ( a ) - ( c ) ) . P r e - e x i s t i n g c r a c k s o n t h e s p e c i m e n s u r f a c e c a n p r o p a g a t e w h e n t h e s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r a t t h e c r a c k t i p i n d u c e d b y q u e n c h i n g e x c e e d s m a t e r i a l ’ s f r a c t u r e t o u g h n e s s ( c r i t i c a l s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r ) . T h e c r a c k p r o p a g a t e s u n t i l t h e s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r a t t h e c r a c k t i p i s l e s s t h a n a c e r t a i n s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r , w h i c h i s n o t n e c e s s a r y t o b e c r i t i c a l s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r . V e r y s h a l l o w e d g e c r a c k s d o n o t p r o p a g a t e d u e t o l o w s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r b u t d e e p e r e d g e c r a c k s w i t h K I > K I c w i l l p r o p a g a t e ( f i g u r e s 4 9 ( a ) — ( c ) ) . F o r e x a m p l e , f o r M a c o r m a c h i n a b l e g l a s s c e r a m i c ( C o r n i n g c o d e 9 6 5 8 ) w i t h s t r e n g t h o f 1 0 0 M P a [ 1 7 2 ] a n d t o u g h n e s s o f 1 . 7 M P a - m l / 2 [ 1 5 2 ] a c r i t i c a l f l a w s i z e , a m a x ’ o f 7 4 . 5 u m m a y b e c a l c u l a t e d f r o m 2 a = { K I C / ( Y o f ) } ( 6 0 ) w h e r e K = c r i t i c a l s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r ( f r a c t u r e t o u g h n e s s ) Y = g e o m e t r y f a c t o r o f c r a c k w h i c h i s 1 . 9 7 f o r a n e d g e c r a c k l o a d e d i n f o u r p o i n t l o a d i n g c o n f i g u r a t i o n [ 1 7 4 ] a = f r a c t u r e s t r e n g t h E q u a t i o n 6 0 a s s u m e s t h e s p e c i m e n i s l o a d e d i n u n i f o r m s t r e s s f i e l d . F o r M a c o r s p e c i m e n w i t h A T o f 2 0 0 ° C , s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r d i d n o t r e a c h t h e c r i t i c a l s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r o f M a c o r 1 . 7 M P a m l / 2 u p t o t h e m a x i m u m s t r e n g t h c o n t r o l l i n g f l a w s i z e 7 4 . 5 p m , w h i c h i s ' n o n d i m e n s i o n a l c r a c k l e n g t h o f 0 . 0 4 1 7 ) ( f i g u r e 4 9 ( b ) ) . T h e s u r f a c e ) m m a P ( r o t c a f y t i s n e t n i s s e r t S 1 7 6 6 5 . 0 6 - A T = 5 0 0 - c N o n d i m e n s i o n a l c r a c k l e n g t h F i g u r e 4 9 ( a ) . C a l c u l a t e d s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r a s a f u n c t i o n o f n o n d i m e n s i o n a l c r a c k l e n g t h f o r ( a ) T i B z . ) ' V m a P ( r o t c a f y t i s n e t n i s s e r t S F i g u r e 4 9 ( b ) . C n a o l n c d u i l m a e t n e s d i o s n t a r l e s c s r i c n k a t e l n e s n i g t t y h f f a o c r t o ( r b ) a s M a c o a f r . u n c t i o n o f 1 7 7 t h i c k n e s s = 1 . 7 8 5 m m ' 0 3 0 . 4 0 l T I V f r j I W 0 . 0 0 . 1 I 0 3 2 7 N o n d i m e n s i o n a l c r a c k l e n g t h ) m m a P ( r o t c a f y t i s n e t n i s s e r t S 1 7 8 8 E + 0 6 I I I 1 r T j I I l fi ' T 1 I I T T I I I I I I I l I 1 I I A T = 3 5 0 ' C : t h i c k n e s s - 1 . 0 m m ‘ I I I I 0 . 0 0 0 . 6 5 0 . ' 1 0 0 ' 1 5 o . ' 2 0 0 . 2 5 0 . 5 0 N o n d i m e n s i o n a l c r a c k l e n g t h ‘ F i g u r e 4 9 ( c ) . C a l c u l a t e d s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r a s a f u n c t i o n o f n o n d i m e n s i o n a l c r a c k l e n g t h f o r ( c ) a l u m i n a . r — M _ , £ _ ” a " 7 1 7 9 c r a c k s i n t h e s p e c i m e n s h o u l d n o t p r o p a g a t e a n d t h u s t h e Y o u n g ' s m o d u l u s o f t h e s p e c i m e n w o u l d n o t b e r e d u c e d , w h i c h w a s e x p e r i m e n t a l l y v e r i f i e d [ 2 3 ] . T h e c a l c u l a t e d s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r h a d h i g h e r v a l u e t h a n t h e c r i t i c a l s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r o f M a c o r , 1 . 7 M P a m l / 2 f o r c r a c k l e n g t h b e t w e e n a p p r o x i m a t e l y 2 4 p m ( n o n d i m e n s i o n a l c r a c k l e n g t h o f 0 . 0 1 3 4 ) a n d m a x i m a l f l a w s i z e , 7 4 . 5 p m ( n o n d i m e n s i o n a l c r a c k l e n g t h o f 0 . 0 4 1 7 ) f o r M a c o r s p e c i m e n w i t h A T o f 2 8 0 ° C ( f i g u r e 4 9 ( b ) ) . T h u s t h e c r a c k s w h i c h h a v e l e n g t h b e t w e e n a p p r o x i m a t e l y 2 4 p m a n d m a x i m a l f l a w s i z e p r o p a g a t e . F r o m f i g u r e 4 9 ( b ) t h e r a n g e o f c r a c k l e n g t h t h a t m a y h a v e h i g h e r s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r t h a n K I C i n c r e a s e s a s A T i n c r e a s e s . T h u s s t a t i s t i c a l l y m o r e c r a c k s m a y i n v o l v e t o p r o p a g a t e f o r l a r g e r A T s p e c i m e n s . A l s o t h e c r a c k s m a y p r o p a g a t e l o n g e r d i s t a n c e b e f o r e t h e y s t o p f o r l a r g e r A T s p e c i m e n s . E f f e c t i v e Y o u n g ’ s m o d u l u s o f s p e c i m e n h a v i n g h o m o g e n e o u s l y d i s t r i b u t e d m i c r o c r a c k s , E , w a s d e s c r i b e d i n t e r m s o f c r a c k s i z e a n d g e o m e t r y [ 7 6 , 7 8 , 9 7 ] , E = E 0 { 1 - f ( v ° ) 6 } ( 6 1 ) w h e r e E 0 = Y o u n g ' s m o d u l u s o f c r a c k - f r e e s p e c i m e n f ( u o ) = a f u n c t i o n o f u n d a m a g e d P o i s s o n ' s r a t i o , v 0 6 = c r a c k d a m a g e p a r a m e t e r , 2 N < A 2 > / ( « < P > ) , w h e r e < A > i s m e a n c r a c k a r e a , < P > i s m e a n c r a c k p e r i m e t e r , N i s v o l u m e n u m b e r d e n s i t y o f c r a c k s . 1 8 0 W e s e t t h e s e m i e m p i r i c a l e q u a t i o n f o r t h e r m a l f a t i g u e ( e q u a t i o n 3 4 ) a n d t h e e f f e c t i v e Y o u n g ’ s m o d u l u s e q u a t i o n ( e q u a t i o n 6 1 ) b e e q u a l u n d e r t h e a s s u m p t i o n t h a t t h e m o d u l u s d e c r e a s e i n t h e r m a l f a t i g u e i s a t t r i b u t e d t o t h e r m o m e c h a n i c a l s t r e s s i n d u c e d m i c r o c r a c k i n g . F o r a l a r g e n u m b e r o f c u m u l a t i v e t h e r m a l s h o c k c y c l e s n , t h e n o r m a l i z e d s a t u r a t i o n p a r a m e t e r A / E o a t a g i v e n A T ( f i g u r e 2 5 ) i s l i n e a r l y r e l a t e d t o c r a c k d a m a g e p a r a m e t e r 5 E D - A { l - e x p ( - a n ) } = E o { 1 - f ( u o ) e ) A / E 0 - f ( v ° ) e , ( 6 2 ) W h e n t h e r m a l s t r e s s i n d u c e d c r a c k s h a p e i s a s s u m e d a s a p e n n y , t h e n t h e c r a c k d a m a g e p a r a m e t e r 6 i n c r e a s e s a s c r a c k r a d i u s i n c r e a s e s . T h u s t h e n o r m a l i z e d s a t u r a t i o n p a r a m e t e r A / E o i n c r e a s e s a s A T i n c r e a s e s . A l s o p r o p a g a t i n g c r a c k s m a y s t o p b e f o r e t h e s t r e s s t r a n s i t i o n p o i n t f r o m t e n s i o n t o c o m p r e s s i o n a s c r a c k s p r o g r e s s e d f r o m t h e s u r f a c e t o t h e m i d d l e ( f i g u r e s 1 a n d 4 8 ) . T h e Y o u n g ' s m o d u l u s o f t h e r m a l l y s h o c k e d M a c o r s p e c i m e n m a y s h o w a s t e a d y s t a t e v a l u e a f t e r a s u f f i c i e n t n u m b e r o f t h e r m a l s h o c k c y c l e s a t a g i v e n A T . F o r a l u m i n a s p e c i m e n s , m a x i m a l s t r e n g t h c o n t r o l l i n g f l a w i s o b t a i n e d a s 1 5 . 9 p m ( e q u a t i o n 8 ) f r o m g e o m e t r y f a c t o r o f 1 . 9 7 [ 1 7 4 ] , f r a c t u r e t o u g h n e s s o f 2 . 7 5 M P a m l / z , a n d s t r e n g t h o f 3 5 0 M P a ( T a b l e 2 1 ) . E v e n a t m a x i m a l s t r e n g t h c o n t r o l l i n g f l a w f o r A T = 2 5 0 , 3 0 0 ° C , 1 8 1 T a b l e 2 1 . T h e v a l u e s o f f r a c t u r e t o u g h n e s s a n d s t r e n g t h f o r T i B 2 , A 1 2 0 3 a n d M a c o r . M a t e r i a l F r a c t u r e 1 / 2 S t r e n g t h ( M P a ) t o u g h n e s s ( M P a - m ) T i B 2 [ 1 7 5 ] 5 . 7 5 ( i n d e n t a t i o n ) 4 2 5 ( 4 p o i n t b e n d i n g ) ( 4 . 5 p m g r a i n s i z e ) T i B 2 [ 1 7 5 ] 3 . 7 ( i n d e n t a t i o n ) 1 0 5 ( 4 p o i n t b e n d i n g ) ( 4 0 p m g r a i n s i z e ) T i B 2 [ 1 7 6 ] N A 4 2 9 + + T i 8 2 [ 1 7 1 ] N A ? “ 3 0 8 ( a p o i n t b e n d i n g ) ( 1 5 p m g r a i n s i z e ) A 1 2 0 3 * 2 7 5 + ( I n d e n t a t i o n ) 3 5 0 + ( 4 p o i n t b e n d i n g ) M a c o r [ 1 5 2 , 1 7 2 ] * 1 . 7 + ( D o u b l e T o r s i o n ) 1 0 0 ( 4 p o i n t b e n d i n g ) 2 . 0 ( I n d e n t a t i o n ) N . A . = N o t A v a i l a b l e . * M a t e r i a l s c o m p a r e d i n t h i s s t u d y . + M e a s u r e d b y a u t h o r s . + + T e s t m e t h o d n o t s p e c i f i e d . 1 8 2 f i g u r e 4 9 ( c ) s h o w s t h a t t h e s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r d o n o t e x c e e d t h e f r a c t u r e t o u g h n e s s o f a l u m i n a , 2 . 7 5 M P a m l / z . B u t t h e p r e v i o u s t h e r m a l f a t i g u e s t u d y [ 2 5 ] s h o w e d a d e c r e a s e i n Y o u n g ' s m o d u l u s o f a l u m i n a a t A T - 2 5 0 ° C . S i n c e t h e s t r e n g t h w a s d e t e r m i n e d u s i n g f o u r p o i n t b e n d i n g f i x t u r e , t h e m a x i m a l s t r e n g t h c o n t r o l l i n g f l a w s i z e w a s c a l c u l a t e d t o b e 4 7 . 2 t o 3 2 0 . 0 p m f r o m t h e g e o m e t r y f a c t o r o f 1 . 9 7 s h o w n i n r e f e r e n c e [ 1 7 4 ] a s s u m i n g p u r e b e n d i n g c a s e ( T a b l e 2 1 ) . F o r A T = 4 0 0 a n d 5 0 0 ° C , t h e c a l c u l a t e d s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r f o r T i B 2 s p e c i m e n s e x c e e d K ( f i g u r e 4 9 ( a ) ) . T o 3 . 4 . E f f e c t s o f S u r f a c e A b r a s i o n o n t h e T h e r m a l F a t i g u e o f C e r a m i c s 3 . 4 . 1 T h e r m a l s h o c k e x p e r i m e n t s o n a b r a d e d a n d u n a b r a d e d s p e c i m e n s P r i o r t o t h e r m a l s h o c k t e s t i n g , t h e Y o u n g ’ s m o d u l u s o f a l u m i n a a n d M a c o r s p e c i m e n s w e r e m e a s u r e d b e f o r e a n d a f t e r a b r a s i o n w i t h 2 4 0 S i C g r i t ( T a b l e 6 ) . F o r t h e a b r a d e d a n d u n a b r a d e d s p e c i m e n s o f b o t h t h e p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a a n d t h e m a c h i n a b l e g l a s s - c e r a m i c , t h e Y o u n g ’ s m o d u l u s , E , d e c r e a s e d m o n o t o n i c a l l y w i t h n , t h e c u m u l a t i v e n u m b e r o f t h e r m a l c y c l e s ( F i g u r e 5 0 ) , s u c h t h a t [ 2 2 - 2 5 ] 1 8 3 I I I I I I I I I l I I I I l I I I m i : 3 1 0 0 1 L _ fl ‘ \ 5 0 “ - 0 . 2 1 4 “ . . ' o o u r s . 9 . - o . D . , ~ U ) \ ‘ _ _ . 1 o n \ u a . c : \ _ d 0 \ o 1 \ - « > « . ~ 9 \ \ § , ' 3 0 . 9 4 ~ . . . . _ _ ° _ N d . . : 3 i - E 0 , 9 2 3 o 2 4 0 g r i t S i c a b r a d e d i i s e e r _ ‘ 5 - . ~ A U n a b r a d e d M a c o r 4 2 ° - o 2 4 0 g r i t S i c a b r a d e d e i u m i n e - 0 9 0 1 O U n a b r a d e d a l u m i n a ‘ C I I I I r ‘ f f I I I I I I I I I I I I 0 1 0 2 0 3 0 4 0 N u m b e r o f t h e r m a l s h o c k c y c l e s F i g u r e 5 0 . E f f e c t o f a b r a s i o n o n t h e n o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s v e r s u s t h e n u m b e r o f c u m u l a t i v e t h e r m a l s h o c k c y c l e s f o r M a c o r a n d a l u m i n a . A l l t h e r m a l s h o c k i n g f o r e a c h s p e c i m e n w a s d o n e f r o m 2 7 0 ° C i n t o a r o o m t e m p e r a t u r e d e i o n i z e d w a t e r b a t h . > - 1 8 4 E ( n ) = E ° - A { 1 - e x p ( - a n ) } ( 3 4 ) w h e r e E ( n ) = Y o u n g ' s m o d u l u s a s a f u n c t i o n o f n , t h e c u m u l a t i v e n u m b e r o f t h e r m a l s h o c k c y c l e s E = Y o u n g ' s m o d u l u s o f u n s h o c k e d s p e c i m e n 0 d a m a g e s a t u r a t i o n c o n s t a n t a = r a t e o f m o d u l u s d e c r e m e n t . P a r a m e t e r s A a n d a ( T a b l e 2 2 ) w e r e c a l c u l a t e d v i a n o n - l i n e a r r e g r e s s i o n o n t h e E ( n ) d a t a f o r b o t h t h e u n a b r a d e d a n d t h e a b r a d e d s p e c i m e n s . P a r a m e t e r A m e a s u r e s t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n E O a n d E ( n ) f o r a l a r g e n u m b e r o f c u m u l a t i v e t h e r m a l s h o c k c y c l e s , n ( e q u a t i o n 3 4 a n d F i g u r e 5 0 ) . T h e c o n s t a n t a m e a s u r e s t h e r a t e o f d e c r e a s e i n Y o u n g ' s m o d u l u s . A l l s p e c i m e n s w e r e q u e n c h e d r e p e a t e d l y f r o m 2 7 0 ° C i n t o a r o o m t e m p e r a t u r e w a t e r b a t h . T h e a l u m i n a s p e c i m e n s w e r e s u b j e c t e d t o a t o t a l o f 2 0 q u e n c h e s ( t h e r m a l s h o c k s ) a n d t h e M a c o r s p e c i m e n s e x p e r i e n c e d a t o t a l o f 4 0 q u e n c h e s . T h e u n a b r a d e d s p e c i m e n s o f p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a a n d g l a s s - c e r a m i c s h o w e d a l a r g e r d r o p i n m o d u l u s a n d a s m a l l e r r a t e c o n s t a n t , a , t h a n t h e a b r a d e d s p e c i m e n s ( T a b l e 2 2 ) . I n a d d i t i o n , t h e d e c r e a s e i n t h e n o r m a l i z e d Y o u n g ’ s m o d u l u s w a s l a r g e r f o r t h e a l u m i n a t h a n f o r M a c o r ( f i g u r e 5 0 ) . T h e o b s e r v e d c h a n g e s i n t h e n o r m a l i z e d Y o u n g ’ s m o d u l u s ( f i g u r e 5 0 ) a r e i n d i c a t i v e o f t h e r m a l - s h o c k i n d u c e d c r a c k d a m a g e [ 2 2 - 2 5 ] . T h e T a b l e 2 2 . T h e r e s u l t s o f n o n - l i n e a r r e g r e s s i o n o f t h e r m a l f a t i g u e d a t a f o r a b r a d e d a n d u n a b r a d e d s p e c i m e n s . M a t e r i a l M a c o r A l u m i n a t e s t e d u n a b r a d e d a b r a d e d u n a b r a d e d a b r a d e d * * * * * * b e f o r e a f t e r b e f o r e a f t e r E o ( G P a ) 5 9 . 9 7 6 3 . 3 5 6 2 . 7 7 2 9 3 . 0 3 3 5 3 . 3 1 3 5 2 . 2 0 A ( G P a ) l 3 8 5 0 . 7 5 3 1 6 1 8 1 0 3 6 a 0 1 0 4 0 2 5 7 0 2 1 6 0 9 8 2 c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t 0 . 9 8 1 0 . 9 4 9 0 . 9 7 9 0 . 9 5 5 * U n s h o c k e d Y o u n g ' s m o d u l u s b e f o r e a b r a s i o n . * * U n s h o c k e d Y o u n g ’ s m o d u l u s a f t e r a b r a s i o n . 1 8 6 e x p e r i m e n t a l r e s u l t s ( f i g u r e 5 0 ) i n d i c a t e t h a t f o r a g i v e n m a t e r i a l q u e n c h e d a t a f i x e d q u e n c h t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e , t h e t h e r m a l s h o c k d a m a g e a c c u m u l a t i o n c a n b e d i f f e r e n t f o r a b r a d e d v e r s u s u n a b r a d e d s p e c i m e n s . I n t h e n e x t s e c t i o n , w e e s t i m a t e t h e n e t s u r f a c e s t r e s s e s f o r t h e a b r a d e d a n d t h e u n a b r a d e d s p e c i m e n s , t a k i n g i n t o a c c o u n t s u r f a c e - a b r a s i o n - i n d u c e d e f f e c t s s u c h a s c o m p r e s s i v e s u r f a c e s t r e s s e s a n d c h a n g e s i n t h e s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t . 3 . 4 . 2 A n e s t i m a t e o f t h e r e l a t i v e q u e n c h e d - i n d u c e d s u r f a c e s t r e s s e s f o r a b r a d e d a n d u n a b r a d e d s p e c i m e n s I n g e n e r a l , a m a x ’ t h e m a x i m u m q u e n c h - i n d u c e d t e n s i l e s u r f a c e s t r e s s f o r a p l a t e i s g i v e n b y [ 5 9 ] E a A T * a = - f ( B ) m a x ( 1 _ v ) ( 5 4 ) w h e r e E - Y o u n g ’ s m o d u l u s o f t h e s p e c i m e n a = t h e r m a l e x p a n s i o n c o e f f i c i e n t A T a t h e r m a l s h o c k s e v e r i t y u = P o i s s o n ’ s r a t i o f ( B ) = a f u n c t i o n o f t h e s p e c i m e n ' s B i o t m o d u l u s , w h e r e [ 5 9 ] f ( B ) — ( 1 . 5 + 3 . 2 5 / B ) ' 1 w h e n O < B < 5 ( 5 5 a ) f ( B ) = ( 1 . 0 + 3 . 2 5 / 1 3 2 / 3 ) ' 1 w h e n S < B < 2 O ( 5 5 b ) _ 1 6 _ 1 f ( B ) - ( 1 . 5 + 3 . 2 5 / 3 - 0 . 5 e / B ) w h e n 0 < B < 2 0 . ( 5 5 c ) * E q u a t i o n ( 5 4 ) a s s u m e s a n i n f i n i t e t h i n p l a t e g e o m e t r y , w h i c h i s a d e q u a t e f o r o u r s p e c i m e n s i f w e n e g l e c t e d g e e f f e c t s . 1 8 7 T h e B i o t m o d u l u s , B , i s d e f i n e d a s B - h a / k ( 5 ) w h e r e h = s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t a = h a l f t h i c k n e s s o f t h e s p e c i m e n k = t h e r m a l c o n d u c t i v i t y o f t h e s p e c i m e n . S u r f a c e a b r a s i o n c a n i n t r o d u c e s u r f a c e c o m p r e s s i v e s t r e s s e s , X , a n d a l t e r t h e s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t , h . I n o r d e r t o e x p l o r e t h e c o n n e c t i o n b e t w e e n t h e v a r i o u s a b r a s i o n - i n d u c e d p r o p e r t y c h a n g e s a n d t h e r m a l s h o c k b e h a v i o r , w e e s t i m a t e d t h e n e t s u r f a c e s t r e s s e s f o r u n a b r a d e d a n d a b r a d e d q u e n c h e d s p e c i m e n s a s u n u n E a A T u n a n e t — a m a x = _ _ ° f ( B ) ( 6 3 ) < 1 . - v “ ) a n d a b ‘ a b a n e t - I a m a x l - I X I ( 6 4 ) a b a b w h e r e a a b _ E 0 A T . f ( B a b ) m a x ( 1 - u a b > 1 8 8 w h e r e t h e s u p e r s c r i p t s " a b " a n d " u n " r e f e r t o t h e a b r a d e d a n d u n a b r a d e d s t a t e s o f t h e p a r a m e t e r s d e f i n e d i n e q u a t i o n s 5 , 5 4 , 5 5 . E s t i m a t e s o f t h e n e t s u r f a c e s t r e s s e s w e r e m a d e f o r a l u m i n a a n d M a c o r u s i n g e q u a t i o n 6 3 a n d 6 4 ( f i g u r e 5 1 a n d 5 2 ) w i t h a A T o f 2 5 0 ° C , w h i c h c o r r e s p o n d s t o t h e q u e n c h f r o m 2 7 0 ° C t o r o o m t e m p e r a t u r e w a t e r t h a t w a s e m p l o y e d i n t h e e x p e r i m e n t a l p h a s e o f t h i s s t u d y . T e m p e r a t u r e d e p e n d e n t v a l u e s f o r a l l p a r a m e t e r s w e r e a v a i l a b l e f o r t h e u n a b r a d e d s t a t e s o f a l u m i n a a n d M a c o r [ 1 7 0 ] . A s s u m p t i o n s i n v o l v i n g t h e m a g n i t u d e o f p h y s i c a l p r o p e r t y c h a n g e s i n d u c e d b y a b r a s i o n a r e d i s c u s s e d b e l o w . S u r f a c e a b r a s i o n o f m a t e r i a l s c a n d r a m a t i c a l l y i n c r e a s e h f o r a g i v e n m a t e r i a l / f l u i d b a t h c o m b i n a t i o n . A s t h e s u r f a c e r o u g h n e s s i n c r e a s e s , t h e n u m b e r d e n s i t y o f b o i l i n g n u c l e a t i o n s i t e s i n c r e a s e s , t h u s i n c r e a s i n g t h e s u r f a c e h e a t t r a n s f e r , h , f o r t h e b o i l i n g n u c l e a t i o n r e g i m e ( s e e f i g u r e 5 3 a n d [ 7 5 , 1 7 7 , 1 7 8 ] ) . F o r e x a m p l e , i n t h e b o i l i n g n u c l e a t i o n r e g i m e o f n ~ p e n t a n e a t a t m o s p h e r i c p r e s s u r e , t h e h o f a c o p p e r p l a t e w i t h a m i r r o r f i n i s h i n c r e a s e d b y u p t o a f a c t o r o f 6 a s t h e s u r f a c e w a s a b r a d e d [ 7 5 ] . S i m i l a r t r e n d s w e r e o b s e r v e d f o r n i c k e l a n d I n c o n e l p l a t e s [ 7 5 ] . F o r 3 0 4 s t a i n l e s s s t e e l a n d Z i r c a l l o y - 2 t u b e s c o o l e d b y w a t e r f l o w , s u r f a c e r o u g h n e s s + i n c r e a s e d h b y u p t o 1 0 0 p e r c e n t [ 1 7 7 , 1 7 8 ] I n t h e a b s e n c e o f d a t a o n t h e e f f e c t s o f a b r a s i o n o n h f o r c e r a m i c s , w e a s s u m e d t h a t t h e + T h e p e a k h e a t f l u x i n t h e b o i l i n g n u c l e a t i o n r e g i m e ( F i g u r e 5 3 ) i n c r e a s e d b y 1 0 0 p e r c e n t . A c c o r d i n g t o t h e r e l a t i o n q ( h e a t f l u x ) - h A T , h a l s o i n c r e a s e d b y 1 0 0 p e r c e n t . s s e r t s e c a f r u s t e m g u ” / m t i a x i f a ” m d e z i l a m r o N 1 8 9 - — - i fl u n n n a - - M a c o r 0 0 8 I T I I j I I r I 0 . 0 0 0 0 0 . 0 0 0 1 0 . 0 0 0 2 0 . 0 0 0 3 0 . 0 0 0 4 0 . 0 0 0 5 x / E o . N o r m a l i z e d r e s i d u a l c o m p r e s s w e s t r e s s . . a b u n . F 1 g u r e 5 1 . T h e s u r f a c e s t r e s s r a t 1 o , a / a , v e r s u s t h e r a t i o o f m a x m a x p r e - e x i s t i n g c o m p r e s s i v e s u r f a c e s t r e s s t o t h e u n s h o c k e d Y o u n g s m o d u l u s , x / E o w h e r e h a b = 3 h u n ' s s e r t s e c a f r u s m u m i x a m d e z i l a m r o N l L l l l l l l l l l l l l l l l ” f i s t / ” g e t F i g u r e 5 2 . 1 9 0 3 l ' 5 h a b / h u n N o r m a l i z e d s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t 0 7 a b u n . 0 / a , v e r s u s t h e r e l a t i v e m a x m a x h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t , h a b / h u n a t x / E O = 0 , 0 . 0 0 0 2 , a n d 0 . 0 0 0 4 f o r b o t h a l u m i n a a n d M a c o r . T h e s u r f a c e s t r e s s r a t i o , 1 9 1 F C = F r e e C o n v e c t i o n B o i l i n g N = N u c l e a t e B o i l i n g T = T r a n s i t i o n F = F i l m B o i l i n g F C “ N — " — T F — / c r i t i c a l h e a t f l u x L o g 0 q m a x 1 ' 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 A T . ( C ) F i g u r e 5 3 . I d e a l i z e d s c h e m a t i c s h o w i n g t h e h e a t t r a n s f e r r e g i m e s i n w a t e r [ 6 7 ] , w h e r e A T e T - T a , T 8 a t e m p e r a t u r e o f s p e c i m e n s u r f a c e , T - T O O ° 0 f o r w a t e r . F o r e x a m p l e , i f A T , t h e q u e n c h t e m p g f a t u r e d i f f e r e n c e i s 2 5 0 ° C , A T e i s 1 7 0 ° C . 1 9 2 r a t i o o f h a b / h u n r a n g e s f r o m a b o u t 1 t o 6 , i n a g r e e m e n t w i t h t h e d a t a d i s c u s s e d h e r e f o r o t h e r m a t e r i a l s [ 7 5 , 1 7 7 , 1 7 8 ] . S u r f a c e - a b r a s i o n - i n d u c e d r e s i d u a l c o m p r e s s i v e s u r f a c e s t r e s s e s , x , h a v e b e e n d o c u m e n t e d f o r P y r o c e r a m C 9 6 0 6 g l a s s c e r a m i c [ 7 1 ] , w h e r e a 4 6 p e r c e n t a b r a s i o n - i n d u c e d i n c r e a s e i n b e n d s t r e n g t h w a s f o u n d , a n d f o r p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a [ 7 2 ] , w h e r e x - r a y d i f f r a c t i o n m e a s u r e m e n t s o n s u r f a c e a b r a d e d a l u m i n a g a v e x v a l u e s a s h i g h a s 1 7 0 M P a [ 7 2 ] . ( O u r s t u d y i n c l u d e d p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a a n d M a c o r g l a s s c e r a m i c s , t h u s w e s o u g h t l i t e r a t u r e o n x f o r m a t e r i a l s s i m i l a r t o t h o s e e n c o m p a s s e d b y o u r e x p e r i m e n t s . ) I n t h i s s t u d y , w e e v a l u a t e e q u a t i o n 6 f o r a p h y s i c a l l y r e a s o n a b l e r a n g e o f x , s u c h t h a t 0 < x < X m a x ' T o e s t i m a t e X m a x ( M a c o r ) , t h e u p p e r l i m i t o f X f o r M a c o r , w e s e t X m a x ( M a c o r ) X m a x ( a l u m 1 n a ) = ( 6 5 ) E 0 ( M a c o r ) E o ( a 1 u m i n a ) w h e r e E 0 - t h e m e a s u r e d Y o u n g ' s m o d u l u s f o r u n d a m a g e d ( n e i t h e r s h o c k e d o r a b r a d e d ) s p e c i m e n s [ 7 2 , t h i s s t u d y ] X m a x ( a l u m i n a ) - 1 7 0 M P a , t h e u p p e r l i m i t o f t h e m a g n i t u d e o f x , a s i n L a n g e e t a l . ' s e x p e r i m e n t o n a b r a d e d a l u m i n a [ 7 2 ] . 1 9 3 T h u s , f o r t h i s s t u d y w e u s e d t h e r a n g e 0 < x / E o < 0 . 0 0 0 4 f o r b o t h M a c o r a n d a l u m i n a . S i n c e t h e m e a s u r e d E o f o r u n d a m a g e d M a c o r s p e c i m e n s w a s a b o u t 6 2 . 7 G P a , t h i s c o r r e s p o n d e d t o a n a s s u m e d x m a x ( M a c o r ) o f a b o u t 2 5 M P a ( e q u a t i o n 6 4 ) . + I n t h i s s t u d y , t h e m e a s u r e d s u r f a c e - a b r a s i o n i n d u c e d c h a n g e s i n t h e e f f e c t i v e e l a s t i c m o d u l i w e r e s m a l l ( T a b l e 2 2 ) . T h u s w e u s e d t h e m e a s u r e d ( m a c r o s c o p i c ) m o d u l u s f o r t h e a b r a d e d s p e c i m e n s a s E a b , a n d t h e m e a s u r e d m a c r o s c o p i c m o d u l u s o f t h e u n a b r a d e d s p e c i m e n s a s E u n . M o d u l u s c h a n g e s i n t h e s p e c i m e n s ' a b r a s i o n - e f f e c t e d o u t e r l a y e r s w e r e p r o b a b l y l a r g e r t h a n t h e c h a n g e s i n d i c a t e d b y o u r c h o i c e o f E a b [ 9 7 , 1 7 9 ] , b u t s i n c e t h e r e l a t i v e c h a n g e s i n m o d u l u s w e r e s m a l l , t h i s a p p r o x i m a t i o n l i k e l y i s a d e q u a t e . I n a d d i t i o n , w e a s s u m e d t h a t P o i s s o n ’ s r a t i o , t h e r m a l c o n d u c t i v i t y , a n d t h e r m a l e x p a n s i o n a r e n o t f u n c t i o n s o f t h e a b r a s i o n t r e a t m e n t . A c t u a l l y , m i c r o c r a c k s i n t r o d u c e d b y a b r a s i o n m a y d e c r e a s e t h e t h e r m a l c o n d u c t i v i t y o f t h e a b r a d e d s u r f a c e s , b u t s i n c e a b r a s i o n i n d u c e d m i c r o c r a c k s a r e l i k e l y o r i e n t e d a p p r o x i m a t e l y n o r m a l t o t h e s p e c i m e n s u r f a c e , t h e c h a n g e s i n t h e r m a l c o n d u c t i v i t y s h o u l d b e s m a l l f o r t h i s c a s e , w h e r e t h e p r e d o m i n a n t h e a t f l o w i s a l s o n o r m a l t o t h e s p e c i m e n s u r f a c e [ 1 8 0 ] . E q u a t i o n 6 4 p r e d i c t s t h a t f o r a f i x e d v a l u e o f h a b , t h e s u r f a c e . a b u n . . s t r e s s r a t 1 o o n e t / a n e t d e c r e a s e s a s t h e n o r m a l i z e d r e s 1 d u a 1 s t r e s s + W e d i d n o t c o n s i d e r X m a a s t h e m a x i m u m a t t a i n a b l e v a l u e o f x f o r a g i v e n s p e c i m e n . I n s t e a d , w e t o o k X a s a h i g h , b u t e x p e r i m e n t a l l y r e a l i z a b l e v a l u e o f c o m p r e 5 5 1 v e s u r f a c e s t r e s s t h a t c o r r e s p o n d s t o a h i g h d e g r e e o f a b r a s i o n - i n d u c e d s u r f a c e d a m a g e . 1 9 4 u n n e t a b n e t x / E o i n c r e a s e s , a l t h o u g h t h e s l o p e s o f a / 0 v e r s u s x / E o d i f f e r g r e a t l y f o r a l u m i n a a n d M a c o r ( s e e f i g u r e 3 , w h e r e h a b / h u n i s f i x e d a t 3 a n d a q u e n c h f r o m 2 7 0 ° C i n t o a r o o m t e m p e r a t u r e w a t e r b a t h i s a s s u m e d ) . A l t h o u g h B i o t m o d u l u s B ( e q u a t i o n 5 ) i s a l i n e a r f u n c t i o n o f h , e q u a t i o n s 3 a - 3 c s h o w t h a t t h e f o r m o f f ( B ) i n s u r f a c e s t r e s s e q u a t i o n s ( e q u a t i o n s 5 5 , 6 3 , a n d 6 4 ) d e p e n d s o n t h e m a g n i t u d e o f B i t s e l f . F o r b o t h M a c o r a n d a l u m i n a , c a l c u l a t i o n s o f B b a s e d o n d i r e c t e x p e r i m e n t a l m e a s u r e m e n t s o f h u n a s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r e [ 1 7 0 ] a n d l i t e r a t u r e v a l u e s o f t h e r m a l c o n d u c t i v i t y k a s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r e [ 1 6 3 , 1 6 4 ] g a v e m a x i m u m B v a l u e s a s 2 . 1 a n d 1 0 0 f o r a l u m i n a a n d M a c o r , r e s p e c t i v e l y . F o r l a r g e B v a l u e s , t h e f a c t o r f ( B ) a b u a p p r o a c h e s 1 . 0 . T h u s a n e t / a n n e t b e c o m e s i n s e n s i t i v e t o B ( a n d i n s e n s i t i v e t o h ) f o r v a l u e s o f B g r e a t e r t h a n a b o u t 1 0 t o 1 5 . F o r a t h e r m a l l y s h o c k e d p l a t e - s h a p e d s p e c i m e n o f a g i v e n m a t e r i a l , a l a r g e B i o t m o d u l u s ( a s w a s t h e c a s e f o r o u r M a c o r s p e c i m e n s , a s s h o w n i n F i g u r e 5 1 ) r e s u l t e d i n a n e t s u r f a c e s t r e s s t h a t c h a n g e d r e l a t i v e l y l i t t l e w i t h a b r a s i o n - i n d u c e d c h a n g e s i n h . E q u a t i o n s 6 3 a n d 6 4 p r e d i c t t h a t s p e c i m e n s w i t h a B i o t m o d u l u s o f a b o u t 5 . 0 o r l e s s s h o w a p p r e c i a b l e c h a n g e s i n t h e n e t s u r f a c e s t r e s s a s t h e s p e c i m e n s u r f a c e i s a b r a d e d ( a s w a s t h e c a s e f o r t h e a l u m i n a s p e c i m e n s i n f i g u r e 5 1 ) . S i n c e B i o t m o d u l u s i s a f u n c t i o n o f s p e c i m e n g e o m e t r y , t h e s e n s i t i v i t y t o s u r f a c e a b r a s i o n w i l l b e a p r e d i c t a b l e . . + . . f u n c t i o n o f s p e c 1 m e n g e o m e t r y , a s s u m i n g t h e m o d e l r e p r e s e n t e d i n + I n e q u a t i o n 4 , t h e B i o t m o d u l u s i s a l i n e a r f u n c t i o n o f p l a t e t h i c k n e s s . F o r s p e c i m e n g e o m e t r i e s o t h e r t h a n p l a t e s , B i s s t i l l a f u n c t i o n o f a c h a r a c t e r i s t i c s p e c i m e n d i m e n s i o n ( s ) . 1 9 5 e q u a t i o n 6 3 a n d 6 4 g i v e s a r e a s o n a b l e a p p r o x i m a t i o n o f t h e n e t s u r f a c e s t r e s s s t a t e . / u ” n 2 : c a n v a r y b y m o r e t h a n a f a c t o r o f t w o a s h a b / h u n r a n g e s f r o m 1 t o F o r a l u m i n a s p e c i m e n s ( l o w B i o t m o d u l u s ) , t h e v a l u e o f 0 : : t 6 a n d x / E o r a n g e s f r o m z e r o t o 0 . 0 0 0 4 ( f i g u r e 5 2 ) T + F o r e x a m p l e , a t a n i n t e r m e d i a t e x / E o v a l u e o f 0 . 0 0 0 2 , 0 : : t / 0 : : t i n c r e a s e s f r o m a b o u t a b 0 . 7 5 t o a b o u t 1 . 6 5 a s h a b / h u n i n c r e a s e s f r o m 1 t o 6 . T h u s , a n e t c a n b e e i t h e r g r e a t e r t h a n o r l e s s t h a n G u n d e p e n d i n g o n t h e v a l u e s o f n e t ’ t h e n o n d i m e n s i o n a l p a r a m e t e r s x / E o a n d h a b / h u n . O f c o u r s e , t h e . . a b u n . . . . . c o n d i t i o n a n e t = a n e t r e p r e s e n t s t h e p h y 5 1 c a 1 S i t u a t i o n 1 n w h i c h t h e n e t s u r f a c e s t r e s s e s i n t h e s u r f a c e - a b r a d e d s p e c i m e n e q u a l s t h e n e t s u r f a c e s t r e s s e s i n t h e u n a b r a d e d s p e c i m e n ( w h i c h o c c u r s a l o n g t h e u n n e t - l i n f i g u r e 5 2 ) . A s w a s t h e c a s e i n f i g u r e 5 1 , t h e . a b l i n e a n e t / a 1 . 1 1 1 c h a n e s i n g a b / a 3 n e t n e t f o r M a c o r ( w i t h i t s r e l a t i v e l y l a r g e B i o t m o d u l u s ) a r e p r e d i c t e d t o b e m u c h l e s s t h a n f o r a l u m i n a . 3 . 4 . 3 E s t i m a t i n g t h e s u r f a c e f l a w e x t e n s i o n A b r a s i o n i n d u c e d c h a n g e s i n t h e f l a w p o p u l a t i o n m a y b e r e l a t e d t o t h e n e t s u r f a c e s t r e s s e s t h r o u g h t h e s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r , K . T h e r m a l s h o c k l o a d s a r e t r a n s i e n t i n n a t u r e , a n d t h e r m o e l a s t i c s t r e s s e s a r e a s t r o n g f u n c t i o n o f p o s i t i o n w i t h i n t h e s p e c i m e n [ 6 0 ] . + + I n f i g u r e 5 2 , t h e s p e c i m e n d i m e n s i o n s w e r e a s s u m e d t o b e t h e s a m e a s f o r t h e a l u m i n a a n d M a c o r s p e c i m e n s i n c l u d e d i n t h i s s t u d y ( T a b l e 6 ) . S p e c i m e n d i m e n s i o n s a r e o f i n t e r e s t s i n c e B i s a f u n c t i o n o f p l a t e t h i c k n e s s ( e q u a t i o n 5 ) . 1 9 6 ( F o r e x a m p l e , i f w e c o n s i d e r a n a x i s 2 o r i e n t e d n o r m a l t o a f r e e s u r f a c e o f a p l a t e - s h a p e d s p e c i m e n w h e r e z - 0 i s a t t h e p l a t e s u r f a c e , t h e n t h e t h e r m a l q u e n c h s t r e s s e s c a n d e c r e a s e r a p i d l y a s o n e p r o c e e d s f r o m z - 0 t o w a r d t h e m i d - p l a n e o f t h e p l a t e [ 6 0 ] . ) M o r e o v e r , t h e c r a c k g r o w t h m a y b e d y n a m i c i n t h e r a p i d t r a n s i e n t o v e r s t r e s s t h a t t h e r m a l q u e n c h l o a d i n g c a n r e p r e s e n t . A d y n a m i c s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r , K f o r d y n a m i c c r a c k e x t e n s i o n , f o r I D ’ e x a m p l e , m a y b e w r i t t e n a s [ 9 5 , 1 8 1 ] K I D - K I S g ( A a ) f ( a ) ( 6 6 ) w h e r e g ( A a ) i s t h e E s h e l b y c r a c k a d v a n c e i n t e g r a l , f ( a ) i s a f u n c t i o n o f c r a c k v e l o c i t y , a n d K i s t h e s t a t i c f o r m o f t h e s t r e s s i n t e n s i t y I S f a c t o r [ 9 5 ] . F o r c r a c k v e l o c i t i e s t h a t a r e s m a l l w i t h r e s p e c t t o t h e R a y l e i g h v e l o c i t y , f ( a ) i s a p p r o x i m a t e l y u n i t y . I n a d d i t i o n , g ( A a ) i s a w e l l b e h a v e d f u n c t i o n o f t h e r e l a t i v e c r a c k a d v a n c e [ 9 5 ] s o t h a t t h e r e l a t i v e t r e n d s i n t h e b e h a v i o r s o f a b r a d e d v e r s u s u n a b r a d e d s p e c i m e n s l i k e l y m a y b e o u t l i n e d a t l e a s t r o u g h l y b y c o n s i d e r i n g t h e r a t i o o f t h e s t a t i c s t r e s s i n t e n s i t i e s , K I S ’ s u c h t h a t a b a b a b a b 1 / 2 K I S Y a n e t ( C ) = ( 6 7 ) u n u n u n u n 1 / 2 K I S Y a n e t ( C ) . L ‘ 1 9 7 w h e r e Y a n d c r e f e r t o t h e c r a c k g e o m e t r y f a c t o r a n d f l a w l e n g t h , r e s p e c t i v e l y . A s b e f o r e t h e s u p e r s c r i p t " a b " r e f e r s t o t h e a b r a d e d s p e c i m e n p r o p e r t i e s a n d " u n " r e f e r s t o t h e u n a b r a d e d s p e c i m e n p r o p e r t i e s . I f w e a p p r o x i m a t e Y a b = Y u n , t h e n t h e r e l a t i v e s t a t i c s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r K : : / K ¥ § . a . b . c r a c k l e n g t h r a t i o c b / c u n a n d t h e s t r e s s r a t i o d i e t / a g z t p l o t t e d i n i s j u s t t h e p r o d u c t o f s q u a r e r o o t o f t h e f i g u r e s 5 1 a n d 5 2 . T h u s , t h e s q u a r e r o o t o f t h e r e l a t i v e c r a c k l e n g t h s a n d t h e r e l a t i v e s u r f a c e s t r e s s e s a a b / J u n s h o u l d b e n e t n e t c o n s i d e r e d i n t e r m s o f c r a c k p r o p a g a t i o n . A s d i s c u s s e d a b o v e , s u r f a c e a b r a s i o n n o t o n l y c h a n g e s t h e f l a w p o p u l a t i o n , i t a l s o c a n i n d u c e s u r f a c e c o m p r e s s i v e s t r e s s e s a n d c h a n g e s i n h t h a t i n t u r n m o d i f y t h e n e t s u r f a c e s t r e s s e s . A l t h o u g h i t h a s n o t b e e n t r e a t e d h e r e , c r a c k p r o p a g a t i o n d u r i n g c y c l i c t h e r m a l q u e n c h i n g w i l l r e l e a s e a n d r e d i s t r i b u t e t h e r e s i d u a l s t r e s s e s , x , s u c h t h a t X i t s e l f i s l i k e l y a f u n c t i o n o f t h e e v o l v i n g t h e r m a l s h o c k d a m a g e . U p o n t h e r m a l q u e n c h i n g f r o m 2 7 0 ° C i n t o a r o o m t e m p e r a t u r e w a t e r b a t h , t h e e x p e r i m e n t a l l y o b s e r v e d e l a s t i c m o d u l u s d e c r e m e n t f o r u n a b r a d e d p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a i s m u c h m o r e t h a n f o r p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a a b r a d e d b y 2 4 0 g r i t S i C . T h u s , a l t h o u g h s u r f a c e a b r a s i o n w i t h 2 4 0 S i C g r i t a l m o s t c e r t a i n l y m e a n s t h a t t h e m e a n f l a w s i z e f o r t h e a b r a d e d s p e c i m e n s w a s g r e a t e r t h a n t h e m e a n f l a w s i z e o f t h e u n a b r a d e d s p e c i m e n s , t h e n e t e f f e c t o f s u r f a c e a b r a s i o n ( i n t h i s s t u d y ) w a s t h a t t h e u n a b r a d e d s p e c i m e n s s u f f e r e d g r e a t e r d a m a g e u p o n t h e r m a l c y c l i n g t h a n d i d t h e a b r a d e d s p e c i m e n . 1 9 8 T h i s a p p a r e n t l y c o n t r a d i c t o r y r e s u l t m a y b e u n d e r s t o o d i n t e r m s o f f i g u r e s 5 1 a n d 5 2 a n d t h e d i s c u s s i o n a b o v e . T h e i n t e r p l a y a m o n g t h e t h e a b r a s i o n - i n d u c e d e f f e c t s s u c h a s c o m p r e s s i v e s u r f a c e s t r e s s e s , c h a n g e s i n h ( a n d o t h e r p h y s i c a l p r o p e r t i e s ) , a n d c h a n g e s i n t h e f l a w p o p u l a t i o n a r e c o m p l e x a n d m e r i t f u r t h e r s t u d y . I n l i e u o f t h e s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r a p p r o a c h , o n e m i g h t c o n s i d e r u s i n g H a s s e l m a n ' s t h e r m a l s h o c k t h e o r y i n v o l v i n g e l a s t i c s t r a i n e n e r g y a n d t h e r m a l s h o c k i n d u c e d c r a c k p r o p a g a t i o n [ 6 ] . H o w e v e r , H a s s e l m a n ' s t h e r m a l s h o c k t h e o r y d o e s n o t c o n s i d e r t h e e f f e c t s o f s u r f a c e a b r a s i o n , i n c l u d i n g t h e m o d i f i e d s u r f a c e — l a y e r m o d u l u s , r e s i d u a l c o m p r e s s i v e s t r e s s e s , a n d a b r a s i o n - i n d u c e d c h a n g e s i n t h e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t . 3 . 5 T h e E f f e c t o f S u r f a c e L i m i t e d M i c r o c r a c k s o n t h e E f f e c t i v e Y b u n g ' s M o d u l u s o f C e r a m i c s 3 . 5 . 1 A n a l y s i s 3 . 5 . 1 . 1 L a y e r C o m p o s i t e M o d e l S u r f a c e - l i m i t e d m i c r o c r a c k d i s t r i b u t i o n s a r e d i s t r i b u t i o n s s u c h t h a t t h e m i c r o c r a c k s t e n d t o o c c u r a t o r n e a r t h e s p e c i m e n s u r f a c e , r a t h e r t h a n i n t h e s p e c i m e n b u l k . I n t h i s s t u d y , s u c h d i s t r i b u t i o n s a r e m o d e l e d i n t e r m s o f a l a y e r e d c o m p o s i t e , w h e r e a r e d u c e d - m o d u l u s m i c r o c r a c k e d o u t e r l a y e r i s " b o n d e d " t o a n u n d a m a g e d s u b s t r a t e ( f i g u r e 5 4 ) . I n o r d e r t o d i s c u s s a s p e c i f i c g e o m e t r y , w e s h a l l c o n s i d e r b a r - 1 9 9 1 I E ] \ f - . r ~ ‘ \ l , ’ I ( 1 ] N F 1 ' ; ' y l fi J < l T . _ — \ , k L . - ~ c . J ' _ . a / : t s E S T w o l a y e r c o m p o s i t e m o d e l E 1 ’ 1 ' r \ a \ / T d " 6 ~ I _ / J / " d - c , x c A I I s . - / \ \ \ — \ y / J I J — \ ) d l Z T h r e e l a y e r c o m p o s i t e m o d e l F i g u r e 5 4 . S c h e m a t i c o f ( a ) t w o a n d ( b ) t h r e e l a y e r c o m p o s i t e m o d e l . 2 0 0 s h a p e d s p e c i m e n s . S p e c i m e n s h a v i n g m i c r o c r a c k s o n b o t h l o n g t r a n s v e r s e s u r f a c e s ( f i g u r e 2 ) , f o r e x a m p l e , m a y b e c o n s i d e r e d a s a t h r e e l a y e r c o m p o s i t e c o m p o s e d o f r e d u c e d Y o u n g ’ s m o d u l u s m i c r o c r a c k e d l a y e r s o n t h e t o p a n d b o t t o m s u r f a c e s a n d a n u n d a m a g e d l a y e r b e t w e e n t o p a n d b o t t o m s u r f a c e s ( f i g u r e 5 4 ) . M i c r o c r a c k i n g i n e a c h d a m a g e d l a y e r c a n b e e x p r e s s e d i n t e r m s o f ( E a - E ) 2 = f G ' N = f G N ( 6 8 ) E 0 a w h e r e f i s a f u n c t i o n o f t h e s p a t i a l o r i e n t a t i o n o f t h e m i c r o c r a c k s [ 7 6 , 7 8 ] . T h e m i c r o c r a c k g e o m e t r y f a c t o r , G , i s g i v e n b y Z G ' / z , w h e r e G ' = < A 2 > / < P > . < A > a n d < P > a r e t h e m e a n m i c r o c r a c k a r e a a n d t h e m e a n m i c r o c r a c k p e r i m e t e r , r e s p e c t i v e l y . N v i s t h e c r a c k n u m b e r d e n s i t y p e r u n i t v o l u m e o f t h e m i c r o c r a c k e d m a t e r i a l . T h e f o r m o f e q u a t i o n 6 8 e m p h a s i z e s t h e f u n c t i o n a l r e l a t i o n s h i p s f o r c r a c k o r i e n t a t i o n , c r a c k g e o m e t r y , a n d c r a c k n u m b e r d e n s i t y w h i c h w e s h a l l e x p l o r e i n t h i s p a p e r . 3 . 5 . 1 . 1 . 1 R u l e o f M i x t u r e s M o d e l T h e o v e r a l l Y o u n g ' s m o d u l u s o f s u r f a c e m i c r o c r a c k e d s p e c i m e n s c a n b e m o d e l e d u s i n g t h e r u l e o f m i x t u r e s a s s u m i n g a t w o l a y e r c o m p o s i t e f o r m i c r o c r a c k s o n a s i n g l e s u r f a c e , w h i l e a t h r e e l a y e r c o m p o s i t e m a y b e u s e d f o r s p e c i m e n s m i c r o c r a c k e d o n b o t h s u r f a c e s ( f i g u r e 5 4 ) . T h e 2 0 1 r u l e o f m i x t u r e s e x p r e s s i o n f o r E z R O M ’ t h e o v e r a l l m o d u l u s o f a t w o l a y e r c o m p o s i t e i s E 2 R 0 M = E i v i + E s v s ( 6 9 ) w h e r e t h e s u b s c r i p t s 2 a n d 5 r e f e r t o d a m a g e d l a y e r a n d u n d a m a g e d s u b s t r a t e l a y e r r e s p e c t i v e l y f o r t h e m o d u l i E a n d v o l u m e f r a c t i o n v . T h e r u l e o f m i x t u r e s e x p r e s s i o n f o r E 3 R O M ’ t h e o v e r a l l m o d u l u s o f a t h r e e l a y e r c o m p o s i t e i s E 3 R O M = E 2 1 V £ 1 + E s V s + E 2 2 V 2 2 ( 7 0 ) w h e r e t h e s u b s c r i p t s £ 1 , £ 2 , a n d 5 r e f e r t o d a m a g e d l a y e r 1 , d a m a g e d l a y e r 2 , a n d u n d a m a g e d s u b s t r a t e l a y e r f o r t h e m o d u l i E a n d v o l u m e f r a c t i o n v , r e s p e c t i v e l y ( A p p e n d i x B ) . T h e l a y e r m o d u l u s f o r e a c h o f t h e t w o m i c r o c r a c k d a m a g e d l a y e r s c a n e x p r e s s e d a s [ 7 6 - 7 8 ] E 3 1 = E S ( 1 - f 1 G fi l N Z l ) ( 7 1 a ) E 2 2 = E s ( 1 - f 2 0 2 2 N 2 2 ) ( 7 1 b ) T h u s , E a R O M m a y b e e x p r e s s e d a s E 3 R O M ‘ E s ‘ l ' f 1 G i 1 N i i ’ V i l + E s ( 1 " ’ 2 1 " ’ 1 2 2 > + E s { l - f G N ) v 2 £ 2 2 2 ° r ' £ 2 2 0 2 E 3 R O M - { 1 - f ( 1 ) v 1 G 2 1 N 2 1 } V 1 2 1 + ' V i i ' v i z ’ + ‘ 1 ' f 2 G £ 2 N 2 2 E ( 7 2 ) 2 2 w h e r e N 2 1 , N 2 2 = n u m b e r d e n s i t y o f c r a c k s i n m i c r o c r a c k e d l a y e r 1 a n d 2 r e s p e c t i v e l y N 2 1 v 2 1 = N v 1 = n l l / V s p e c i m e n £ 2 v 2 2 - N v 2 — n £ 2 / V s p e c i m e n 1 1 2 1 = n u m b e r o f c r a c k s i n m i c r o c r a c k e d l a y e r 1 n £ 2 = n u m b e r o f c r a c k s i n m i c r o c r a c k e d l a y e r 2 . T h e r e f o r e , ( E ' E 3 ) S R O M “ ‘ “ ‘ E T " " " “ — = f 1 G £ I N £ 1 v £ 1 + f 2 G £ 2 N £ 2 V £ 2 S ‘ f 1 G 1 2 1 N v 1 + f 2 G i s z z ( 7 3 ) I f t h e g e o m e t r y ( s h a p e a n d s i z e ) a n d c r a c k a l i g n m e n t a r e t h e s a m e f o r l a y e r s 2 1 a n d 2 2 , t h e n f l = f 2 = f a l i g n m e n t G 1 1 - G 2 2 — G £ g e o m e t r y . i _ . . _ t h w - 4 . _ ~ . ~ _ _ _ . 2 0 3 ( E - E 3 ) 5 R O M — f 0 2 [ N 2 1 V 2 1 + N £ 2 v £ 2 ] = f c N + N V 2 ] — f c N V ( 7 4 ) 2 [ v 1 2 w h e r e , N v 1 + N v 2 - ( n 2 1 + n 2 2 ) / V s p e c i m e n = n t o t a l / V s p e c i m e n N v F o r t h e t w o - l a y e r c a s e ( o n e m i c r o c r a c k e d l a y e r a n d o n e u n d a m a g e d l a y e r ) , t h e e q u a t i o n f o r t h e r e l a t i v e Y o u n g ' s m o d u l u s c h a n g e b e c o m e s ( E ' E z ) 5 R O M a v f G N a f G i i 2 2 N v ' ( 7 5 ) E 5 T h u s , f o r t h e R O M m o d e l , t h e n o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s c h a n g e i n d u c e d b y m i c r o c r a c k i n g , ( E S - E ) / E S c a n b e e x p r e s s e d a s a l i n e a r f u n c t i o n o f t h e v o l u m e m i c r o c r a c k n u m b e r d e n s i t y a n d t h e c r a c k g e o m e t r y p a r a m e t e r ( f i g u r e 5 5 ) . T h e f o r m o f e q u a t i o n s 7 4 a n d 7 5 s h o w t h a t t h e R O M m o d e l s f o r t h e s p e c i m e n s h a v i n g o n e o r t w o m i c r o c r a c k e d l a y e r s c a n b e w r i t t e n i n t e r m s o f N v ’ t h e c r a c k n u m b e r d e n s i t y p e r u n i t v o l u m e . ( I n o r d e r t o o b t a i n e q u a t i o n 7 4 , w e c o n s i d e r e d t h e s p e c i a l c a s e w h e r e t h e a l i g n m e n t f a c t o r f a n d t h e g e o m e t r y f a c t o r G w h e r e i d e n t i c a l f o r t h e t w o m i c r o c r a c k e d l a y e r s ) . T h u s , R u l e o f M i x t u r e s m o d e l f o r s u r f a c e l i m i t e d c r a c k d i s t r i b u t i o n s c a n b e w r i t t e n i n t h e s a m e f u n c t i o n a l f o r m a s t h a t f o r e q u a t i o n 6 8 , w h i c h d e s c r i b e s a m i c r o c r a c k e d b o d y h a v i n g h o m o g e n e o u s l y d i s t r i b u t e d m i c r o c r a c k s . T h e r e f o r e , i n t h e R O M m o d e l w e c a n i m a g i n e t h e m o d u l u s u n d e r t e n s i l e l o a d i n g a s b e i n g e q u i v a l e n t f o r t h e ( 1 ) t h e l a y e r m o d e l , w h e r e m i c r o c r a c k s a r e c o n f i n e d w i t h i n a d e s i g n a t e d s u r f a c e l a y e r o r ( 2 ) a s E V M 0 R 2 E - s E ( F i g u r e 5 5 ( a ) . 2 0 4 [ I I I / l ” , . 3 " : _ . _ - E ‘ - - ~ ; - : ‘ \ \ \ \ \ \ ” I I / fi ' l f ” ’ ‘ \ \ “ \ \ \ \ \ \ \ 4 ” ” s ; 0 5 a N ( n u n _ 3 ) T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n a , t h e v o l u m e n u m b e r d e n s i t y o f c r a c k s i n l a y e r , a n d t h e n o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s c h a n g e f o r ( a ) t w o l a y e r c o m p o s i t e b a s e d o n r u l e o f m i x t u r e s m o d e l ( w h e n f 6 = 0 . 1 ) . V ) a : > 2 2 C ) i n ( ‘ 9 a : , 0 ) 5 3 d 1 N 1 + N 2 ( m m ‘ 3 ) F i g u r e 5 5 ( b ) . T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n d / d , t h e v o l u m e n u m b e r d e n s i t y o f c r a c k s i n l a y e r s , a n t h e n o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s c h a n g e f o r ( b ) t h r e e l a y e r c o m p o s i t e b a s e d o n r u l e o f m i x t u r e s m o d e l ( w h e n f 6 = 0 . 1 , ( 1 2 2 = 0 . 1 x b a r t h i c k n e s s ) . 2 0 5 h o m o g e n e o u s m o d e l , w h e r e t h e l a y e r c o n s t r a i n t a r e r e l a x e d a n d t h e m i c r o c r a c k s a r e d i s t r i b u t e d o v e r t h e e n t i r e s p e c i m e n v o l u m e . I f w e l a b e l l a y e r t h i c k n e s s e s a s d fi 1 = t h i c k n e s s o f m i c r o c r a c k e d l a y e r 1 d £ 2 = t h i c k n e s s o f m i c r o c r a c k e d l a y e r 2 d = t h i c k n e s s o f t h e u n d a m a g e d l a y e r , a n d t h e r e l a t i v e l a y e r t h i c k n e s s a s R 1 = d 1 1 / d s ’ R 2 = d t z / d s ’ t h e n E 3 R O M c a n b e e x p r e s s e d a s E 3 R 0 M = ( E i l d i i + E s d s + E 2 2 d 2 2 ) / ( d 2 1 + d s + d i z ) = ( E £ 1 R 1 + E s + E £ 2 R 2 ) / ( R 1 + 1 + R 2 ) = E S ( 1 - f 1 0 , , N u m l / ( R 1 + 1 + R 2 ) + E s / ( R l + 1 + R 2 ) + E s ( 1 - £ 2 0 , 2 N m m z / ( R 1 + 1 + R 2 ) ( 7 6 ) R e a r r a n g i n g e q u a t i o n 7 6 g i v e s , N R N R + f G 2 2 2 1 G 2 1 2 1 1 2 2 2 E R + 1 + R s 1 ( E - E ) f 5 3 R O M = ( 7 7 ) 2 I f t h e g e o m e t r y ( s h a p e a n d s i z e ) a n d c r a c k a l i g n m e n t ( r a n d o m l y o r i e n t e d o r a l i g n e d ) a r e t h e s a m e f o r l a y e r s 1 a n d 2 , t h e n ( E - E 3 ) ( N R + N R ) 5 R O M = f G 2 1 1 £ 2 2 ( 7 8 ) 1 9 — . _ . . — _ _ _ _ . E S R 1 + l + R 2 I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I l I I : : : : : _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 1 i 2 0 6 F o r t h e t w o - l a y e r c a s e ( o n e m i c r o c r a c k e d l a y e r a n d o n e u n d a m a g e d l a y e r ) , t h e e q u a t i o n f o r t h e r e l a t i v e Y o u n g ' s m o d u l u s c h a n g e b e c o m e s ( E - E 2 ) a S R O M = . f c , N , 2 ( 7 9 ) E a + l S w h e r e a i s d f / d s ( f i g u r e 5 6 ) . 3 . 5 . 1 . 1 . 2 D y n a m i c B e a m V i b r a t i o n M o d e l T h e o v e r a l l Y o u n g ' s m o d u l u s o f s u r f a c e m i c r o c r a c k e d s p e c i m e n s c a n b e m o d e l e d u s i n g a d y n a m i c b e a m v i b r a t i o n t h e o r y a s s u m i n g a t w o l a y e r c o m p o s i t e f o r s p e c i m e n s m i c r o c r a c k e d o n s i n g l e s u r f a c e ( f i g u r e 5 4 ) [ A p p e n d i x C ] . - I ! I s E 2 = E + E ( f i g u r e 5 7 ) ( 8 0 ) D Y N 2 ( I , + 1 ) s ( I , + 1 ) 3 2 2 I s = ( d s / 3 - d s d + d s d ) w ( 8 1 ) 3 2 2 I fl = ( d £ / 3 + d fl d + d i d ) w ( 8 2 ) ( E d 2 E d 2 ) d _ s s 2 2 ( 8 3 ) ( 2 E s d s + 2 E £ d £ ) w h e r e , d = d i s t a n c e b e t w e e n n e u t r a l p l a n e a n d t h e i n t e r f a c e o f m i c r o c r a c k e d l a y e r a n d u n d a m a g e d l a y e r ( f i g u r e 5 4 ) s E / ) M O R Z E — s E ( s E / ) M 0 R 3 E — s E ( 2 0 7 F i g u r e 5 6 ( 3 ) . T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n a , A ( = f G i N i ) a n d t h e n o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s c h a n g e f o r ( a ) t w o l a y e r c o m p o s i t e b a s e d o n r u l e o f m i x t u r e s m o d e l . T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n d 2 1 / d 3 2 ’ A l / A 2 ( — a n d t h e n o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s f G N / f G N ) , c h a d g e z f 1 g ) é h r e e l a y e r c o m p o s i t e b a s e d o n r u l e o f o r ( m i x t u r e s m o d e l ( w h e n A 2 = 0 . 1 , d g z = 0 . 1 x b a r t h i c k n e s s ) . F i g u r e 5 6 ( b ) . s E / ) N Y D 2 E " s E ( 2 0 8 F i g u r e 5 7 . T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n a , A ( = n g N g ) a n d t h e n o r m a l i z e d Y o u n g ’ s m o d u l u s c h a n g e f o r ( a ) t w o l a y e r c o m p o s i t e b a s e d o n d y n a m i c b e a m v i b r a t i o n m o d e l . l w I t 2 0 9 2 l i d t h o f t h e s p e c i m e n Q . I h i c k n e s s o f l a y e r d - t h i c k n e s s o f s u b s t r a t e E = l a y e r m o d u l u s E - s u b s t r a t e m o d u l u s F o r t w o l a y e r c o m p o s i t e m o d e l , t h e Y o u n g ' s m o d u l u s o f l a y e r c a n b e r e l a t e d w i t h t h a t o f s u b s t r a t e i n t e r m s o f a f u n c t i o n o f u n d a m a g e d P o i s s o n ' s r a t i o , f , c r a c k d a m a g e p a r a m e t e r , 6 [ 7 6 - 7 8 ] . E 2 = E S ( 1 - f 5 2 ) ( 8 4 ) 2 2 N < A > 2 w h e r e , 6 2 = . n < P > N 2 = n u m b e r o f c r a c k s / v o l u m e o f l a y e r A = a r e a o f c r a c k P = p e r i m e t e r o f c r a c k I n s e r t i n g e q u a t i o n 8 4 i n t o 8 3 g i v e s 2 2 2 d - ( d S - d 1 + d 3 f 6 2 ) ( 8 3 a ) 2 ( d S + d 3 - d £ f 6 2 ) 2 2 = ( d S - d £ + d i c l ) ( 8 3 b ) 2 ( d s + d 2 - C l ) 2 1 0 w h e r e , C 1 = d 2 f c g = f 6 A ( 8 5 ) 2 2 N < A > “ = 7 ° 2 p ? N = n u m b e r d e n s i t y o f c r a c k s p e r a r e a d + d = t ( = t h i c k n e s s ) f o r t w o l a y e r c o m p o s i t e m o d e l 0 . . i 0 . . I I s 2 ( d s + d 2 ) ( d S - d £ ) = t d s - t d g , T h u s e q u a t i o n 8 3 b b e c o m e s ( t d - t d + d C ) d = s 2 2 l ( 8 3 c ) 2 ( t - C 1 ) d d a s _ 2 ( 8 3 d ) 2 ( l - C 2 ) 2 w h e r e , 0 2 = C l / t - d 2 f e fi / t = f e A / t = f a v ( 8 6 ) 2 € = 2 N V . < A > V ? < P > N V - n u m b e r d e n s i t y o f c r a c k s p e r w h o l e s p e c i m e n F o r t h e s i m p l i c i t y o f f u r t h e r c a l c u l a t i o n , l e t ' s d e f i n e fl = l / ( l - C 2 ) . T h e n e q u a t i o n 8 3 d b e c o m e s d = ( fi d s - 0 , ) / 2 ( 8 3 f ) 2 1 1 I n s e r t i n g e q u a t i o n 8 3 f i n t o e q u a t i o n 8 1 a n d d e f i n i n g a = d 2 / d s g i v e s [ d 3 { ( 4 - G B + 3 fi 2 ) + 6 ( l - fl ) a + 3 a 2 ) ] w I = 5 ( 8 1 a ) 5 1 2 2 C 2 = 0 . T h e n e q u a t i o n W h e n C 2 i s s m a l l , fl — l / ( l - C 2 ) = l + C 2 , 8 1 a b e c o m e s 3 2 d s ( 1 + 3 a - 6 a C 2 ) w I s = ( 8 1 b ) 1 2 I n s e r t i n g e q u a t i o n 8 3 f i n t o e q u a t i o n 8 2 a n d d e f i n i n g a = d 2 / d s g i v e 3 3 ( 1 s ( a + 3 a + 6 a C 2 ) w I = ( 8 2 a ) 1 2 3 3 d s ( 1 + a ) w 1 + I = ( 8 7 ) 1 2 I n s e r t i n g e q u a t i o n s 8 1 b , 8 2 a , 8 4 a n d 8 7 i n t o e q u a t i o n 8 0 g i v e s 3 2 E 2 ( a + 3 a + 6 a C 2 ) + E s ( 3 a + 1 - 6 a C 2 ) E 2 D Y N ‘ 3 3 ( l + a ) ( l + a ) l2 2 1 2 3 2 = E S ( 1 - f 6 2 } ( a + 3 a + 6 a C 2 ) + E s ( 3 a + l - 6 a C 2 ) 3 3 ( l + a ) ( 1 + a ) 3 3 2 2 E S { ( 1 + a ) - ( a + a + 3 a + 3 ) C 2 r 6 ( 1 + a ) C 2 } 3 ( l + a ) ( 8 0 a ) 2 _ W h e n C 2 i s s m a l l , C 2 a p p r o a c h e s 0 , t h u s E 2 D Y N b e c o m e s , 3 2 _ ( a + a + 3 a + 3 ) C 2 E 2 D Y N = E S . l - ( 8 0 b ) 3 1 ( l + a ) r 2 ( a + 3 ) = E s . 1 - C 2 ( 8 0 0 ) 2 1 ( l + a ) w h e r e , a = d g / d 0 l C l / t = d 2 f 6 2 / t A s a a p p r o a c h e s z e r o , d £ a p p r o a c h e s z e r o , w h i c h i n t u r n m e a n s t h a t C 2 a p p r o a c h e s z e r o . W h e n C a p p r o a c h e s z e r o , a p p r o a c h e s t h e 2 u n d a m a g e d m o d u l u s , E S . W h e n a a p p r o a c h e s i n f i n i t y , E 2 D Y N E Q D Y N b e c o m e s E S ( 1 - f e v ) ( f i g u r e 5 8 ) . F o r s p e c i m e n s m i c r o c r a c k e d o n b o t h s u r f a c e s ( f i g u r e 5 4 ) , t h e o v e r a l l Y o u n g ’ s m o d u l u s o f t h r e e l a y e r c o m p o s i t e s , E c a n b e 3 D Y N ’ e x p r e s s e d i n t e r m s o f d y n a m i c b e a m v i b r a t i o n t h e o r y [ A p p e n d i x C ] 2 1 3 F i g u r e 5 8 . T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n a , A , a n d t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n f u l l ( e q u a t i o n 8 0 ) a n d a p p r o x i m a t i o n ( e q u a t i o n 8 0 c ) i n n o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s c h a n g e o f t w o l a y e r c o m p o s i t e . 2 1 4 I I I E 3 0 m E E 2 1 2 1 + E s S + E 2 2 £ 2 ( I 2 1 + I s + 1 2 2 ) ( I 2 1 + I S + 1 2 2 ) ( 1 2 1 + I S + 1 3 2 ) ( f i g u r e 5 9 ) ( 8 8 ) V 3 2 2 d _ _ 2 1 8 9 1 1 , 1 ( d S d ) d fi l + ( a s - a m } , 1 + 3 w ( ) f 3 d 3 2 2 I = - d d + d d w ( 9 0 ) s - — - — — s s L 3 3 d £ 2 2 2 1 2 2 = 3 + d £ 2 d + d 2 2 d w ( 9 1 ) ( E d 2 2 E d d E d 2 d 2 ) + + - E w h e r e , d = 2 1 2 1 2 1 2 1 s s s 2 2 2 2 ( 9 2 ) ( 2 E ’ 2 1 d 1 1 + 2 E S d S + 2 E £ 2 d £ 2 ) w = w i d t h o f t h e s p e c i m e n E £ 1 , E £ 2 = m o d u l u s o f l a y e r 1 a n d l a y e r 2 , r e s p e c t i v e l y d £ 1 , d £ 2 = t h i c k n e s s o f l a y e r 1 a n d l a y e r 2 , r e s p e c t i v e l y . F o r t h r e e l a y e r c o m p o s i t e m o d e l , t h e Y o u n g ' s m o d u l u s o f l a y e r 1 a n d l a y e r 2 c a n b e r e l a t e d w i t h t h a t o f s u b s t r a t e i n t e r m s o f a f u n c t i o n o f u n d a m a g e d P o i s s o n ' s r a t i o , f , c r a c k d a m a g e p a r a m e t e r , c . I n s e r t i n g e q u a t i o n s 7 1 a a n d 7 1 b i n t o e q u a t i o n 9 2 . t ( d + d - d ) - C ( d + 2 d ) + C d d = 2 1 s 2 2 a 1 2 1 5 a 2 2 2 ( 9 2 a ) 2 ( t - C a 1 - C a 2 ) s E / ) N Y 0 3 E * - s E ( 2 1 5 d 1 / C 1 2 F i g u r e 5 9 . T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n d / d , A l / A , a n d t h e n o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s c h a n g e f o r E a ) t h r e e l a y e r c o m p o s i t e b a s e d o n d y n a m i c b e a m v i b r a t i o n m o d e l . ( w h e n A 2 = 0 . 1 , d 2 2 - 0 . 1 x b a r t h i c k n e s s ) 2 1 6 ( d + d - d ) — c ( d + 2 d ) + c d _ 2 1 s 2 2 b 1 2 1 5 b 2 2 2 ( 9 2 b ) 2 ( 1 - C - C b 1 b 2 ) ( 1 - C b l ) d 2 l + ( 1 - 2 C b l ) d s - ( 1 - C b 2 ) d 2 2 _ ( 9 2 c ) 2 ( 1 - C c ) w h e r e t d + d s + d 2 1 2 2 a 1 ’ f 1 ‘ 2 1 ‘ 1 2 1 C a 2 ‘ f 2 ‘ 2 2 d 2 2 C b 1 ‘ f 1 ‘ 2 1 d 2 1 / t C b 2 ‘ f 2 ‘ 2 2 ‘ 1 2 2 / t C e ‘ C b 1 + C b 2 F o r s m a l l C c ’ 1 / ( 1 - C C ) z 1 + C c ' d = { ( 1 - + ( l - 2 C b 1 ) d S C b 1 ’ d 2 1 ( l - ( l + C C ) / 2 ( 9 2 d ) C b 2 ) d 2 2 } D r o p p i n g s e c o n d o r d e r t e r m s i n C g i v e s d = { 1 + R - R 1 2 - C b 1 ( 1 + R 2 ) + C b 2 ( 1 + R 1 ) } d S / 2 = C d S ( 9 2 e ) w h e r e R 1 - d 2 l / d s ’ R 2 - d 2 2 / d s c = ( 1 + R 1 - R 2 - C b 1 ( l + R 2 ) + c b 2 ( 1 + R 1 ) } / 2 _ ( 9 3 ) T h u s m o m e n t s o f i n e r t i a , I , I , a n d I c a n b e e x p r e s s e d i n 2 1 s 2 2 t e r m s o f R 1 , R 2 , d s ’ a n d C , 3 3 2 2 I - w d S { R l / 3 + ( 1 - C ) R 1 + ( 1 - 2 c + c ) R l } ( 8 9 a ) 2 1 I I I I I I I I I I I I I I l I I I I I n n n I n n n n n n . . E : _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ i . — 2 1 7 w d : ( l / 3 - C + C 2 ) ( 9 0 a ) H I I 2 2 2 + C R 2 ) ( 9 1 3 ) 3 3 I = w d S ( R 2 / 3 + C R I + I + I 3 2 2 2 £ 1 5 £ 2 - w d S ( R 1 + R 2 + 1 ) [ { ( R 1 + 1 ) - ( R 1 + 1 ) R 2 + R 2 } + 3 0 ( R 2 - R 1 - 1 ) + 3 c ] 2 2 2 2 - w d s t [ { ( R 1 + 1 ) ~ ( R 1 + 1 ) R 2 + R 2 } + 3 C ( R 2 - R 1 - 1 ) + 3 0 1 / 3 ( 9 4 2 2 F o r s m a l l C b 1 a n d C b 2 ’ C b 1 = C b 2 = C b l e 2 z 0 a n d t h u s 2 C z ( 1 + R 1 - R 2 ) { ( l + R 1 - R 2 ) — 2 C b 1 ( l + R 2 ) + 2 C b 2 ( l + R 1 ) / 4 ( 9 5 I n s e r t i n g e q u a t i o n 9 3 a n d 9 5 i n t o e q u a t i o n 9 4 g i v e s w d i t I + I + I = ( R + R s — - — — — - 1 2 + 1 ) ( 9 4 a 2 1 2 2 1 2 2 T h e p r o d u c t o f m o d u l u s a n d m o m e n t s o f i n e r t i a f o r e a c h l a y e r w a s e x p r e s s e d i n t e r m s o f R 1 , R 2 , d 3 , C b l ’ C b 2 ’ C , a n d E s 3 2 2 1 ) { R 1 / 3 + ( 1 - C ) R 1 + ( 1 - Z C + C ) R 1 } 3 E 2 1 1 2 1 ‘ E S s t ( 1 ‘ f 1 ‘ 2 3 [ E s w d S 2 2 3 t h 1 2 2 a { 3 ( l - C ) R + 3 ( l - C ) R + R } - { 3 ( l - C ) + 3 ( 1 - C ) R + R } - — — — - — — — 1 1 1 - — — — — — - 1 1 3 d S . ( 9 6 ) w h e r e , f l 6 2 1 = t h l / d 2 1 = t h l / ( d s R l ) 3 2 E 3 1 3 = E s w d s ( l - 3 0 + 3 C ) / 3 ( 9 7 ) 2 1 8 3 3 2 2 E 2 2 1 2 2 = E s w d s ( 1 - f 2 € £ 2 ) ( R 2 / 3 + C R 2 + C R 2 ) 3 r 1 E s w d s 2 2 3 t h 2 2 2 - ( 3 C R 2 + 3 C R 2 + R 2 ) - ( B C + 3 C R 2 + R 2 ) ( 9 8 ) 3 d t S J w h e r e , f 2 6 2 2 = t C . D 2 / d £ 2 = t h Z / ( d s R 2 ) I n s e r t i n g e q u a t i o n s 9 3 a n d 9 5 i n t o e q u a t i o n s 9 6 , 9 7 a n d 9 8 g i v e s 2 f s t t 2 2 2 2 2 E 2 1 1 2 1 + E 5 1 3 + E 2 2 1 2 2 = ( R 1 + R 2 + 1 ) ~ { R 1 + 3 ( R 2 + 1 ) ) C b l - { R 2 + 3 ( R 1 + l ) } C b 2 1 2 . . ( 9 9 ) A f t e r a b i t o f a l g e b r a , o n e o b t a i n s - ( E 2 1 1 2 1 + E s I s + E 2 2 1 2 2 ) E S D Y N = ( 8 8 a ) ( I , 1 + I S + 1 2 2 ) f { R 2 3 ( R l ) 2 } C { R 2 3 ( R l ) 2 } C 1 + + + + + = E s . 1 - 1 2 b 1 2 1 b 2 ( 8 8 b ) 2 L ( R 1 + R 2 + 1 ) J w h e r e R 1 - d fi l / d s , R 2 - ( i n / d S C - d f 6 b 1 2 1 1 2 1 / t C b 2 - d 2 2 f 2 6 2 2 / t ( f i g u r e 6 0 ) F i g u r e 6 0 . 2 1 9 ’ 3 A 1 M 2 A 1 / A 2 T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n d fl l / d 2 2 ’ A l / A Z ’ a n d t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n f u l l ( e q u a t i o n 8 8 ) a n d a p p r o x i m a t i o n ( e q u a t i o n 8 8 b ) i n n o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s c h a n g e o f t h r e e l a y e r c o m p o s i t e . 2 2 0 A s b o t h R a n d R 2 a p p r o a c h z e r o ( o r < 1 1 , 1 a n d d £ 2 a p p r o a c h z e r o ) , b o t h 1 C a n d C b 2 a p p r o a c h z e r o . W h e n C b 1 a n d C b 2 a p p r o a c h z e r o t h e n E 3 D Y N b l - 2 a p p r o a c h s E s ' A s R 1 a p p r o a c h e s z e r o , E 3 D Y N a p p r o a c h e s E S ( 1 - R 2 ( R 2 + 3 - 3 ) f 2 G £ 2 N 2 2 / ( R 2 + 1 ) 1 . A s R 2 a p p r o a c h e s z e r o , E 3 D Y N a p p r o a c h e s E S { 1 2 3 - R 1 ( R 1 + 3 ) £ 1 6 2 1 N 2 1 / ( R 1 + l ) } , w h i c h i s t h e s a m e r e s u l t a s t h e t w o l a y e r c o m p 0 3 1 t e c a s e ( e q u a t i o n 8 0 c ) . A s R 1 4 O a n d R 2 4 m , E S D Y N a p p r o a c h e s E S ( 1 - s z £ 2 N £ 2 ) . A s R 2 4 0 a n d R 1 4 w , E 3 D Y N a p p r o a c h e s A s b o t h R 1 a n d R 2 a p p r o a c h e s E S [ 1 - { > ‘ ( f 1 6 2 1 N ’ 2 1 - f 2 6 £ 2 N £ 2 ) + E s ( 1 ‘ f 1 G £ 1 N 2 1 > ' ( f i g u r e 6 1 ) , a p p r o a c h a n i n f i n i t y ( d s 4 0 ) E 3 D Y N 3 2 f G N 2 2 } ] w h e r e A = 4 { d g l / ( d £ 1 + d £ 2 ) } - 6 { d £ 1 / ( d £ 1 + d 2 2 ) } + 2 £ 2 3 { d £ 1 / ( d £ 1 + d £ 2 ) } ( A p p e n d i x G ) . 3 . 5 . 1 . 2 C o m p a r i s o n o f R O M a n d d y n a m i c m o d u l u s c a l c u l a t i o n s W h e n l a y e r t h i c k n e s s d 2 a p p r o a c h e s z e r o f o r t w o l a y e r c o m p o s i t e ( a 4 O ) , t h e r a t i o o f n o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s c h a n g e ( d y n a m i c b e a m v i b r a t i o n t h e o r y ) ( e q u a t i o n 8 0 c ) t o n o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s c h a n g e ( r u l e o f m i x t u r e s ) ( e q u a t i o n 7 9 ) a p p r o a c h e s 3 ( A p p e n d i x D ) . W h e n l a y e r t h i c k n e s s ( 1 2 a p p r o a c h e s t h e b a r t h i c k n e s s f o r t w o l a y e r c o m p o s i t e ( a 4 w ) , t h e r a t i o o f n o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s c h a n g e ( d y n a m i c b e a m v i b r a t i o n t h e o r y ) ( e q u a t i o n 8 0 c ) t o n o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s c h a n g e ( r u l e o f m i x t u r e s ) ( e q u a t i o n 7 9 ) a p p r o a c h e s 1 ( A p p e n d i x D ) F o r t h r e e l a y e r c o m p o s i t e w h e n b o t h l a y e r t h i c k n e s s d £ 1 a n d d ) ? 2 a p p r o a c h z e r o ( R 1 a n d R 2 4 0 ) , t h e r a t i o o f n o r m a l i z e d Y o u n g ’ s s E / 9 N Y D S E — s E ( F i g u r e 6 1 . T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n d n o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s c h a n g e t o i n f i n i t y f o r t h r e e l a y e r z l / d z z ' A w ( w h e n ( 1 ' 2 2 - 0 . 1 x b a r t h i c k n e s s , A 2 - 0 . 1 ) . / A , a n d t h e l i m i t o f e n b o t h R 1 a n d R 2 g o e s A 1 / A 2 2 2 1 2 2 2 F i g u r e 6 2 ( a ) . T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n a , A , a n d t h e r a t i o o f n o r m a l i z e d Y o u n g ’ s m o d u l u s c h a n g e ( d y n a m i c ) t o n o r m a l i z e d Y o u n g ’ s m o d u l u s c h a n g e ( R O M ) f o r t w o l a y e r c o m p o s i t e . 3 3 ‘ 1 1 / d 8 A 1 + A 2 F i g u r e 6 2 ( b ) . T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n d 1 / d , A 1 + A 2 , a n d t h e r a t i o o f n o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u f u s S h a n g e ( d y n a m i c ) t o n o r m a l i z e d Y o u n g ’ s m o d u l u s c h a n g e ( R O M ) f o r t w o l a y e r c o m p o s i t e ( w h e n ( 1 1 1 = d 2 2 ’ A 1 - A 2 ) . _ _ . _ . _ _ _ _ _ . _ . _ . . _ . ~ _ . . _ _ 2 2 3 m o d u l u s c h a n g e ( d y n a m i c b e a m v i b r a t i o n t h e o r y ) ( e q u a t i o n 8 8 b ) t o n o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s c h a n g e ( r u l e o f m i x t u r e s ) ( e q u a t i o n 7 7 ) a p p r o a c h e s 3 ( A p p e n d i x D ) . 3 . 5 . 2 C r a c k G e o m e t r y M o d i f i c a t i o n t o c o n f o r m I n d e n t a t i o n C r a c k S h a p e 3 . 5 . 2 . 1 G e n e r a l i z e d M o d e l s f o r S u r f a c e - L i m i t e d M i c r o c r a c k D a m a g e F o r c o n v e n i e n c e , t h e a u t h o r s ' p r e v i o u s e x p r e s s i o n s f o r s u r f a c e - l i m i t e d m i c r o c r a c k i n g [ 9 7 ] a r e s u m m a r i z e d b e l o w . R O M m o d e l T w o l a y e r c a s e ( o n e m i c r o c r a c k e d s u r f a c e l a y e r , a n u n d a m a g e d s u b s t r a t e l a y e r ) ( E ' E z ) 5 R O M = v f G N ( 7 5 ) E s w h e r e v = v o l u m e f r a c t i o n o f l a y e r f - c r a c k o r i e n t a t i o n f u n c t i o n G a c r a c k g e o m e t r y f a c t o r ( = 2 < A 2 > / ( n < P > ) , w h e r e < A > a n d < P > r e p r e s e n t t h e m e a n a r e a a n d t h e m e a n p e r i m e t e r o f m i c r o c r a c k s i n m i c r o c r a c k e d l a y e r , r e s p e c t i v e l y N - n u m b e r d e n s i t y o f m i c r o c r a c k s i n l a y e r . 2 2 4 T h r e e l a y e r c a s e ( t w o m i c r o c r a c k e d s u r f a c e l a y e r s , a n u n d a m a g e d s u b s t r a t e l a y e r ) . ( E - E 3 ) 5 R O M E ‘ v 2 1 f 1 G £ 1 N £ l + V 2 2 f 2 G 2 2 N 2 2 ( 7 3 ) s w h e r e v 3 1 , V 2 2 = v o l u m e f r a c t i o n o f l a y e r 1 a n d l a y e r 2 , r e s p e c t i v e l y f 1 , f 2 = c r a c k o r i e n t a t i o n f u n c t i o n f o r t h e c r a c k s i n l a y e r 1 a n d l a y e r 2 , r e s p e c t i v e l y G = c r a c k g e o m e t r y f a c t o r ( = 2 < A 2 > / ( n < P > ) f o r t h e c r a c k s i n l a y e r 1 a n d l a y e r 2 , r e s p e c t i v e l y N = n u m b e r d e n s i t y o f m i c r o c r a c k s i n l a y e r 1 a n d l a y e r 2 , r e s p e c t i v e l y . D y n a m i c m o d u l u s m o d e l T w o l a y e r c a s e ( o n e m i c r o c r a c k e d s u r f a c e l a y e r , a n u n d a m a g e d s u b s t r a t e l a y e r ) ( E - E ( a 2 + 3 ) a ( a 2 + 3 ) 2 ) S D Y N — c - f G N ( 8 0 c ) 2 3 E S ( 1 + a ) ( 1 + a ) w h e r e , a = d I / d s C b = d 2 f G £ N £ / t 2 2 5 T h r e e l a y e r c a s e ( t w o m i c r o c r a c k e d s u r f a c e l a y e r s w i t h t h e s a m e t h i c k n e s s , a n u n d a m a g e d s u b s t r a t e l a y e r ) 2 - 2 2 2 ( E S - E 3 D Y N ) { R 1 + 3 ( R 2 + 1 ) } C b 1 + { R 2 + 3 ( R 1 + l ) } C b 2 2 E ( R 1 + R + 1 ) 2 2 2 2 2 R 1 { R 1 + 3 ( R 2 + l ) } f l G £ l N £ 1 + R 2 { R 2 + 3 ( R 1 + 1 ) } f Z G £ 2 N £ 2 ( 8 8 b ) 3 ( R 1 + R + l ) 2 w h e r e R l d £ l / d s ’ R 2 = d 2 2 / d S C b l ' d 2 1 f 1 G 2 1 N £ 1 / t C b 2 ‘ d 2 2 f 2 6 2 2 N 2 2 / t A s e x p r e s s e d a b o v e , t h e R O M a n d d y n a m i c m o d u l u s e x p r e s s i o n s c a n b e e x p r e s s e d i n t e r m s o f a n y o n e o f a n u m b e r o f m i c r o c r a c k i n g t h e o r i e s [ 7 6 - 7 8 ] . B u d i a n s k y a n d O ' C o n n e l l [ 7 6 ] , S a l g a n i k [ 1 4 1 ] , H o e n i g [ 7 7 ] , a n d L a w s a n d B r o c k e n b r o u g h [ 7 8 ] e a c h e x p r e s s t h e e f f e c t i v e Y o u n g ' s m o d u l u s , E , o f t h e m i c r o c r a c k e d b o d y w i t h P o i s s o n ' s r a t i o u a s [ 7 6 - 7 8 , 1 8 3 ] , E = E o { l - f ( v , V o ) e } ( 6 1 ) w h e r e t h e s u b s c r i p t " 0 " r e f e r s t o t h e n o n - m i c r o c r a c k e d s t a t e o f e a c h p a r a m e t e r . T h e f u n c t i o n f ( V , V 0 ) d e p e n d s o n t h e s p a t i a l o r i e n t a t i o n 2 2 6 o f t h e m i c r o c r a c k s ( T a b l e 2 3 ) . T h e c r a c k d a m a g e p a r a m e t e r , c , i s d e f i n e d [ 7 6 - 7 8 ] b y 2 2 < A > e - N ( 1 0 0 ) w h e r e , N v - v o l u m e n u m b e r d e n s i t y o f m i c r o c r a c k s < A > a m e a n c r a c k a r e a < P > — m e a n c r a c k p e r i m e t e r T h u s t h e c r a c k d a m a g e p a r a m e t e r , c , i s a f u n c t i o n o f t h e m i c r o c r a c k v o l u m e n u m b e r d e n s i t y N V , t h e c r a c k g e o m e t r y , a n d t h e c r a c k d i m e n s i o n s . I n t h e s u m m a r y a b o v e a n d i n t h i s s e c t i o n , w e t r e a t m i c r o c r a c k i n g i n t e r m s o f t h e c r a c k o r i e n t a t i o n f u n c t i o n ( f ) , a n d t h e c r a c k d a m a g e p a r a m e t e r ( e x p r e s s e d h e r e a s t h e p r o d u c t o f m i c r o c r a c k g e o m e t r y G a n d t h e c r a c k n u m b e r d e n s i t y N v ) ' I n t h i s w a y , w e s e e k t o e m p h a s i z e t h e f u n c t i o n a l r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n m i c r o c r a c k g e o m e t r y a n d c r a c k n u m b e r d e n s i t y . D i f f e r e n c e s b e t w e e n t h e f o u r " l i n e a r " m i c r o c r a c k i n g t h e o r i e s i n c l u d e t h e t r e a t m e n t o f s p a t i a l a l i g n m e n t o f m i c r o c r a c k s . B u d i a n s k y a n d O ' C o n n e l l [ 7 6 ] a n d S a l g a n i k [ 1 4 1 ] d e a l w i t h r a n d o m l y o r i e n t e d m i c r o c r a c k p o p u l a t i o n s o n l y , H o e n i g [ 7 7 ] t r e a t s a l i g n e d m i c r o c r a c k s , a n d L a w s a n d B r o c k e n b r o u g h [ 7 8 ] t r e a t b o t h r a n d o m l y o r i e n t e d a n d 2 2 7 T a b l e 2 3 M i c r o c r a c k i n g - m o d u l u s r e l a t i o n s f o r t h r e e - d i m e n s i o n a l c r a c k d i s t r i b u t i o n s C r a c k g e o m e t r y f ( v o ) 2 G e O r i e n t a t i o n 2 1 6 ( 1 - V o ) a l i g n e d 3 3 p e n n y 2 n a / 2 N < a > 1 6 ( 1 - V o ) ( 1 0 - 3 V 0 ) r a n d o m 4 5 ( 2 - y o ) 2 1 6 ( l - u o ) a l i g n e d 3 3 h a l f n a / é 0 . 5 N < a > p e n n y 2 1 6 ( 1 - V 0 ) ( 1 0 - 3 V 0 ) r a n d o m 4 5 ( 2 - V 0 ) 2 n ( l — V o ) a l i g n e d 2 2 2 2 2 s l i t 2 2 c 2 / ( c + 2 ) 4 N < c 2 > / w ( c + 2 ) n ( 1 + u o ) ( 5 - 4 u o ) r a n d o m 3 0 1 6 ( l - V o ) a l i g n e d 3 2 2 2 e l l i p s e 2 « b d / 4 E ( k ) N n < b d > / 2 E ( k ) 1 6 ( l - V o ) ( l O - 3 v o ) r a n d o m 4 5 ( 2 - u o ) 1 6 ( 1 — v 0 ) a l i g n e d 3 2 2 2 h a l f n b d / 8 E ( k ) N fl < b d > / 4 E ( k ) e l l i p s e 2 1 6 ( 1 - v 0 ) ( 1 0 - 3 v 0 ) ‘ r a n d o m 4 5 ( 2 - u 0 ) V o - u n d a m a g e d P o i s s o n ' s r a t i o < a > - a v e r a g e r a d i u s o f c r a c k f o r p e n n y a n d h a l f p e n n y c r a c k s c - h a l f o f a v e r a g e c r a c k s i z e f o r s l i t c r a c k s 2 - d e p t h o f s l i t c r a c k s b - h a l f o f t h e m a j o r a x i s f o r e l l i p t i c a l a n d h a l f e l l i p t i c a l c r a c k s d - h a l f o f t h e m i n o r a x i s f o r e l l i p t i c a l a n d h a l f e l l i p t i c a l c r a c k s E ( k ) - c o m p l e t e e l l i p t i c a l i n t e g r a l o f t h e s e c o n d k i n d 2 2 1 / 2 k - ( b - d ) / b I I I I I I I I I I I I I I I l l l l l l l l I I I I - - E : ; _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 2 2 8 a l i g n e d m i c r o c r a c k p o p u l a t i o n s . W h i l e i n e a c h o f t h e f o u r t h e o r i e s t h e a l i g n m e n t f u n c t i o n f i s e x p r e s s e d a s a f u n c t i o n o f P o i s s o n ' s r a t i o , B u d i a n s k y a n d O ' C o n n e l l [ 7 6 ] e x p r e s s f a s f u n c t i o n o f b o t h u ( P o i s s o n ' s r a t i o o f t h e m i c r o c r a c k e d s t a t e ) a n d V 0 ( P o i s s o n ' s r a t i o o f t h e n o n m i c r o c r a c k e d s t a t e ) . S a l g a n i k [ 1 4 1 ] a n d L a w s a n d B r o c k e n b r o u g h [ 7 8 ] e x p r e s s f i n t e r m s o f ” 0 o n l y . D e s p i t e t h e s e a p p a r e n t d i f f e r e n c e s i n t h e f o r m o f f , t h e v a l u e s o f f d i f f e r l i t t l e f r o m o n e a n o t h e r f o r r e a l i s t i c r a n g e s o f V a n d V 0 [ 1 8 3 ] . T h u s , t h e l i n e a r m i c r o c r a c k i n g t h e o r i e s a r e q u i t e s i m i l a r . I n o r d e r t o t r e a t p a r t i c u l a r m i c r o c r a c k g e o m e t r i e s , w e c h o o s e t o d e s c r i b e t h e l a y e r m o d u l u s i n t e r m s o f L a w s a n d B r o c k e n b r o u g h [ 7 8 ] . T a b l e 2 3 s u m m a r i z e s L a w s a n d B r o c k e n b r o u g h [ 7 8 ] m i c r o c r a c k i n g r e l a t i o n s , w h i c h i n c l u d e " s t a n d a r d " c r a c k g e o m e t r i e s o f c i r c u l a r , e l l i p t i c a l , a n d s l o t t y p e c r a c k g e o m e t r i e s . 3 . 5 . 2 . 2 R e l a t i v e C r a c k S i z e V e r s u s L a y e r D e p t h C o n s i d e r a t i o n s T h e n a t u r e o f t h e m i c r o c r a c k e d s u r f a c e l a y e r ( s ) f o r p a r t i c u l a r m i c r o c r a c k e d b o d i e s c a n b e c l a s s i f i e d i n t e r m s o f t h e m e a n m i c r o c r a c k s i z e < c > a n d t h e d e p t h o f t h e m i c r o c r a c k d a m a g e l a y e r , d 2 ' I n t h i s p a p e r , w e s h a l l c o n s i d e r t w o l i m i t s o f r e l a t i v e c r a c k / l a y e r d e p t h . I f < c > < < d t h e n t h e m i c r o c r a c k e d l a y e r i t s e l f c a n b e £ 1 c o n s i d e r e d t o b e a t h r e e - d i m e n s i o n a l b o d y . W i t h i n t h e m i c r o c r a c k e d l a y e r , t h e i m p l i c i t a s s u m p t i o n [ 7 8 , 1 8 2 , 1 8 3 ] t h a t t h e m i c r o c r a c k s a r e d i s t r i b u t e d h o m o g e n e o u s l y i n s p a c e ( o v e r s i z e s c a l e s l a r g e c o m p a r e d t o 2 2 9 < c > , t h e m e a n c r a c k d i m e n s i o n ) m a y o r m a y n o t b e v a l i d * . I f t h e a s s u m p t i o n o f s p a t i a l h o m o g e n e i t y o f m i c r o c r a c k d i s t r i b u t i o n i s r e a s o n a b l e a n d i f t h e c r a c k a l i g n m e n t , c r a c k g e o m e t r y , a n d c r a c k n u m b e r d e n s i t y i n t h e l a y e r ( s ) c a n b e d e t e r m i n e d o r e s t i m a t e d , t h e n t h e e f f e c t i v e m o d u l u s o f t h e m i c r o c r a c k e d l a y e r c a n b e c a l c u l a t e d b a s e d o n m o d u l u s - m i c r o c r a c k i n g r e l a t i o n s h i p s i n t r o d u c e d b y B u d i a n s k y a n d O ' C o n n e l l [ 7 6 ] , S a l g a n i k [ 1 4 1 ] , a n d o t h e r s [ 7 7 , 7 8 , 1 8 2 ] . T h e e f f e c t i v e e l a s t i c m o d u l u s o f t h e e n t i r e s p e c i m e n c a n t h e n b e c a l c u l a t e d b a s e d o n a R u l e o f M i x t u r e s o r a d y n a m i c m o d u l u s m o d e l d e v e l o p e d b y t h e a u t h o r s ( e q u a t i o n s 7 3 , 7 5 , 8 0 c , 8 8 b ) . T h e c a s e t h a t < c > < < d c o u l d c o r r e s p o n d p h y s i c a l l y , f o r e x a m p l e , t o a m i c r o c r a c k e d 2 s p e c i m e n i n w h i c h t h e m i c r o c r a c k d a m a g e d s u r f a c e l a y e r ( s ) r e s u l t e d f r o m a d i f f u s i v e l y - i n d u c e d p h a s e m a r t e n s i t i c - t y p e p h a s e t r a n s f o r m a t i o n . A l t e r n a t i v e l y , t h e c a s e t h a t < c > < < d 2 m i g h t c o r r e s p o n d t o a l a y e r e d c o m p o s i t e s p e c i m e n i n w h i c h t h e l a y e r s w h e r e m i c r o c r a c k e d . * I f < c > - d t h e n t h e c r a c k l a y e r d e p t h i s d e f i n e d b y t h e 2 ’ p e n e t r a t i o n o f t h e c r a c k s i n t h e m i c r o c r a c k e d l a y e r ( a s s u m e d p e r p e n d i c u l a r c r a c k s ) . T h i s c a s e m i g h t c o r r e s p o n d t o , f o r e x a m p l e , a s u r f a c e c r a c k a r r a y f o r m e d v i a s u r f a c e g r i n d i n g [ 8 3 ] o r t h e r m a l s h o c k o f a b r i t t l e m a t e r i a l . A l t e r n a t i v e l y , < c > - d , 2 w o u l d c o r r e s p o n d t o t h e m o d e l c r a c k f i e l d f o r m e d b y a n a r r a y o f i n d e n t a t i o n c r a c k s o n o n e o r m o r e s u r f a c e s o f a s p e c i m e n . * H o m o g e n e o u s d i s t r i b u t i o n i n s p a c e r e f e r s h e r e t o t h e l o c a t i o n o f , f o r e x a m p l e , t h e c e n t r o i d s o f t h e c r a c k s u r f a c e s . H o m o g e n e o u s s p a t i a l d i s t r i b u t i o n m a k e s n o a s s u m p t i o n s a b o u t t h e m u t u a l o r i e n t a t i o n o f t h e c r a c k f a c e s . 2 3 0 A l t h o u g h i n d e n t a t i o n c r a c k s h a v e b e e n u s e d a s m o d e l c r a c k s i n a n u m b e r o f s t u d i e s , t h e d e t a i l i n d e n t a t i o n c r a c k m o r p h o l o g y i s n o t i n c l u d e d i n t h e s t a n d a r d s c o n s i d e r e d c r a c k g e o m e t r i e s ( c i r c u l a r , e l l i p t i c a l a n d s l o t , a s l i s t e d i n t a b l e 2 3 ) . 3 . 5 . 2 . 3 I n d e n t a t i o n C r a c k s a s a n E x a m p l e o f a M o d e l C r a c k S y s t e m S h a r p i n d e n t e r s ( s u c h a s V i c k e r s o r K n o o p ) m a y p r o d u c e a n " i d e a l " d i s t r i b u t i o n o f s u r f a c e m i c r o c r a c k s , i n w h i c h t h e n u m b e r , s i z e , a n d s p a t i a l l o c a t i o n o f t h e m i c r o c r a c k s c a n b e c o n t r o l l e d . H o w e v e r , t o m o d e l a n a r r a y o f i n d e n t a t i o n c r a c k s , w e s h o u l d c o n s i d e r i n s o m e d e t a i l t h e m o r p h o l o g y o f i n d i v i d u a l i n d e n t a t i o n c r a c k s , s i n c e t h e m o d u l u s - m i c r o c r a c k i n g r e l a t i o n s ( e q u a t i o n 6 1 a n d T a b l e 2 3 ) a r e p o s e d i n t e r m s o f < A 2 > , t h e m e a n o f t h e s q u a r e o f t h e c r a c k s i z e , a n d < P > , t h e m e a n c r a c k p e r i m e t e r ( e q u a t i o n 1 0 0 ) . F o r V i c k e r s i n d e n t a t i o n c r a c k s , t w o i d e a l i z e d c r a c k m o r p h o l o g i e s a r e t y p i c a l l y c i t e d [ 1 8 4 , 1 8 5 ] : ( 1 ) h a l f p e n n y o r s e m i c i r c u l a r r a d i a l - m e d i a n c r a c k s y s t e m , a n d ( 2 ) P a l m q v i s t c r a c k s , c o n s i s t i n g o f a s y s t e m o f s e p a r a t e s e m i - e l l i p t i c a l c r a c k s ( s e e f i g u r e 6 3 f o r s c h e m a t i c s o f e a c h i d e a l i z e d c r a c k s y s t e m ) . V i c k e r s i n d e n t a t i o n i n d u c e d P a l m q v i s t c r a c k s h a v e b e e n o b s e r v e d i n c e r a m i c s , g l a s s c e r a m i c s , a n d c e r m e t s [ 1 8 6 - 1 9 1 ] . S o m e r e s e a r c h e r s h a v e a r g u e d t h a t t h e P a l m q v i s t - t y p e c r a c k m o r p h o l o g y o c c u r s a t l o w i n d e n t l o a d s ( f o r a c / a r a t i o l e s s t h a n a b o u t 3 , w h e r e t h e c r a c k l e n g t h c a n d i n d e n t d i a g o n a l l e n g t h a a r e d e f i n e d i n f i g u r e 6 3 ) . A t h i g h e r i n d e n t a t i o n 2 3 1 P a l m q v i s t c r a c k i g u r e 6 3 . S c h e m a t i c s o f ( a ) i n d e n t a t i o n h a l f e l l i p s e c r a c ( b ) P a l m q v i s t c r a c k . 2 3 2 L o a d s t h e c r a c k m o r p h o l o g y s w i t c h e s t o t h e h a l f - p e n n y t y p e [ 1 8 6 - 1 8 9 ] . H o w e v e r , P a l m q v i s t c r a c k s a r e n o t n e c e s s a r i l y l i m i t e d t o l o w l o a d r e g i m e s , a n d P a l m q v i s t c r a c k m o r p h o l o g i e s a r e n o t a l w a y s l i m i t e d t o a n i d e a l i z e d s y s t e m o f f o u r s e m i - e l l i p t i c a l c r a c k s p e r V i c k e r s i n d e n t . i y s e r i a l p o l i s h i n g , S h e t t y e t a l . o b s e r v e d n o n - i d e a l P a l m q v i s t c r a c k s g e n e r a t e d b y V i c k e r s i n d e n t a t i o n a t l o a d s f r o m 5 0 N t o 2 0 0 N i n S o r n i n g P y r o c e r a m 9 6 0 6 g l a s s c e r a m i c s a n d a t l o a d s u p t o 5 0 0 N i n W C - 3 0 c e r m e t s [ 1 9 0 - 1 9 1 ] . T h u s , e v e n a t r e l a t i v e l y h i g h l o a d s , a w e l l d e v e l o p e d r a d i a l - m e d i a n c r a c k s y s t e m ( a h a l f — p e n n y c r a c k ) w a s n o t o b s e r v e d f o r t h e P y r o c e r a m a n d W C - C o c e r m e t s [ 1 9 0 , 1 9 1 ] . I n a d d i t i o n t o P a l m q v i s t c r a c k s , t h e " h a l f - p e n n y " o r s e m i c i r c u l a r c r a c k i s t h e s e c o n d i d e a l i z e d f o r m o f V i c k e r s i n d e n t a t i o n c r a c k s [ 9 1 , 1 9 2 ] . A s n o t e d a b o v e , c e r a m i c s t h a t e x h i b i t P a l m q v i s t c r a c k m o r p h o l o g i e s a t l o w l o a d s m a y d e v e l o p h a l f p e n n y c r a c k s a t h i g h e r l o a d s . T h u s t h e h a l f p e n n y c r a c k m o r p h o l o g y h a s b e e n t e r m e d a " f u l l y - d e v e l o p e d r a d i a l - m e d i a n c r a c k s y s t e m . " T h e i d e a l h a l f - p e n n y m o r p h o l o g y a l s o m a y b e d i s r u p t e d b y m i c r o s t r u c t u r a l f e a t u r e s . I f a p o l y c r y s t a l l i n e s p e c i m e n ' s g r a i n s i z e a p p r o a c h e s t h e i n d e n t i m p r e s s i o n s i z e , t h e n V i c k e r s i n d e n t c r a c k s c a n e x h i b i t a n u m b e r o f c o m p l i c a t e d s y s t e m s o f m u l t i p l e c r a c k s i n w h i c h t h e c r a c k s t e n d t o f o l l o w g r a i n b o u n d a r i e s [ 1 9 3 ] . T o a c c u r a t e l y m o d e l a s y s t e m o f i n d e n t a t i o n c r a c k s , w e t h u s m u s t d e t e r m i n e t h e p a r t i c u l a r c r a c k m o r p h o l o g y , w h i c h c a n i n f a c t d e p e n d o n t h e i n d e n t a t i o n l o a d , t h e s p e c i m e n ' s m i c r o s t r u c t u r e , t h e r e l a t i v e l o a d r a n g e , a n d a n u m b e r o f o t h e r f a c t o r s . I t i s o n l y w h e n o u r a s s u m e d ( o r 2 3 3 n e a s u r e d ) c r a c k g e o m e t r y i s r e a l i s t i c t h a t w e c a n u t i l i z e t h e f l e x i b i l i t y o f t h e i n d e n t a t i o n - g e n e r a t e d c r a c k s t o t e s t s u r f a c e n i c r o c r a c k i n g - m o d u l u s t h e o r i e s . F o r b o t h V i c k e r s a n d K n o o p i n d e n t a t i o n s , a p l a s t i c a l l y d e f o r m e d z o n e , c o m m o n l y t a k e n t o b e h e m i s p h e r i c a l i n s h a p e , i s f o r m e d d i r e c t l y > e l o w t h e i n d e n t i m p r e s s i o n ( f i g u r e 6 3 ) . I n o r d e r t o t e s t " m i c r o c r a c k a l i g n m e n t " r e l a t i o n s , o n e n e e d s a s y s t e m i n w h i c h t h e c r a c k s a r e w e l l i e f i n e d . A " m o d e l " c r a c k s y s t e m , s u c h a s t h a t p r o v i d e d b y i n d e n t a t i o n : r a c k s , c a n s e r v e t h a t p u r p o s e . F r o m a n e x p e r i m e n t a l s t a n d p o i n t , i n d e n t a t i o n c r a c k s a r e q u i t e : o n v e n i e n t f o r a s t u d y o f s u r f a c e - l i m i t e d m i c r o c r a c k d a m a g e . V i a i n d e n t a t i o n , a c o n t r o l l e d a r r a y o f c r a c k s c a n b e i n t r o d u c e d i n t o t h e s p e c i m e n s u r f a c e ( s ) , w h e r e t h e i n d e n t a t i o n c r a c k s i z e , c r a c k o r i e n t a t i o n , a n d c r a c k l o c a t i o n c a n b e c o n t r o l l e d b y t h e e x p e r i m e n t e r . F o r a m i c r o c r a c k f i e l d p r o d u c e d b y i n d e n t a t i o n a t a f i x e d l o a d , t h e l a y e r t h i c k n e s s o f t h e m i c r o c r a c k e d s u r f a c e l a y e r w i l l b e i d e n t i c a l t o t h e m e a n d e p t h o f t h e i n d e n t a t i o n c r a c k s ( f i g u r e 6 4 ) , t h u s t h e t h e o r i e s a s s u m i n g a t h r e e - d i m e n s i o n a l c r a c k a r r a y m a y n o t b e a d e q u a t e t o d e s c r i b e t h e m o d u l u s o f t h e d a m a g e d l a y e r s . I n a d d i t i o n , t h e i n d e n t a t i o n c r a c k g e o m e t r y d o e s n o t c o i n c i d e w i t h t h e s t a n d a r d : r a c k g e o m e t r i e s l i s t e d i n t a b l e 2 3 . F i n a l l y , t h e r e i s a r e s i d u a l s t r e s s f i e l d a s s o c i a t e d w i t h i n d e n t a t i o n - i n d u c e d m i c r o c r a c k s t h a t m a y a l t e r t h e m e a s u r e d e l a s t i c m o d u l u s . 2 3 4 I d e a l i z e d 2 - d i m e n s i o n a l s l i t c r a c k * I d e a l i z e d h a l f - e l l i p s e c r a c k ( a ) * I n d e n t a t i o n c r a c k J R I n d e n t a t i o n i m p r e s s i o n V \ P l a s t i c z o n e I n d e n t a t i o n c r a c k ( b ) d i m e n s i o n a l m o d e l o f i n d e n t a t i o n c r a c k M o d i fi e d t o a c c o u n t f o r p l a s t i c z o n e l i g a m e n t ( C ) i g u r e 6 4 . M o d i f i c a t i o n o f c r a c k g e o m e t r y t o a c c o u n t f o r p l a s t i c z o n e l i g a m e n t o f V i c k e r s i n d e n t a t i o n i n d u c e d c r a c k . 2 3 5 T o t r e a t t h e c a s e t h a t < c > = d £ , w e s h a l l c o n s i d e r b o t h t w o d n m n s i o n a l a n d t h r e e d i m e n s i o n a l m i c r o c r a c k s m o d e l s . T h e g e o m e t r y o f e v e n f u l l y - d e v e l o p e d i n d e n t a t i o n c r a c k s d i f f e r s f n m n t h e i d e a l i z e d c r a c k g e o m e t r i e s l i s t e d i n T a b l e 2 3 . I n a d d i t i o n u > a s e m i c i r c u l a r o r s e m i e l l i p t i c a l s h a p e ( r a t h e r t h a n a c i r c u l a r o r E U i p t i c a l s h a p e ) , t h e f a c e s o f t h e i n d e n t a t i o n c r a c k s a r e j o i n e d b y a p l a s t i c z o n e l i g a m e n t t h a t j o i n s t h e c r a c k s u r f a c e s ( f i g u r e 6 4 ) . F o r t h r e e - d i m e n s i o n a l m i c r o c r a c k d i s t r i b u t i o n s , w e c a n s t i l l r e p r e s e n t t h e c r a c k g e o m e t r y i n t e r m s o f t h e g e n e r a l i z e d g e o m e t r y p a r a m e t e r G = < A 2 > / < P > , w h e r e w e c o m p u t e t h e m e a n c r a c k a r e a < A > a n d c r a c k p e r i m e t e r < P > a s t h e y a r e m o d i f i e d b y t h e p r e s e n c e o f t h e p l a s t i c a l l y d e f o r m e d z o n e " l i g a m e n t . " F o r e x a m p l e , f o r a n u n m o d i f i e d s e m i - e l l i p t i c a l c r a c k , t h e m e a n c r a c k a r e a i s g i v e n b y n b d / 2 , w h e r e b a n d d a r e t h e s e m i m a j o r a n d s e m i m i n o r a x e s o f t h e e l l i p s e , r e s p e c t i v e l y . T o a c c o u n t f o r t h e c r a c k f a c e a r e a r e d u c t i o n d u e t o t h e p l a s t i c z o n e l i g a m e n t , w e s u b t r a c t 2 1 d 1 / 2 , w h e r e h i s t h e r a d i u s o f t h e l i g a m e n t ( p l a s t i c z o n e ) i n t h e p l a n e o f t h e s e m i - e l l i p t i c a l c r a c k . T a b l e 2 4 c o m p a r e s t h e e x p r e s s i o n s f o r u n m o d i f i e d s l i t a n d s e m i - e l l i p t i c a l c r a c k s a n d m o d i f i e d e x p r e s s i o n s . A l t e r n a t i v e l y , t h e i n d e n t a t i o n c r a c k s u r f a c e - d a m a g e d l a y e r c a n b e m o d e l e d a s a t w o d i m e n s i o n a l c r a c k d i s t r i b u t i o n i n - w h i c h a n a r r a y o f t t r r c n a g h - p l a t e c r a c k s a r e , f o r e x a m p l e , o r i e n t e d n o r m a l t o t h e p l a n e o f t h e p l a t e ( A p p e n d i x F ) . T h i s p r o v i d e s a m o d e l m i c r o c r a c k e d l a y e r w i t h l i t L i e f p n i t t e i d c b a o 3 l t D - t o s m 2 2 7 r ( l - u o ) / 2 2 c 2 - 1 r h k ' / 2 2 ( c + 2 + h E ( k ) ) 2 3 6 e 2 4 . C r a c k g e o m e t r y m o d i f i c a t i o n s [ k g e o m e t r y f ( v o ) A r e a P e r i m e t e r " . + 2 l i t , u n m o d i f i e d 1 r ( l - u o ) / 2 2 c 2 2 c + 2 2 2 - f i e d 3 D s l i t 1 r ( l - u o ) / 2 2 c 2 - 1 r h / 2 2 c + 2 2 + 1 r h f e l l i p s e 2 L o d i f i e d l 6 ( l - u o ) / 3 1 r b d / 2 2 b E ( k ) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . l i f i e d 2 2 L f e l l i p s e 1 6 ( l - u o ) / 3 « ( b d - h ) / 2 2 b E ( k ) + n h d i f i e d 2 2 1 f e l l i p s e l 6 ( l - u o ) / 3 « ( b d - h K ' ) / 2 2 E ( k ) ( b + h ) l i p t i c a l - d e n t b o t t o m 2 . l m q v i s t 1 6 ( 1 - u 0 ) / 3 « b d / 4 - h d b E ( k ) + d - h ' o - u n d a m a g e d P o i s s o n ' s r a t i o - h a l f o f a v e r a g e c r a c k s i z e f o r s l i t c r a c k s 2 - d e p t h o f s l i t c r a c k s > - h a l f o f t h e m a j o r a x i s f o r e l l i p t i c a l a n d h a l f e l l i p t i c a l c r a c k s i - h a l f o f t h e m i n o r a x i s f o r e l l i p t i c a l a n d h a l f e l l i p t i c a l c r a c k s a - h a l f o f i n d e n t a t i o n i m p r e s s i o n d i a g o n a l s i z e ( k ) - c o m p l e t e e l l i p t i c a l i n t e g r a l o f t h e s e c o n d k i n d 2 2 1 / 2 k - ( b - d ) / b k ' . . ( 1 - k 2 ) 1 / 2 + P e r i m e t e r d o e s n o t i n c l u d e f r e e s u r f a c e . 2 3 7 : k s o r i e n t e d n o r m a l t o t h e s p e c i m e n s u r f a c e a n d h a v i n g a c r a c k t h e q u a l t o t h e d a m a g e d - l a y e r d e p t h , a s i s t h e c a s e f o r e n t a t i o n - i n d u c e d c r a c k s . H o w e v e r , t h e s u b s u r f a c e g e o m e t r y o f t h e e n t a t i o n c r a c k ( s e m i c i r c u l a r o r s e m i e l l i p t i c a l , f o r e x a m p l e ) c a n b e r e p r e s e n t e d i n t e r m s o f a t w o - d i m e n s i o n a l m o d e l . ( T h e t h r e e - l e n s i o n a l a n a l o g u e o f t h e t w o d i m e n s i o n a l s l i t c r a c k d i s t r i b u t i o n i s : h r e e d i m e n s i o n a l t h r o u g h - p l a t e c r a c k . ) A p p e n d i x E c o m p a r e s m o d e l s f o r a l i g n e d s l i t c r a c k s i n t h r e e - n e n s i o n a l b o d i e s ( t h e t h i r d e n t r y i n T a b l e 2 3 ) w i t h t w o d i m e n s i o n a l d e l s o f a l i g n e d s l i t c r a c k s i n p l a t e s ( A p p e n d i x F ) . I n t h e l i m i t a t t h e c r a c k l a y e r d e p t h a p p r o a c h e s t h e s p e c i m e n t h i c k n e s s , t h e r e e - d i m e n s i o n a l s l o t c r a c k e x p r e s s i o n a p p r o x i m a t e s t h e t w o - m e n s i o n a l c r a c k e x p r e s s i o n ( A p p e n d i x E ) . s p i t e t h e s i m i l a r i t y o f t h e t h r e e - d i m e n s i o n a l s l o t e x p r e s s i o n a n d 1 e t w o - d i m e n s i o n a l c r a c k m o d e l , h o w e v e r , t h e b a s i c s l o t g e o m e t r y c a n i t e n t i r e l y d e s c r i b e t h e g e o m e t r y o f a n i n d e n t a t i o n c r a c k . T h e t w o d i m e n s i o n a l c r a c k m o d e l s c a n b e m o d i f i e d t o t r e a t t h e L a s t i c z o n e ( l i g a m e n t ) o f t h e i n d e n t a t i o n c r a c k . A s s e e n o n t h e 1 r f a c e , i f t h e l e n g t h o f t h e i n d e n t a t i o n c r a c k i s 2 0 , t h e n t h i s v a l u e n c l u d e s 2 h , w h e r e 2 h i s t h e d i a m e t e r o f t h e i n d e n t a t i o n - i n d u c e d l a s t i c z o n e . T h u s o n e c a n m o d e l a s i n g l e i n d e n t a t i o n c r a c k o f l e n g t h c a s t w o s e p a r a t e i n d e n t a t i o n c r a c k s , e a c h o f l e n g t h c - h . I t h a s b e e n o b s e r v e d e x p e r i m e n t a l l y t h a t t h e o v e r a l l m o d u l u s o f p e c i m e n s s u b j e c t e d t o i n d e n t a t i o n - c r a c k d a m a g e c a n b e d e s c r i b e d w e l l ‘ . L 2 3 8 r m s o f t h r e e d i m e n s i o n a l c r a c k m o d e l s t h a t h a v e b e e n m o d i f i e d t o a t f o r t h e p l a s t i c z o n e l i g a m e n t . M o d e l E x p e r i m e n t . 1 M e a s u r e m e n t s o n U n d a m a g e d S p e c i m e n s R o o m t e m p e r a t u r e v a l u e s o f Y o u n g ' s m o d u l u s , P o i s s o n ' s r a t i o , u r e t o u g h n e s s , a n d h a r d n e s s w e r e m e a s u r e d i n o r d e r t o : ( l ) ‘ l i s h t h e " z e r o d a m a g e " v a l u e s f o r t h e e l a s t i c m o d u l i a n d ( 2 ) . d e a c h e c k o f c o n s i s t e n c y o n t h e p h y s i c a l p r o p e r t y m e a s u r e m e n t s L l u s , f r a c t u r e t o u g h n e s s ) w i t h t h e l i t e r a t u r e . F o r t h e u n d a m a g e d p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a s p e c i m e n s , t h e m e a s u r e d ; ’ s m o d u l u s w a s a p p r o x i m a t e l y 3 2 0 - 3 4 0 G P a , w i t h a s h e a r m o d u l u s ) o u t 1 3 8 t o 1 3 2 G P a a n d a P o i s s o n ' s r a t i o b e t w e e n 0 . 2 0 a n d 0 . 2 2 . i b s e r v e d r a n g e o f u n d a m a g e d e l a s t i c m o d u l u s v a l u e s c a n b e L i n e d i n t e r m s o f w e l l - k n o w n m o d u l u s v e r s u s p o r o s i t y r e l a t i o n s : n d i x H ) . T h e h a r d n e s s a n d t o u g h n e s s o f t h e a l u m i n a s p e c i m e n s d e t e r m i n e d b y I t a t i o n w e r e 1 2 . 9 G P a a n d 3 . 1 M P a m l / z , r e s p e c t i v e l y . T h e : u r e t o u g h n e s s a n d h a r d n e s s m e a s u r e d f o r a l u m i n a s p e c i m e n i n t h i s I a g r e e s r e a s o n a b l y w e l l w i t h t h e t o u g h n e s s v a l u e s o f 2 . 9 a n d 4 . 6 [ 1 1 / 2 a n d h a r d n e s s v a l u e s o f 1 3 . 1 t o 2 0 . 1 G P a r e p o r t e d b y M a r s h a l l y o r y s t a l , D C B m e t h o d ) ( T a b l e I i n r e f e r e n c e [ 9 0 ] ) , t o u g h n e s s 1 2 a s o f 2 . 5 - 5 M P a m / r e p o r t e d b y B e c h e r a n d c o w o r k e r s [ 1 9 4 ] a n d 2 3 9 1 2 t h e t o u g h n e s s v a l u e o f 2 . 1 M P a m / a n d h a r d n e s s v a l u e o f 2 3 G P a r e p o r t e d b y E v a n s a n d C h a r l e s ( s a p p h i r e , D o u b l e T o r s i o n m e t h o d ) [ 1 0 9 ] . 3 . 5 . 3 . 2 C h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e I n d e n t a t i o n C r a c k s A c o m p o s i t e l a y e r d a m a g e m o d e l d e v e l o p e d b y t w o o f t h e a u t h o r s [ 9 7 ] w a s u s e d t o e v a l u a t e t h e i n d e n t a t i o n d a t a . I n i t i a l l y , t h e u n d a m a g e d p o l y c r y s t a l l i n e s p e c i m e n i s c h a r a c t e r i z e d b y a s i n g l e , u n i f o r m e l a s t i c m o d u l u s . A s i n d e n t a t i o n d a m a g e i s i n t r o d u c e d i n t o t h e s p e c i m e n s u r f a c e , t h e s u r f a c e d a m a g e d r e g i o n s a r e m o d e l e d a s l a y e r s o f r e d u c e d m o d u l u s t h a t a r e " p e r f e c t l y " b o n d e d t o a n u n d a m a g e d s u b s t r a t e ( f i g u r e 6 5 ) . S p e c i m e n s i n d e n t e d o n a s i n g l e l o n g t r a n s v e r s e s u r f a c e w e r e t h u s m o d e l e d a s a t w o l a y e r c o m p o s i t e c o m p o s e d o f a n i n d e n t a t i o n - d a m a g e d l a y e r p e r f e c t l y b o n d e d t o a n u n d e r l y i n g u n d a m a g e d l a y e r . S p e c i m e n s i n d e n t e d o n t h e t w o l o n g t r a n s v e r s e s u r f a c e s w e r e m o d e l e d a s a t h r e e l a y e r c o m p o s i t e , w i t h a n u n d a m a g e d m i d d l e l a y e r s a n d w i c h e d b e t w e e n i n d e n t e d t o p a n d b o t t o m l a y e r s [ 9 7 ] ( f i g u r e 6 5 ) . I n t h i s s t u d y , t h e m i c r o c r a c k n u m b e r d e n s i t y w a s o b t a i n e d d i r e c t l y f r o m t h e n u m b e r o f i n d e n t a t i o n s a n d s p e c i m e n d i m e n s i o n s . T h e s u r f a c e t r a c e o f t h e i n d e n t a t i o n c r a c k s w a s m e a s u r e d b y o p t i c a l m i c r o s c o p y d i r e c t l y f r o m t h e r a d i a l c r a c k l e n g t h . F r o m t h e t o t a l o f 1 5 4 6 i n d e n t a t i o n c r a c k s g e n e r a t e d i n t h e e x p e r i m e n t , t h e m e a n r a d i a l c r a c k l e n g t h w a s c o m p u t e d o n t h e b a s i s o f o p t i c a l m e a s u r e m e n t s f r o m 2 9 8 o f t h e i n d e n t s , o r a b o u t o n e - f i f t h o f t h e t o t a l n u m b e r o f i n d e n t s g e n e r a t e d i n t h e s t u d y ( T a b l e 2 5 ) . T h e m e a n r a d i a l c r a c k l e n g t h , F i g u r e 6 5 . w S s h c u h e r e n f m a a i c t n e i d . c e s n t o a f t i ) ( o a n t a w m o a g d a l e r y i e s a n n t d r i o ( d b u ) c e h t d r i e n e t o l a s y p e e r c i c m o e m n p o s i t e s 2 4 0 n e u t r a l p l a n e t w o l a y e r c o m p o s i t e m o d e l n e u t r a l p l a n e . _ _ . _ — m o . “ — — | e t h r e e l a y e r c o m p o s i t e m o d e l 2 4 1 d e t e r m i n e d o p t i c a l l y u s i n g t h e V i c k e r s m i c r o i n d e n t e r a g r e e d t o w i t h i n a p p r o x i m a t e l y 1 5 t o 2 0 p e r c e n t w i t h t h e f r a c t o g r a p h i c m e a s u r e m e n t s o f t h e m a j o r a x i s l e n g t h o f t h e i n d e n t c r a c k s ( f i g u r e 6 6 ) . T h e s h a p e a n d d e p t h o f t h e i n d e n t a t i o n c r a c k s w e r e d e t e r m i n e d f r a c t o g r a p h i c a l l y , s i n c e t h e s e p a r a m e t e r s w e r e n o t a c c e s s i b l e d i r e c t l y f r o m t h e s u r f a c e o f t h e i n d e n t e d a l u m i n a b a r s . F o r e a c h o f t h e t h r e e i n d e n t a t i o n l o a d s u s e d i n t h i s s t u d y , t h e i n d e n t a t i o n - i n d u c e d c r a c k s w e r e e l l i p t i c a l ( f i g u r e 6 6 ) , w i t h t h e m a j o r a x i s o r i e n t e d a l o n g t h e s p e c i m e n s u r f a c e a n d t h e m i n o r a x i s p e r p e n d i c u l a r t o t h e s p e c i m e n s u r f a c e . T h e c r a c k " d e p t h " t h u s c o r r e s p o n d s t o t h e m i n o r a x i s o f t h e i n d e n t a t i o n c r a c k s . F i v e c r a c k d e p t h m e a s u r e m e n t s w e r e m a d e f o r t h e i n d e n t a t i o n l o a d s o f 4 9 N a n d 9 8 N , w h i l e t h r e e c r a c k d e p t h m e a s u r e m e n t s w e r e m a d e f o r i n d e n t a t i o n l o a d o f 1 9 6 N . T h e o p t i c a l l y d e t e r m i n e d m e a n r a d i a l c r a c k l e n g t h s w e r e d e t e r m i n e d f o r u p t o a h u n d r e d o r m o r e i n d e n t a t i o n s a t a g i v e n l o a d ( T a b l e 2 ) , w h i l e t h e f r a c t o g r a p h i c m e a s u r e m e n t s o f c r a c k d e p t h w e r e d e t e r m i n e d f o r r e l a t i v e l y f e w c r a c k s . T h u s , t h e s t a t i s t i c s o f t h e r a d i a l c r a c k l e n g t h s w e r e v e r y m u c h b e t t e r t h a n t h e s t a t i s t i c s f o r t h e c r a c k d e p t h m e a s u r e m e n t s . I n o r d e r t o t a k e a d v a n t a g e o f t h e g o o d r a d i a l c r a c k l e n g t h s t a t i s t i c s , a n " e f f e c t i v e c r a c k d e p t h " w a s d e t e r m i n e d i n t h e f o l l o w i n g w a y . T h e r a t i o o f c r a c k d e p t h t o r a d i a l c r a c k l e n g t h w a s a s s u m e d t o b e c o n s t a n t a t e a c h l o a d . T h e " e f f e c t i v e c r a c k d e p t h " w a s c o m p u t e d b y m u l t i p l y i n g t h e m e a n r a d i a l c r a c k l e n g t h ( T a b l e 2 5 ) b y t h e r a d i a l 2 4 2 F i g u r e 6 6 . M i c r o g r a p h s o f c o m p r e s s i o n s i d e f r a c t u r e s u r f a c e s h o w i n g t h e s h a p e a n d s i z e o f m e d i a n c r a c k f o r ( a ) 4 9 N , ( b ) 9 8 N , ( c ) 1 9 6 N l o a d i n d e n t a t i o n s . . v ' 1 ’ 9 4 . a t ” I T 1 ’ 3 - : ‘ I ‘ ' - 2 4 3 c r a c k l e n g t h / c r a c k d e p t h r a t i o m e a s u r e d f r o m t h e m i c r o g r a p h s . E f f e c t i v e d e p t h s w e r e c a l c u l a t e d t o b e 0 . 1 0 0 m m , 0 . 1 4 4 m m , a n d 0 . 2 3 9 m m f o r t h e 4 9 N , 9 6 N , a n d 1 9 6 N , r e s p e c t i v e l y , a c c o r d i n g t o t h e p r o c e d u r e d e s c r i b e d a b o v e . F o r e a c h o f t h e t h r e e l o a d s , t h e m e a s u r e d m e a n c r a c k d e p t h a n d t h e c o m p u t e d e f f e c t i v e c r a c k d e p t h a g r e e d t o w i t h i n 1 7 . 7 p e r c e n t ( T a b l e 2 6 ) . 3 . 5 . 3 . 3 M o d u l u s D e c r e m e n t a s a F u n c t i o n o f V i c k e r s I n d e n t a t i o n D a m a g e I n t h i s s t u d y , t h e Y o u n g ' s m o d u l i w e r e d e t e r m i n e d u s i n g t h e f u n d a m e n t a l f l e x u r a l r e s o n a n c e f r e q u e n c i e s o f p r i s m a t i c b a r s h a p e d s p e c i m e n s , t h u s t h e m e a s u r e d m o d u l i r e p r e s e n t t h e i n - p l a n e m o d u l u s a l o n g t h e l e n g t h d i r e c t i o n o f t h e s p e c i m e n [ 1 0 1 ] . T h e r e f o r e , w e a s s u m e t h a t o n l y t h e c r a c k s t h a t a r e a l i g n e d n o r m a l t o t h e s p e c i m e n l e n g t h c o n t r i b u t e t o t h e Y o u n g ' s m o d u l u s c h a n g e . T h e n o r m a l i z e d Y o u n g ’ s m o d u l u s c h a n g e , ( E o - E ) / E o , i n c r e a s e d l i n e a r l y a s n u m b e r d e n s i t y o f i n d e n t a t i o n s i n c r e a s e d ( T a b l e s 2 7 a n d F i g u r e 6 7 ) . T h e s l o p e s p r e s e n t e d i n T a b l e 2 7 w e r e o b t a i n e d b y l e a s t - s q u a r e s f i t t i n g o f t h e ( E 0 - E ) / E O v e r s u s N d a t a . T h e u n c e r t a i n t i e s i n s l o p e w e r e c a l c u l a t e d f r o m a c o m m e r c i a l l i n e a r r e g r e s s i o n a n d p l o t t i n g p a c k a g e ( P L O T I T , S c i e n t i f i c P r o g r a m m i n g E n t e r p r i s e s , H a s l e t t , M I ) . T h e c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t w a s g r e a t e r t h a n 0 . 9 9 3 f o r e a c h o f t h e s i x s p e c i m e n s , e x c e p t f o r t h e s p e c i m e n i n d e n t e d o n b o t h s u r f a c e s a t a 4 9 N l o a d , w h e r e t h e c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t w a s 0 . 9 8 9 . 2 4 4 T a b l e 2 5 . M e a n r a d i a l c r a c k l e n g t h s a s a f u n c t i o n o f i n d e n t l o a d , a s m e a s u r e d o p t i c a l l y f o r t h e i n d i c a t e d n u m b e r o f i n d e n t a t i o n s i t e s . L o a d ( N ) R a d i a l c r a c k N u m b e r o f r a d i a l T o t a l n u m b e r o f i n d e n t s l e n g t h ( m m ) c r a c k l e n g t h s m e a s u r e d p e r s p e c i m e n * * 4 9 0 . 2 2 7 6 1 0 . 0 2 0 3 1 2 8 2 8 0 ( S ) , 2 6 0 ( B ) 9 8 0 . 3 7 0 1 i 0 . 0 3 5 1 1 3 2 2 3 8 ( S ) , 5 5 2 ( B ) 1 9 6 0 . 6 4 4 8 i 0 . 0 3 1 9 3 8 1 5 0 ( S ) , 6 6 ( B ) * S i n d i c a t e s t h a t o n l y s i n g l e l o n g t r a n s v e r s e f a c e s o f t h e s p e c i m e n w a s i n d e n t e d , w h i l e B i n d i c a t e s t h a t b o t h l o n g t r a n s v e r s e f a c e s o f t h e s p e c i m e n w a s i n d e n t e d . T a b l e 2 6 . I n d e n t a t i o n c r a c k d e p t h a s a m e a s u r e d f r o m m i c r o g r a p h s o f f u n c t i o n o f i n d e n t l o a d , a s f r a c t u r e s u r f a c e . L o a d ( N ) C r a c k d e p t h R a t i o o f c r a c k E f f e c t i v e c r a c k ( m m ) d e p t h t o r a d i a l d e p t h ( m m ) c r a c k l e n g t h 4 9 0 . 1 1 0 i 0 . 0 1 0 0 . 4 4 0 . 1 0 0 9 8 0 . 1 7 5 i 0 . 0 2 3 0 . 3 9 0 . 1 4 4 1 9 6 0 . 2 5 0 0 . 3 7 0 . 2 3 9 T a b l e 2 7 . E x p e r i m e n t a l l y d e t e r m i n e d s l o p e S , o f t h e ( E 0 - E ) / E o v e r s u s , 2 N ( m m ) d a t a , w h e r e ( E o - E ) / E o i s t h e n o r m a l i z e d v a l u e o f t h e m o d u l u s c h a n g e d u e t o a s u r f a c e c r a c k n u m b e r d e n s i t y N o f m i c r o c r a c k s i n t h e p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a s p e c i m e n s . L o a d ( N ) S l o p e , s i n g l e S l o p e , b o t h s u r f a c e i n d e n t e d s u r f a c e s i n d e n t e d _ 2 , 3 - 2 , 3 4 9 0 . 5 3 9 x 1 0 _ 2 i 0 . 1 6 x 1 0 ' 3 0 . 4 7 5 x 1 0 _ 2 i 0 . 4 2 x 1 0 _ 3 9 8 1 . 1 6 2 x 1 0 _ 2 i 0 . 2 7 x 1 0 _ 3 1 . 1 5 9 x 1 0 _ 2 i 0 . 2 7 x 1 0 _ 3 1 9 6 6 . 7 4 9 x 1 0 i 0 . 4 9 x 1 0 7 . 4 2 2 x 1 0 i 0 . 6 l x 1 0 c m h i a c n r g o e c r d a u c e k s . t o a s u r f a c e c r a c k n u m b e r d e n s i t y N o f 2 4 5 fl ) 3 ? 0 . 0 2 5 - e e - « ~ ~ 1 - - — — - r - - - . . , . . . . - . . , ‘ « 4 4 " : - ‘ " " r ‘ “ " ‘ l “ " " ‘ 7 " " " ” “ ' w ” T ” l d o 4 9 N i n d e n t e d o n s i n g l e s u r f a c e , 5 4 u 4 9 N i n d e n t e d o n b o t h s u r f a c e s “ g A 9 8 N i n d e n t e d o n s i n g l e s u r f a c e _ : g 0 - 0 2 0 ‘ o 9 0 N i n d e n t e d o n b o t h s u r f a c e s ' ' 3 v 1 9 6 N i n d e n t e d o n s i n g l e s u r f a c e _ _ = ' c o ] e 1 9 0 N i n d e n t e d o n b o t h s u r f a c e s ° t fl 0 . 0 1 5 4 - a l / 7 5 2 2 ° 0 . 0 1 0 4 [ , 1 _ . 0 v 1 " > 2 _ , v , “ f a / ” , 9 . . ' U 9 2 9 ” I n f - ” o . . . g 0 0 0 5 - ] f o a ! 4 , “ A - . . N I L " F , . J 3 1 E " " ’ ° n e w - M - e - v r u ' j . ’ : ; ~ . - . ° . : = ' — ' = ‘ % ' : f _ . - . O z 0 . 0 0 . 2 0 . 4 - 0 . 6 N u m b e r D e n s i t y o f I n d e n t a t i o n C r a c k s ( m m — ' 2 ) . _ 2 F i g u r e 6 7 . E x p e r i m e n t a l r e s u l t s o f t h e ( E C - E ) / E v e r s u s N ( m m ) w h e r e ( E - E ) / E o i s t h e n o r m a l i z e d v a l u e o f t h e m o d u l u s 2 4 6 T h e l a c k o f s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e s b e t w e e n t h e ( E 0 - E ) / E O v e r s u s N s l o p e s f o r s p e c i m e n s i n d e n t e d o n a s i n g l e l o n g t r a n s v e r s e f a c e a n d t h o s e s p e c i m e n s i n d e n t e d o n b o t h l o n g t r a n s v e r s e f a c e s h a s a i m p o r t a n t i m p l i c a t i o n f o r c o m p r e s s i v e s t r e s s e f f e c t s ( T a b l e 2 7 ) . R e s i d u a l s t r e s s f i e l d s a r e k n o w n t o a c c o m p a n y V i c k e r ' s i n d e n t a t i o n [ 1 9 5 , 1 9 6 ] . A s t h e n u m b e r o f i n d e n t a t i o n s i n c r e a s e , a d e v e l o p i n g l a y e r o f c o m p r e s s i v e s t r e s s f r o m t h e i n d e n t a t i o n c r a c k f i e l d m i g h t p e r t u r b t h e m o d u l u s m e a s u r e m e n t s . W h i l e c o m p r e s s i v e s t r e s s e s o n a s i n g l e s p e c i m e n f a c e m i g h t s l i g h t l y p e r t u r b t h e m e a s u r e d m o d u l u s , e q u i v a l e n t c o m p r e s s i v e s t r e s s e s o n t w o o p p o s i n g l o n g t r a n s v e r s e f a c e s o f t h e s p e c i m e n s h o u l d h a v e a z e r o n e t e f f e c t [ 1 9 7 ] o n t h e m o d u l u s m e a s u r e d b y t h e s o n i c r e s o n a n c e t e c h n i q u e , a s w a s t h e c a s e i n t h i s s t u d y . C o m p r e s s i v e s t r e s s e s t h u s m i g h t s l i g h t l y p e r t u r b t h e m o d u l u s m e a s u r e d f o r s p e c i m e n s i n d e n t e d o n a s i n g l e s p e c i m e n f a c e , b u t s u c h p e r t u r b a t i o n s s h o u l d b e a b s e n t f o r s p e c i m e n s i n d e n t e d o n t w o f a c e s . T h e e q u i v a l e n c e o f t h e ( E 0 — E ) / E o v e r s u s N s l o p e s f o r s p e c i m e n s i n d e n t e d o n a s i n g l e f a c e a n d s p e c i m e n s i n d e n t e d o n t w o f a c e s i m p l i e s t h a t c o m p r e s s i v e - s t r e s s - i n d u c e d p e r t u r b a t i o n s o f t h e m e a s u r e d m o d u l u s c h a n g e d a t a a r e n o t s i g n i f i c a n t , a t l e a s t g i v e n t h e l e v e l o f e x p e r i m e n t a l u n c e r t a i n t y i n v o l v e d i n t h i s s t u d y ( T a b l e 2 7 ) . T a b l e s 2 8 a n d 2 9 c o m p a r e t h e s l o p e s o f e x p e r i m e n t a l v a l u e s o f ( E o - E ) / E 0 v e r s u s N ( m m - 3 ) w i t h t h a t o f t h e o r y p r e d i c t i o n s f r o m e a c h o f e i g h t d i f f e r e n t c r a c k g e o m e t r i e s [ 1 9 8 ] ( f i g u r e s 6 8 a n d 6 9 ) . T h e c r a c k n u m b e r d e n s i t y f o r t h e t h r e e - d i m e n s i o n a l c r a c k d i s t r i b u t i o n s w e r e c a l c u l a t e d f r o m t h e v o l u m e o f t h e " d a m a g e d l a y e r " , a n d t h e n u m b e r o f F i g u r e 6 8 ( a ) . T N f N h r ( e o i m m n c m d o e e m a n p ) c t a h a r w t i o i i s f t o o h n n e o y g o f n h a e m . a t d i d l i x d c p i e f r b f i e e m a r e m e n n t v t a i l b c r r v a a a t c l i k u o e n g o t o f h m e e ( o t E r r a y i - e E p s ) r e / e f E d o o i r c s n v t ( e i a r o ) u s 4 s 9 2 4 7 1 m o d i f i e d 3 D c r a c k , e d I I ( e l l i p t i c a l i n d e n t b o t t o m ) 2 m o d i f i e d 3 D c r a c k , e d 1 1 3 3 D s l i t c r a c k , u n m o d i f i e d 4 h a l f - e l l i p s e c r a c k , u n m o d i f i e d 5 3 D s l i t c r a c k m o d i f i e d ( e l l i p t i c a l i n d e n t b o t t o m ) 6 3 D s l i t c r a c k m o d i f i e d 7 m o d i f i e d h a l f - e l l i p s e ( e l l i p t i c a l i n d e n t b o t t o m ) 8 m o d i f i e d h a l f - e l l i p s e % 0 0 0 1 O r f I r I I ‘ F I I I l C i 0 4 9 N b o t h s u r f a c e i n d e n t e d 1 2 4 g 4 D 4 9 N s i n g l e s u r f a c e i n d e n t e d , l l / E ~ / / Q / / m 0 . 0 0 8 4 D y n a m i c b e a m v i b r a t i o n t h e o r y / ¢ ¢ ¢ - a / ’ 5 l é ¢ / 3 a 1 3 ' é ¢ ¢ g 0 . 0 0 6 ] x - I ’ 4 u m 4 ” a d ” a n , x ’ ‘ C ‘ . ’ , / 5 = 5 0 . 0 0 4 — . 2 , , _ _ o , , > 4 , , ’ 6 1 3 ‘ a ” ’ 7 J m - 8 g 0 . 0 0 2 — . n d " o O / ’ / O 2 0 . 0 0 0 I I f I f l I I j ’ T i f 0 1 2 3 4 5 6 N u m b e r D e n s i t y o f C r a c k s i n L a y e r ( m m — 3 ) m m 3 3 h 3 m m o o D a d d l i i s f D D o o d d e e l i i i t l f l f l - s s i i i e l f f i t t i i d c d i c e e r p r c d d 3 a s r 3 a D k a c a D c e a c h h , k l c l k c c f r f k , r m r u a - m - a n o c k l l c m d d l l a c o e e , k i i o i i , p p d f fi e i i e n e e e u s s f d e d m d [ 1 d 1 d ( l i e l 1 e e i d o ( i - t N U & I U Q I \ “ ( e l l i p t i c f l i i i t l p p e i d t c i a c l a l i a n ) m ' l i n i d n e d n e t n t b b t o t t o t m o ) o d e n t b o t t o m ) e g n a h C s u l u d o M s ' g n u o Y d e z i l a m r o N F i g u r e 6 8 ( b ) . c m T N f h r e ( o m m o e m a r w p c ) a h o h i i o s t f n e o y g f n h a t d i e m x d i p i c e f r b f i e e m a r e m e n n t v t a i u o l b c r r v a a a t c l i k e n g o t o f h m e e e ) r ( o t E r r D y i - e E p s / e f E d o o i r c s n v t ( e i b r ) o u s 9 s 8 2 4 8 O O ( A O i f T I f I F I I o 9 8 N b o t h s u r f a e i n d e n t e d i n 9 8 N s i n g l e s u r f a c e i n d e n t e d ‘ I I T r I I I T I # 7 D y n a m i c b e a m v i b r a t i o n t h e o r y N u m b e r D e n s i t y o f C r a c k s i n L a y e r ( m m — 3 ) N i n d e n t a t i o n l o a d . 2 4 9 m o d i f i e d 3 D c r a c k , e d 1 1 ( e l l i p t i c a l i n d e n t b o t t o m ) l 2 m o d i f i e d 3 D c r a c k , e d I I 3 3 D s l i t c r a c k , u n m o d i f i e d 4 h a l f - e l l i p s e c r a c k , u n m o d i f i e d 5 3 D s l i t c r a c k m o d i f i e d ( e l l i p t i c a l i n d e n t b o t t o m ) ' 6 3 D s l i t c r a c k m o d i f i e d 7 m o d i f i e d h a l f - e l l i p s e ( e l l i p t i c a l i n d e n t b o t t o m ) 8 m o d i f i e d h a l f - e l l i p s e g o 0 . 0 3 0 I f i r I fi I r - I I I I I j I G o 1 9 6 N b o t h s u r f a c e i n d e n t e d g i u 1 9 6 N s i n g l e s u r f a c e i n d e n t e d o 0 . 0 2 5 — 1 . _ t o D y n a m i c b e a m v i b r a t i o n t h e o r y 2 e . l 1 , 0 . 0 2 0 ~ / ' ' ' ' ' ' ' - o / 2 4 / / ” ” ” ” ” . 4 . , / ’ , / { ’ 0 0 . 0 1 5 — 2 , 4 7 1 " " " " " 6 5 e a / 7 " " " " " " " " " a - / ’ " " " " " " " " " " " " D 7 " ‘ O " " " " " " " " " " " " 8 > " 0 . 0 1 0 4 2 2 2 2 2 2 2 2 _ 1 3 2 , 0 a - E “ g 0 . 0 0 5 - . . 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N e T i h i n ( e g d m h e c m t n o t m d a p ) i t a f i r w f o i i e n s t r o h e l n n o o u l f c d . r t a e a x o c p f k e r e m r g i i e x m o t e m u n e r t t e a r s l i a r v p s e l e f u d o e i r c o t ( i f a ( E a s 4 9 n o ) - f E r N ) o E / m o e r v c e h a s s o u f 2 5 0 1 m o d i f i e d 3 D c r a c k , e d 1 1 ( e l l i p t i c a l i n d e n t b o t t o m ) 2 m o d i f i e d 3 D c r a c k , e d 1 1 3 3 D s l i t c r a c k , u n m o d i f i e d 4 h a l f - e l l i p s e c r a c k , u n m o d i f i e d 5 3 D s l i t c r a c k m o d i f i e d ( e l l i p t i c a l i n d e n t b o t t o m ) 6 3 D s l i t c r a c k m o d i f i e d 7 m o d i f i e d h a l f - e l l i p s e ( e l l i p t i c a l i n d e n t b o t t o m ) 8 m o d i f i e d h a l f - e l l i p s e & 0 0 0 0 6 I I I f i — I * r — l I I I I g : ‘ o 4 9 N b o t h s u r f a c e i n d e n t e d 1 , 3 j a 4 9 N s i n g l e s u r f a c e i n d e n t e d : O 0 . 0 0 5 4 - — m . 1 R u l e o f M i x t u r e . = 3 4 . 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N T e i h i n ( e g d m h e c m t n o t m d a ) p i t a f i r w f o i i e n s t r o h e l n o n o u l f c d . r t a e a x o c p f k e r e r m g i i e m x o e t m n u e r t t e a r s l i a r v p s e l e f u d o e i r c o t ( i f b o ) ( n E s 9 a 8 - f E r N E ) o / m o e r v c e h a s s o u f 2 5 1 m o d i f i e d 3 D c r a c k , e d I I ( e l l i p t i c a l i n d e n t b o t t o m ) m o d i fi e d 3 D c r a c k , e d 1 1 3 D s l i t c r a c k , u n m o d i fi e d h a l f - e l l i p s e c r a c k , u n m o d i fi e d 3 D s l i t c r a c k m o d i fi e d ( e l l i p t i c a l i n d e n t b o t t o m ) 3 D s l i t c r a c k m o d i fi e d m o d i fi e d h a l f - e l l i p s e ( e l l i p t i c a l i n d e n t b o t t o m ) m o d i fi e d h a l f - e l l i p s e “ fl a w - B U N H 0 . 0 2 0 r I 1 ’ I I T I I o 9 8 N b o t h s u r f a c e i n d e n t e d I I I T I I 7 T I 2 t i 9 8 N s i n g l e s u r f a c e i n d e n t e d , R u l e o f M i x t u r e 0 0 1 5 — ] — 1 0 . 0 1 0 4 , r 2 4 3 N u m b e r D e n s i t y o f C r a c k s i n L a y e r ( m m — 3 ) F i g u r e 6 9 ( c ) . T N e i h i n ( e g d m h e c m t n o t m d a p ) i t a f i r w f o i i e n s t r o h e l n n o o u f l c e r d . r t a e a x o c p f k e r m g i i e m x o e t m n u e t r t a e r l s i v p s a r l e f u d o e i r c e o t ( i f c o ) ( n s E 1 o 9 - f 6 E r o ) N E / m o e r v c e h a s s o u f 2 5 2 1 m o d i fi e d 3 D c r a c k , e d 1 1 ( e l l i p t i c a l i n d e n t b o t t o m ) 2 m o d i fi e d 3 D c r a c k , e d I I 3 3 D s l i t c r a c k , u n m o d i fi e d 4 h a l f - e l l i p s e c r a c k , u n m o d i fi e d 5 3 D s l i t c r a c k m o d i fi e d ( e l l i p t i c a l i n d e n t b o t t o m ) 6 3 D s l i t c r a c k m o d i fi e d 7 m o d i fi e d h a l f - e l l i p s e ( e l l i p t i c a l i n d e n t b o t t o m ) 8 m o d i fi e d h a l f - e l l i p s e 0 0 . 0 2 0 1 fi fi r 1 I I I I f j j 1 I I I i f 2 : 0 o 1 9 6 N b o t h s u r f a c e i n d e n t e d 2 2 n 1 9 6 N s i n g l e s u r f a c e i n d e n t e d . i : I h fl e e f l fi x t u r e : 3 0 . 0 1 5 — “ . 4 : 1 1 3 J O 2 m . 0 0 0 . 0 1 0 — 1 G : 3 o . l > 4 ' 8 0 . 0 0 5 - « , - N / ' 2 3 - , / ' a - / 3 . . , < 3 ” I o 7 . 2 0 . 0 0 0 — r j I ‘ I r I r T ? j r f — I r I C 1 0 C 1 2 0 u 4 C 1 6 C 1 8 N u m b e r D e n s i t y o f C r a c k s i n L a y e r ( m m — 3 ) 2 5 3 3 T a b l e 2 8 . T h e c o m p a r i s o n s o f t h e s l o p e s i n t h e ( E o - E ) / E o v e r s u s N ( m m - ) p l o t o f e x p e r i m e n t a l r e s u l t s w i t h t h o s e o f t h e o r e t i c a l p r e d i c t i o n ( D y n a m i c b e a m a v i b r a t i o n t h e o r y ) a s s u m i n g v a r i o u s c r a c k g e o m e t r i e s , w h e r e N ( m m ' ) w a s c a l c u l a t e d c o n s i d e r i n g o n l y l a y e r v o l u m e . 4 9 N i n d e n t e d 9 8 N i n d e n t e d 1 9 6 N i n d e n t e d * - 3 - 3 _ 2 B o t h 0 . 4 5 9 x 1 0 1 . 6 5 9 x 1 0 1 . 7 7 3 x 1 0 E x p e r i m e n t * _ 3 _ 3 _ 2 S i n g l e 0 . 6 4 4 x 1 0 1 . 6 7 3 x 1 0 1 . 6 l 3 x 1 0 M o d i f i e d s l i t 3 _ 3 _ 2 B o t h 0 . 6 6 9 x 1 0 : 3 2 . 5 9 5 x 1 0 _ 3 1 . 9 0 6 x 1 0 2 S i n g l e 0 . 6 7 9 x 1 0 2 . 5 7 9 x 1 0 1 . 9 l 4 x 1 0 M o d i f i e d h a l f e l l i p s e _ 3 _ 3 _ 2 B o t h 0 . 5 0 0 x 1 0 _ 3 1 . 9 4 1 x 1 0 _ 3 l . 4 6 5 x l O _ 2 S i n g l e 0 . 5 0 7 x 1 0 1 . 9 2 9 x 1 0 1 . 4 7 0 x 1 0 H a l f e l l i p s e _ 3 _ 3 _ 2 B o t h 0 . 9 2 7 x 1 0 _ 3 3 . 5 0 9 x 1 0 _ 3 2 . 3 0 4 x 1 0 2 S i n g l e 0 . 9 4 l x 1 0 3 . 4 8 9 x 1 0 2 . 3 2 1 x 1 0 S l i t _ 3 _ 3 _ 2 B o t h 1 . 1 4 7 x 1 0 _ 3 4 . 3 3 3 x l O _ 3 2 . 8 5 5 x 1 0 2 S i n g l e 1 1 5 9 x 1 0 4 3 1 8 x 1 0 2 . 8 9 3 x 1 0 M o d i f i e d 3 D c r a c k s e d i t i o n I I _ 3 _ 3 _ 2 B o t h 1 . 6 2 0 x 1 0 _ 3 4 . 5 8 9 x 1 0 _ 3 3 . 1 5 0 x 1 0 _ 2 S i n g l e 1 . 6 4 7 x 1 0 4 . 5 7 4 x 1 0 3 1 8 8 x 1 0 M o d i f i e d s l i t e l l i p t i c a l i n d e n t b o t t o m _ 3 - 2 B o t h 0 . 6 7 8 x 1 0 _ 3 2 . 7 9 6 x 1 0 _ 3 2 . 0 3 l x l O 2 S i n g l e 0 . 6 8 6 x 1 0 2 . 7 8 1 x 1 0 2 . 0 4 2 x 1 0 M o d i f i e d h a l f e l l i p s e e l l i p t i c a l i n d e n t b o t t o m - 3 _ 3 2 B o t h 0 . 5 0 7 x 1 0 _ 3 2 . 1 3 5 x 1 0 _ 3 1 . 5 9 0 x 1 0 : 2 S i n g l e 0 . 5 1 3 x 1 0 2 . 1 2 0 x 1 0 1 . 5 9 4 x 1 0 M o d i f i e d 3 D c r a c k s , e d . I I e l l i p t i c a l i n d e n t b o t t o m _ 3 _ 3 _ 2 B o t h 1 . 6 4 0 x 1 0 “ 3 4 . 9 4 7 x 1 0 _ 3 3 . 3 5 6 x 1 0 2 S i n g l e 1 . 6 6 6 x 1 0 4 . 9 3 2 x 1 0 3 . 4 0 1 x 1 0 * B o t h - i n d e n t e d o n b o t h s u r f a c e s , S i n g l e = i n d e n t e d o n a s i n g l e s u r f a c e . O O 2 5 4 _ 3 T a b l e 2 9 . T h e c o m p a r i s o n s o f t h e s l o p e s i n t h e ( E o - E ) / E 0 v e r s u s N ( m m ) p l o t o f e x p e r i m e n t a l r e s u l t s w i t h t h o s e o f t h e o r e t i c a l p r e d i c t i o n ( g u l e o f M i x t u r e s ) a s s u m i n g v a r i o u s c r a c k g e o m e t r i e s , w h e r e N ( m m ) w a s c a l c u l a t e d c o n s i d e r i n g o n l y l a y e r v o l u m e . 4 9 N i n d e n t e d 9 8 N i n d e n t e d 1 9 6 N i n d e n t e d - 3 - 3 , 2 B o t h * 0 . 4 5 9 x 1 0 1 . 6 5 9 x 1 0 1 . 7 7 3 x 1 0 E x p e r i m e n t * _ 3 _ 3 _ 2 S i n g l e 0 . 6 4 4 x 1 0 1 . 6 7 3 x 1 0 1 . 6 l 3 x 1 0 M o d i f i e d s l i t 3 3 2 B o t h 0 . 2 8 2 x 1 0 : 3 1 . 1 6 9 x 1 0 : 3 1 . 0 6 0 x 1 0 : 2 S i n g l e 0 . 2 8 4 x 1 0 1 1 5 3 x 1 0 1 . 0 5 2 x 1 0 M o d i f i e d h a l f e l l i p s e _ 3 _ 3 _ 2 B o t h 0 . 2 0 9 x 1 0 _ 3 0 . 8 7 4 x 1 0 _ 3 0 . 8 1 5 x 1 0 2 S i n g l e 0 . 2 1 2 x 1 0 0 . 8 6 l x 1 0 0 . 8 1 0 x 1 0 H a l f e l l i p s e _ 3 _ 3 _ 2 B o t h 0 . 3 8 7 x 1 0 _ 3 1 . 5 8 0 x 1 0 _ 3 1 2 8 3 x 1 0 2 S i n g l e 0 . 3 9 3 x 1 0 1 . 5 5 9 x 1 0 1 . 2 7 2 x 1 0 S l i t - 3 - 3 - 2 B o t h 0 . 4 7 9 x 1 0 _ _ 3 1 . 9 5 2 x 1 0 . 3 1 . 5 9 0 x 1 0 2 S i n g l e 0 . 4 8 4 x 1 0 1 . 9 2 6 x 1 0 1 . 5 8 1 x 1 0 M o d i f i e d 3 D c r a c k s e d i t i o n I I 3 3 _ 2 B o t h 0 . 6 7 7 x 1 0 - 3 2 . 0 6 7 x 1 0 - 3 1 . 7 5 3 x 1 0 2 S i n g l e 0 . 6 8 6 x 1 0 - 2 . 0 3 8 x 1 0 - 1 . 7 3 8 x 1 0 ' M o d i f i e d s l i t e l l i p t i c a l i n d e n t b o t t o m 3 3 2 B o t h 0 . 2 8 3 x 1 0 ' 3 1 . 2 5 9 x 1 0 - 3 l . l 3 l x 1 0 2 S i n g l e 0 . 2 8 7 x 1 0 - 1 . 2 4 1 x 1 0 - 1 . 1 2 l x 1 0 - M o d i f i e d h a l f e l l i p s e e l l i p t i c a l i n d e n t b o t t o m 3 3 2 B o t h 0 . 2 1 2 x 1 0 ' 3 0 . 9 6 2 x 1 0 ' 3 0 . 8 8 4 x 1 0 2 S i n g l e 0 . 2 1 5 x 1 0 ' 0 . 9 4 8 x 1 0 ' 0 . 8 7 7 x 1 0 ' . - - - - - - - - - - - - — - - - - - - - _ - - - - - ’ - ~ - - - - - ‘ - — - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - _ - - - - - - - - - . M o d i f i e d 3 D c r a c k s , e d . I I e l l i p t i c a l i n d e n t b o t t o m B o t h S i n g l e - 3 - 3 - 2 . 6 8 5 x 1 0 _ 3 2 . 2 2 8 x 1 0 _ 3 1 . 8 6 6 x 1 0 2 . 6 9 5 x 1 0 2 1 9 8 x 1 0 1 . 8 5 3 x 1 0 * B o t h - i n d e n t e d o n b o t h s u r f a c e s , S i n g l e = i n d e n t e d o n a s i n g l e s u r f a c e . 2 5 5 i n d e n t s i n a g i v e n s u r f a c e , s u c h t h a t N = n u m b e r o f i n d e n t a t i o n s / ( d e p t h o f l a y e r x s p e c i m e n w i d t h x s p e c i m e n l e n g t h ) . T h e b e s t c o r r e l a t i o n b e t w e e n d y n a m i c b e a m v i b r a t i o n t h e o r y a n d e x p e r i m e n t a l d a t a w a s o b t a i n e d f o r " m o d i f i e d " h a l f - e l l i p s e c r a c k s a n d " m o d i f i e d " h a l f e l l i p s e c r a c k s w i t h e l l i p t i c a l i n d e n t b o t t o m f o r a l l t h e l o a d s u s e d i n t h i s s t u d y , w h e r e " m o d i f i e d " r e f e r s t o m o d i f i c a t i o n s i n t h e c r a c k a r e a a n d c r a c k p e r i m e t e r t o a c c o u n t f o r t h e g e o m e t r y o f t h e i n d e n t a t i o n c r a c k . T h e b e s t c o r r e l a t i o n b e t w e e n r u l e o f m i x t u r e s t h e o r y a n d e x p e r i m e n t a l d a t a w a s o b t a i n e d f o r h a l f - e l l i p s e c r a c k s f o r 9 8 N i n d e n t a t i o n s a n d 3 D s l i t c r a c k s f o r 1 9 6 N i n d e n t a t i o n s . T a b l e s 3 0 a n d 3 1 c o m p a r e t h e s l o p e s o f e x p e r i m e n t a l v a l u e s o f ( E o - E ) / E o v e r s u s N ( m m - 2 ) w i t h t h a t o f t h e o r y p r e d i c t i o n s f r o m e a c h o f t h r e e d i f f e r e n t c r a c k g e o m e t r i e s [ 1 9 8 ] ( f i g u r e s 7 0 a n d 7 1 ) . T h e c r a c k n u m b e r d e n s i t y f o r t h e t w o - d i m e n s i o n a l c r a c k d i s t r i b u t i o n s w e r e c a l c u l a t e d f r o m t h e r e l a t i o n t h a t N = n u m b e r o f i n d e n t a t i o n s / ( s p e c i m e n w i d t h x s p e c i m e n l e n g t h ) . T h e c o r r e l a t i o n b e t w e e n d y n a m i c b e a m v i b r a t i o n t h e o r y a n d e x p e r i m e n t a l d a t a w a s n o t s o g o o d f o r a n y m o d e l s o f c r a c k s . T h e b e s t c o r r e l a t i o n b e t w e e n r u l e o f m i x t u r e s t h e o r y a n d e x p e r i m e n t a l d a t a w a s o b t a i n e d f o r " m o d i f i e d " 2 D s l i t c r a c k s . F i g u r e s 7 2 - 7 4 s h o w t h e b e s t c o r r e l a t i o n p l o t s b e t w e e n t h e o r y p r e d i c t i o n s a n d e x p e r i m e n t a l d a t a f o r a l l t h e l o a d s u s e d f o r i n d e n t a t i o n s . e g n a h C s u l u d o M s ' g n u o Y d e z i l a m r o N 7 0 ( a ) . T N f N h r e ( o i m n m c m d o e e m a n p ) c t a h a r w t i o i i s t o f o h n n t o y r o f n e a e m . a e d d h l x d i p i c e f r b f i e e m a r e m e n n t t v a i l b c r r v a a a t c u o l i k e n g o o t f m h e e ( o t E r r o y i - e E p s ) r e / e f E d o o i r c s n v t ( e i a r o ) u s 4 s 9 F i g u r e 2 5 6 1 2 D s l i t , 2 m o d i fi e d 2 D s l i t , 3 P a l m q v i s t 0 0 0 1 5 f I I — fi fi I I — I I l I I I l I q o 4 9 N b o t h s u r f a c e i n d e n t e d - o 4 9 N s i n g l e s u r f a c e i n d e n t e d ‘ 1 I I 0 ' 0 1 2 " D y n a m i c b e a m v i b r a t i o n t h e o r y I 0 . 0 0 9 . . — . 1 ’ 2 , 1 ” 0 . 0 0 6 — , a “ 2 1 ’ - 4 ” " " " " " d z ’ . . . . . . . q ‘ 0 ’ _ _ _ _ _ _ _ . . 1 ’ " " " " " " O . 0 0 3 " " l l . . . . . . o . — / / / / o ' 1 ’ / / a " / ’ / . ” ’ D n o 3 a / 4 A 0 O o 4 / ( 4 r ’ I 0 . 0 0 0 - 9 4 - - n - - - - 1 9 - - — ' = 7 = ' l . I 4 7 . I 4 T e 0 . 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 N u m b e r D e n s i t y o f S u r f a c e C r a c k s ( m m — 2 ) l 0 . 7 2 5 7 1 2 D s l i t , 2 m o d i fi e d 2 D s l i t , 3 P a l m q v i s t . 0 0 U 1 0 m , 7 a n I ' l . g . l 1 l . 1 ' g o 9 8 N b o t h s u r f a c e m d e n t e d J g : “ D 9 8 N s i n g l e s u r f a c e i n d e n t e d , o 1 I m 0 . 0 4 0 ~ D y n a m i c b e a m v i b r a t i o n t h e o r y _ ’ 3 . ” ’ ’ I d ‘ , ' i ' o g 0 . 0 3 0 — _ _ , u m _ , . , I ” ” ’ o n ~ : 3 . " ” ' 5 ’ 0 . 0 2 0 4 _ > 9 / " 2 ‘ 4 / / / , . o " . 4 ' 8 , / . . . . . . . . . . . . . . E 0 0 1 0 — / ’ , , , , , , , , , , , , , _ F a / ’ / _ , . " " " " " " o E " / / / / / / / o o o 3 _ 8 / / / ( 6 : . D o D . _ _ - . . z 0 . 0 0 0 J p K — 1 E x f f f , r r , T T r I 1 0 . 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 N u m b e r D e n s i t y o f S u r f a c e C r a c k s ( m m — 2 ) F i g u r e 7 0 ( b ) . T h e c o m p a r i s o n o f e x p e r i m e n t a l v a l u e o f ( E o - E ) / E o v e r s u s N ( m m - ) w i t h d y n a m i c b e a m v i b r a t i o n t h e o r y p r e d i c t i o n s f r o m e a c h o f t h r e e d i f f e r e n t c r a c k g e o m e t r i e s f o r ( b ) 9 8 N i n d e n t a t i o n l o a d . 1 2 D s l i t , 2 m o d i f i e d 2 D s l i t , 3 P a l m q v i s t F i g u r e 7 0 ( c ) . T N f 1 h 9 r ( e 6 o m m c m N o e m a i p c ) n a d h r w e i i o n t s f t h o a n t t d h i o y r o f n e n a e m e l x d i o p i c a e f b r f d . e i e m a r m e e n n v t t a i l b c r r v a a a t c l i k u o e n g e o t o h f m e e ( o t E r r o y i - e E p s ) r / e f E d o o i r c v t ( e i c r o ) s s n u s 2 5 8 % 0 0 0 6 0 1 I I I l I V a o 1 9 6 N b o t h s u r f a c e i n d e n t e d ‘ , 2 n 1 9 6 N s i n g l e s u r f a c e i n d e n t e d C ; 0 0 5 0 — D y n a m i c b e a m v i b r a t i o n t h e o r y 1 / / ’ / fl 5 . 4 / / / . 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T N t i h h n ( e r d m e e c m n e ' o t m d a ) p i t a f i r w f o i i e n s t r o h e l n o n f l c e r o u d . r t a e a x o c p f k e r m g i i e m x o e t m n u e t r t a e r l i s v p s e a r l e f u d o e i r c o t ( f b i o ) ( n E D s 9 8 - f r N E V E o m o e v c a e h r s s o u f 2 6 0 1 2 D s l i t , 2 m o d i fi e d 2 D s l i t , 3 P a l m q v i s t 0 . 0 2 5 m I 1 I l I l T I I 1 1 I 1 Q 0 ‘ 5 . o 9 8 N b o t h s u r f a c e i n d e n t e d g c : 9 8 N s i n g l e s u r f a c e i n d e n t e d c ; 0 . 0 2 0 — 4 R u l e o f M i x t u r e / . 4 5 1 , ' ' t i l " " , . Q ? 0 . 0 1 5 — ~ : 0 . J , x ’ / ’ . J o n o 0 . 0 1 0 d > . ‘ . . I I , " 2 0 I d I ” . . . . . . . . . Q ) 2 ’ . . . . . . 0 " ” . 8 0 . 0 0 5 — x , , , , , 9 - - - - - - - ' 7 3 x " J < 2 - - - - - - - - ' , ' , , - E ‘ x ’ l / / ‘ D ‘ / 3 5 : C L O C O ‘ F ’ 0 v ’ I ‘ : ; E ’ r ' * I ' v ‘ T — I 1 ’ T ” F “ W ’ 0 . 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 N u m b e r D e n s i t y o f S u r f a c e C r a c k s ( m m — 2 ) F i g u r e 7 1 ( c ) . T N t i h h n ( e r d m e e c m n e - o t m d a ) p i t a f i r w f o i i e n s t r o h e l n o n o u l f c e r d . r t a e e a x o c p f k r m g i i e m x o e t m n u e t r t a e r l s i v p s a r l e f u d o e i r e c o t ( i f c o ) ( n s B 1 o 9 - f 6 E r o ) N E / m o e r v c e h a s s o u f 2 6 1 1 2 D s l i t , 2 m o d i f i e d 2 D s l i t , 3 P a l m q v i s t m ( > 0 4 0 . I . T T T n T 2 : 0 . o 1 9 6 N b o t h s u r f a c e i n d e n t e d . g . a 1 9 8 N s i n g l e s u r f a c e i n d e n t e d , i : ' I h fl e o f l fl x i u r e - : 1 0 . 0 3 0 - _ F ! i J I 4 ' 8 ‘ 1 / ’ J 2 . / , / . / / m / _ . 3 0 . 0 2 0 “ / / / / : 5 ‘ / / ’ o - / / . > ‘ ‘ ’ / / D - I ’ o ’ 1 0 3 0 . 0 1 0 d x ” , n a ( ’ 2 ’ , . — ’ “ — — o p q . . / ’ i ” ’ - 1 E / ’ / D o ” " ” a q d / D I , E / ’ / / D a v - ' 9 ’ : / ’ 3 . I O ‘ 1 3 . ? ” _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . . _ _ . . . . . . . . . . . . — Z 0 . 0 0 0 . = T T I T I T 0 . 0 0 0 . 0 5 0 . 1 0 0 . 1 5 0 . 2 0 N u m b e r D e n s i t y o f S u r f a c e C r a c k s ( m m ‘ z ) 2 6 2 T a b l e 3 0 . T h e c o m p a r i s o n s o f t h e s l o p e s i n t h e ( E D - E ) / E o v e r s u s N ( m m ' 2 ) p l o t o f e x p e r i m e n t a l r e s u l t s w i t h t h o s e o f t h e o r e t i c a l p r e d i c t i o n ( D y n a m i c B e a m 2 V i b r a t i o n T h e o r y ) a s s u m i n g v a r i o u s c r a c k g e o m e t r i e s , w h e r e N ( m m ) i s a s u r f a c e n u m b e r d e n s i t y o f c r a c k s . 4 9 N i n d e n t e d 9 8 N i n d e n t e d 1 9 6 N i n d e n t e d _ 2 _ 2 _ 2 B o t h * 0 . 4 7 5 x 1 0 1 . 1 5 9 x 1 0 7 . 4 2 2 x 1 0 E x p e r i m e n t * _ 2 _ 2 _ 2 S i n g l e 0 . 5 3 9 x 1 0 1 . 1 6 2 x 1 0 . 6 . 7 4 9 x l O 2 D S l i t 2 - 2 B o t h 2 . 0 2 0 x 1 0 : 2 6 . 5 8 9 x 1 0 _ 2 0 . 2 6 8 8 S i n g l e . 2 . 0 5 5 x 1 0 6 . 6 l l x 1 0 0 . 2 7 7 0 M o d i f i e d 2 D s l i t _ 2 _ 2 _ 2 B o t h 0 . 8 4 3 x 1 0 _ 2 2 . 4 3 7 x 1 0 _ 2 9 . 6 4 0 x 1 0 _ 2 S i n g l e 0 . 8 5 5 x 1 0 2 . 4 2 3 x 1 0 9 . 7 l 3 x 1 0 P a l m q v i s t _ 3 _ 3 _ 2 B o t h 0 . 8 5 9 x 1 0 _ 3 3 . 2 0 9 x 1 0 _ 3 l . 5 9 5 x 1 0 _ 2 S i n g l e 0 . 8 6 9 x 1 0 3 . 1 8 6 x 1 0 1 . 5 8 8 x 1 0 , 2 T a b l e 3 1 . T h e c o m p a r i s o n s o f t h e s l o p e s i n t h e ( E O - E ) / E o v e r s u s N ( m m ) p l o t o f e x p e r i m e n t a l r e s u l t s w i t h t h o s e o f t h e o r e t i c a l p r e d i c t i o n ( B u l e o f M i x t u r e s ) a s s u m i n g v a r i o u s c r a c k g e o m e t r i e s , w h e r e N ( m m ) i s a s u r f a c e n u m b e r d e n s i t y o f c r a c k s . 4 9 N i n d e n t e d 9 8 N i n d e n t e d 1 9 6 N i n d e n t e d _ 2 _ 2 - 2 B o t h * 0 . 4 7 5 x 1 0 1 . 1 5 9 x 1 0 7 . 4 2 2 x 1 0 E x p e r i m e n t * _ 2 _ 2 - 2 S i n g l e 0 . 5 3 9 x 1 0 1 . 1 6 2 x l O 6 . 7 4 9 x 1 0 2 D S l i t - 2 _ 2 B o t h 0 . 8 4 4 x 1 0 _ 2 2 . 9 6 7 x 1 0 . 2 0 . 1 4 9 3 S i n g l e 0 . 8 5 6 x 1 0 2 . 9 2 6 x 1 0 0 . 1 4 8 2 M o d i f i e d 2 D s l i t _ 2 _ 2 - 2 B o t h 0 . 3 5 2 x 1 0 . 2 1 . 0 9 7 x 1 0 _ 2 5 . 3 6 9 x 1 0 _ 2 S i n g l e 0 . 3 5 7 x 1 0 1 . 0 8 2 x 1 0 5 . 3 2 4 x 1 0 P a l m q v i s t _ 3 _ 3 _ 3 B o t h 0 . 3 5 8 x 1 0 3 1 . 4 4 4 x 1 0 3 8 . 8 5 5 x l O 3 S i n g l e 0 . 3 6 8 x 1 0 ' 1 . 4 2 8 x 1 0 “ 8 . 8 2 1 x 1 0 ' e g n a h C s u l u d o M s ' g n u o Y d 4 J J J A I I J 0 SO I 1 J I I L J . 2 e 2 z i l a m r o N L J A I 4 : 0 8 2 % 9 8 2 5 0 8 2 E 0 $ 2 E F i g u r e 7 2 . E r ( e b E x e o p a - e m ) i v / m i E e b o n r v a t e l i r o t a d s n u a s t t a h N e p o r l r y o . f o t m s o d b i e f t i w e e d e n h e t l h f a o e r l y l d p p i r s e e i m c o t d i e o l n - s d a n n a d m y i c 2 6 3 V I 0 . 0 2 0 V j T ‘ I ’ 1 ' T j ’ r 1 1 r i U I M o d i f i e d 3 ] ) h a l f e l l i p s e m o d e l ( d y n a m i c ) U U fi f ? 1 7 E N u m b e r D e n s i t y o f C r a c k s i n L a y e r ( m m - 3 ) e g n a h C s u l u d o M s ' g n u o Y d e z i l a m L L l l l l l l l l l J L l l L l L r l o N . ‘ 0 5 0 0 F i g u r e 7 3 . ( e e B x l o p l — e i E r p ) i t / m i E e c o n a t l v a e l i r n s d d u a e s t n a t N p o o l r t f b o t t m o s o m d e f b i - t i d w e y e d n e a n m h h f t l c e b a i o e e r a l y m l i p v p r i s e b e d r i m a c o t t d i i e o n o l n s w t i h a t e n h o d r y . 2 6 4 0 0 0 2 0 I ‘ 7 V r r T V _ r _ " V I 1 T I M o d i f i e d 3 ! ) h a l f e l l i p s e m o d e l - e l l i p t i c a l i n d e n t b o t t o m ( d y n a m i c ) I I V j I I I I i O O l i s h u fl e i Q B I I b o u i G a l i s h u u e e a r t h e n ; 4 9 l i s u u u e 4 9 1 1 b o u i 0 . 0 0 0 r j — r T V 7 7 1 T t h T r T fi T fi 0 i 2 3 4 5 r 6 N u m b e r D e n s i t y o f C r a c k s i n L a y e r ( m m - 3 ) 2 6 5 I ' I ' ” r ' I ' M o d i f i e d 2 1 ) s l i t m o d e l ( R O M ) ‘ I V O a “ . . a : o 3 0 . 0 1 5 - - ' 3 . . ‘ 6 . . . g . e . a d I 3 , 0 . 0 1 0 4 . 0 - . é ‘ I 1 : . . J e w e N s i n g l e 0 0 . 0 0 5 - - v m N b o t h g - o a s N s i n g l e ' a O a i i b o U I E ‘ n 4 9 N s i n g l e é ‘ o 4 9 N s o u l 0 . 0 0 0 . T T T T T . 0 . 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 8 0 . 7 N u m b e r D e n s i t y o f S u r f a c e C r a c k s ( m m ’ z ) F i g u r e 7 4 . ( E a - E ) / E o v e r s u s N p l o t s b e t w e e n t h e o r y p r e d i c t i o n s a n d e x p e r i m e n t a l d a t a f o r m o d i f i e d 2 D s l i t c r a c k m o d e l - r u l e o f m i x t u r e s . 4 . C o n c l u s i o n s 4 . 1 T h e r m a l F a t i g u e T h e r m a l s h o c k d a m a g e f o r S i C f i b e r / A l u m i n o s i l i c a t e c o m p o s i t e s , M a c o r g l a s s - c e r a m i c s , a n d p o l y c r y s t a l l i n e t i t a n i u m d i b o r i d e w a s m o n i t o r e d b y Y o u n g ' s m o d u l u s a n d i n t e r n a l f r i c t i o n c h a n g e s . F o r t h e M a c o r g l a s s - c e r a m i c s a n d S i C f i b e r / A l u m i n o s i l i c a t e c o m p o s i t e s s t u d i e d , t h e A Q ' 1 v e r s u s 6 p l o t s w e r e l i n e a r f o r l o w l e v e l o f d a m a g e , c o r r e s p o n d i n g t o A Q - l - D e . T h e f a t i g u e - l i k e p o w e r l a w r e l a t i o n b e t w e e n t h e d a m a g e s a t u r a t i o n l e v e l a n d A T , t h e q u e n c h t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e , o b s e r v e d f o r M a c o r g l a s s - c e r a m i c s , S i C f i b e r / A l u m i n o s i l i c a t e c o m p o s i t e s , a n d p o l y c r y s t a l l i n e t i t a n i u m d i b o r i d e w a s i d e n t i c a l i n f o r m t o t h e p o w e r l a w f a t i g u e r e l a t i o n o b s e r v e d i n p r e v i o u s s t u d i e s o f S i C w h i s k e r / a l u m i n a c o m p o s i t e s [ 2 4 ] a n d u n r e i n f o r c e d a l u m i n a [ 2 5 ] . E x p o n e n t s p 1 a n d p 2 i n t h e p o w e r l a w f a t i g u e r e l a t i o n s ( e q u a t i o n s 1 a n d 2 ) a r e f u n c t i o n s o f t h e r m a l s h o c k r e s i s t a n c e p a r a m e t e r s s u c h a s R " " a n d h e n c e p l a n d p 2 a r e l i k e l y a l s o f u n c t i o n s o f m a t e r i a l s p a r a m e t e r s s u c h a s f r a c t u r e t o u g h n e s s . I n a d d i t i o n , t h e t h e r m a l f a t i g u e p a r a m e t e r s A a a n d 8 5 a r e a p p a r e n t l y f u n c t i o n s o f f r a c t u r e t o u g h n e s s . T h e r e s u l t s o f t h i s s t u d y s u g g e s t t h e e x i s t e n c e o f t h r e s h o l d f r a c t u r e t o u g h n e s s ( o r s t r e n g t h ) a b o v e w h i c h t h e r m a l s h o c k d a m a g e w i l l n o t a c c u m u l a t e f o r a g i v e n A T ( f i g u r e 3 3 ) . 2 6 6 4 . 2 T i m e - D e p e n d e n t E l a s t i c M o d u l u s R e c o v e r y M e a s u r e m e n t o n T h e r m a l l y S h o c k e d S i C f i b e r / A l u m i n o s i l i c a t e C o m p o s i t e s , M a c h i n a b l e G l a s s C e r a m i c s a n d P o l y c r y s t a l l i n e A l u m i n a T i m e - d e p e n d e n t p a r t i a l r e c o v e r i e s i n Y o u n g ' s m o d u l u s w e r e o b s e r v e d f o r t h e r m a l l y s h o c k e d S i C f i b e r / A S c o m p o s i t e s , M a c o r g l a s s - c e r a m i c s a n d p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a s p e c i m e n s . T h e o b s e r v e d m a s s c h a n g e s f o r s p e c i m e n s u n d e r g o i n g Y o u n g ' s m o d u l u s r e c o v e r y w e r e f o u n d t o b e t w o o r d e r s o f m a g n i t u d e s m a l l e r t h a n t h e m a s s c h a n g e s t h a t w o u l d b e n e c e s s a r y t o a c c o u n t f o r t h e o b s e r v e d m o d u l u s r e c o v e r y . T h u s m a s s c h a n g e s a r i s i n g f r o m t h e e v a p o r a t i o n o f w a t e r a b s o r b e d d u r i n g t h e c y c l i c t h e r m a l q u e n c h i n g o f t h e s p e c i m e n s c o u l d n o t a c c o u n t f o r t h e Y o u n g ' s m o d u l u s r e c o v e r y . T h e o b s e r v e d Y o u n g ' s m o d u l u s r e c o v e r y i n t h e t h r e e c e r a m i c m a t e r i a l s i s l i k e l y d u e t o r o o m - t e m p e r a t u r e m i c r o c r a c k h e a l i n g . N u m e r i c a l e s t i m a t e s o f p r o p e r t y r e c o v e r y r a t e s w e r e o b t a i n e d f r o m a r e g r e s s i o n a n a l y s i s o f a v a i l a b l e d a t a o n r o o m - t e m p e r a t u r e c r a c k h e a l i n g i n c e r a m i c s . T h e c a l c u l a t e d r e c o v e r y t i m e c o n s t a n t s f o r c l e a v a g e c r a c k s i n s i n g l e c r y s t a l s a n d f o r t h e r m a l s h o c k c r a c k s i n p o l y c r y s t a l l i n e Y I G a g r e e d r e l a t i v e l y w e l l t h e t i m e c o n s t a n t s f o r m o d u l u s r e c o v e r y d e t e r m i n e d i n t h e p r e s e n t s t u d y ( T a b l e 1 6 ) . H o w e v e r , t h e r e c o v e r y t i m e c o n s t a n t s f o r s o d a - l i m e - s i l i c a a n d f l u o r i d e g l a s s e s w e r e a p p r o x i m a t e l y a f a c t o r o f 1 0 ' 2 s m a l l e r t h a t s i n g l e c r y s t a l a n d p o l y c r y s t a l l i n e t i m e c o n s t a n t s . A l t h o u g h t h e p a r t i c u l a r m i c r o c r a c k h e a l i n g m e c h a n i s m h a s n o t b e e n d o c u m e n t e d i n t h i s s t u d y , i t i s a s s u m e d t h a t w a t e r o r w a t e r v a p o r i n 2 6 7 2 6 8 t h e q u e n c h m e d i u m o r i n t h e a m b i e n t a t m o s p h e r e ( l a b o r a t o r y a i r ) i n t e r a c t e d w i t h t h e f r e s h s u r f a c e s o f c r a c k s i n d u c e d b y c y c l i c t h e r m a l s h o c k . F o r t h e m a t e r i a l s i n c l u d e d i n t h i s s t u d y f u r t h e r w o r k i s n e e d e d t o d e t e r m i n e w h e t h e r c h e m i c a l l y r e a c t i v e f r e s h c r a c k s u r f a c e s m a y p r o m o t e c r a c k h e a l i n g v i a m e c h a n i s m s s u c h a s a d h e s i o n o r b y t h e b u i l d - u p o f r e a c t i o n p r o d u c t s . 4 . 3 T h e M e a s u r e m e n t o f t h e S u r f a c e H e a t T r a n s f e r C o e f f i c i e n t f o r C e r a m i c s Q u e n c h e d i n t o a W a t e r B a t h A t e c h n i q u e f o r m e a s u r i n g t h e s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t , h , i s d e v e l o p e d f o r c e r a m i c s q u e n c h e d i n t o a w a t e r b a t h t h a t c o m b i n e s a p a r a m e t e r e s t i m a t i o n m e t h o d w i t h a f a s t - r e s p o n s e c a p a b i l i t y o f r e c e n t l y d e v e l o p e d t h i n - f i l m t h e r m o c o u p l e s . T h e s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t v a l u e s w e r e m e a s u r e d f o r t h r e e c e r a m i c m a t e r i a l s : a l u m i n a , M a c o r g l a s s - c e r a m i c a n d h o t - p r e s s e d t i t a n i u m d i b o r i d e . T h e m a x i m u m s u r f a c e t e n s i l e s t r e s s d e v e l o p i n g d u r i n g q u e n c h i n g w a s c a l c u l a t e d f r o m t h e m e a s u r e d s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t a s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r e u s i n g t e m p e r a t u r e d e p e n d e n t p a r a m e t e r s , Y o u n g ' s m o d u l u s , t h e c o e f f i c i e n t o f t h e r m a l e x p a n s i o n , P o i s s o n ' s r a t i o , a n d t h e r m a l s h o c k s e v e r i t y . 4 . 4 E f f e c t s o f S u r f a c e A b r a s i o n o n t h e T h e r m a l F a t i g u e o f C e r a m i c s 2 6 9 I n a d d i t i o n t o m o d i f y i n g t h e s u r f a c e f l a w p o p u l a t i o n , s u r f a c e a b r a s i o n o f c e r a m i c s c a n r e d u c e t h e e l a s t i c m o d u l u s o f t h e s u r f a c e l a y e r o f t h e c e r a m i c [ 9 7 , 1 7 9 ] , i n t r o d u c e s u r f a c e c o m p r e s s i v e r e s i d u a l s t r e s s e s [ 7 1 , 7 2 ] , a n d i n c r e a s e t h e s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t , h [ 7 5 , 1 7 7 , 1 7 8 ] . T h e r e d u c t i o n i n t h e s u r f a c e l a y e r m o d u l u s a n d t h e s u r f a c e c o m p r e s s i v e s t r e s s e s a c t t o r e d u c e - t h e s u r f a c e t e n s i l e s t r e s s e s t h a t d r i v e m i c r o c r a c k s a n d m a c r o c r a c k s d u r i n g t h e r m a l c y c l i n g . H o w e v e r , t h e i n c r e a s e i n h ( a n d t h e s u b s e q u e n t i n c r e a s e i n 8 ) a c t s t o i n c r e a s e t h e s u r f a c e t e n s i l e s t r e s s e s , s o t h a t t h e e f f e c t o f s u r f a c e a b r a s i o n h a s c o m p o n e n t s t h a t a c t i n a c o m p e t i n g m a n n e r . T h e n e t s u r f a c e t e n s i l e s t r e s s i n d u c e d d u r i n g q u e n c h i n g m u s t t h e n b e c o n s i d e r e d t o g e t h e r w i t h t h e i n c r e a s e s i n f l a w s i z e d u e t o a b r a s i o n i n o r d e r t o e s t i m a t e t h e l e v e l o f t h e r m a l s h o c k d a m a g e f o r a b r a d e d c e r a m i c s . 4 . 5 T h e E f f e c t o f S u r f a c e L i m i t e d M i c r o c r a c k s o n t h e E f f e c t i v e Y o u n g ' s M o d u l u s o f C e r a m i c s A m o d u l u s - m i c r o c r a c k i n g m o d e l w a s p r e s e n t e d f o r s u r f a c e l i m i t e d m i c r o c r a c k d i s t r i b u t i o n s b a s e d o n t h e c o n c e p t t h a t a s p e c i m e n c o n t a i n i n g a s u r f a c e - l i m i t e d p o p u l a t i o n o f m i c r o c r a c k s c o u l d b e v i e w e d a s a c o m p o s i t e , w i t h t h e m i c r o c r a c k d a m a g e d r e g i o n s a s l a y e r s o f r e d u c e d m o d u l u s , i d e a l l y b o n d e d t o a n u n d a m a g e d s u b s t r a t e . T h e m o d u l u s o f t h e i n d i v i d u a l d a m a g e d l a y e r s w a s m o d e l e d i n t e r m s o f t h e c r a c k d a m a g e p a r a m e t e r s , A = f G N , w h i c h a c c o u n t f o r t h e s p a t i a l 2 7 0 o r i e n t a t i o n o f t h e c r a c k s , t h e c r a c k g e o m e t r y , a n d t h e n u m b e r d e n s i t y o f t h e m i c r o c r a c k s . T h e m o d u l i o f t h e d a m a g e d l a y e r s w e r e e m p l o y e d i n a R u l e o f M i x t u r e s m o d e l a n d a d y n a m i c m o d u l u s m o d e l d e v e l o p e d b y t h e a u t h o r s i n t h e p r e s e n t s t u d y . F o r t h e p a r t i c u l a r c a s e o f m o d e l i n d e n t a t i o n c r a c k d i s t r i b u t i o n s , c o r r e c t i o n s w e r e m a d e t o t h e c r a c k p e r i m e t e r a n d a r e a c a l c u l a t i o n s t o a c c o u n t f o r t h e l i g a m e n t b r i d g i n g t h e t w o c r a c k f a c e s i n a n i n d e n t a t i o n c r a c k . T h e d i m e n s i o n s a n d g e o m e t r y o f i n d e n t a t i o n - i n d u c e d c r a c k s f o r t h e t h r e e d i f f e r e n t i n d e n t a t i o n l o a d s ( 4 9 N , 9 8 N a n d 1 9 6 N ) w e r e o b s e r v e d f r a c t o g r a p h i c a l l y ( f i g u r e 6 6 ) . T h e r a d i a l c r a c k s i z e s f o r t h e l o a d s w e r e m e a s u r e d w i t h o p t i c a l m i c r o s c o p e . F o r t h e V i c k e r s i n d u c e d i n d e n t a t i o n c r a c k s , t h e m e a s u r e d n o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s c h a n g e s , ( E o - E ) / E o , i n c r e a s e d l i n e a r l y w i t h i n c r e a s i n g m i c r o c r a c k n u m b e r d e n s i t y N . T h e o b s e r v e d c r a c k i n d u c e d m o d u l u s c h a n g e s w e r e c o m p a r e d t o a n u m b e r o f m i c r o c r a c k i n g m o d e l s . D y n a m i c b e a m v i b r a t i o n t h e o r y p r e d i c t i o n u n d e r t h e c r a c k s h a p e a s s u m p t i o n o f " m o d i f i e d " h a l f - e l l i p s e c r a c k s a n d " m o d i f i e d " h a l f e l l i p s e c r a c k s w i t h e l l i p t i c a l i n d e n t b o t t o m ( 3 D m o d e l s ) b e s t f i t t h e e x p e r i m e n t a l d a t a f o r a l l t h e l o a d s u s e d i n t h i s s t u d y . I n t h e 3 D m o d e l s [ 4 ] , t h e c r a c k n u m b e r d e n s i t y w a s c a l c u l a t e d i n t e r m s o f t h e " d a m a g e d l a y e r " . T h e b e s t c o r r e l a t i o n b e t w e e n r u l e o f m i x t u r e s t h e o r y a n d e x p e r i m e n t a l d a t a ( 2 D m o d e l s ) w a s o b t a i n e d f o r " m o d i f i e d " 2 0 s l i t c r a c k s . 2 7 1 5 . S u m m a r y T h e r m a l f a t i g u e d a m a g e f o r S i C f i b e r / A l u m i n o s i l i c a t e c o m p o s i t e s , M a c o r g l a s s - c e r a m i c s , a n d p o l y c r y s t a l l i n e t i t a n i u m d i b o r i d e w a s n o n - d e s t r u c t i v e l y m o n i t o r e d a s a f u n c t i o n o f t h e c u m u l a t i v e n u m b e r o f t h e r m a l s h o c k c y c l e s v i a Y o u n g ' s m o d u l u s a n d i n t e r n a l f r i c t i o n m e a s u r e m e n t s u s i n g t h e s o n i c r e s o n a n c e m e t h o d . A f a t i g u e - l i k e p o w e r l a w r e l a t i o n b e t w e e n t h e d a m a g e s a t u r a t i o n l e v e l a n d A T , t h e q u e n c h t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e , w a s o b s e r v e d . T h e r e s u l t s a l s o s u g g e s t t h e e x i s t e n c e o f a f r a c t u r e t o u g h n e s s ( o r s t r e n g t h ) t h r e s h o l d a b o v e w h i c h t h e r m a l s h o c k d a m a g e w i l l n o t a c c u m u l a t e f o r a g i v e n A T . P a r t i a l t i m e - d e p e n d e n t r e c o v e r i e s i n Y o u n g ' s m o d u l u s w e r e o b s e r v e d f o r t h e r m a l l y s h o c k e d S i C f i b e r / A S c o m p o s i t e s , M a c o r g l a s s - c e r a m i c s a n d p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a s p e c i m e n s . T h e o b s e r v e d Y o u n g ' s m o d u l u s r e c o v e r y i n t h e t h r e e c e r a m i c m a t e r i a l s i s l i k e l y d u e t o r o o m ~ t e m p e r a t u r e m i c r o c r a c k h e a l i n g . F u r t h e r w o r k i s n e e d e d t o d e t e r m i n e w h e t h e r c h e m i c a l l y r e a c t i v e f r e s h c r a c k s u r f a c e s i n t h e s e m a t e r i a l s m a y p r o m o t e c r a c k h e a l i n g v i a m e c h a n i s m s s u c h a s a d h e s i o n o r b y t h e b u i l d - u p o f r e a c t i o n p r o d u c t s . A m e a s u r e m e n t t e c h n i q u e f o r t h e s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t w a s d e v e l o p e d c o m b i n i n g t h e i n v e r s e p a r a m e t e r e s t i m a t i o n m e t h o d w i t h t h e f a s t r e s p o n s e c a p a b i l i t y o f t h i n f i l m t h e r m o c o u p l e s . T h e m a x i m u m s u r f a c e t e n s i l e s t r e s s d e v e l o p e d d u r i n g q u e n c h i n g w a s c a l c u l a t e d f r o m t h e m e a s u r e d s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t a s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r e . A n e m p i r i c a l l y - b a s e d f a t i g u e - l i k e p o w e r l a w r e l a t i o n w a s 2 7 2 o b s e r v e d b e t w e e n t h e d a m a g e s a t u r a t i o n l e v e l , A / E o , a n d t h e m a x i m u m s u r f a c e t e n s i l e s t r e s s d e v e l o p e d d u r i n g q u e n c h i n g . E f f e c t s o f s u r f a c e a b r a s i o n o n t h e t h e r m a l f a t i g u e o f c e r a m i c s w a s i n v e s t i g a t e d v i a t h e r e d u c t i o n i n t h e e l a s t i c m o d u l u s o f t h e s u r f a c e l a y e r , s u r f a c e c o m p r e s s i v e r e s i d u a l s t r e s s e s , a n d t h e i n c r e a s e i n t h e s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t , h d u r i n g q u e n c h i n g . T h e i n c r e a s e i n h ( a n d t h e s u b s e q u e n t i n c r e a s e i n B i o t m o d u l u s ) i n c r e a s e s t h e s u r f a c e t e n s i l e s t r e s s e s , s o t h a t s u r f a c e a b r a s i o n h a s c o m p o n e n t s t h a t a c t i n a c o m p e t i n g m a n n e r . T h e n e t s u r f a c e t e n s i l e s t r e s s i n d u c e d d u r i n g q u e n c h i n g m u s t t h e n b e c o n s i d e r e d t o g e t h e r w i t h t h e i n c r e a s e s i n f l a w s i z e d u e t o a b r a s i o n i n o r d e r t o e s t i m a t e t h e l e v e l o f t h e r m a l s h o c k d a m a g e f o r a b r a d e d c e r a m i c s . M o d u l u s - m i c r o c r a c k i n g m o d e l s b a s e d o n a R u l e o f M i x t u r e s m o d e l a n d a d y n a m i c m o d u l u s m o d e l w e r e p r e s e n t e d f o r s u r f a c e l i m i t e d m i c r o c r a c k d i s t r i b u t i o n s b a s e d o n t h e c o n c e p t t h a t a s p e c i m e n c o n t a i n i n g a s u r f a c e - l i m i t e d p o p u l a t i o n o f m i c r o c r a c k s c o u l d b e v i e w e d a s a c o m p o s i t e . T h e m i c r o c r a c k d a m a g e d r e g i o n s a c t a s l a y e r s o f r e d u c e d m o d u l u s , i d e a l l y b o n d e d t o a n u n d a m a g e d s u b s t r a t e . T h e m o d u l u s o f t h e i n d i v i d u a l d a m a g e d l a y e r s w a s m o d e l e d i n t e r m s o f t h e d a m a g e p a r a m e t e r , A = f G N , w h i c h a c c o u n t s f o r t h e s p a t i a l o r i e n t a t i o n o f t h e c r a c k s , t h e c r a c k g e o m e t r y , a n d t h e n u m b e r d e n s i t y o f t h e m i c r o c r a c k s . F o r t h e p a r t i c u l a r c a s e o f m o d e l i n d e n t a t i o n c r a c k d i s t r i b u t i o n s , c o r r e c t i o n s w e r e m a d e t o t h e c r a c k p e r i m e t e r a n d a r e a e x p r e s s i o n s t o a c c o u n t f o r t h e b r i d g e f o r m e d b y t h e 2 7 3 h e m i s p h e r i c a l l y d e f o r m e d z o n e b e t w e e n t h e t w o c r a c k f a c e s i n a n i n d e n t a t i o n c r a c k . F o r t h e V i c k e r s i n d u c e d i n d e n t a t i o n c r a c k s , t h e e x p e r i m e n t a l v a l u e s o f t h e m e a s u r e d n o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s c h a n g e , ( E D - E ) / E o , i n c r e a s e d l i n e a r l y w i t h i n c r e a s i n g m i c r o c r a c k n u m b e r d e n s i t y N . T h e o b s e r v e d c r a c k - i n d u c e d m o d u l u s c h a n g e s w e r e c o m p a r e d t o a n u m b e r o f m i c r o c r a c k i n g m o d e l s . T h e s u r f a c e - l i m i t e d d a m a g e m o d e l b a s e d o n t h e d y n a m i c b e a m v i b r a t i o n t h e o r y a n d o n a m o d i f i e d h a l f - e l l i p s e c r a c k s h a p e f i t t h e e x p e r i m e n t a l d a t a w e l l . A P P E N D I X A D y n a m i c a n d S t a t i c E l a s t i c C o n s t a n t s A d i a b a t i c a n d I s o t h e r m a l E l a s t i c C o n s t a n t s W h e n e l a s t i c c o n s t a n t s a r e m e a s u r e d s t a t i c a l l y , t h e s p e c i m e n i s d e f o r m e d v e r y s l o w l y a n d t h e r e s u l t a n t d e f o r m a t i o n i s m e a s u r e d . T h e s p e c i m e n d e f o r m a t i o n o c c u r s s l o w l y c o m p a r e d t o t h e r a t e o f h e a t f l o w i n t h e s p e c i m e n . I n a d d i t i o n , t h e s p e c i m e n i s i n c o n t a c t w i t h a m e c h a n i c a l t e s t i n g m a c h i n e w h i c h f u n c t i o n s a s a h e a t s i n k , t h u s S t a t i c e l a s t i c c o n s t a n t m e a s u r e m e n t s a r e i s o t h e r m a l p r o c e s s e s . C o n v e r s e l y , t h e v e l o c i t y o f a n a c o u s t i c w a v e t h r o u g h a r e g i o n o f s a m p l e i s v e r y r a p i d c o m p a r e d t o t h e r a t e o f h e a t f l o w i n t h e s p e c i m e n . F o r D y n a m i c e l a s t i c c o n s t a n t m e a s u r e m e n t s ( f o r e x a m p l e , t h e s o n i c r e s o n a n c e m e t h o d ) , t h e r e i s n o t h e r m a l e n e r g y t r a n s f e r b e t w e e n t h e r e g i o n o f s a m p l e w h e r e w o r k i s b e i n g d o n e a n d i t s s u r r o u n d i n g s . D y n a m i c e l a s t i c c o n s t a n t m e a s u r e m e n t s a r e t h u s a d i a b a t i c p r o c e s s e s . T h e a d i a b a t i c p r o c e s s ( d y n a m i c m e t h o d ) y i e l d s d i f f e r e n t v a l u e s f o r e l a s t i c c o n s t a n t s c o m p a r e d t o t h o s e m e a s u r e d b y i s o t h e r m a l p r o c e s s ( s t a t i c m e t h o d ) . F o r s t a t i c ( i s o t h e r m a l ) m e a s u r e m e n t s p a r t o f t h e e n e r g y i s c o n v e r t e d t o h e a t w h i c h i s s u b s e q u e n t l y i s o t h e r m a l l y r e m o v e d b y t h e s u r r o u n d i n g s . T h e r e m a i n i n g e n e r g y i s s t o r e d a s i s o t h e r m a l e l a s t i c d e f o r m a t i o n s t r a i n , 6 1 . F o r a d i a b a t i c m e a s u r e m e n t s , t h e h e a t r a i s e s t h e l o c a l s p e c i m e n t e m p e r a t u r e . A l o c a l t h e r m a l e x p a n s i o n i s i n d u c e d b y t h e l o c a l t e m p e r a t u r e i n c r e a s e . T h e e x p a n s i o n r e s i s t s t h e d i m e n s i o n a l c h a n g e p r o d u c e d b y s t r e s s . T h e a d i a b a t i c d e f o r m a t i o n 2 7 4 2 7 5 s t r a i n , e a t h e r e f o r e i s l e s s t h a n t h e i s o t h e r m a l s t r a i n , 6 1 f o r t h e s a m e a m o u n t o f a p p l i e d s t r e s s . T h u s t h e m a t e r i a l b e h a v e s m o r e s t i f f l y u n d e r a d i a b a t i c c o n d i t i o n s t h a n i s o t h e r m a l [ a l , a 2 ] . A d i a b a t i c e l a s t i c c o n s t a n t s a r e d e f i n e d b y , S S c I n n = ( 6 0 m / a e n ) s , s I n n = ( 6 6 m / 6 0 n ) S ( A 1 ) I s o t h e r m a l e l a s t i c c o n s t a n t s a r e d e f i n e d b y , T T c m n = ( 8 0 m / 8 6 n ) T , S m n = ( 8 6 m / 8 0 n ) T ( A 2 ) T h e c o m b i n e d f i r s t a n d s e c o n d l a w o f t h e r m o d y n a m i c s i s d Q = T d S = d U + d w = d U - a d c ( A 3 ) m m w h e r e d Q t h e h e a t e n t e r i n g i n t o t h e s y s t e m d U - t h e c h a n g e i n i n t e r n a l e n e r g y o f t h e s y s t e m d W = P d V , t h e w o r k d o n e b y t h e s y s t e m H e n c e d U - T d S + a m d e m ( A 4 ) d A - d ( U - T S ) - - S d T + a m d e m ’ ( A 5 ) d G - d ( U - T S + P V ) - - S d T + e m d a m ( A 6 ) S i n c e d A a n d d 0 a r e t o t a l d i f f e r e n t i a l s , t h e n 2 7 6 d A - ( a A / a e m ) T d e m + ( 6 A / 8 T ) € d T d G - ( a c / a a m ) T d a m + ( a c / a r ) a d T F r o m e q u a t i o n s ( A 5 ) a n d ( A 6 ) , w e o b t a i n a m = ( B A / 8 6 m ) T , S - ( 8 A / 8 T ) € ( A 5 ' ) e m = - ( a c / a a m ) T , s - ( 6 G / 6 T ) 0 ( A 6 ' ) F r o m t h e M a x w e l l r e l a t i o n s h i p s f o r t h e t o t a l d i f f e r e n t i a l s d A a n d d 0 - ( a a m / a r ) € = ( a S / a e m ) T = F m ( A 5 " ) ( a e m / B T ) 0 - ( a s / 6 0 m ) T = a m ( A 6 " ) w h e r e F m = i n e l a s t i c s t r e s s a m = t h e r m a l e x p a n s i o n c o e f f i c i e n t H e r e a m a n d 6 m r e f e r t o a l l t h e s t r e s s a n d s t r a i n c o m p o n e n t s r e s p e c t i v e l y . a m a r e t h e c o m p o n e n t s o f t h e t h e r m a l e x p a n s i o n t e n s o r . F r o m t h e t o t a l d i f f e r e n t i a l o f d o m a n d d 8 d o m = ( d a m / 6 6 m ) T d e m + ( d a m / 6 T ) € d T T . - c I n n d c m - F m d T ( A 7 ) d S ( B S / 6 6 m ) T d a m + ( d S / a T ) 6 d T r m d e m + ( a S / a T ) € d T F m d e m + ( C e / T ) d T ( A 8 ) a = s T F ' ( A 1 2 ) 2 7 7 w h e r e C 6 = T ( 8 S / 8 T ) 6 t h e s p e c i f i c h e a t a t c o n s t a n t s t r a i n p e r u n i t v o l u m e S i m i l a r l y , f r o m t o t a l d i f f e r e n t i a l o f d a m a n d d S t a k i n g a m a n d T a s i n d e p e n d e n t v a r i a b l e s , d e m - ( a e m / a a m ) T d a m + ( d a m / 6 T ) 0 d T = s T d o + a d T ( A 9 ) m m I I I I n d S - ( B S / 6 0 m ) T d a m + ( B S / 6 T ) a d T = a m d a m + ( 6 S / 6 T ) 0 d T a m d a m + ( C U / T ) d T ( A 1 0 ) w h e r e C 0 T ( 8 S / 8 T ) a t h e s p e c i f i c h e a t a t c o n s t a n t s t r e s s p e r u n i t v o l u m e U n d e r c o n s t a n t s t r e s s c o n d i t i o n s ( d o m = 0 ) , o n e c a n d i v i d e e q u a t i o n 7 b y d T t o o b t a i n F = c T a ( A l l ) U n d e r a d i a b a t i c c o n d i t i o n s t h e e n t r o p y S i s c o n s t a n t a n d t h u s d S = 0 . E q u a t i o n s ( A 7 ) a n d ( A 8 ) b e c o m e 2 7 8 T S d o - C d e + ( T / C ) F F d e = c d e ( A 1 3 ) m m n n 6 m n n I n n 1 ' 1 S T c m n - c I n n - ( T / C e ) F a n ( A 1 4 ) a f t e r d T i s e l i m i n a t e d . S i m i l a r l y f r o m e q u a t i o n ( A 9 ) a n d ( A 1 0 ) , S S - S T - - a a T / C ( A 1 5 ) m n m n m n a B y e l i m i n a t i n g d a n b e t w e e n e q u a t i o n s ( A 7 ) a n d ( A 1 0 ) , u s i n g e q u a t i o n ( A l l ) a n d t h e d e f i n i t i o n o f t h e s p e c i f i c h e a t a t c o n s t a n t s t r a i n , w e o b t a i n C - C = T a F = T a a C T ( A 1 6 ) 0 e n n m n m n A p p e n d i x A . R e f e r e n c e s a l . A . B . B h a t i a , U l t r a s o n i c A b s o r p t i o n , C h a p . 3 , O x f o r d U n i v e r s i t y P r e s s , O x f o r d , 1 9 6 7 . a 2 . A . S . N o w i c k a n d B . S . B e r r y , A n e l a s t i c R e l a x a t i o n i n C r y s t a l l i n e S o l i d s , C h a p . 6 , A c a d e m i c P r e s s , N e w Y o r k , 1 9 7 2 . A P P E N D I X B . A R u l e o f M i x t u r e s M o d e l f o r T w o - L a y e r a n d T h r e e - L a y e r C o m p o s i t e M o d e l s o f S u r f a c e - M i c r o c r a c k e d S p e c i m e n s F o r t w o l a y e r c o m p o s i t e ( f i g u r e B l ( a ) ) , e l a y e r = e u n d a m a g e d = e o v e r a l l ( B l ) w h e r e e 1 = s t r a i n i n m i c r o c r a c k e d l a y e r a y e r e u n d a m a g e d - s t r a i n i n u n d a m a g e d l a y e r e = o v e r a l l s t r a i n o v e r a l l T h e n a £ = E £ e 2 ( B 2 6 1 ) a s = E S 6 5 ( B 2 b ) F o r m i c r o c r a c k e d l a y e r c r o s s - s e c t i o n a l a r e a , A g a n d u n d a m a g e d l a y e r c r o s s - s e c t i o n a l a r e a , A S , t h e n l o a d ( f o r c e ) P 2 i n t h e m i c r o c r a c k e d l a y e r a n d t h e l o a d P S i n t h e u n d a m a g e d l a y e r a r e g i v e n b y P = a A = E e A ( 8 3 a ) 3 1 2 £ 1 I P - a A = E e A ( B 3 b ) s s s s s s + = = w h e r e P P S P 0 A o g A g + a S A S , o v e r a l l = 2 o v e r a l l t o t a l s u c h t h a t 2 7 9 2 8 0 \ - l a y e r 1 r \ f I / I T I J P \ I \ < i / \ _ _ s u b s t r a t e ) J N ‘ s u b s t r a t e ( \ k r \ k ‘ ( I \ ’ I \ ' K | \ ‘ ‘ ' \ 4 A f K A I N l , < / ’ 7 < / ’ ) V \ ‘ \ N ] : / l a y e r 2 l a y e r ” U F i g u r e 8 1 . S c h e m a t i c o f u n i a x i a l t e n s i l e l o a d i n g f o r ( a ) t w o l a y e r c o m p o s i t e a n d ( b ) t h r e e l a y e r c o m p o s i t e m o d e l . O V e r a l l / d e = ( d a g / d e ) V £ + ( d o s / d e ) v s ( B S ) 2 8 1 + o s A s / A = a v + a s v s ( B 4 ) a o v e r a l l g a fi A fl / A t o t a l t o t a l 2 2 I f e q u a t i o n B 4 i s d i f f e r e n t i a t e d w i t h r e s p e c t t o s t r a i n , t h e n d o I f d a g / d e a n d d o s / d e a r e l i n e a r , t h e n E = E v + E V ( B 6 ) 3 3 2 R O M 2 2 F o r a t h r e e l a y e r c o m p o s i t e ( f i g u r e B 1 ( b ) ) , s t r a i n i n m i c r o c r a c k e d l a y e r 1 = s t r a i n i n m i c r o c r a c k e d l a y e r 2 = s t r a i n i n u n d a m a g e d l a y e r = o v e r a l l s t r a i n e l a y e r l a 6 l a y e r 2 = e u n d a m a g e d = e o v e r a l l ( B 7 ) F o r t h e t h r e e l a y e r m o d u l u s ( t w o m i c r o c r a c k e d l a y e r s a n d a n u n d a m a g e d l a y e r ) , a s i m i l a r p r o c e d u r e l e a d s t o d a o v e r a l l / d e = ( d a g l / d e ) v £ 1 + ( d o s / d e ) v S + ( d a fi z / d e ) v fi 2 ( B 8 ) I f ( d a fi l / d e ) a n d ( d o fl z / d e ) a r e l i n e a r , t h e n + E s v + E v ( 8 9 ) E 3 R 0 M ‘ E £ 1 V 2 1 s 2 2 £ 2 2 8 2 I f t h e s t r e s s - s t r a i n b e h a v i o r f o r t h e n o n - m i c r o c r a c k e d c e r a m i c i s l i n e a r ( w h i c h i s t y p i c a l l y t r u e , e x c e p t a t v e r y h i g h t e m p e r a t u r e s ) , t h e n d o s / d e s h o u l d b e l i n e a r , s i n c e i t r e f e r s t o t h e n o n - m i c r o c r a c k e d s t r e s s - s t r a i n b e h a v i o r . A k e y a s s u m p t i o n f o r t h e R O M m o d e l i s t h e n t h e l i n e a r i t y o f d a £ / d e , w h i c h r e f e r s t o t h e s t r e s s - s t r a i n b e h a v i o r o f t h e m i c r o c r a c k e d l a y e r ( s ) . A P P E N D I X C . L a y e r c o m p o s i t e m o d e l a p p r o a c h f o r Y o u n g ' s m o d u l u s c h a n g e u s i n g d y n a m i c b e a m v i b r a t i o n t h e o r y T h e f r e e , u n d a m p e d v i b r a t i o n o f a m o n o l i t h i c b a r c a n b e d e s c r i b e d a p p r o x i m a t e l y b y t h e B e r n o u l l i - E u l e r b e a m e q u a t i o n [ c 1 , c 2 ] . 4 2 4 2 8 X g a t w h e r e , E = Y o u n g ' s m o d u l u s ( K g f / m 2 ) I = t h e s e c o n d m o m e n t o f i n e r t i a o f t h e c r o s s s e c t i o n o f t h e b a r w i t h r e s p e c t t o t h e n e u t r a l a x i s W = t r a n s v e r s e d e f l e c t i o n o f t h e b a r , w h i c h i s a f u n c t i o n o f p o s i t i o n a l o n g l o n g i t u d i n a l a x i s , x , a n d t i m e , t a = c r o s s s e c t i o n a l a r e a o f t h e b a r p = d e n s i t y o f t h e b a r g = a c c e l e r a t i o n d u e t o g r a v i t y A s s u m i n g p e r f e c t i n t e r f a c i a l b o n d i n g b e t w e e n t h e m i c r o c r a c k e d l a y e r a n d u n d a m a g e d l a y e r , f o r a s i n g l e m i c r o c r a c k e d l a y e r ( f i g u r e C 1 ) , e q u a t i o n C l b e c o m e s 2 8 3 2 8 4 4 2 8 W ( x , t ) ( a £ p £ + a s p s ) 8 W ( X , t ) + O ( 3 2 ) ( E S I S + E £ I £ ) 4 2 8 x g a t S u b s c r i p t s , E a n d 5 r e p r e s e n t s p r o p e r t i e s a s s o c i a t e d w i t h t h e m i c r o c r a c k e d l a y e r a n d u n d a m a g e d s u b s t r a t e l a y e r r e s p e c t i v e l y . S i n c e t h e d e n s i t y c h a n g e a f t e r m i c r o c r a c k i n g t y p i c a l l y i s n e g l i g i b l e a n d t h e s u m o f m i c r o c r a c k e d l a y e r c r o s s s e c t i o n a l a r e a a n d t h e u n d a m a g e d l a y e r a r e a i s t o t a l c r o s s s e c t i o n a l a r e a o f t h e b e a m , { ( a £ p £ + a s p s ) / g } i n e q u a t i o n C Z s h o u l d b e a p / g . T h e t r a n s v e r s e v i b r a t i o n o f a b a r f o r f r e e - f r e e s u s p e n s i o n r e q u i r e s t h a t t h e b e n d i n g m o m e n t s a n d t h e s h e a r i n g f o r c e s m u s t b e z e r o a t b o t h e n d s o f t h e b a r . 2 3 a W ( O , t ) 8 W ( 0 . t ) = O ; = O f o r t 2 O ( C 3 a ) 2 3 8 x 8 x 2 3 6 W ( L , t ) 8 W ( L , t ) = O ; = O f o r t 2 O ( C 3 b ) 2 3 8 x 8 x w h e r e , L = l e n g t h o f t h e s p e c i m e n T h e s o l u t i o n o f e q u a t i o n B Z u n d e r t h e b o u n d a r y c o n d i t i o n s g i v e n i n e q u a t i o n s C 3 a a n d 0 3 b g i v e s [ c 1 , c 2 ] In I 2 8 5 W n ( x , t ) = { C l c o s ( w n t ) + C 2 s i n ( w n t ) } - { s i n ( k n x ) + s i n h ( k x ) } c o s ( k n x ) + c o s h ( k n x ) - { c o s ( k n L ) - c o s h ( k n L ) } - “ { s i n ( k n L ) - s i n h ( k n L ) } 1 2 2 { ( E S I S + E £ I £ ) g l l W w h e r e w n a p C 1 , 0 2 = i n t e g e r c o n s t a n t s n t h m o d e o f v i b r a t i o n . E a c h W n r e p r e s e n t s a h a r m o n i c t r a n s v e r s e v i b r a t i o n w i t h f r e q u e n c y , F w n / Z fl . T h e s e b o u n d a r y c o n d i t i o n s l e a d t o t h e f o l l o w i n g f r e q u e n c y e q u a t i o n c o s ( k n L ) c o s h ( k n L ) = 1 ( C 5 ) T h e f i r s t r o o t , l e o f e q u a t i o n B S i s 4 . 7 3 0 0 4 8 [ c 1 , c 2 ] . T h e f u n d a m e n t a l t r a n s v e r s e ( f l e x u r a l ) v i b r a t i o n f r e q u e n c y , n = l , o f t h e c o m p o s i t e i s 2 1 / 2 F = k 1 { ( E s I s + E £ I £ ) g 2 % a p 1 / 2 = 1 1 . 1 5 2 8 { ( E S I S + E £ I £ ) g . ( C 6 ) 2 L a p T h e m o m e n t s o f i n e r t i a I s a n d 1 2 ( f i g u r e C 1 ) w e r e c a l c u l a t e d f r o m ( C h ) F i g u r e C l . e S a c n h d m s a t t r i e c s s o f d t s w t o r i i l b a u y t e i r o n m . o d e l c o m p o s i t e b e a m , s t r a i n 2 8 6 y 1 z ‘ fi l s / n e u t r a l d a X I S d 1 x y a s s — . 1 l H S ! I2 " t 2 8 7 d s ' d 2 d 5 2 2 I - y d a = - d d + d d w ( C 7 a ) s — - — — - s s - d 3 3 " d 2 d 2 2 2 I - y d a = + d d + d d w ( 6 7 b ) 2 - — — — 2 £ - d - d £ 3 w h e r e , w = w i d t h o f t h e s p e c i m e n 0 . . t h i c k n e s s o f l a y e r 0 . h i c k n e s s o f s u b s t r a t e W h e n t h e t w o l a y e r c o m p o s i t e b e a m ( f i g u r e C l ) e x p e r i e n c e s p u r e b e n d i n g , t h e n e u t r a l a x i s o f t h e b e a m s h i f t s f r o m t h e c e n t r o i d o f c r o s s s e c t i o n o f t h e c o m p o s i t e b e a m t o a s t i f f e r s i d e . T h e d i s t a n c e f r o m t h e n e u t r a l a x i s t o t h e i n d e n t e d l a y e r i n t e r f a c e , d , c a n b e c a l c u l a t e d u s i n g t h e e q u i l i b r i u m o f t h e a x i a l f o r c e s d u r i n g p u r e b e n d i n g [ c 3 ] ( f i g u r e C 1 ) . d - d - d a s d a + 0 3 d a = 0 ( C 8 ) - d - d — d 2 w h e r e , 0 2 - n o r m a l s t r e s s o f m i c r o c r a c k e d l a y e r ( = E fl y / r ) ( C 9 a ) a s = n o r m a l s t r e s s o f u n d a m a g e d l a y e r ( = E S y / r ) ( C 9 b ) r a d i u s o f c u r v a t u r e o f t h e n e u t r a l a x i s ' 1 ‘ fl 6 . 4 3 9 1 { ( E s d 3 s 3 £ ) + E £ d ' 3 ( E s d 2 s 2 £ - E £ d ) / 4 ( E S d S + E £ d £ ) } ( C l l ) V l ‘ u - l , » . ~ ~ - ’ fl — . . . a - \ . l g ? ” 2 8 8 S t r e s s e s 0 2 a n d a s c a n b e e x p r e s s e d i n t e r m s o f E 3 , E S , d 3 a n d ( 1 5 s u c h t h a t u s i n g e q u a t i o n s ( 0 9 a ) a n d ( C 9 b ) , t h e f o l l o w i n g e x p r e s s i o n f o r d m a y b e o b t a i n e d f r o m e q u a t i o n 0 8 . 2 2 ( E s d s - E 2 d 2 ) d - ( C 1 0 ) ( 2 E s d S + 2 E £ d 2 ) S u b s t i t u t i n g e q u a t i o n s C 8 - C l O i n t o C 7 g i v e s t h e c a l c u l a t e d f u n d a m e n t a l t r a n s v e r s e f r e q u e n c i e s f o r t w o l a y e r c o m p o s i t e b e a m . 1 / 2 F = . L ( d s + d £ ) p T h e o v e r a l l Y o u n g ' s m o d u l u s , E 2 D Y N ’ f o r t w o l a y e r c o m p o s i t e m o d e l i s t h u s g i v e n b y , ( E I + E I ) 2 2 s 5 ( C 1 2 ) 2 D Y N ( I £ + I s ) F o r s p e c i m e n s m i c r o c r a c k e d o n b o t h s u r f a c e s , 3 t h r e e l a y e r c o m p o s i t e m o d e l w h i c h i s c o m p o s e d o f m i c r o c r a c k e d l a y e r 1 , m i c r o c r a c k e d l a y e r 2 a n d n o n c r a c k e d l a y e r i n b e t w e e n s h o u l d b e c o n s i d e r e d ( f i g u r e C 2 ) . T h e t h i c k n e s s o f l a y e r s m a y b e a s s u m e d t o b e t h e s a m e w h e n t h e s p e c i m e n i s l o a d e d w i t h a g i v e n s t r e s s p r o f i l e o n b o t h s u r f a c e s . B u t l a y e r 1 a n d l a y e r 2 c a n h a v e d i f f e r e n t v a l u e s o f ‘ Y o u n g ' s m o d u l i d e p e n d i n g o n h o w m a n y m i c r o c r a c k s a p p e a r o n e a c h F i g u r e C 2 . S s c t h r e e m s a s t i d c i o t f r i s t b h u r t e i e o n . l a y e r m o d e l c o m p o s i t e b e a m , s t r a i n a n d 2 8 9 2 9 0 s u r f a c e . E q u a t i o n C 2 b e c o m e s 4 2 8 W ( x , t ) a p 6 W ( x , t ) ( E 2 1 1 2 1 + E 5 1 5 + E 2 2 1 2 2 ) . + . = 0 ( C 1 3 ) 4 2 6 x g a t w h e r e , E 2 1 = Y o u n g ’ s m o d u l u s o f l a y e r 1 E 2 2 = Y o u n g ’ s m o d u l u s o f l a y e r 2 A p p l y i n g t h e f r e e - f r e e e n d b o u n d a r y c o n d i t i o n s ( e q u a t i o n C 4 ) a n d u s i n g e q u a t i o n C 5 a n d C 6 g i v e t h e f u n d a m e n t a l t r a n s v e r s e v i b r a t i o n f r e q u e n c y f o r t h r e e l a y e r c o m p o s i t e ( f i g u r e C 2 ) . 1 1 . 1 5 2 8 ( E I + E I + E I ) 1 / 2 F _ . 2 1 2 1 s s 2 2 2 2 ( 0 1 4 ) 2 L a p d d d d 3 + . . s 2 1 2 2 2 2 1 1 2 1 - y d a = ( d S - d ) d 2 1 + ( d S - d ) d £ 1 + w ( C l S a ) d - d 3 s 3 I = y d a = - d d + d d w ( C 1 5 b ) S — S S - d 3 3 ’ d 2 ( 1 2 2 2 2 I £ 2 = y d a = + d 2 2 d + d £ 2 d w ( C 1 5 c ) - d - d 3 2 2 w h e r e , ( 1 3 1 ( 1 3 2 - t h i c k n e s s o f l a y e r 1 a n d l a y e r 2 , r e s p e c t i v e l y d S - t h i c k n e s s o f u n d a m a g e d l a y e r w - w i d t h o f t h e s p e c i m e n 2 9 1 F r o m t h e e q u i l i b r i u m o f t h e a x i a l f o r c e s ( f i g u r e C 2 ) , 2 1 - d d S - d - d 0 2 1 d a + a s d a + 0 3 2 d a = 0 ( C 1 6 ) d S - d - d - d - d £ 2 d + d s w h e r e , 0 2 1 = n o r m a l s t r e s s o f t o p i n d e n t e d l a y e r ( = E fi l y / r ) ( C l 7 a ) a S - n o r m a l s t r e s s o f s u b s t r a t e l a y e r ( = E S y / r ) ( C l 7 b ) 0 3 2 - n o r m a l s t r e s s o f b o t t o m i n d e n t e d l a y e r ( = E 2 2 y / r ) ( C l 7 c ) r = r a d i u s o f c u r v a t u r e o f t h e n e u t r a l a x i s T h e d i s t a n c e f r o m t h e n e u t r a l a x i s t o t h e i n t e r f a c e o f m i c r o c r a c k e d l a y e r 2 , d , i s c a l c u l a t e d i n t e r m s o f k n o w n v a l u e s , 2 2 + 2 E d d + E s d s - E £ 2 d £ 2 ) 2 ( E d d a 2 1 £ 1 2 1 2 1 5 ( C 1 8 ) ( 2 E + 2 E d + 2 E S S £ 1 d 2 1 2 2 d 2 2 ) S u b s t i t u t i n g e q u a t i o n s C 1 5 a n d C 1 8 i n t o C 1 4 a l l o w s o n e t o c a l c u l a t e t h e f u n d a m e n t a l t r a n s v e r s e v i b r a t i o n f r e q u e n c y . T h e o v e r a l l Y o u n g ' s m o d u l u s , E a D Y N ’ o f t h r e e l a y e r c o m p o s i t e m o d e l i s ( E I + E I + E I ) . 2 1 2 1 s s 2 2 2 2 ( C 1 9 ) E 3 D Y N ‘ ( 1 3 1 + I S + I £ 2 ) 2 9 2 A p p e n d i x C R e f e r e n c e s c 1 . c 2 . 0 3 . E . V o l t e r r a a n d E . C . Z a c h m a n o g l o u , p p 3 2 1 - 3 2 2 , D y n a m i c s o f V i b r a t i o n s , C h a r l e s E . M e r r i l B o o k s , I n c . , C o l u m b u s , O H , 1 9 6 5 . S . K . C l a r k , p p 7 5 - 8 7 , D y n a m i c s o f C o n t i n u o u s E l e m e n t s , P r e n t i c e H a l l , I n c . , E n g l e w o o d C l i f f s , N J , 1 9 7 2 . S . P . T i m o s h e n k o a n d D . H . Y o u n g , p p 1 1 3 - 1 1 5 , S t r e n g t h o f M a t e r i a l s , f o u r t h e d . , V a n N o s t r a n d R e i n h o l d C o . , P r i n c e t o n , N Y , 1 9 6 2 . A P P E N D I X D T h e r a t i o o f n o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s c h a n g e ( d y n a m i c ) t o n o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s c h a n g e ( R O M ) w h e n a ( d £ / d s ) a p p r o a c h e s z e r o . F o r t w o l a y e r c o m p o s i t e m o d e l , t h e m o m e n t o f i n e r t i a o f l a y e r ( e q u a t i o n 8 2 i n t h e t e x t ) c a n b e w r i t t e n a s t h e f o l l o w i n g w h e n a 4 0 ( d 3 4 0 ) . 2 I z d d w ( D 1 ) W h e n d 2 4 0 , ( 1 8 z 2 d ( f i g u r e C 1 ) . T h e m o m e n t o f i n e r t i a o f s u b s t r a t e ( e q u a t i o n 8 1 i n t e x t ) c a n b e e x p r e s s e d a s , 3 I s 2 2 d w / 3 ( D 2 ) d i s i n t u r n o n e h a l f o f s p e c i m e n t h i c k n e s s , t , w h e n d fl 4 0 . T h u s e q u a t i o n s D 1 a n d D 2 b e c o m e , 2 1 2 = d 2 t w / 4 ( D 3 ) 3 I S = c w / 1 2 ( 0 4 ) 3 w t d 2 I + I = 1 + 3 5 2 — — — — 1 2 t d 2 = I S 1 + 3 ( D 5 ) t 2 9 3 2 9 4 T h e o v e r a l l Y o u n g ' s m o d u l u s f o r t w o l a y e r ( d y n a m i c ) , E Q D Y N i s w r i t t e n a s _ ( E £ I £ + E S I S ) 3 ( d 2 / t ) I s E £ + E S I S 3 ( d £ / t ) E £ + E s E 2 D Y N ' B a ( I + 1 ) I { 1 + 3 ( d / t ) } 1 + 3 ( d / t ) 2 s s 2 ( D 6 ; E E 3 ( d £ / t ) ( E S - E 3 ) - 2 - z 3 ( d / t ) ( E - E ) ( D 7 ) 5 D Y N 1 + 3 ( d z / t ) 2 s 2 E 2 R O M = E s v s + E £ v £ = E S { 1 - ( d , / t ) } + E £ ( d 2 / t ) ( D 8 ) E s - E 2 R O M = E S - [ E s { 1 - < d , / t > ) + E , ( d , / t > 1 = < d , / t > ( 5 5 ( 5 9 § , > l i m E s ' E 2 D Y N _ 1 i m E s ' E 2 D Y N . E s ( d g / t ) 4 0 _ ( d fi / t ) 4 o _ E s - E 2 R O M E 5 E 5 - E 2 R O M 3 ( d / t ) ( E - E ) = l i m 2 S 2 = 3 ( 0 1 0 ) ( d fl / t ) 4 O < d , / t > ( E s - 3 , ) F o r t h r e e l a y e r c o m p o s i t e m o d e l , w h e n ( 1 2 1 4 O a n d d g z 4 0 t h e n t h e m o m e n t s o f i n e r t i a ( e q u a t i o n s 8 9 - 9 1 i n t h e t e x t ) b e c o m e s u p o n d r o p p i n g s e c o n d a n d t h i r d o r d e r t e r m s i n ( 1 3 1 a n d d 2 2 , w ' ( 0 1 1 ) 2 I = ( a s - d ) d 2 2 1 1 3 2 2 I S - ( d B / 3 - d s d + d s d ) w ( D 1 2 ) 2 9 5 d w ( 9 1 3 ) d S é t z 2 d w h e n d 2 l 4 0 a n d d £ 2 4 0 . T h u s e q u a t i o n s D 1 1 - D 1 3 b e c o m e , 2 1 , 1 = t c 1 } , 1 w / 4 = 3 I s d £ 1 / t ( D 1 4 ) 3 I s = c w / 1 2 ( 0 1 5 ) 2 1 , 2 = t d 2 2 w / 4 = 3 I s d fi z / t ( D 1 6 ) I £ 1 + I S + I £ 2 = I s { 3 ( d 2 1 / t ) + 1 + 3 ( d £ 2 / t ) } ( D 1 7 ) - E 2 1 1 2 1 + E s I s + E 2 2 1 2 2 E 3 D Y N g I £ 1 + I S + 1 2 2 3 ( d / t ) E + E + 3 ( d / t ) E = 2 1 2 1 s 2 2 2 2 ( D 1 8 ) 3 ( d 3 1 / t ) + 1 + 3 ( d £ 2 / t ) E - E g ' 3 ( d 2 1 / t ) E 2 1 + 3 ( d fl / c ) s S + m a n / t n : S - 3 ( d 2 2 / t ) E 2 2 s 3 D Y N 3 ( d 3 1 / t ) + 1 + 3 ( d 3 2 / t ) z - 3 ( d £ 1 / t ) E £ 1 + 3 ( d 2 1 / t ) E S + 3 ( d 2 2 / t ) E S - 3 ( d 2 2 / C ) E £ 2 E 3 R O M ‘ E 2 1 V 2 1 + E s v s + E £ 2 V 2 2 ( c m / m y , l + 3 5 1 1 - ( d g l / t > - ( d y z / t ) } + ( a m / 0 E , 2 ( D 1 9 ) ( D 2 0 ) 2 9 6 E s ’ E 3 R O M ' ' ( d z l / t ) E 2 1 + ( d 2 1 / t ) E s + ( d 2 2 / t ) E s ' ( d z z / t ) E 2 2 ( D 2 1 ) - _ W E s - E 3 D Y N E s - E 3 D Y N E s 1 i m = 1 i m ' ( d z / t ) 4 o _ ( d fi / t ) 4 0 _ E s ’ E 3 R 0 M E s E s ' E S R O M , ‘ 1 ' 3 { - ( d £ 1 / t ) E £ 1 + ( d fi l / t ) E S + ( a m / t n : S - ( d 2 2 / t ) E £ 2 } 3 = 1 m = ( d , / t > 4 o ' ( d z l / t ) E 2 1 + ( d 2 1 / t ) E s + ( d 2 2 / t ) E s ' ( d z z / C ) E 2 2 , ( D 2 2 ) T h e n o r m a l i z e d o v e r a l l Y o u n g ' s m o d u l u s c h a n g e ( d y n a m i c b e a m v i b r a t i o n t h e o r y ) i s t h r e e t i m e s l a r g e r t h a n t h e n o r m a l i z e d o v e r a l l Y o u n g ' s m o d u l u s c h a n g e ( R u l e o f m i x t u r e s ) w h e n l a y e r t h i c k n e s s i s v e r y t h i n c o m p a r e d w i t h s u b s t r a t e t h i c k n e s s ( d 2 1 4 0 a n d ( 1 1 , 2 4 0 ) . A P P E N D I X E . A R e l a t i o n B e t w e e n E x p r e s s i o n s f o r 2 - D i m e n s i o n a l T h r o u g h P l a t e S l i t C r a c k s i n P l a t e s a n d 3 - D i m e n s i o n a l S l o t C r a c k s i n S u r f a c e D a m a g e d B a r s F o r a l i g n e d s l i t c r a c k s i n t h r e e d i m e n s i o n s , t h e Y o u n g ' s m o d u l u s n o r m a l t o s l i t s , E , i s [ T a b l e 2 3 , e 1 ] E / E o = 1 - 2 n ( 1 - v : ) G N ( E 1 ) 2 2 F o r s l i t c r a c k s o f l e n g t h 2 a a n d d e p t h 2 , G b e c o m e s { 4 a 2 / 2 ( a + 2 ) } , w h i c h g i v e s 2 2 2 E / E o = 1 - 2 n ( 1 - V o ) { a 2 / ( a + 2 ) } N ( E 2 ) F o r a p l a t e o f s u r f a c e a r e a A a n d t h i c k n e s s t , t h e v o l u m e t r i c c r a c k n u m b e r d e n s i t y , N , e q u a l s n / A t w h e r e n i s t h e n u m b e r o f c r a c k s i n t h e s p e c i m e n , a n d A t i s t h e s p e c i m e n v o l u m e . I f w e e x p r e s s t i n t e r m s o f a c o n s t a n t m u l t i p l e k o f t h e c r a c k d e p t h 2 , t h e n t = k 2 a n d e q u a t i o n E 2 b e c o m e s 2 2 E / E o - 1 - 2 n ( 1 - v o ) { a 2 / ( a + 2 ) } n / A k ( E 3 ) A s t h e c r a c k d e p t h 2 a p p r o a c h e s t h e p l a t e t h i c k n e s s ( t h a t i s , k 4 1 ) , t h e c r a c k b e c o m e s a t h r o u g h s l o t t y p e c r a c k w i t h l e n g t h 2 a a n d d e p t h 2 . 2 9 7 2 9 8 2 E a 2 n 2 1 i m = 1 - 2 n ( l - v o ) - ( E 4 ) k 4 l E o ( a + 2 ) A I n g e n e r a l , i f 2 = r a , t h e n w e c a n r e w r i t e e q u a t i o n E 4 a s 2 2 E / E o = 1 - 2 1 r ( l - V O ) N a { r / ( l + r ) } { a ) ( E 5 ) I f 2 > > a ( t h e c r a c k d e p t h i s l a r g e c o m p a r e d t o t h e c r a c k l e n g t h ) , t h e n r i s l a r g e a n d e q u a t i o n E 5 b e c o m e s 2 2 w h e r e N a i s t h e c r a c k n u m b e r d e n s i t y p e r u n i t s u r f a c e a r e a . I f t h e 2 f i e l d i s s u f f i c i e n t l y d i l u t e t h a t t h e f a c t o r 2 2 ( 1 - u o ) i s s m a l l c o m p a r e d t o o n e , t h e n u s i n g t h e g e o m e t r i c s e r i e s e x p a n s i o n a n d r e t a i n i n g o n l y t h e t e r m s o f o r d e r 0 ( N a ) , e q u a t i o n E 6 c a n b e r e w r i t t e n a s E / E o z [ 1 + Z n N a ( 1 - v : ) { a 2 } ] ( E 7 ) w h i c h i s i d e n t i c a l t o t h e e x p r e s s i o n o b t a i n e d b y H a s s e l m a n f o r d i l u t e 2 - d i m e n s i o n a l a l i g n e d c r a c k d i s t r i b u t i o n s . W h e n a = 2 ( t h a t i s , r = 1 ) , t h e n e q u a t i o n E 5 b e c o m e s 2 9 9 E / E o = 1 - « ( l - v i ) { a 2 } N a ( E 8 ) A n a l o g o u s t o e q u a t i o n E 6 , e q u a t i o n E 8 m a y b e r e w r i t t e n a s 2 2 _ 1 E / E o z [ 1 + n N a ( 1 - v o ) { a } ] ( E 9 ) f o r t h e d i l u t e c r a c k c a s e . A p p e n d i x E R e f e r e n c e s e 1 . N . L a w s a n d J . R . B r o c k e n b r o u g h , " T h e E f f e c t o f M i c r o - c r a c k S y s t e m o n t h e L o s s o f S t i f f n e s s o f B r i t t l e S o l i d s " , I n t . J . S o l i d s . S t r u c t u r e s , 2 3 [ 9 ] : 1 2 4 7 - 1 2 6 8 , 1 9 8 7 . e 2 . D . P . H . H a s s e l m a n a n d J . P . S i n g h , " A n a l y s i s o f T h e r m a l S t r e s s R e s i s t a n c e o f M i c r o c r a c k e d B r i t t l e C e r a m i c s " , A m . C e r a m . S o c . B u 1 1 . , 5 8 [ 9 ] : 8 5 6 - 8 6 0 , 1 9 7 9 . l E A P P E N D I X F . T w o - D i m e n s i o n a l M o d e l s o f A l i g n e d , T h r o u g h - P l a t e C r a c k s A l i g n e d t w o - d i m e n s i o n a l c r a c k m o d e l s T w o d i m e n s i o n a l m i c r o c r a c k - m o d u l u s m o d e l s t y p i c a l l y t r e a t a n a r r a y o f t h r o u g h - p l a t e c r a c k s o r i e n t e d n o r m a l t o t h e p l a n e o f t h e p l a t e [ f l - f 3 ] . B a s e d o n Y o k o b o r i a n d I c h i k a w a ' s e x p r e s s i o n f o r t h e s t r a i n e n e r g y o f c o p l a n a r r o w s o f c r a c k s ( p l a n e s t r a i n ) [ f 1 ] , H a s s e l m a n [ f 2 ] e x p r e s s e d f o r t h e e f f e c t i v e Y o u n g ' s m o d u l u s o f t h e p l a t e n o r m a l t o t h e p l a n e a s ( f i g u r e F l ) L T ! l 0 [ 1 - { 1 6 N a h 2 ( 1 - V : ) 1 n ( c o s ( 1 r a / 2 h ) ) } / 7 r ] ' 1 ( F 1 ) w h e r e E 0 , v 0 = u n d a m a g e d Y o u n g ' s m o d u l u s a n d P o i s s o n ' s r a t i o r e s p e c t i v e l y N a = n u m b e r d e n s i t y o f c r a c k s p e r u n i t a r e a a = h a l f - l e n g t h o f t h e c r a c k h 4 h a l f o f t r a n s v e r s e i n t e r c r a c k s p a c i n g F o r a v e r y d i l u t e c r a c k n u m b e r d e n s i t y ( w h e n N 4 O , h 4 m ) , l n ( c o s ( « a / 2 h ) ) m a y b e a p p r o x i m a t e d a s [ £ 4 ] « a ( 7 r a / 2 h ) 2 ( « a / 2 h ) 4 ( « a / 2 h ) 6 1 7 ( 1 r a / 2 h ) 8 1 n c o s - - - - - . . . ( F 2 ) 2 h 2 1 2 4 5 2 5 2 0 3 0 0 3 0 1 F i g u r e F 1 . S c h e m a t i c o f p l a t e w i t h r e c t a n g u l a r a r r a y o f c r a c k s , w h i c h c o n s i d e r s i n t e r a c t i o n b e t w e e n r o w s o f c r a c k s . 3 0 2 I n t h e d i l u t e c r a c k n u m b e r d e n s i t y a p p r o x i m a t i o n w h e r e h > a , o n l y t h e f i r s t t e r m o f e q u a t i o n B 2 i s r e t a i n e d , s o t h a t e q u a t i o n F 1 b e c o m e s 2 2 _ 1 E = E 0 [ 1 + Z fl N a ( l - V o ) a ] ( F 3 ) w h e r e a l l p a r a m e t e r s a r e a s d e f i n e d i n e q u a t i o n B l . D e l a m e t e r , H e r r m a n n a n d B a r n e t t [ f 3 ] d e r i v e d t h e e f f e c t i v e Y o u n g ' s m o d u l u s , E , f o r a s h e e t c o n t a i n i n g a r e c t a n g u l a r a r r a y n o r m a l t o t h e p l a n e o f c r a c k s , ( p l a n e s t r e s s ) ( f i g u r e F 2 ) 2 1 _ 1 2 a a 3 1 E = s o 1 + ( F 4 ) b d w h e r e E o = u n d a m a g e d Y o u n g ' s m o d u l u s a = h a l f o l e n g t h o f t h e c r a c k d = t r a n s v e r s e i n t e r c r a c k s p a c i n g 2 B } = 2 ( d / n a ) l n ( s e c ( n a / d ) ) . I W h e n d > > a , B 1 a p p r o a c h e s u n i t y . A l s o l / b d i s e q u i v a l e n t t o t h e c r a c k n u m b e r d e n s i t y o f c r a c k s p e r u n i t a r e a . B 4 E 0 [ 1 + ( 2 n 2 N a ) ] - 1 ( F 5 ) r o w I 4 + " ! l 3 0 3 s t a c k F i g u r e F 2 . F l a t p l a t e w i t h a d o u b l y p e r i o d i c r e c t a n g u l a r a r r a y o f c r a c k s , w h i c h c o n s i d e r s i n t e r a c t i o n s o f r o w a n d s t a c k o f c r a c k s o n e f f e c t i v e e l a s t i c c o n s t a n t s ( a f t e r [ f 3 ] ) . 3 0 4 & ? L 0 . 4 4 l . r \ \ - _ E w - ‘ - « = 1 ~ ~ ~ ~ I 3 0 . 9 - q r : - ~ _ d i l u t e 4 " c 1 . ‘ \ “ ~ . E . f u l l . m . _ 1 , 0 0 . 8 — - C ? - 4 : 1 O ‘ . . p a _ _ ' o _ _ m 0 . 7 g _ - . S 0 . 5 I I I V r T I Y r I I I V l I f z 0 . 0 0 . 3 0 . 6 0 . 9 1 . 2 1 . 5 1 . 8 N u m b e r d e n s i t y o f c r a c k s p e r a r e a ( m m ‘ z ) F i g u r e F 3 . N o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s c h a n g e a s a f u n c t i o n o f s u r f a c e n u m b e r d e n s i t y o f c r a c k s f o r f u l l ( e q u a t i o n f 4 ) , a n d d i l u t e ( e q u a t i o n f 1 ) . 3 0 5 A p p e n d i x F R e f e r e n c e s f 1 . T . Y o k o b o r i a n d M . I c h i k a w a , " E l a s t i c S o l i d w i t h a n I n f i n i t e f 2 . f 3 . f 4 . R o w o f C o l l i n e a r C r a c k s a n d t h e F r a c t u r e C r i t e r i o n " , J . P h y . S o c . J p n . , 1 9 : 2 3 4 1 - 2 3 4 2 , 1 9 6 4 . D . P . H . H a s s e l m a n a n d J . P . S i n g h , " A n a l y s i s o f T h e r m a l S t r e s s R e s i s t a n c e o f M i c r o c r a c k e d B r i t t l e C e r a m i c s " , A m . C e r a m . S o c . B u l l . , 5 8 [ 9 ] : 8 5 6 - 8 6 0 , 1 9 7 9 . W . R . D e l a m e t e r , G . H e r m a n n a n d D . M . B a r n e t t , " W e a k e n i n g o f a n E l a s t i c S o l i d b y a R e c t a n g u l a r A r r a y o f C r a c k s " , 4 3 [ 3 ] : 7 4 - 8 0 , J . A p p l . M e c h . , T r a n s . A S M E , 1 9 7 5 . I . S . G r a d s h t e y n a n d I . M . R y z h i k , p 4 6 , T a b l e o f I n t e g r a l s , S e r i e s a n d P r o d u c t s , A c a d e m i c P r e s s , 1 9 8 0 . A P P E N D I X C L i m i t i n g v a l u e o f ( E S - E S D Y N ) / E S f o r R 4 m , R 2 4 w ( d s 4 0 ) . 1 F o r m e q u a t i o n 8 8 b i n t h e t e x t , 2 2 2 2 E S - E 3 D Y N R 1 { R 1 + 3 ( R 2 + 1 ) } A 1 + R 2 { R 2 + 3 ( R 1 + 1 ) } A 2 8 E ( R 1 + R + 1 ) s 2 2 2 2 2 _ ( d g l / d s > [ ( d , 1 / d s > + 3 { ( d , 2 + d S ) / d s ) 1 A 1 + < d , 2 / d s > [ < d , 2 / d s > + 3 { < d , 1 + d S ) / d s } 1 A 2 3 ( t / d s > 2 2 2 2 ( 1 1 2 1 [ < 1 2 1 + 3 ( d ) , 2 + d s ) ] A 1 + d £ 2 [ d £ 2 + 3 ( d £ 1 + d s ) ] A 2 3 t w h e r e d fi 1 - t h i c k n e s s o f m i c r o c r a c k e d l a y e r 1 d - t h i c k n e s s o f m i c r o c r a c k e d l a y e r 2 d 4 t h i c k n e s s o f u n d a m a g e d l a y e r t 4 d + d s + d s p e c i m e n t h i c k n e s s 2 1 2 2 ' R 1 ‘ d z 1 / d s ' R 2 ' d z z / d s A 1 ' f 1 G £ 1 N £ 1 A 2 ‘ f 2 3 2 2 s z 3 0 6 3 0 7 2 2 2 2 E s ' E 3 D Y N _ d 2 1 ( d 2 1 + 3 d 2 2 ) A 1 + d 2 2 ( d 2 2 + 3 d 2 1 ) A 2 3 3 3 3 - ( v l + 3 v 2 v 1 ) A 1 + ( v 2 + 3 v 1 v 2 ) A 2 w h e r e v 1 = v o l u m e f r a c t i o n o f m i c r o c r a c k e d l a y e r 1 v 2 = v o l u m e f r a c t i o n o f m i c r o c r a c k e d l a y e r 2 F o r d s 4 0 , v 1 + v 2 = 1 o r v 2 = 1 - v 1 , t h u s E ‘ E 3 . s D Y N 3 2 3 2 $ 1 3 0 = ( 4 v 1 - 6 v 1 + 3 V 1 ) A l + ( - 4 v 1 + 6 v 1 - 3 v 1 + 1 ) A 2 S E S = A ( A l - A 2 ) + A 2 ( f i g u r e G 1 ) 3 2 w h e r e A = 4 v 1 - 6 v 1 + 3 v 1 I f ( 1 2 1 - d 2 2 ’ t h e n v 1 = 0 . 5 . F o r v 1 — 0 . 5 , A — 0 . 5 , E ' E 3 l i m 5 D Y N = ( A 1 + A 2 ) / 2 d 4 0 s F o r r u l e o f m i x t u r e s E s ' E 3 R O M _ 1 1 + 2 2 E s R 1 + l + R 2 R 1 + 1 + R = v 1 ( A 1 - A 2 ) + A 2 1 . E S - E 3 D Y N A ( A l - A 2 ) + A 2 1 m a d s 4 0 E s ' E S R O M v 1 ( A 1 ' A 2 ) + A 2 I f A 1 = A t h e n i n g e n e r a l , 5 E 3 D Y N = 1 s E 3 R 0 M I f v = 1 o r v 2 = 1 , t h e n a g a i n t h e r a t i o i s 1 . I f V 1 = 0 . 5 ( ( 1 2 1 = d 2 2 ) t h e n B ' E 3 l i m 3 R O M = ( A 1 + A 2 ) / 2 d S 4 O T h u s t h e r a t i o i s 1 f o r v 1 4 v 2 = 0 . 5 . 3 0 8 s E / ) N Y D 3 E — s E ( 3 0 9 F i g u r e G 1 . T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n d 2 1 ’ 2 2 / d A / . a n d t h e l i m i t o f n o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s fi c h a n g e w l l i e n 2 b o t h R 1 a n d R 2 g o e s t o a n i n f i n i t y f o r t h r e e l a y e r ( w h e n d = O . 1 x b a r t h i c k n e s s , 1 1 - 0 1 ) ’ 2 2 2 . . A P P E N D I X H : P o r o s i t y D e p e n d e n c e o f Y o u n g ' s M o d u l u s i n U n i n d e n t e d ( P o l i s h e d ) A l u m i n a S p e c i m e n s T h e Y o u n g ' s m o d u l i o f u n i n d e n t e d ( p o l i s h e d ) a l u m i n a s p e c i m e n s d e c r e a s e a s t h e p o r o s i t y i n c r e a s e s . I n t h i s s t u d y , t h e v o l u m e f r a c t i o n p o r o s i t y o f t h e s p e c i m e n s r a n g e d f r o m a b o u t 0 . 0 6 0 t o 0 . 0 7 5 , b a s e d o n a t h e o r e t i c a l d e n s i t y o f 3 . 9 8 g / c m 3 f o r a l u m i n a . I n t h i s a p p e n d i x , w e s h o w t h a t m o d u l i m e a s u r e d f o r t h e u n d a m a g e d a l u m i n a s p e c i m e n s a r e r e a s o n a b l e i n t e r m s o f k n o w n m o d u l u s - p o r o s i t y r e l a t i o n s . T w o c o m m o n l y u s e d Y o u n g ' s m o d u l u s - p o r o s i t y r e l a t i o n s a r e [ h l ] , k P ( H 1 ) E = E o e - E = 2 0 ( 1 - m p ) ( H 2 ) w h e r e , E = Y o u n g ' s m o d u l u s a t p o r o s i t y v o l u m e f r a c t i o n , P E 0 4 Y o u n g ' s m o d u l u s a t z e r o p o r o s i t y v o l u m e f r a c t i o n ( P = 0 ) P = v o l u m e f r a c t i o n p o r o s i t y k , m = e m p i r i c a l c o n s t a n t s P h a n i [ h 2 ] a n d P h a n i a n d N i y o g i [ h 3 ] s u g g e s t e d t h a t t h e Y o u n g ’ s m o d u l u s - p o r o s i t y r e l a t i o n s h i p m a y b e e x p r e s s e d a s E = 3 0 ( 1 - 2 ) n ' ( H 3 ) w h e r e n i s a n e m p i r i c a l c o n s t a n t . 3 1 0 ~ . ~ » , % . ~ ; x - . . _ . - . . . 3 1 1 B o u n d s f o r E 0 , t h e t h e o r e t i c a l l y d e n s e v a l u e f o r t h e Y o u n g ' s m o d u l u s o f p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a , c a n b e e s t i m a t e d f r o m s i n g l e c r y s t a l m o d u l u s d a t a . T h e V o i g t ( u p p e r b o u n d ) a n d R e u s s ( l o w e r b o u n d ) f o r p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a a r e 4 0 8 . 5 G P a a n d 3 9 8 . 3 G P a , r e s p e c t i v e l y [ h 4 ] . I n e q u a t i o n s H 1 - H 3 , E 0 w a s t a k e n a s 4 0 3 . 4 G P a , w h i c h i s t h e a r i t h m e t i c m e a n o f t h e V o i g t a n d R e u s s b o u n d s . V a l u e s o f k = 3 . 2 , m = 2 . 9 , a n d n = 3 . 1 w e r e d e t e r m i n e d v i a a l e a s t - s q u a r e f i t o f t h e m o d u l u s - p o r o s i t y d a t a t o e q u a t i o n s H 1 , H 2 , a n d H 3 , r e s p e c t i v e l y . T h e c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t s o f 0 . 9 3 5 , 0 . 9 3 4 , a n d 0 . 9 3 4 w e r e o b t a i n e d f o r t h e l e a s t - s q u a r e s f i t t o e q u a t i o n s H 1 , H 2 , a n d H 3 , r e s p e c t i v e l y . R e f e r e n c e s h l . J . C . W a n g , " Y o u n g ' s M o d u l u s o f P o r o u s M a t e r i a l s , P a r t 2 : Y o u n g ' s M o d u l u s o f P o r o u s M a t e r i a l w i t h C h a n g i n g P o r e S t r u c t u r e " , J . M a t . S c i . , 1 9 [ 3 ] : 8 0 9 - 8 1 4 , 1 9 8 4 . h 2 . K . K . P h a n i , " E l a s t i c C o n s t a n t - P o r o s i t y R e l a t i o n s f o r P o l y c r y s t a l l i n e T h o r i a " , J . M a t . S c i . L e t t . , 1 5 [ 7 ] : 7 4 7 - 7 5 0 , 1 9 8 6 . h 3 . K . K . P h a n i a n d S . K . N i y o g i , " P o r o s i t y D e p e n d e n c e o f U l t r a s o n i c V e l o c i t y a n d E l a s t i c M o d u l u s i n S i n t e r e d U r a n i u m D i o x i d e - A D i s c u s s i o n " , J . M a t . S c i . L e t t . , 5 [ 4 ] : 4 2 7 - 4 3 0 , 1 9 8 6 . h 4 . G . S i m m o n s a n d H . W a n g , S i n g l e C r y s t a l E l a s t i c C o n s t a n t s a n d C a l c u l a t e d A g g r e g a t e P r o p e r t i e s : A H a n d b o o k , T h e M . I . T . p r e s s , C a m b r i d g e , M A , 1 9 7 1 . 3 1 2 C o m p u t e r p r o g r a m s f o r e l a s t i c m o d u l u s , i n t e r n a l f r i c t i o n , s u r f a c e h e a t t r a n s f e r , a n d f o r s u r f a c e s t r e s s c a l c u l a t i o n s a r e l i s t e d i n a n A p p e n d i x o f W . J . L e e ' s P h . D . D i s s e r t a t i o n , M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y , 1 9 9 1 . T h e m o d u l u s p r o g r a m c a l c u l a t e s t h e Y o u n g ' s m o d u l u s a n d t h e s h e a r m o d u l u s o f p r i m a t i c - b a r s h a p e d s p e c i m e n s f r o m t h e f u n d a m e n t a l f l e x u r a l r e s o n a n c e f r e q u e n c y a n d t o r s i o n a l f r e q u e n c y [ 1 0 2 , 1 0 3 ] . P o i s s o n ' s r a t i o w a s c a l c u l a t e d f r o m t h e Y o u n g ' s m o d u l u s a n d s h e a r m o d u l u s a s s u m i n g t h e m a t e r i a l s t o b e m a c r o s c o p i c a l l y i s o t r o p i c . T h e i n t e r n a l f r i c t i o n p r o g r a m c o m p u t e s t h e m e a s u r e d i n t e r n a l f r i c t i o n w h i c h i s i n t u r n c o m p o s e d o f t h e s p e c i m e n i n t e r n a l f r i c t i o n a n d t h e a p p a r a t u s i n t e r n a l f r i c t i o n . T h e s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t p r o g r a m c a l c u l a t e s t h e e x p e r i m e n t a l s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t u s i n g t h e t e m p e r a t u r e d e p e n d e n t f u n c t i o n a l f o r m s o f s p e c i f i c h e a t a n d t h e m e a s u r e d s p e c i m e n s u r f a c e t e m p e r a t u r e . T h e m a x i m u m s u r f a c e t e n s i l e s t r e s s p r o g r a m c a l c u l a t e s m a x i m a l t e n s i l e s t r e s s d e v e l o p e d d u r i n g q u e n c h i n g u s i n g t h e t e m p e r a t u r e d e p e n e n t f u n c t i o n s o f Y o u n g ' s m o d u l u s , t h e r m a l e x p a n s i o n c o e f f i c i e n t , q u e n c h t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e , P o i s s o n ’ s r a t i o a n d B i o t m o d u l u s . A c o m m e r c i a l s o f t w a r e , P l o t I T ( S c i e n t i f i c P r o g r a m m i n g E n t e r p r i s e s , H a s l e t t , M I ) w a s u s e d t o p l o t t h e g r a p h s i n t h i s s t u d y a n d t o a n a l y z e e x p e r i m e n t a l d a t a s t a t i s t i c a l l y , s u c h a s r e g r e s s i o n a n d c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t s . A P P E N f d u y n n c a t m X i n D i T i I c h o 1 . s b p f a o e r m o c r g v N f o r a i o o n a c b r r m k r m d a a e y c n t l l n a u i i a e m l o z m v b c n e e i u e d n c l r a t h d Y b t d e i e o e e o f a u s n r n f m s y g e t i s e i e y ' r v h t c n b o m m t r n a p o a o n o d c t m d s u l u i r a i a o l t c c n i e r h e e s k z a c g h d k t e c l a y o a o Y g e n m r e o r g e y u o e t . n m m c y t ' d a r s e r e g o n a l m y c o m u d o m l e d o a l u d t s l e i u l o b s s s c b e h a d a s l . s a n e e g d a n o 1 0 R E M * * c a l c u l a t i o n o f O V E R A L L M O D U L U S a s s u m i n g 2 - D l i m i t i n g f o r m o f ( S l i t ) c r a c k s - M a s s e l m a n n , T H R E E L A Y E R C O M P O S I T E M O D E L * * 2 0 C L S : K E Y O F F 2 5 P R I = 0 : L I G = 1 : L P R I = 1 : D P R I = 0 2 7 R O M S = " R U L E O F M I X T U R E S C A L C U L A T I O N " 3 0 D I M E E ( 1 5 ) , D I F F ( 1 5 ) 4 0 R E M E E i s t h e v e c t o r c o n t a i n i n g t h e e x p e r i m e n t a l m o d u l u s d a t a 4 2 F O R U = 1 T O 1 1 4 5 6 0 8 0 8 9 5 0 0 : R E M I n i t i a l i z e a v e m i n v e c t o r 5 0 F O R H H H = 1 T O 1 6 0 R E A D S E T S : R E M S e t s i s t h e n u m b e r o f d a t a s e t s ~ a 7 0 F O R G 6 = 1 T O S E T S 8 0 R E A D N D A T A , M O D E L , L D , L A B E L $ , H D : R E M h d i s t h e h a l f - d i a g o n a l i n d e n t l e n g t h a t l o a d 1 0 0 R E A D W I D , L E N G T H , T H I C K N E S S , D L , D S , R A D I U S , P O I S S O N , E S 1 1 0 6 0 5 0 3 1 5 0 0 : R E M 0 1 , D 5 m o d i f i c a t i o n 1 2 0 G O S U B 1 4 0 0 0 : R E M E V A L U T A T E E L L I P T I C I N T E G R A L S , E C C E N T R I C I T Y 1 6 0 I F M O D E L 8 2 T H E N 6 0 8 0 8 1 0 0 0 0 1 R E M T w o l a y e r m o d e l 1 8 0 I F M O D E L - 2 T H E N G O T O 8 7 0 2 0 0 F O R R R = 1 T O N D A T A 2 0 5 6 0 8 0 8 9 0 0 0 : R E M I n i t i a l i z e f o r s u m s , g e t c o n s t a n t s 2 1 0 6 0 5 0 8 1 0 0 0 : R E M C a l c u l a t i o n o f l a y e r m o d u l u s ( T O P a n d B O T T O M ) 2 8 0 G O S U B 4 5 0 0 : R E M C a l c u l a t i o n o f N O R M A L I Z E D Y O U N G ' S M O D U E U S C H A N G E 3 2 0 G O S U B 4 7 0 0 : R E M C o n v e r s i o n o f u n i t s f o r e l a s t i c m o d u l u s 3 6 0 6 0 8 0 8 4 8 0 0 : R E M C a l c u l a t i o n o f E x p e r i m e n t a l v a l u e o f N o r m a l i z e d o f N o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s 5 0 0 I F P R I - 1 T H E N 6 0 8 0 8 5 0 0 0 : R E M P R I N T R E S U B T S T O C R T 7 0 0 N E X T K R . 8 0 0 I F P R I 8 1 T H E N 6 0 5 0 8 8 0 0 0 : R E M P r i n t s u m m a r y r e s u l t s t o C R T f o r d a t a s e t 8 2 0 R E M S T O P 8 7 0 N E X T 6 6 9 0 0 R E S T O R E : R E M R e s e t d a t a p o i n t e r s o t h a t . d a t a c a n b e r e e v a l u a t e d f o r d i f f e r e n t v a l u e s o f d l , d s 9 5 0 6 0 8 0 8 9 7 0 0 : R E M p r i n t o u t a v e m i n v e c t o r t o t h e c r t 9 6 0 6 0 5 0 8 1 5 5 0 0 : R E M P r i n t r e s u l t s t o d i s k f i l e 9 8 0 N E X T H H H 9 8 5 N E X T U 9 9 0 E N D 1 0 0 0 R E M “ C a l c u l a t i o n o f l a y e r m o d u l u s ( T O P a n d B O T T O M ) u n d e r 2 - 0 R e c t a n g u l a r ( s l i t ) c r a c k m o d e * * 1 0 0 5 R E A D T I N D , B I N D , E E ( K K ) 1 0 0 7 I F L I G - 1 T H E N 6 0 8 0 8 7 0 0 0 : R E M m o d e l a s t w o c r a c k s , o m i t t e d c e n t r a l " l i g a m e n t w h e r e t h e 1 0 0 8 R E M i n d e n t i m p r e s s i o n a p p e a r s 1 0 1 0 R E M H I D - W i d t h o f t h e s p e c i m e n i n [ m ] * * 1 0 2 0 R E M L E N G T H - L e n g t h o f t h e s p e c i m e n i n [ m 1 * * 1 0 2 5 R E M T H I C K N E S S - t h i c k n e s s o f t h e s p e c i m e n i n [ m ] * * 1 0 3 0 R E M D L - D e p t h o f t h e l a y e r i n [ m ] f o r t h e V i c k e r s i n d e n t a t i o n * * 1 0 4 0 R E M R A D I U S c R a d i u s m e a n s H a l f o f s l i t c r a c k s i z e i n [ m ] , w h i c h i s h a l f o f m e a s u r e d r a d i a l c r a c k s i z e , 2 c * * 1 0 5 0 R E M P O I S S O N - u n d a m a g e d P o i s s o n ' s r a t i o o f t h e s p e c i m e n * 1 0 6 0 N U M D T L A Y E R - T I N D / ( W I D ‘ L E N G T H ) : R E M * * N U M D T L A Y E R s t a n d s f o r N U M B E R d e n s i t y o f t o p l a y e r ( m m - Z ) , T I N D r e p r e s e n t s n u m b e r o f i n d e n t s o n t o p s u r f a c e 1 0 6 5 N V T L A Y E R 8 T I N D / ( W I D * L E N G T H * D L ) : R E M ‘ 1 0 7 0 N U M D B L A Y E R - B I N D / ( W I D ‘ L E N G T H ) : R E M * * N U M D B L A Y E R a n d B I N D a r e N U M B E R d e n s i t y o f b o t t o m l a y e r ( m m - Z ) a n d N u m b e r o f i n d e n t a t i o n s o n t h e b o t t o m 1 0 7 5 N V B L A Y E R I B I N D / ( N I D ‘ L E N G T H ‘ D L ) : R E M 1 0 0 0 N D S U R F A C E - N U M D T L A Y E R + N U M D B L A Y E R : R E M u N D S U R F A C E r e p r e s e n t s t o t a l l T - n ) n u m b e r d e n s i t y - o f c r a c k s ( m m - 2 ) . . 1 1 0 0 N D V O L U M E - ( T I N D + B I N D ) / ( " I o t L E N G T fl t T H I C K N E S S ) : R E M fl N D V O L D M E i s . n u m b e r d e n s i t y o f c r a c k s i n w h o l e s p e c i m e n n 1 1 2 0 R E M E s - T H E S U B T R R A T E M O D U L U S I N [ N / M 2 ] * * 1 2 0 0 I f V O L - 0 T H E N E T = F N L A Y ( N U M D T L A Y E R ) : R E M N o t v o l u m e b a s e d m o d e l 1 2 2 0 I f V O L - 0 T H E N E B - F N L A Y ( N U M D B L A Y E R ) 1 2 3 0 R E M I F M K < 3 T H E N P R I N T ' N T L - ” : N U M D T L A Y E R : " N B L - ” : N U M D B L A Y E R : S T O P 1 2 4 0 1 ? V O L - 1 T H E N E T - F N L A Y ( N V T L A Y E R ) 3 1 3 1 2 0 0 1 2 2 0 1 2 4 0 1 2 6 0 1 4 0 0 1 5 0 0 1 5 1 0 1 5 2 0 1 5 4 0 1 9 0 0 1 9 9 0 2 0 0 0 2 0 2 0 2 0 3 0 3 1 4 0 T H E N E T R E M N o t v o l u m e b a s e d m o d e l 0 T H E N B B 1 T H E N E T 1 T H E N E B I F V O L I F V O L I F V O L I F V O L R E T U R N R E M B S , 0 1 D L = D L - I F M O D E L = I F M O D E L = R E T U R N R E T U R N R E M * * c a l c u 1 a t i o n o f t h e d i s t a n c e f r o m t h e n e u t r a l a x i s t o t h e b o t t o m l a y e r R E M D S = S u s t r a t e t h i c k n e s s i n [ m ] * * D I S T A N C E = ( E T * D L * D L + 2 * E T * D L * D S + E S * D S * D S - E B * D L * D L ) / ( 2 * E T * D L + 2 * E S * D S F N L A Y ( N U M D T L A Y E R ) F N L A Y ( N U M D B L A Y E R ) F N L A Y ( N V T L A Y E R ) F N L A Y ( N V B L A Y E R ) ( D L / l O O ) * ( H H H - 1 ) 2 T H E N D S = T H I C K N E S S - D L 3 T H E N D S = T H I C K N E S S - ( 2 ! * D L ) + 2 * E B * D L ) 2 1 0 0 3 0 0 0 3 0 0 5 3 0 1 0 3 0 2 0 3 1 0 0 4 5 0 0 4 5 1 0 4 5 3 0 4 5 9 0 4 7 0 0 4 7 1 0 4 7 2 0 4 7 4 0 4 7 6 0 4 7 8 0 4 7 9 0 4 7 9 5 4 8 0 0 4 8 3 0 4 8 4 0 4 8 6 0 4 8 7 0 4 8 8 0 4 8 8 5 4 9 0 0 4 9 9 0 5 0 0 0 5 1 0 0 5 1 0 5 5 1 0 7 5 1 1 0 y m c 5 1 3 0 5 2 0 0 5 4 0 0 5 4 0 5 5 4 2 0 5 4 4 0 5 4 6 0 5 4 8 0 5 4 9 0 5 4 9 5 5 5 0 0 5 5 2 0 5 8 0 0 7 0 0 0 7 1 0 0 R E T U R N R E M * * C a 1 c u l a t i o n o f t h e s e c o n d m o m e n t o f i n e r t i a o f T O P , S U B S T R A T E a n d B O T T O M l a y e r * * I N E T = ( ( O S - D I S T A N C E ) * ( D S - D I S T A N C E ) * D L + ( D S - D I S T A N C E ) * D L * D L + ( D L ‘ 3 ) / 3 ) * W I D I N S = ( ( D S ‘ 3 ) / 3 - ( D S * D S * D I S T A N C E ) + ( D S * D I S T A N C E * D I S T A N C E ) ) * W I D fi g g U ; § ( D L ‘ 3 ) / 3 + ( D L * D L * D I S T A N C E ) + ( D L * D I S T A N C E * D I S T A N C E ) ) * W I D R E M * * c a l c u l a t i o n O f N O R M A L I Z E D Y O U N G ' S M O D U L U S C H A N G E * * E O V E R A L L = ( E T * I N E T + E S * I N S + E B * I N B ) / ( I N E T + I N S + I N B ) N Y M C = ( E S - E O V E R A L L ) / E S R E T U R N R E M C o n v e r s i o n o f u n i t s f o r e l a s t i c m o d u l u s C O N V = 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 # N D V V = N D V O L U M E / C O N V : R E M * * 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 [ m m 3 ] N D S S = N D S U R F A C E / 1 0 0 0 0 0 0 ! : R E M * * 1 0 0 0 0 0 0 [ m m Z ] = E S S = E S / C O N V : E B B = E B / C O N V : E E O V E R = E O V E R A L L / C O N V : [ N / m 2 ] = 1 [ G P a ] * * 3 T H E N E T T = E T / C O N V 2 T H E N E L A Y E R = E L / C O N V = 1 [ m 3 ] * * 1 [ m 2 ] * * R E M * * 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 I F M O D E L = I F M O D E L = R E T U R N R E M C a l c u l a t i o n o f E x p e r i m e n t a l v a l u e o f N o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s E N Y M C = ( E S S - E E ( K K ) ) / E S S I F E N Y M C < > 0 ! T H E N D D = ( E N Y M C - N Y M C ) / E N Y M C d a m a g e d v a l u e , e n y m c i s z e r o D I F F ( K K ) = ( E E O V E R - E E ( K K ) ) / E E ( K K ) : D I F F ( K K ) = R E M I F K K = N D A T A T H E N P R I N T D I F F ( K K ) : S T O P S U M = S U M + D I F F ( K K ) I F R R = N D A T A T H E N A V E ( G G ) = S Q R ( S U M / ( N D A T A — 1 1 ) ) I F K K = N D A T A T H E N G O S U B 5 4 0 0 : R E M B o o k e e p i n g o n m i n s u m s R E T U R N R E M P r i n t r e s u l t s t o c r t A $ = " # # # . # # # # # # # . # # # # I F X X 1 T H E N P R I N T " " : I F R R 1 T H E N P R I N T L A B E L S I F R R 1 T H E N P R I N T " E t ( G P a ) d d fl P R I N T U S I N G A $ ; E T T , E B B , E E O V E R , E E ( K K ) , N Y M C , E N Y M C , D D R E T U R N R E M B o o k e e p i n g o n m i n s u m s I F A V E ( G G ) > A V E M I N ( G G , 1 ) T H E N R E T U R N A V E M I N ( G G , 1 ) A V E ( G G ) A V E M I N ( G G , 2 ) D L A V E M I N ( G G , 3 ) L D A V E M I N ( G G , 4 ) M O D E L I F V O L = 0 T H E N S L O P E = I F V O L = 1 T H E N S L O P E = A V E M I N ( G G , 5 ) S L O P E A V E M I N ( G G , 6 ) H D R E T U R N R E M c a l c u l a t i o n , T I N D = T I N D * 2 ! R E M F o r t h e i n i t i a l , D I F F ( K K ) * D I F F ( K K ) # # # . # # # # # # # . # # # # # . # # # # # # . # # # # # P R I N T " " P R I N T " " E b ( G P a ) E o v ( G P a ) E e x p n y m c R E M 2 0 c r a c k d e n s i t i e s R E M 3 D c r a c k d e n s i t i e s S L O P E * 1 0 0 0 0 0 0 ! : S L O P E * 1 E + O 9 o n t w o c r a c k s , n e g l e c t i n g c e n t r a l l i g a m e n t B I N D = B I N D * 2 ! L N I N D = L N I N D * 2 ! 3 1 5 7 1 3 0 R E M 7 1 4 0 I F K K > 1 T H E N R E T U R N 7 1 5 0 R A D I U S = ( R A D I U S - H D ) / 2 ! : R E M h d = t h e h a l f i n d e n t i m p r e s s i o n ( i n m e t e r s 7 2 0 0 R E T U R N 8 0 0 0 R E M P r i n t s u m m a r y r e s u l t s t o C R T f o r d a t a s e t 8 0 1 0 T T = 0 ! : R E M T T i s t h e t h i c k n e s s , c o m p u t e d f r o m l a y e r ( s ) + s u b s t r a t e 8 0 2 0 P R I N T " " 8 0 3 0 P R I N T " d 1 = " : D L : " d s = " : D S ; " 8 0 4 0 I F M O D E L = 2 T H E N T T = D L + D S : P R I N T " t h i c k = " : T T : T H I C K N E S S 8 0 5 0 I F M O D E L = 3 T H E N T T = 2 ! * D L + D S : P R I N T " t h i c k = " : T T : T H I C K N E S S 8 0 7 0 P R I N T " a v e r a g e s u m = " J A V E ( G G ) 8 1 9 0 R E T U R N 8 2 0 0 R E M 2 D s l i t c r a c k 8 2 1 0 D E F F N L A Y ( X ) = E S * ( 1 - ( 2 ! * P I * ( l - P O I S S O N ‘ Z ) * X * R A D I U S “ 2 ) ) : V O L = O 8 2 1 2 S L O P E = ( 2 ! * P I * ( 1 - P O I S S O N ‘ 2 ) * R A D I U S A Z ) 8 2 1 5 C R $ = " 2 D s l i t c r a c k " 8 2 2 0 R E T U R N 8 2 5 0 R E M D E F m o d i f i e d 2 D s l i t c r a c k s 8 2 5 5 C R $ = " m o d i f i e d 2 D s l i t c r a c k s ” 8 2 6 0 D E F F N L A Y ( X ) = E S * ( 1 - ( 2 ! * F A C T O R * P I * ( l - P O I S S O N ‘ Z ) * X * R A D I U S ‘ 2 ) ) 8 2 6 5 S L O P E = ( 2 1 * F A C T O R * P I * ( l - P O I S S O N “ 2 ) * R A D I U S ‘ Z ) 8 2 7 0 V O L = 0 8 2 9 0 R E T U R N 8 2 9 5 R E M 8 2 9 6 R E M 8 2 9 7 R E M 8 3 0 0 R E M M O D I F I E D f o r 3 D s l i t c r a c k s 8 3 0 5 C R $ = " 3 D s l i t c r a c k s , M O D I F I E D " 8 3 1 0 F C l = . 5 * ( P I * P I ) * ( 1 ! - P O I S S O N * P O I S S O N ) : R E M F a c l i s t h e p r e f a c t o r , a l i g n e d s l i t c r a c k s 8 3 2 0 F C Z = ( 2 ! / P I ) : R E M F a c 2 i s a m u l t i p l i c a t i v e f a c t o r a s s o c i a t e d w i t h e p s i l o n 8 3 3 0 P E R = ( 2 1 * R A D I U S + 2 * D L ) + ( P I * H D ) : R E M P e r i s t h e p e r i m e t e r o f t h e s l i t c r a c k , i g n o r i n g t h e f r e e s u r f a c e 8 3 4 0 8 1 = ( 2 ! * R A D I U S * D L ) - ( . 5 * P I * H D * H D ) : R E M s i s t h e a r e a o f t h e s l i t c r a c k 8 3 5 0 S S Q = 5 1 * 8 1 : R E M S s q i s t h e s q u a r e o f t h e c r a c k a r e a ( s l i t c r a c k ) 8 3 6 0 R E M W i t h l i g = 1 , f a c t o r o f 2 . 8 g i v e s r e a s o n a b l e f i t D E F F N L A Y ( X ) = E S * ( 1 - ( 2 . 8 * X * F C 1 * F C 2 * S S Q ) / P E R ) : V O L = 1 : R E M 3 D m o d i f i e d s l i t , 8 3 7 0 D E F F N L A Y ( X ) = E S * ( 1 - ( X * F C 1 * F C 2 * S S Q ) / P E R ) : V O L = 1 : R E M 3 0 m o d i f i e d s l i t 8 3 8 0 S L O P E = ( F C 1 * F C 2 * S S Q ) / P E R : V O L = 1 : R E M 3 D m o d i f i e d s l i t 8 3 9 0 R E T U R N 8 3 9 6 R E M 8 3 9 7 R E M 8 4 0 0 R E M C a l c u l a t e f o r M O D I F I E D h a l f e l l i p s e c r a c k s 8 4 0 5 C R $ = " M O D I F I E D h a l f e l l i p s e c r a c k s " 8 4 0 7 R E M M u c h b e t t e r f i t i f l i g = 0 r a t h e r t h a n 1 1 9 = 1 8 4 1 0 F A C l = ( 1 6 ! / 3 ! ) * ( 1 ! - P O I S S O N * P O I S S O N ) : R E M F a c l i s t h e p r e f a c t o r , a l i g n e d e l l i p t i c a l c r a c k s 8 4 2 0 F A C Z = ( Z l / P I ) : R E M F a c 2 i s a m u l t i p l i c a t i v e f a c t o r a s s o c i a t e d w i t h e p 5 1 o n 8 4 3 0 P E R I M = ( 2 ! * R A D I U S * E L L ) + ( P I * H D ) : R E M P e r i m i s t h e p e r i m e t e r o f a h a l f - e l l i p s e i g n o r i n g t h e f r e e s u r f a c e , b u t i n c l u d i n g i n d e n t l i g a m e n t 8 4 3 5 R P = l l / P E R I M 8 4 4 0 R E M P E R I M = ( 2 ! * r a d i u s * e l l ) + 2 ! * ( r a d i u s - ( 2 ! * h d ) + P I * h d ) : R E M P e r i m i s t h p e r i m e t e r o f a h a l f - e l l i p s e i g n o r i n g t h e f r e e s u r f a c e , b u t i n c l u d i n g i n d e n t l i g a m e n t 8 4 5 0 A 1 1 = ( ( P I / Z ! ) * R A D I U S * D L ) - ( . 5 * P I * H D * H D ) : R E M A l l i s t h e a r e a o f a h a l f - e l l i p s e , c o r r e c t e d f o r i n d e n t l i g a m e n t 8 4 6 0 A 8 0 = A 1 1 * A 1 1 : R E M A s q i s t h e s q u a r e o f t h e c r a c k a r e a ( h a l f - e l l i p s e ) 8 4 7 0 D E F F N L A Y ( X ) = E S * ( 1 ! - X * F A C 1 * F A C 2 * A S Q * R P ) : V O L = l : R E M m o d i f i e d H A L F - E L L I P S E c r a c k s 8 4 8 0 S L O P E = F A C 1 * F A C 2 * A S Q * R P : R E M m o d i f i e d H A L F - E L L I P S E c r a c k s 8 4 9 0 R E T U R N 8 4 9 6 R E M 8 4 9 7 R E M . 8 5 0 0 R E M H A L F E L L I P S E C R A C K S , U N M O D I F I E D 8 5 0 5 C R $ = " H A L F E L L I P S E C R A C K S , U N M O D I F I E D " 8 5 0 7 8 5 1 0 8 5 2 0 8 5 3 0 8 5 4 0 8 5 4 5 8 5 5 0 8 5 6 0 8 5 7 0 8 5 8 0 8 5 9 0 8 5 9 6 8 5 9 7 8 6 0 0 8 6 0 5 8 6 1 0 8 6 2 0 8 6 2 5 8 6 3 0 8 6 3 5 8 6 4 0 8 6 5 0 8 6 6 0 8 6 8 0 8 6 9 0 8 6 9 6 8 6 9 7 8 7 0 0 8 7 0 5 8 7 0 7 8 7 1 0 8 7 2 0 8 7 3 0 3 1 6 R E M F o r l i g = 0 , - 1 . 4 < d d < . 5 , f o r l i g = 1 r e a s o n a b l e f i t e x c e p t f o r 3 - l a y e r , 9 8 N l o a d F A C l = ( 1 6 ! / 3 ! ) * ( 1 ! — P O I S S O N * P O I S S O N ) : R E M F a c l i s t h e p r e f a c t o r , a l i g n e d e l l i p t i c a l c r a c k s F A C 2 = ( 2 ! / P I ) : R E M F a c 2 i s a m u l t i p l i c a t i v e f a c t o r a s s o c i a t e d w i t h e p s i l o n P E R I M = 2 ! * R A D I U S * E L L : R E M P e r i m i s t h e p e r i m e t e r o f a h a l f - e l l i p s e - i g n o r i n g t h e f r e e s u r f a c e R E M P E R I M = 2 1 * r a d i u s : R E M P e r i m i s t h e p e r i m e t e r o f a h a l f - e l l i p s e i g n o r i n g t h e f r e e s u r f a c e R P = l l / P E R I M A A = ( P I / 2 ! ) * R A D I U S * D L : R E M A A i s t h e a r e a o f a h a l f - e l l i p s e A S Q = A A * A A : R E M A s q i s t h e s q u a r e o f t h e c r a c k a r e a ( h a l f - e l l i p s e ) D E F F N L A Y ( X ) = E S * ( 1 - ( X * F A C 1 * F A C 2 * A S Q * R P ) ) : V O L = l z R E M H A L F - E L L I P S E c r a c k S L O P E = F A C 1 * F A C 2 * A S Q * R P : R E M H A L F - E L L I P S E c r a c k R E T U R N R E M R E M R E M 3 D S L I T C R A C K S , U N M O D I F I E D C R $ = " 3 D S L I T C R A C K S , U N M O D I F I E D " F C l = . 5 * ( P I * P I ) * ( 1 ! - P O I S S O N * P O I S S I O N ) : R E M F a c l i s t h e p r e f a c t o r , a l i g n e s l i t c r a c k s F C 2 = ( 2 1 / P I ) : R E M F a c 2 i s a m u l t i p l i c a t i v e f a c t o r a s s o c i a t e d w i t h e p s i l o n P E R = 2 * R A D I U S + 2 * D L : R E M P e r i s t h e p e r i m e t e r o f t h e s l i t c r a c k R E M P E R = 2 ! * ( D L + 2 ! * R A D I U S ) : R E M P e r i s t h e p e r i m e t e r o f t h e s l i t c r a c k , i n c l d u i n g t h e f r e e s u r f a c e R P = 1 1 / P E R S S = 2 ! * R A D I U S * D L : R E M s i s t h e a r e a o f t h e s l i t c r a c k S S Q = S S * S S : R E M S S Q i s t h e s q u a r e o f t h e c r a c k a r e a ( s l i t c r a c k ) D E F F N L A Y ( X ) = E S * ( 1 ! - ( X * F C 1 * F C 2 * S S Q * R P ) ) : V O L = 1 : R E M 3 D S L I T C R A C K S S L O P E = F C 1 * F C 2 * S S Q * R P : R E M 3 D S L I T C R A C K S R E T U R N , R E M R E M R E M S H E T T Y C R A C K S C R $ = " S H E T T Y C R A C K S " R E M F o r l i g = 1 , f i t t i n g i s v e r y p o o r ( o n e - t w o o r d e r s o f m a g n i t u d e e r r o r s i n t e r m s o f n y m c F A C l = ( l 6 ! / 3 ! ) * ( 1 ! - P O I S S O N * P O I S S O N ) : R E M F a c l i s t h e p r e f a c t o r , a l i g n e e l l i p t i c a l c r a c k s F A C 2 = ( 2 ! / P I ) : R E M F a c 2 i s a m u l t i p l i c a t i v e f a c t o r a s s o c i a t e d w i t h e p s i l o n P E R I M = ( R A D I U S * E L L ) + D L - H D : R E M P e r i m i s t h e p e r i m e t e r o f h a l f - e l l i p s e i g n o r i n g t h e f r e e s u r f a c e , b u t i n c l u d i n g i n d e n t l i g a m e n t 8 7 3 5 8 7 4 0 R P = l l / P E R I M A R E A = ( ( P I / 4 ! ) * R A D I U S * D L - ( H D * D L ) ) : R E M A R E A a r e a o f a h a l f - e l l i p s e , c o r r e c t e d f o r i n d e n t l i g a m e n t 8 7 5 0 8 7 6 0 8 7 8 0 8 7 9 0 8 7 9 6 8 7 9 7 8 8 0 0 8 8 1 0 8 8 2 0 e d 8 8 3 0 8 8 3 5 8 8 4 0 8 8 5 0 8 8 6 0 8 8 6 5 A S Q = A R E A * A R E A : R E M A s q i s t h e s q u a r e o f t h e c r a c k a r e a ( h a l f - e l l i p s e ) D E F F N L A Y ( X ) = E S * ( 1 ! - ( X * F A C 1 * F A C 2 * A S Q * R P ) ) : V O L = 1 : R E M S k e t t y c r a c k s S L O P E = F A C 1 * F A C 2 * A S Q * R P : R E M s k e t t y c r a c k s R E T U R N R E M R E M R E M m o d i f i e d 3 D c r a c k s , e d i t i o n I I C R $ = " m o d i f i e d 3 D c r a c k s , e d i t i o n I I " F C l = . 5 * ( P I * P I ) * ( 1 ! - P O I S S O N * P O I S S O N ) : R E M F a c l i s t h e p r e f a c t o r , a l i g n s l i t c r a c k s F C 2 = ( 2 ! / P I ) : R E M F a c 2 i s a m u l t i p l i c a t i v e f a c t o r - a s s o c i a t e d w i t h e p s i l o n P E R = ( 2 1 * R A D I U S + 2 ! * D L + P I * H D ) R P = l l / P E R S A = ( 2 ! * R A D I U S * D L ) - ( . 5 * P I * H D * H D ) : R E M s i s t h e a r e a o f t h e s l i t c r a c k S S Q = S A * S A : R E M S s q i s t h e s q u a r e o f t h e c r a c k a r e a ( s l i t c r a c k ) G O S U B 1 4 0 0 0 : R E M E l l i p t 1 c i n t e g r a l s u b r o u t i n e 9 7 2 0 “ ‘ I I 9 7 3 0 9 7 3 2 9 7 3 5 9 7 3 6 9 7 3 7 9 7 3 8 9 7 4 0 9 7 4 2 l o p e 9 7 6 0 9 8 2 0 9 8 4 0 3 1 7 D E F F N L A Y ( X ) = E S * ( 1 ! - ( X * V V * F C 1 * F C 2 * S S Q * R P ) ) V O L = 1 R E M S L I T c r a c k s S L O P E = V V * F C 1 * F C 2 * S S Q * R P : R E M S l o p e i s t h e s l o p e o f t h e d e l t a v e r s u s N d a t a f o r S L I T c r a c k s R E T U R N R E M R E M R E M R E M R E M I n i t i a l i z e f o r s u m s , g e t c o n s t a n t s S U M = 0 ! : R E M S u m i s t h e s u m o f t h e r e s i d u a l s ( d i f f e r e n c e b e t w e e n a n d m o d e l e d v a l u e s a r e t h e r e s i d u a l s ) . D D = 0 ' : T T = 0 ! : R E M I n i t i a l i z e d d v a l u e R E M C r a c k f u n c t i o n s I F U = 1 T H E N G O S U B 8 2 0 0 : R E M 2 D s l i t c r a c k I F U = 2 T H E N G O S U B 8 2 5 0 : R E M m o d i f i e d 2 D s l i t c r a c k s I F U = 3 T H E N G O S U B 8 3 0 0 : R E M B D S L I T C R A C K , M O D I F I E D I F U = 4 T H E N G O S U B 8 4 0 0 : R E M 3 D M O D I F I E D h a l f e l l i p s e c r a c k s I F U = 5 T H E N G O S U B 8 5 0 0 : R E M 3 D H A L F E L L I P S E C R A C K S , U N M O D I F I E D I F U = 6 T H E N G O S U B 8 6 0 0 : R E M 3 D S L I T C R A C K S , U N M O D I F I E D I F U = 7 T H E N G O S U B 8 7 0 0 : R E M S H E T T Y c r a c k s I F U = 8 T H E N G O S U B 8 8 0 0 : R E M m o d i f i e d 3 D c r a c k s , e d i t i o n I I R E M E l l i p t i c a l s h a p e d i n d e n t c r o s s - s e c t i o n I F U = 9 T H E N G O S U B 1 3 5 0 0 : R E M m o d i f i e d 3 D s l i t , e l l i p h d I F U = 1 0 T H E N G O S U B 1 3 6 3 0 : R E M m o d i f i e d 3 0 h a l f - e l l i p s e , e l l i p h d I F U = 1 1 T H E N G O S U B 1 3 7 7 0 : R E M m o d i f i e d 3 D c r a c k s , e d i t i o n I I R E T U R N R E T U R N R E M I n i t i a l i z e a v e m i n v e c t o r F O R W Q = 1 T O 6 A V E M I N ( W Q , 1 ) = 9 9 9 9 9 . 9 : A V E M I N ( W Q , 2 ) = 0 ! N E X T W Q R E T U R N R E M I F L I G = 1 T H E N L $ = " w i t h l i g a m e n t ( r a d i u s a n d n d e n s i t y r e v i s e d ) I F L I G = 0 T H E N L $ = " w i t h o u t l i g a m e n t c o r r e c t i o n " A V $ = " # # # # # # # # . # # # # “ ‘ “ ‘ # # . # # # ” “ “ # s = ; # “ " # # . # P R I N T " " P R I N T " " I F L P R I = 1 T H E N L P R I N T " " L P R I N T " " P R I N T C R $ ; L S P R I N T R O M S I F L P R I = 1 T H E N L P R I N T C R $ ; L $ I F L P R I = 1 T H E N L P R I N T R O M S P R I N T " L o a d ( N ) L a y e r s M i n A v e S u m D 1 S l o p e h d " I F L P R I = 1 T H E N L P R I N T " L o a d ( N ) L a y e r s M i n A v e S u m D 1 S h d " I F L P R I = 1 T H E N L P R I N T " " F O R A = 1 T O S E T S P R I N T U S I N G A V $ ; A V E M I N ( A , 3 ) : A V E M I N ( A , 4 ) : A V E M I N ( A , 1 ) 5 ) , A V E M I N ( A , 6 ) I F L P R I = 1 T H E N L P R I N T U S I N G A V S ; A V E M I N ( A , 3 ) , A V E M I N ( A , 4 ) . A V E M I N ( A , 1 ) , A V E M I N ( A , 2 ) , A V E M I N ( A , 5 ) , 9 8 6 0 N E X T A 9 9 9 0 R E T U R N 1 0 0 0 0 R E M T w o l a y e r m o d e l 9 8 4 2 1 0 0 4 0 G O S U B 1 4 0 0 0 : : A V E M I N ( A , 2 ) , A V E M I N ( A , A V E M I N ( A , 6 ) R E M C o m p u t e e l l i p t i c i n t e g r a l s 1 0 0 6 0 F O R K K = 1 T O N D A T A 1 0 0 7 0 1 0 0 8 0 1 0 1 0 0 1 0 1 2 0 1 0 1 4 0 1 0 1 8 0 1 0 2 2 0 G O S U B G O S U B G O S U B G O S U B G O S U B G O S U B G O S U B 9 0 0 0 1 1 0 0 0 1 2 0 0 0 1 2 2 0 0 1 2 4 0 0 4 7 0 0 4 8 0 0 R E M I n i t i a l i z e f o r s u m s , g e t c o n s t a n t s R E M C a l c u l a t i o n o f l a y e r m o d u l u s R E M C A L C U L A T I O N O F T H E D I S T A N C E B E T W E E N T H E N E U T R A L A X I S A N D T H E T H E I N T E R F A C E B E T W E E N T H E L A Y E R A N D S U B S T R A T E R E M C A L C U L A T I O N O F T H E S E C O N D M O M E N T O F I N E R T I A O F S U B S T R A T E A N D L A Y E R R E M c a l c u l a t i o n o f N O R M A L I Z E D Y O U N G ' S M O D U L U S C H A N G E R E M C o n v e r s i o n o f u n i t s f o r e l a s t i c m o d u l u s R E M C a l c u l a t i o n o f E x p e r i m e n t a l v a l u e o f N o r m a l i z e d o f 1 0 2 6 0 1 0 3 0 0 1 0 3 9 0 1 0 4 0 0 1 0 5 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 5 1 1 0 0 7 a m e n t 1 1 0 0 8 1 1 0 1 0 1 1 0 2 0 1 1 0 2 5 1 1 0 3 0 1 1 0 4 0 1 1 0 5 0 1 1 0 6 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 5 1 1 1 2 0 1 1 1 6 0 1 1 1 7 0 1 1 2 0 0 1 2 0 0 0 1 2 0 2 0 1 2 0 3 0 1 2 1 0 0 1 2 2 0 0 1 2 2 1 0 1 2 2 2 0 1 2 3 0 0 1 2 4 0 0 1 2 4 1 0 1 2 4 2 0 1 2 4 3 0 1 2 4 4 0 1 2 4 9 0 4 4 " 1 2 5 0 0 1 2 5 0 5 1 2 5 1 0 y m c 1 2 5 2 0 1 2 7 0 0 1 3 5 0 0 1 3 5 1 0 1 3 5 2 0 1 3 5 3 0 n 1 3 5 4 0 1 3 5 5 0 3 1 8 N o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s I F P R I = 1 T H E N G O S U B 1 2 4 4 0 : R E M P R I N T R E S U L T S T O C R T N E X T K K I F P R I = 1 T H E N G O S U B 8 0 0 0 : R E M P r i n t s u m m a r y r e s u l t s t o C R T f o r d a t a s e t R E M S T O P R E T U R N R E M * * C a l c u l a t i o n o f l a y e r m o d u l u s u n d e r 2 - D R e c t a n g u l a r ( s l i t ) c r a c k m o d e l R E A D L N I N D , E E ( K K ) I F L I G = 1 T H E N G O S U B 7 0 0 0 : R E M m o d e l a s t w o c r a c k s , o m i t t e d c e n t r a l " l i g w h e r e t h e R E M i n d e n t i m p r e s s i o n a p p e a r s R E M W I D = W i d t h o f t h e s p e c i m e n i n [ m ] * * R E M L E N G T H = L e n g t h o f t h e s p e c i m e n i n [ m ] * * R E M T H I C K N E S S = t h i c k n e s s o f t h e s p e c i m e n i n [ m ] * * R E M D L = D e p t h o f t h e l a y e r i n [ m ] f o r i n d e n t a t i o n * * R E M R A D I U S i s H a l f o f s l i t c r a c k S i z e i n [ m ] , w h i c h i s h a l f o f m e a s u r e d r a d i a l c r a c k s i z e , 2 c * * R E M P O I S S O N = u n d a m a g e d P o i s s o n ' s r a t i o o f t h e s p e c i m e n * N U M D L A Y E R = L N I N D / ( W I D * L E N G T H ) : R E M * * N U M D L A Y E R s t a n d s f o r N U M B E R d e n s i t y o f l a y e r ( m m - Z ) * * N D V O L U M E = ( L N I N D ) / ( W I D * L E N G T H * T H I C K N E S S ) : R E M * * N D V O L U M E i s n u m b e r d e n s i t y o f c r a c k s i n w h o l e s p e c i m e n N V L A Y E R = ( L N I N D ) / ( W I D * L E N G T H * D L ) : R E M R E M E S i s s u b s t r a t e m o d u l u s i n [ N / m 2 ] * * I F V O L = 0 T H E N E L = F N L A Y ( N U M D L A Y E R ) I F V O L 1 T H E N E L = F N L A Y ( N V L A Y E R ) R E T U R N R E M c a l c u l a t i o n o f t h e d i s t a n c e f r o m t h e n e u t r a l a x i s t o t h e b o t t o m l a y e r R E M D S = S u s t r a t e t h i c k n e s s i n [ m ] * * D I S T A N C E = ( E S * D S * D S - E L * D L * D L ) / ( 2 * E S * D S + 2 * E L * D L ) R E T U R N R E M C a l c u l a t i o n o f t h e s e c o n d m o m e n t o f i n e r t i a o f S U B S T R A T E a n d L A Y E R I N s = ( ( D s ‘ 3 ) / 3 - ( D S * D S * D I S T A N C E ) + ( D S * D I S T A N C E * D I S T A N C E ) ) * W I D I N L = ( ( D L “ 3 ) / 3 + ( D L * D L * D I S T A N C E ) + ( D L * D I S T A N C E * D I S T A N C E ) ) * W I D R E T U R N R E M * * c a l c u l a t i o n O f N O R M A L I Z E D Y O U N G ' S M O D U L U S C H A N G E * * E O V E R A L L = ( E S * I N S + E L * I N L ) / ( I N S + I N L ) N Y M C = ( E S - E O V E R A L L ) / E S R E T U R N R E M P r i n t r e s u l t s t o c r t A S = " # # # . # # # # # # # . # # # # # # # . # # # # # . # # # # # # . # # # # # # # . # # # # I F R R = 1 T H E N P R I N T " " : P R I N T " " I F K K = 1 T H E N P R I N T L A B E L S : P R I N T " " I F R R = 1 T H E N P R I N T " E l ( G P a ) E o v e r a l l ( G P a ) E e x p n y m c e n d d l l P R I N T U S I N G A $ ; E L A Y E R , E E O V E R , E E ( K K ) , N Y M C , E N Y M C , D D R E T U R N R E M M O D I F I E D f o r 3 D s l i t c r a c k s , e l l i p t i c a l i n d e n t b o t t o m C R $ = " 3 D s l i t c r a c k s , M O D I F I E D , e l l i p t i c a l i n d e n t b o t t o m " F C l = . 5 * ( P I * P I ) * ( 1 ! - P O I S S O N * P O I S S O N ) : R E M F a c l i s t h e p r e f a c t o r , a l i g n e d s l i t c r a c k s F C 2 ( 2 1 / P I ) : R E M F a c 2 i s a m u l t i p l i c a t i v e f a c t o r a s s o c i a t e d w i t h e p s i l o P E R ( 2 1 * R A D I U S ) + ( 2 * D L ) + ( 2 * E L L * H D ) : R E M P e r i s t h e p e r i m e t e r o f t h e s l i t c r a c k , i g n o r i n g t h e f r e e s u r f a c e 8 1 = ( 2 ! * R A D I U S * D L ) - ( . 5 * P I * H D * H D * K P R I M E ) : R E M s i s t h e a r e a O f t h e 5 1 1 t c r a c k 1 3 5 6 0 1 3 5 7 0 - ( 2 . 1 3 5 8 0 t 1 3 5 9 0 1 3 6 0 0 1 3 6 1 0 S S Q = 5 1 * 5 1 : R E M S s q i s t h e s q u a r e o f t h e c r a c k a r e a ( s l i t c r a c k ) R E M W i t h l i g = 1 , f a c t o r o f 2 . 8 g i v e s r e a s o n a b l e f i t D E F F N L A Y ( X ) = E S * ( 1 8 * X * F C 1 * F C 2 * S S Q ) / P E R ) : V O L = 1 : R E M 3 D m o d i f i e d s l i t D E F F N L A Y ( X ) = E S * ( 1 - ( X * F C 1 * F C 2 * S S Q ) / P E R ) : V O L = 1 : R E M 3 D m o d i f i e d s l i S L O P E = ( F C 1 * F C 2 * S S Q ) / P E R : V O L = 1 : R E M 3 D m o d i f i e d s l i t R E T U R N R E M 3 1 9 1 3 6 2 0 R E M 1 3 6 3 0 R E M C a l c u l a t e f o r M O D I F I E D h a l f e l l i p s e c r a c k s , e l l i p t i c a l i n d e n t b o t t o m 1 3 6 4 0 C R $ = " M O D I F I E D h a l f e l l i p s e c r a c k s , e l l i p t i c a l i n d e n t b o t t o m " 1 3 6 5 0 R E M M u c h b e t t e r f i t i f l i g = 0 r a t h e r t h a n l i g = 1 1 3 6 6 0 F A C l = ( 1 6 ! / 3 ! ) * ( 1 ! - P O I S S O N * P O I S S O N ) : R E M F a c l i s t h e p r e f a c t o r , a l i g n e d e l l i p t i c a l c r a c k s 1 3 6 7 0 F A C 2 = ( 2 1 / P I ) : R E M F a c 2 i s a m u l t i p l i c a t i v e f a c t o r a s s o c i a t e d w i t h e p s i l o n 1 3 6 8 0 P E R I M = ( 2 ! * R A D I U S * E L L ) + ( 2 * E L L * H D ) : R E M P e r i m i s t h e p e r i m e t e r o f a h a l f - e l l i p s e i g n o r i n g t h e f r e e s u r f a c e , b u t i n c l u d i n g i n d e n t l i g a m e n t 1 3 6 9 0 R P = l l / P E R I M 1 3 7 0 0 A l l = ( ( P I / 2 ! ) * R A D I U S * D L ) - ( . 5 * P I * H D * H D * K P R I M E ) : R E M A l l i s t h e a r e a o f a h a l f - e l l i p s e , c o r r e c t e d f o r i n d e n t l i g a m e n t 1 3 7 1 0 A S Q = A 1 1 * A 1 1 : R E M A s q i s t h e s q u a r e o f t h e c r a c k a r e a ( h a l f - e l l i p s e ) 1 3 7 2 0 D E F F N L A Y ( X ) = E S * ( 1 ! - X * F A C 1 * F A C 2 * A S Q * R P ) : V O L = 1 : R E M m o d i f i e d H A L F - E L L I P S E c r a c k s 1 3 7 3 0 S L O P E = F A C 1 * F A C 2 * A S Q * R P : R E M m o d i f i e d H A L F - E L L I P S E c r a c k s 1 3 7 4 0 R E T U R N 1 3 7 5 0 R E M 1 3 7 6 0 R E M 1 3 7 7 0 R E M m o d i f i e d 3 D c r a c k s , e d i t i o n I I , e l l i p t i c a l i n d e n t b o t t o m 1 3 7 7 5 C R $ = " m o d i f i e d 3 D c r a c k s , e d i t i o n I I , e l l i p t i c a l i n d e n t b o t t o m " 1 3 7 8 0 F C l = . 5 * ( P I * P I ) * ( 1 ! - P O I S S O N * P O I S S O N ) : R E M F a c l i s t h e p r e f a c t o r , a l i g n e d s l i t c r a c k s 1 3 7 9 0 F C 2 = ( Z l / P I ) : R E M F a c 2 i s a m u l t i p l i c a t i v e f a c t o r a s s o c i a t e d w i t h e p s i l o n 1 3 8 0 0 P E R = ( 2 1 * R A D I U S + 2 1 * D L + 2 * E L L * H D ) 1 3 8 1 0 R P = 1 ! / P E R 1 3 8 2 0 S A = ( 2 ! * R A D I U S * D L ) - ( . 5 * P I * H D * H D * K P R I M E ) : R E M s i s t h e a r e a o f t h e s l i t c r a c k 1 3 8 3 0 S S Q = S A * S A : R E M S s q i s t h e s q u a r e o f t h e c r a c k a r e a ( s l i t c r a c k ) 1 3 8 4 0 G O S U B 1 4 0 0 0 : R E M E l l i p t i c i n t e g r a l s u b r o u t i n e 1 3 8 5 0 D E F F N L A Y ( X ) = E S * ( 1 ! - ( X * V V * F C 1 * F C 2 * S S Q * R P ) ) : V O L = 1 R E M S L I T c r a c k 5 1 3 8 6 0 S L O P E = V V * F C 1 * F C 2 * S S Q * R P : R E M S l o p e i s t h e s l o p e o f t h e d e l t a E / E o v e r s u s N d a t a f o r S L I T c r a c k s 1 3 8 7 0 R E T U R N 1 3 8 8 0 R E M 1 3 8 9 0 R E M 1 4 0 0 0 R E M E V A L U T A T E E L L I P T I C I N T E G R A L S , E C C E N T R I C I T Y 1 4 0 1 0 P I = 3 . 1 4 1 5 9 2 : M = 0 1 4 0 4 0 I F D L > R A D I U S T H E N R E T U R N 1 4 0 6 0 F 1 = ( R A D I U S * R A D I U S - D L * D L ) 1 4 0 7 0 E C C E N = ( S Q R ( F 1 ) ) / R A D I U S 1 4 0 8 0 R E M P o w e r s e r i e s a p p r o x i m a t i o n t o e l l i p t i c i n t e g r a l o f s e c o n d k i n d i n t e r m s o f t h e m o d u l u s m . ( S e e D w i g h t , T a b l e o f I n t e g r a l s f o r s e r i e s ) . 1 4 0 9 0 K P R I M E = S Q R ( 1 ! - E C C E N * E C C E N ) 1 4 1 0 0 M = ( l ! - K P R I M E ) / ( 1 ! + K P R I M E ) 1 4 1 1 0 T 1 = P I / ( 2 ! * ( 1 ! + M ) ) 1 4 1 2 0 T 3 = ( M * M ) / 4 1 4 1 3 0 T 4 = M ‘ 4 / ( 2 * 2 * 4 * 4 ) 1 4 1 4 0 T 5 = ( 9 * ( M ‘ 6 ) ) / ( 2 * 2 * 4 * 4 * 6 * 6 ) 1 4 1 5 0 T 6 = ( 3 * 3 * 5 * 5 ) * ( M ‘ 8 ) / ( 2 * 2 * 4 * 4 * 6 * 6 * 8 * 8 ) 1 4 1 6 0 E L L = T 1 * ( 1 ! + T 3 + T 4 + T 5 + T 6 ) 1 4 1 8 0 F C C = S Q R ( 1 ! - E C C E N * E C C E N ) 1 4 2 0 0 F A C T O R = ( 2 ! / 3 ! ) * ( F C C / E L L ) : R E M P R I N T " f a c t o r = " : F A C T O R 1 4 2 0 7 v v = ( 1 6 / ( P I * P I ) * F C C * E L L ) 1 4 2 1 0 R E M F A C T O R = 1 ! / ( F C C * E L L ) R E M P R I N T " f a c t o r = " : F A C T O R 1 4 2 2 0 R E M P R I N T " d 1 = " : D L : " r a d i u s = " : R A D I U S : S T O P 1 4 3 0 0 R E T U R N 1 5 5 0 0 R E M P R I N T R E S U L T S T O D I S K F I L E 1 5 5 0 5 I F D P R I = 0 T H E N R E T U R N 1 5 5 1 0 F F $ = " c r a c k . R E S " 1 5 5 2 0 O P E N F F $ F O R A P P E N D A S 2 1 5 5 2 5 P R I N T # 2 , C R $ : L $ 1 5 5 3 0 F O R A = 1 T O S E T S 3 2 0 1 5 5 7 0 P R I N T # 2 , U S I N G A V $ ; A V E M I N ( A , 3 ) : A V E M I N ( A , 4 ) : A V E M I N ( A , 1 ) ; A V E M I N ( A , 2 ) , A V E M I N ( A , 5 ) , A V E M I N ( A , 6 ) 1 5 5 9 0 N E X T A 1 5 6 0 0 P R I N T # 2 , " " 1 5 6 5 0 C L O S E 1 5 6 6 0 R E T U R N 2 0 0 0 0 D A T A 6 : R E M S e t s , w h i c h i s t h e n u m b e r o f d a t a s e t s 2 1 0 0 0 D A T A 7 , 3 , 4 9 , " 4 9 N l o a d i n g i n d e n t e d b o t h s i d e s " , 4 . 1 8 1 e - 5 2 1 0 1 0 D A T A 0 . 0 0 6 1 2 , 0 . 0 6 8 7 , 0 . 0 0 1 0 1 , 0 . 0 0 0 1 1 0 , 0 . 0 0 0 8 1 , 1 . 1 3 8 e - 4 , . 2 1 9 , 3 . 2 2 3 3 5 5 e 1 1 2 1 0 2 0 D A T A 0 , 0 , 3 2 2 . 3 3 5 5 2 1 0 4 0 D A T A 4 5 , 0 , 3 2 2 . 2 4 7 8 2 1 0 6 0 D A T A 4 5 , 4 5 , 3 2 2 . 1 1 6 4 2 1 0 8 0 D A T A 9 0 , 4 5 , 3 2 2 . 0 3 1 9 2 1 1 0 0 D A T A 9 0 , 9 0 , 3 2 1 . 8 3 4 8 2 1 1 2 0 D A T A 1 3 5 , 9 0 , 3 2 1 . 5 5 9 5 2 1 1 4 0 D A T A 1 3 5 , 1 3 5 , 3 2 1 . 3 7 1 9 2 3 0 0 0 D A T A 8 , 3 , 9 8 , " 9 8 N l o a d i n g i n d e n t e d o n t w o s i d e s " , 5 . 9 4 4 e - 5 2 3 0 1 0 D A T A 0 . 0 1 2 , 0 . 0 7 0 7 , 0 . 0 0 1 , 0 . 0 0 0 1 4 4 , 0 . 0 0 0 7 1 2 , 1 . 8 5 0 5 e - 4 , . 2 0 6 , 3 . 3 4 8 8 2 8 e 1 1 2 3 0 2 0 D A T A 0 , 0 , 3 3 4 . 8 8 2 8 2 3 0 4 0 D A T A 4 6 , 0 , 3 3 4 . 6 4 4 9 2 3 0 6 0 D A T A 4 6 , 4 6 , 3 3 4 . 4 8 6 3 2 3 0 8 0 D A T A 1 3 8 , 4 6 , 3 3 4 . 2 0 0 2 2 3 1 0 0 D A T A 1 3 8 , 1 3 8 , 3 3 3 . 5 0 1 1 2 3 1 2 0 D A T A 2 3 0 , 1 3 8 , 3 3 3 . 1 3 9 8 2 3 1 4 0 D A T A 2 3 0 , 2 3 0 , 3 3 2 . 9 0 5 8 2 3 1 6 0 D A T A 3 2 2 , 2 3 0 , 3 3 2 . 3 3 1 8 2 4 0 0 0 D A T A 3 , 3 , 1 9 6 , " 1 9 6 l o a d i n g i n d e n t e d o n b o t h s i d e s " , 8 . 3 9 e — 5 2 4 0 1 0 D A T A 0 . 0 1 2 , 0 . 0 6 8 5 , 0 . 0 0 1 0 0 0 , 0 . 0 0 0 2 3 9 , 0 . 0 0 0 5 2 2 f 3 . 2 2 4 e - 4 , . 2 0 8 , 3 . 3 3 9 8 9 8 e l l 2 4 0 2 0 D A T A 0 , 0 , 3 3 3 . 9 8 9 8 ' » 2 4 0 4 0 D A T A 2 2 , O , 3 3 3 . 5 5 7 5 2 4 0 6 0 D A T A 2 2 , 4 4 , 3 3 1 . 9 2 1 1 2 7 0 0 0 D A T A 8 , 2 , 4 9 , " 4 9 N l o a d i n g i n d e n t e d o n s i n g l e s i d e " , 4 . 1 8 1 e - 5 2 7 0 1 0 D A T A 0 . 0 1 2 , 0 . 0 6 9 3 , 0 . 0 0 1 , 0 . 0 0 0 1 1 0 , 0 . 0 0 0 8 1 , 1 . 1 3 8 e - 4 , . 2 0 7 , 3 . 3 4 1 6 3 5 e 1 1 2 7 0 2 0 D A T A 0 , 3 3 4 . 1 6 3 5 2 7 0 4 0 D A T A 4 0 , 3 3 4 . 0 5 3 7 2 7 0 6 0 D A T A 8 0 , 3 3 3 . 9 2 7 0 2 7 0 8 0 D A T A 1 2 0 , 3 3 3 . 8 1 7 3 2 7 1 0 0 D A T A 1 6 0 , 3 3 3 . 7 8 6 4 2 7 1 2 0 D A T A 2 0 0 , 3 3 3 . 7 1 8 8 2 7 1 4 0 D A T A 2 4 0 , 3 3 3 . 6 1 1 9 2 7 1 6 0 D A T A 2 8 0 , 3 3 3 . 5 1 9 2 _ 3 0 0 0 0 D A T A 5 , 2 , 9 8 , " 9 8 l o a d i n g i n d e n t e d o n o n e s i d e " , 5 . 9 4 4 e - 5 3 0 1 0 0 D A T A 0 . 0 1 2 , 0 . 0 6 9 4 3 , 0 . 0 0 1 0 1 4 , 0 . 0 0 0 1 4 4 , 0 . 0 0 0 8 7 0 , 1 . 8 5 0 5 e - 4 , . 2 0 6 , 3 . 2 7 3 3 8 1 e l l 3 0 1 1 0 D A T A 0 , 3 2 7 . 3 3 8 1 3 0 1 2 0 D A T A 6 8 , 3 2 7 . 0 2 2 8 3 0 1 3 0 D A T A 1 0 2 , 3 2 6 . 9 2 9 0 3 0 1 4 0 D A T A 1 7 0 , 3 2 6 . 5 7 6 8 3 0 1 5 0 D A T A 2 3 8 , 3 2 6 . 2 1 8 3 3 3 0 0 0 D A T A 1 3 , 2 , 1 9 6 , " 1 9 6 l o a d i n g i n d e n t e d o n o n e s i d e " , 8 . 3 9 e - 5 3 3 0 1 0 D A T A 0 . 0 1 2 , 0 . 0 6 9 7 , 0 . 0 0 1 0 0 5 , 0 . 0 0 0 2 3 9 , 0 . 0 0 0 7 6 6 , 3 . 2 2 4 e - 4 , . 2 1 5 , 3 . 3 2 8 7 1 5 e 1 1 3 3 0 2 0 D A T A 0 , 3 3 2 . 8 7 1 5 3 3 0 4 0 D A T A 7 , 3 3 2 . 5 7 5 6 3 3 0 6 0 D A T A 1 4 , 3 3 2 . 4 6 2 6 3 3 0 8 0 D A T A 2 1 , 3 3 2 . 2 8 9 9 3 3 1 0 0 D A T A 3 6 , 3 3 1 . 8 1 8 3 3 3 1 2 0 D A T A 4 4 , 3 3 1 . 6 8 2 2 3 3 1 4 0 D A T A 5 2 , 3 3 1 . 4 3 6 6 3 3 1 6 0 D A T A 5 9 , 3 3 1 . 2 5 7 5 3 3 1 8 0 D A T A 6 6 , 3 3 1 . 1 2 1 5 3 3 2 2 0 D A T A 8 7 , 3 3 0 . 5 8 7 8 3 3 2 4 0 D A T A 1 0 8 , 3 3 0 . 0 0 1 7 3 3 2 6 0 D A T A 1 2 9 , 3 2 9 . 4 6 5 6 3 3 2 8 0 D A T A 1 5 0 , 3 2 8 . 7 8 7 3 A P P E N D I X J . N o r m a l i z e d Y o u n g ’ s m o d u l u s c h a n g e c a l c u l a t i o n f o r e l e v e n d i f f e r e n t c r a c k g e o m e t r y m o d e l s b a s e d o n r u l e o f m i x t u r e s . T h i s p r o g r a m c a l c u l a t e s t h e n o m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s c h a n g e a s a f u n c t i o n o f c r a c k n u m b e r d e n s i t y a n d c r a c k g e o m e t r y m o d e l s b a s e d o n r u l e o f m i x t u r e s c o m p o s i t e l a y e r m o d e l . 1 0 R E M * * c a l c u l a t i o n o f O V E R A L L M O D U L U S a s s u m i n g 2 - D l i m i t i n g f o r m o f ( S l i t ) c r a c k s - H a s s e l m a n n , T H R E E L A Y E R C O M P O S I T E M O D E L * * 2 0 C L S : K E Y O F F 2 5 P R I = O : L I G = 1 : L P R I = 1 : D P R I = 0 3 0 D I M E E ( 1 5 ) , D I F F ( 1 5 ) 4 0 R E M E E i s t h e v e c t o r c o n t a i n i n g t h e e x p e r i m e n t a l m o d u l u s d a t a 4 2 F O R U = 1 T o R E M F O R U = 9 T o 1 4 S G O S U B 9 5 0 0 : R E M I n i t i a l i z e a v e m i n v e c t o r = O 1 0 R E A D S E T S : R E M S e t s i s t h e n u m b e r o f d a t a s e t s T o S E T S R E A D ” D A T A M O D E L , L D , L A B E L S , H D : R E M h d i s t h e h a l f - d i a g o n a l i n d e n t e n g 1 0 0 R E A D W I D , L E N G T H , T H I C K N E S S , D L , D S , R A D I U S , P O I S S O N , E S 1 1 0 G O S U B 1 5 0 R E M D 1 , 0 5 m o d i f i c a 1 2 0 G O S U B 1 4 0 0 0 : R E M E V A L U T A T E E L L I P T I C I N T E G R A L S , E C C E N T R I C I T Y 1 6 0 I F M O D E L = 2 T H E N G O S U B 1 0 0 0 0 : R E M T w o l a y e r m o d e l 1 8 0 I F M O D E L = 2 T H E N G O T O 8 7 0 2 0 0 F O R R R = 1 T O N D A T A 2 0 5 G O S U B 9 0 0 0 : R E M I n i t i a l i z e f o r s u m s , g e t c o n s t a n t s 2 1 0 G O S U B 1 0 0 0 2 R E M C a l c u l a t i o n o f l a y e r m o d u l u s ( T O P a n d B O T T O M ) 2 2 0 G O S U B 2 0 0 0 : R E M C A L C U L A T I O N O F T H E D I S T A N C E B E T W E E N T H E N E U T R A L A X I S A N D T H E T H E I N T E R F A C E B E T W E E N T H E b o t t o m L A Y E R A N D S U B S T R A T E 2 4 0 G O S U B 3 0 0 0 : R E M C A W L A T I O N O F T H E S E C O N D M O M E N T O F I N E R T I A O F T O P , S U B S T R A T E A N D B O T T O Y 2 8 0 G O S U B 4 5 0 0 : R E M C a l c u l a t i o n o f N O R M A L I Z E D Y O U N G ' S M O D U L U S C H A N G E 3 2 0 G O S U B 4 7 0 0 : R E M C o n v e r s i o n o f u n i t s f o r e l a s t i c m o d u I n 3 6 0 G O S U B 4 8 0 0 : R E M C a l c u l a t i o n o f E x p e r i m e n t a l s v a l u e o f N o r m a l i z e d o f o r m a a l i z e d Y o u n g ' s m o d u 5 0 0 I F P R I = 1 T H E N G O S U B 5 0 0 0 : R E M P R I N T R E S U L T S T O C R T 7 0 0 N E X T R X 8 0 0 I F P R I = 1 T H E N G O S U B 8 0 0 0 : R E M P r i n t s u m m a r y r e s u l t s t o C R T f o r d a t a s e t P 8 7 0 N E X T G G 9 0 0 R E S T O R E : R E M R e s e t d a t a p o i n t e r s o t h a t d a t a c a n b e r e e v a l u a t e d f o r d i f f e r e n t v a l u e s o f d l , d s 9 4 0 N E X T H H H 9 5 0 G O S U B 9 7 : R E M p r i n t o u t a v e m i n v e c t o r t o t h e c r t 9 6 0 G O S U B 1 5 5 0 0 : R E M P r i n t r e s u l t s t o d i s k f i l e 9 8 0 9 9 0 E N D 1 0 0 0 R E M * * C a l c u l a t i o n o f l a y e r m o d u l u s ( T O P a n d B O T T O M ) u n d e r 2 - D R e c t a n g u l a r s l i t ) c r a c k m o d e 1 0 0 5 R E A D T I N D , B I N D , E E ( K K ) 1 0 0 7 I F L I G = 1 T H E N G O S U B 7 0 0 0 : R E M m o d e l a s t w o c r a c k s , o m i t t e d c e n t r a l " l i g a m e n t w h e r e t h e - 1 0 0 8 R E M i n d e n t i m p r e s s i o n a p p e a r s 1 0 1 0 R E M " I D = W i d t h o f t h e s p e c i m e n i n [ m ] 1 0 2 0 R E M L E N G T H = L e n g t h o f t h e s p e c i m e n i n [ m 1 0 2 5 R E M T H I C K N E S S a t h i c k n e s s o f t h e s p e c i m e n i n [ m ] * * 1 0 3 0 R E M D L = D e p t h o f t h e l a y e r i n [ m ] f o r t h e V i c k e r s i n d e n t a t i o 1 0 4 0 R E M R A D I U S = R a d i u s m e a n s H a l f o f s l i t c r a c k s i z e i n [ m ] , w h i c h i s h a l f o f e n s u r e d r a d i a l c r a c k s i z e , 1 0 5 0 R E M P O I S S O N - u n d n m g e d P o i s s o n ' 5 r a t i o o f - t h e s p e c i m e n 1 0 6 0 N U M D T L A Y E R - T I N D / ( H I D ‘ L E N G T H ) : R E M n N U M D T L A Y E R s t a n d s f o r N U M B E R d e n s i t y o f t o p l a y e r ( m m - 2 ) , T I N D r e p r e s e n t s n u m b e r o f i n d e n t s o n t o p s u r f a c e 1 0 6 5 N V T L A Y E R - T I N D / ( H I D ‘ L E N G T H ' D L ) : R E M 1 0 7 0 N U M D B L A Y E R - B I N D / ( H l b g L E N G T H ) : R E M " N U M D B L A Y E R a n d B I N D a r e N U M B E R d e n s x t y o f b o t t o m 1 a y e m ( 2 ) a n d N u m b e r o f i n d e n t a t i o n s o n t h e b o t t o 1 0 7 5 N V B L A Y E R = B I N D / ( W I D ‘ L E N G T H ' D L ) : R E M 1 0 8 0 N D S U R F A C E = N U M D T L A Y E R # N U M D B L A Y E R : R E M * i N D S U R F A C E r e p r e s e n t s t o t a l ( T 4 8 ) n u e r d e n s i t y o f c r a c k s ( m m - 2 1 1 0 0 N D V O L U M E - ( T I N D O B I N D ) / ( H I D ' L E N G T H ‘ T H I C K N E S S ) : R E M " N D V O L U M E i s b e e r d e n s i t y o f c r a c k s i n w h o l e s p e c 1 m e n 0 ‘ 1 1 2 0 R E M £ 5 = T H E S U B T R R A T E n M O D U L U S I N [ N / M Z ] 3 2 1 _ 2 0 3 0 3 2 2 I F V O L = 1 T H E N E B = F N L A Y ( N V B L A Y E R ) R E T U R N R E M 0 5 , D 1 R E M D L = D L - ( D L / 1 0 0 ) * ( H H H - 1 ) I F M O D E L = 2 T H E N D S = T H I C K N E S S - D L I F M O D E L = 3 T H E N D S = T H I C K N E S S - ( 2 1 * D L ) R E M h D = H D - ( H D / l O O ) * ( H H H - 1 ) R E T U R N R E M * * c a l c u l a t i o n o f t h e d i s t a n c e f r o m t h e n e u t r a l a x i s t o t h e b o t t o m l a y e r R E M D S = S u s t r a t e t h i c k n e s s i n [ m ] * * D I S T A N C E = ( E T * D L * D L + 2 * E T * D L * D S + E S * D S * D S - E B * D L * D L ) / ( 2 * E T * D L + 2 * E S * D S + 2 * E B * D L ) 2 1 0 0 3 0 0 0 R E T U R N R E M * * C a l c u l a t i o n o f t h e s e c o n d m o m e n t O f i n e r t i a o f T O P , S U B S T R A T E a n d B O T T O M 1 a y e r * * I N E T = ( ( D S - D I S T A N C E ) * ( D S - D I S T A N C E ) * D L + ( D S - D I S T A N C E ) * D L * D L + ( D L ‘ 3 ) / 3 ) * W I D I N S = ( ( D S ‘ 3 ) / 3 - ( D S * D S * D I S T A N C E ) + ( D S * D I S T A N C E * D I S T A N C E ) ) * W I D I N B = ( ( D L ‘ 3 ) / 3 + ( D L * D L * D I S T A N C E ) + ( D L * D I S T A N C E * D I S T A N C E ) ) * W I D R E T U R N R E M * * c a l c u l a t i o n o f N O R M A L I Z E D Y O U N G ' S M O D U L U S C H A N G E * * R A l = D L / T H I C K N E S S : R A Z = D S / T H I C K N E S S I F M O D E L = 3 T H E N E O V E R A L L ( E T * R A 1 ) + ( E B * R A 1 ) + ( E S * R A Z ) T O T A L = 2 1 * R A 1 + R A Z : S U B T O T A L - T H I C K N E S S N Y M C = ( E S - E O V E R A L L ) / E S R E M P R I N T " E S = " : E S : " E T = " : E T ; " E B = " : E B : S T O P R E M P R I N T " S U B = " : S U B : S T O P R E T U R N R E M C o n v e r s i o n O f u n i t s f o r e l a s t i c m o d u l u s C O N V 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 # N D V V N D V O L U M E / C O N V : R E M * * 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 [ m m 3 ] = 1 [ m 3 ] * * N D S S N D S U R F A C E / 1 0 0 0 0 0 0 ! : R E M * * 1 0 0 0 0 0 0 [ m m 2 ] = 1 [ m 2 ] * * E S S = E S / C O N V : E B B = E B / C O N V : E E O V E R = E O V E R A L L / C O N V : R E M * * 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 [ N / m 2 ] = 1 [ G P a ] * * I F M O D E L = 3 T H E N E T T = E T / C O N V I F M O D E L = 2 T H E N E L A Y E R = E L / C O N V R E T U R N R E M C a l c u l a t i o n O f E x p e r i m e n t a l v a l u e O f N o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s E N Y M C = ( E S S - E E ( K K ) ) / E S S I F E N Y M C < > 0 ! T H E N D D = ( E N Y M C - N Y M C ) / E N Y M C : R E M F o r t h e i n i t i a l , d a m a g e d v a l u e , e n y m c i s z e r o D I F F ( K K ) = ( E E O V E R - E E ( K K ) ) / E E ( K K ) : D I F F ( K K ) = D I F F ( K K ) * D I F F ( K K ) R E M I F K K = N D A T A T H E N P R I N T . D I F F ( K K ) : S T O P S U M = S U M + D I F F ( K K ) I F K K = N D A T A T H E N A V E ( G G ) = S Q R ( S U M / ( N D A T A - 1 ! ) ) N D A T A T H E N G O S U B 5 4 0 0 : R E M B o o k e e p i n g o n m i n s u m s H ’ 1 ‘ ] N X N R E T U R N R E M P r i n t r e s u l t s t o c r t A S = " # # # . # # # # # # # . # # # # # # # . # # # # # # # . # # # # # . # = ; # # ; . # # # # # # # . # : ; = : " I F X X 1 T H E N P R I N T " " : P R I N T " " I F K K 1 T H E N P R I N T L A B E L S : P R I N T " " I F K K 1 T H E N P R I N T " E t ( G P a ) E b ( G P a ) E o v ( G P a ) E e x p n y m c e n d d " P R I N T U S I N G A $ ; E T T , E B B , E E O V E R , E E ( K K ) , N Y M C , E N Y M C , D D R E T U R N R E M B o o k e e p i n g o n m i n s u m s I F A V E ( G G ) > A V E M I N ( G G , 1 ) T H E N R E T U R N A V E M I N ( G G , 1 ) A V E ( G G ) A V E M I N ( G G , 2 ) D L A V E M I N ( G G , 3 ) L D A V E M I N ( G G , 4 ) M O D E L I F V O L = 0 T H E N S L O P E I F V O L = 1 T H E N S L O P E A V E M I N ( G G , 5 ) = S L O P E A V E M I N ( G G , 6 ) = H D R E T U R N R E M c a l c u l a t i o n , o n t w o c r a c k s , n e g l e c t i n g c e n t r a l l i g a m e n t S L O P E * 1 0 0 0 O O O ! : R E M 2 D c r a c k d e n s i t i e s S L O P E * 1 E + O 9 : R E M 3 D c r a c k d e n s i t i e s 3 2 3 7 1 0 0 T I N D = T I N D * 2 ! B I N D = B I N D * 2 ! L N I N D = L N I N D * 2 ! 7 1 3 0 R E M 7 1 4 0 I F K K > 1 T H E N R E T U R N 7 1 5 0 R A D I U S = ( R A D I U S - H D ) / 2 ! R E M h d = t h e h a l f i n d e n t i n p r e s s i o n ( i n m e t e r s 7 2 0 0 R E T U R N 8 0 0 0 R E M P r i n t s u m m a r y r e s u l t s t o C R T f o r d a t a s e t 8 0 1 0 T T = O ! : R E M T T i s t h e t h i c k n e s s , c o m p u t e d f r o m l a y e r ( s ) + s u b s t r a t e 8 0 2 0 P R I N T " " 8 0 3 0 P R I N T " d 1 = " : D L ; " d s = " : D S ; " 8 0 4 0 I F M O D E L = 2 T H E N T T = D L + O S : P R I N T " t h i c k = " : T T ; T H I C K N E S S 8 0 5 0 I F M O D E L = 3 T H E N T T = 2 ! * D L + O S : P R I N T " t h i c k = " : T T ; T H I C K N E S S 8 0 7 0 P R I N T " a v e r a g e s u m = " : A V E ( G G ) 8 1 9 0 R E T U R N 8 2 0 0 R E M 2 D s l i t c r a c k 8 2 1 0 D E F F N L A Y ( X ) = E S * ( 1 — ( 2 1 * P I * ( I — P O I S S O N ‘ z ) * x * R A D I U S ‘ 2 ) ) : V O L = 0 8 2 1 2 S L O P E = ( 2 ! * P I * ( l - P O I S S O N ‘ Z ) * R A D I U S ‘ Z ) 8 2 1 5 C R $ = " Z D s l i t c r a c k " 8 2 2 0 R E T U R N 8 2 5 0 R E M D E F m o d i f i e d 2 D s l i t c r a c k s 8 2 5 5 C R $ = " m o d i f i e d Z D s l i t c r a c k s " 8 2 6 0 D E F F N L A Y ( X ) = E S * ( 1 - ( 2 ! * F A C T O R * P I * ( l - P O I S S O N ‘ Z ) * X * R A D I U S ‘ 2 ) ) 8 2 6 5 S L O P E = ( 2 1 * F A C T O R * P I * ( 1 - P O I S S O N ‘ 2 ) * R A D I U S “ 2 ) 8 2 7 0 V O L = 0 8 2 9 0 R E T U R N 8 2 9 5 R E M 8 2 9 6 R E M 8 2 9 7 R E M 8 3 0 0 R E M M O D I F I E D f o r 3 D s l i t c r a c k s 8 3 0 5 C R $ = " 3 D s l i t c r a c k s , M O D I F I E D " 8 3 1 0 F C l = . 5 * ( P I * P I ) * ( 1 ! - P O I S S O N * P O I S S O N ) : R E M F a c l i s t h e p r e f a c t o r , a l i g n e d s l i t c r a c k s 8 3 2 0 F C 2 = ( Z E / P I ) : R E M F a c 2 i s a m u l t i p l i c a t i v e f a c t o r a s s o c i a t e d w i t h e p s i l o n 8 3 3 0 P E R = ( 2 ! * R A D I U S + 2 * D L ) + ( P I * H D ) : R E M P e r i s t h e p e r i m e t e r o f t h e s l i t c r a c k , i g n o r i n g t h e f r e e s u r f a c e 8 3 4 0 $ 1 = ( 2 ! * R A D I U S * D L ) - ( . 5 * P I * H D * H D ) : R E M s i s t h e a r e a o f t h e s l i t c r a c k 8 3 5 0 S S Q = 8 1 * 8 1 : R E M S s q i s t h e s q u a r e o f t h e c r a c k a r e a ( s l i t c r a c k ) 8 3 6 0 R E M W i t h l i g = 1 , f a c t o r o f 2 . 8 g i v e s r e a s o n a b l e f i t D E F F N L A Y ( X ) = E S * ( 1 - ( 2 . 8 * X * F C 1 * F C 2 * S S Q ) / P E R ) : V O L = 1 : R E M 3 D m o d i f i e d s l i t 8 3 7 0 D E F F N L A Y ( X ) = E S * ( 1 - ( X * F C 1 * F C 2 * S S Q ) / P E R ) : V O L = 1 : R E M 3 0 m o d i f i e d s l i t 8 3 8 0 S L O P E = ( F C 1 * F C 2 * S S Q ) / P E R : V O L = l : R E M 3 D m o d i f i e d s l i t 8 3 9 0 R E T U R N 8 3 9 6 R E M 8 3 9 7 R E M 8 4 0 0 R E M C a l c u l a t e f o r M O D I F I E D h a l f e l l i p s e c r a c k s 8 4 0 5 C R $ = " M O D I F I E D h a l f e l l i p s e c r a c k s " 8 4 0 7 R E M M u c h b e t t e r f i t i f l i g = 0 r a t h e r t h a n l i g = 1 8 4 1 0 F A C l = ( 1 6 ! / 3 ! ) * ( 1 ! - P O I S S O N * P O I S S O N ) : R E M F a c l i s t h e p r e f a c t o r , a l i g n e d e l l i p t i c a l c r a c k s 8 4 2 0 F A C 2 = ( Z l / P I ) : R E M F a c 2 i s a m u l t i p l i c a t i v e f a c t o r a s s o c i a t e d w i t h e p s i l o n 8 4 3 0 P E R I M = ( 2 ! * R A D I U S * E L L ) + ( P I * H D ) : R E M P e r i m i s t h e p e r i m e t e r o f a h a l f - e l l i p s e i g n o r i n g t h e f r e e s u r f a c e , b u t i n c l u d i n g i n d e n t l i g a m e n t 8 4 3 5 R P 1 ! / P E R I M 8 4 4 0 R E M P E R I M = ( 2 ! * r a d i u s * e l l ) + 2 ! * ( r a d i u s - ( 2 ! * h d ) + P I * h d ) : R E M P e r i m i s t h p e r i m e t e r o f a h a l f - e l l i p s e i g n o r i n g t h e f r e e s u r f a c e , b u t i n c l u d i n g i n d e n t l i g a m e n t 8 4 5 0 e l l i p s e , c o r r e c t e d f o r i n d e n t l i g a m e n t 8 4 6 0 8 4 7 0 A 1 1 ( ( P I / Z ! ) * R A D I U S * D L ) ( . 5 * P I * H D * H D ) : R E M A 1 1 i s t h e a r e a o f a h a l f - R E M A s q i s t h e s q u a r e 0 E S * ( 1 ! f t h e c r a c k a r e a ( h a l f - e l l i p s e ) - X * F A C 1 * F A C 2 * A S Q * R P ) V O L = 1 : R E M m o d i f i e d H A L F - E A S Q = A 1 1 * A 1 1 : D E F F N L A Y ( X ) L L I P S E c r a c k s 8 4 8 0 S L O P E = F A C 1 * F A C 2 * A S Q * R P : R E M m o d i f i e d H A L F - E L L I P S E c r a c k s 8 4 9 0 R E T U R N 8 4 9 6 R E M 8 4 9 7 R E M 8 5 0 0 R E M H A L F E L L I P S E C R A C K S , U N M O D I F I E D 8 5 0 5 8 5 0 7 8 5 1 0 8 5 2 0 8 5 3 0 8 5 4 0 8 5 4 5 8 5 5 0 8 5 6 0 8 5 7 0 8 5 8 0 8 5 9 0 8 5 9 6 8 5 9 7 8 6 0 0 8 6 0 5 8 6 1 0 8 6 2 0 8 6 2 5 8 6 3 0 8 6 3 5 8 6 4 0 8 6 5 0 8 6 6 0 8 6 8 0 8 6 9 0 8 6 9 6 8 6 9 7 8 7 0 0 8 7 0 5 8 7 0 7 8 7 1 0 8 7 2 0 8 7 3 0 3 2 4 C R $ = " H A L F E L L I P S E C R A C K S , U N M O D I F I E D " R E M F o r l i g = O , ~ 1 . 4 < d d < . 5 , f o r l i g = 1 r e a s o n a b l e f i t e x c e p t f o r 3 - 1 a y e r , 9 8 N l o a d F A C l = ( 1 6 1 / 3 ! ) * ( 1 ! — P O I S S O N * P O I S S O N ) : R E M F a c l i s t h e p r e f a c t o r , a l i g n e d e l l i p t i c a l c r a c k s F A C 2 = ( 2 ! / P I ) : R E M F a c 2 i s a m u l t i p l i c a t i v e f a c t o r a s s o c i a t e d w i t h e p s i l o n P E R I M = 2 ! * R A D I U S * E L L : R E M P e r i m i s t h e p e r i m e t e r o f a h a l f - e l l i p s e i g n o r i n g t h e f r e e s u r f a c e R E M P E R I M = 2 ! * r a d i u s : R E M P e r i m i s t h e p e r i m e t e r o f a h a l f - e l l i p s e i g n o r i n g t h e f r e e s u r f a c e R P = l l / P E R I M A A = ( P I / 2 ! ) * R A D I U S * D L : R E M A A i s t h e a r e a o f a h a l f - e l l i p s e A S Q = A A * A A : R E M A s q i s t h e s q u a r e o f t h e c r a c k a r e a ( h a l f - e l l i p s e ) D E F F N L A Y ( X ) = E S * ( 1 - ( X * F A C 1 * F A C 2 * A S Q * R P ) ) : V O L = 1 : R E M H A L F - E L L I P S E c r a c k S L O P E = F A C 1 * F A C 2 * A S Q * R P : R E M H A L F - E L L I P S E c r a c k R E T U R N R E M R E M R E M 3 D S L I T C R A C K S , U N M O D I F I E D C R $ = " 3 D S L I T C R A C K S , U N M O D I F I E D " F C l = . 5 * ( P I * P I ) * ( 1 ! - P O I S S O N * P O I S S I O N ) : R E M F a c l i s t h e p r e f a c t o r , a l i g n e s l i t c r a c k s F C 2 = ( 2 ! / P I ) : R E M F a c 2 i s a m u l t i p l i c a t i v e f a c t o r a s s o c i a t e d w i t h e p s i l o n P E R = 2 * R A D I U S + 2 * D L : R E M b P e r i s t h e p e r i m e t e r o f t h e s l i t c r a c k R E M P E R = 2 ! * ( D L + 2 ! * R A D I U S ) : R E M P e r i s t h e p e r i m e t e r o f t h e s l i t c r a c k , i n c l d u i n g t h e f r e e s u r f a c e R P = l l / P E R $ 8 = 2 ! * R A D I U S * D L : R E M s i s t h e a r e a o f t h e s l i t c r a c k S S Q = S S * S S : R E M S S Q i s t h e s q u a r e o f t h e c r a c k a r e a ( s l i t c r a c k ) D E F F N L A Y ( X ) = E S * ( 1 ! - ( X * F C 1 * F C 2 * S S Q * R P ) ) : V O L = 1 : R E M 3 D S L I T C R A C K S S L O P E = F C 1 * F C 2 * S S Q * R P : R E M 3 D S L I T C R A C K S R E T U R N R E M R E M R E M S H E T T Y C R A C K S C R $ = " S H E T T Y C R A C K S " R E M F o r l i g = 1 , f i t t i n g i s v e r y p o o r ( o n e - t w o o r d e r s o f m a g n i t u d e e r r o r s i n t e r m s o f n y m c F A C l = ( 1 6 l / 3 ! ) * ( 1 ! - P O I S S O N * P O I S S O N ) : R E M F a c l i s t h e p r e f a c t o r , a l i g n e e l l i p t i c a l c r a c k s F A C 2 = ( Z l / P I ) : R E M F a c 2 i s a m u l t i p l i c a t i v e f a c t o r a s s o c i a t e d w i t h e p s i l o n P E R I M = ( R A D I U S * E L L ) + D L - H D : R E M P e r i m i s t h e p e r i m e t e r o f h a l f - e l l i p s e i g n o r i n g t h e f r e e s u r f a c e , b u t i n c l u d i n g i n d e n t l i g a m e n t 8 7 3 5 8 7 4 0 R P = l l / P E R I M A R E A = ( ( P I / 4 ! ) * R A D I U S * D L - ( H D * D L ) ) : R E M A R E A a r e a o f a h a l f — e l l i p s e , c o r r e c t e d f o r i n d e n t l i g a m e n t 8 7 5 0 8 7 6 0 8 7 8 0 8 7 9 0 8 7 9 6 8 7 9 7 8 8 0 0 8 8 1 0 8 8 2 0 e d 8 8 3 0 8 8 3 5 8 8 4 0 8 8 5 0 8 8 6 0 A S Q = A R E A * A R E A : R E M A s q i s t h e s q u a r e o f t h e c r a c k a r e a ( h a l f - e l l i p s e ) D E F F N L A Y ( X ) = E S * ( 1 ! - ( X * F A C 1 * F A C 2 * A S Q * R P ) ) : V O L = 1 : R E M s k e t t y c r a c k s S L O P E = F A C 1 * F A C 2 * A S Q * R P : R E M s k e t t y c r a c k s R E T U R N R E M R E M R E M m o d i f i e d 3 D c r a c k s , e d i t i o n I I C R $ = " m o d i f i e d 3 D c r a c k s , e d i t i o n I I " ‘ F C l = . 5 * ( P I * P I ) * ( 1 ! - P O I S S O N * P O I S S O N ) : R E M F a c l i s t h e p r e f a c t o r , a l i g n s l i t c r a c k s F C 2 = ( 2 ! / P I ) : R E M F a c 2 i s a m u l t i p l i c a t i v e f a c t o r a s s o c i a t e d w i t h e p s i l o n P E R = ( 2 ! * R A D I U S + 2 ! * D L + P I * H D ) R P = 1 ! / P E R S A = ( 2 ! * R A D I U S * D L ) - ( . 5 * P I * H D * H D ) : R E M s i s t h e a r e a o f t h e s l i t c r a c k S S Q = S A * S A : R E M S s q i s t h e s q u a r e o f t h e c r a c k a r e a ( s l i t c r a c k ) 8 8 6 5 8 8 7 0 8 8 8 0 E / E o 8 8 9 0 8 8 9 6 8 8 9 7 9 0 0 0 9 0 5 0 9 0 6 0 9 1 2 0 9 2 4 0 9 2 6 0 9 2 8 0 9 3 0 0 9 3 2 0 9 3 3 0 9 3 4 0 9 3 6 0 9 3 6 5 9 3 7 0 9 3 8 0 9 3 9 0 9 4 0 0 9 4 9 0 9 5 0 0 9 5 2 0 9 6 0 0 9 6 1 0 9 6 9 0 9 7 0 0 9 7 0 5 9 7 0 7 9 7 2 0 “ I l 9 7 3 0 _ 9 7 3 2 9 7 3 5 9 7 3 6 9 7 3 7 9 7 3 8 9 7 4 0 9 7 4 2 l o p e 9 7 6 0 9 8 2 0 9 8 4 0 3 2 5 G O S U B 1 4 0 0 0 D E F F N L A Y ( X ) R E M E l l i p t i c i n t e g r a l s u b r o u t i n e = E S * ( 1 ! - ( X * V V * F C 1 * F C 2 * S S Q * R P ) ) V O L = 1 R E M S L I T c r a c k s S L O P E = V V * F C 1 * F C 2 * S S Q * R P R E M S l o p e i s t h e s l o p e o f t h e d e l t a v e r s u s N d a t a f o r S L I T c r a c k s R E T U R N R E M R E M R E M I n i t i a l i z e f o r s u m s , g e t c o n s t a n t s S U M = 0 ! : R E M S u m i s t h e s u m o f t h e r e s i d u a l s ( d i f f e r e n c e b e t w e e n a n d m o d e l e d v a l u e s a r e t h e r e s i d u a l s ) . D D = 0 ! : T T = 0 ! : R E M I n i t i a l i z e d d v a l u e R E M C r a c k f u n c t i o n s I F U = 1 T H E N G O S U B 8 2 0 0 : R E M 2 D s l i t c r a c k I F U = 2 T H E N G O S U B 8 2 5 0 ° R E M m o d i f i e d 2 D s l i t c r a c k s I F U = 3 T H E N G O S U B 8 3 0 0 : R E M 3 D S L I T C R A C K , M O D I F I E D I F U = 4 T H E N G O S U B 8 4 0 0 R E M 3 0 M O D I F I E D h a l f e l l i p s e c r a c k s I F U = 5 T H E N G O S U B 8 5 0 0 . R E M B D H A L F E L L I P S E C R A C K S , U N M O D I F I E D I F U = 6 T H E N G O S U B 8 6 0 0 : R E M 3 D S L I T C R A C K S , U N M O D I F I E D I F U = 7 T H E N G O S U B 8 7 0 0 : R E M S H E T T Y c r a c k s I F U = 8 T H E N G O S U B 8 8 0 0 : R E M m o d i f i e d 3 D c r a c k s , e d i t i o n I I R E M E l l i p t i c a l s h a p e d i n d e n t c r o s s - s e c t i o n I F U = 9 T H E N G O S U B 1 3 5 0 0 . R E M m o d i f i e d 3 0 s l i t , e l l i p h d I F U = 1 0 T H E N G O S U B 1 3 6 3 0 : R E M m o d i f i e d 3 D h a l f - e l l i p s e , e l l i p h d I F U = 1 1 T H E N G O S U B 1 3 7 7 0 : R E M m o d i f i e d 3 D c r a c k s , e d i t i o n I I R E T U R N R E T U R N R E M I n i t i a l i z e a v e m i n v e c t o r F O R W Q = 1 T O 6 A V E M I N ( W Q , 1 ) = " 9 9 9 9 9 . 9 A V E M I N ( W Q , 2 ) = 0 ! N E X T W Q . R E T U R N R E M I F L I G = 1 T H E N L S = " w i t h l i g a m e n t ( r a d i u s a n d n d e n s i t y r e v i s e d ) I F L I G = 0 T H E N L $ = " w i t h o u t l i g a m e n t c o r r e c t i o n " A V $ = " # # # # # # # # . # # # # “ “ # # . # # # “ “ # # . # # # “ “ ” # # . # # # “ P R I N T " " : P R I N T " " I F L P R I = 1 T H E N L P R I N T " " : L P R I N T " " P R I N T C R $ ; L $ P R I N T R O M $ I F L P R I = 1 T H E N L P R I N T C R $ ; L $ I F L P R I = 1 T H E N L P R I N T R O M $ P R I N T " L o a d ( N ) L a y e r s M i n A v e S u m D l S l o p e h d " I F L P R I = 1 T H E N L P R I N T " L o a d ( N ) L a y e r s M i n A v e S u m D 1 5 h d I I I F L P R I = 1 T H E N L P R I N T " " F O R A = 1 T O S E T S P R I N T U S I N G A V $ ; A V E M I N ( A , 3 ) : A V E M I N ( A , 4 ) : A V E M I N ( A , 1 ) : A V E M I N ( A , 2 ) , A V E M I N ( A , 5 ) , A V E M I N ( A , 6 ) 9 8 4 2 I N ( A , 9 8 6 0 9 9 9 0 I F L P R I = 1 T H E N L P R I N T U S I N G A V $ ; A V E M I N ( A , 3 ) : A V E M I N ( A , 4 ) ; A V E M I N ( A , 1 ) ; A V E M 2 ) , A V E M I N ( A , 5 ) , A V E M I N ( A , 6 ) N E X T A R E T U R N 1 0 0 0 0 R E M T w o l a y e r m o d e l 1 0 0 4 0 G O S U B 1 4 0 0 0 R E M C o m p u t e e l l i p t i c i n t e g r a l s 1 0 0 6 0 F O R K K = 1 T O N D A T A 1 0 0 7 0 1 0 0 8 0 1 0 1 4 0 1 0 1 8 0 1 0 2 2 0 1 0 2 6 0 G O S U B 9 0 0 0 G O S U B 1 1 0 0 0 G O S U B 1 2 4 0 0 . G O S U B 4 7 0 0 : G O S U B 4 8 0 0 : R E M I n i t i a l i z e f o r s u m s , g e t c o n s t a n t s R E M C a l c u l a t i o n o f l a y e r m o d u l u s R E M c a l c u l a t i o n o f N O R M A L I Z E D Y O U N G ' S M O D U L U S C H A N G E R E M C o n v e r s i o n o f u n i t s f o r e l a s t i c m o d u l u s R E M C a l c u l a t i o n o f E x p e r i m e n t a l v a l u e o f N o r m a l i z e d o f N o r m a l i z e d Y o u n g ' s m o d u l u s I F P R I = 1 T H E N G O S U B 1 2 4 4 0 : R E M P R I N T R E S U L T S T O C R T 1 0 3 0 0 N E X T K K 1 0 3 9 0 I F P R I = 1 T H E N G O S U B 8 0 0 0 : R E M P r i n t s u m m a r y r e s u l t s t o C R T f o r d a t a s e t 1 0 4 0 0 R E M S T O P 1 0 5 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 5 1 1 0 0 7 a m e n t 1 1 0 0 8 1 1 0 1 0 1 1 0 2 0 1 1 0 2 5 1 1 0 3 0 1 1 0 4 0 1 1 0 5 0 1 1 0 6 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 5 1 1 1 2 0 1 1 1 6 0 1 1 1 7 0 1 1 2 0 0 1 2 0 0 0 1 2 0 2 0 1 2 0 3 0 1 2 1 0 0 1 2 2 0 0 1 2 2 1 0 1 2 2 2 0 1 2 3 0 0 1 2 4 0 0 3 2 6 R E T U R N R E M * * C a l c u 1 a t i o n o f l a y e r m o d u l u s u n d e r 2 - D R e c t a n g u l a r ( s l i t ) c r a c k m o d e l R E A D L N I N D , E E ( K K ) I F L I G = 1 T H E N G O S U B 7 0 0 0 : w h e r e t h e R E M R E M R E M R E M R E M R E M R E M m o d e l a s t w o c r a c k s , o m i t t e d c e n t r a l " l i g i n d e n t i m p r e s s i o n a p p e a r s W I D = W i d t h o f t h e s p e c i m e n i n [ m ] * * L E N G T H = L e n g t h o f t h e s p e c i m e n i n [ m ] * * T H I C K N E S S = t h i c k n e s s o f t h e s p e c i m e n i n [ m ] * * D L = D e p t h o f t h e l a y e r i n [ m ] f o r i n d e n t a t i o n * * R A D I U S i s H a l f o f s l i t c r a c k S i z e i n [ m ] , w h i c h i s h a l f o f m e a s u r e d r a d i a l c r a c k s i z e , 2 c * * P O I S S O N = u n d a m a g e d P o i s s o n ' s r a t i o o f t h e s p e c i m e n * L N I N D / ( W I D * L E N G T H ) : R E M * * N U M D L A Y E R s t a n d s f o r N U M B E R d e n s i t y o f l a y e r ( m m - Z ) * * ( L N I N D ) / ( W I D * L E N G T H * T H I C K N E S S ) : R E M * * N D V O L U M E i s n u m b e r d e n s i t y o f c r a c k s i n w h o l e s p e c i m e n ( L N I N D ) / ( W I D * L E N G T H * D L ) : R E M i s s u b s t r a t e m o d u l u s i n [ N / m 2 ] * * 0 T H E N E L F N L A Y ( N U M D L A Y E R ) 1 T H E N E L F N L A Y ( N V L A Y E R ) R E M N U M D L A Y E R = N D V O L U M E = N V L A Y E R = R E M E S I F V O L I F V O L R E T U R N R E M c a l c u l a t i o n o f t h e d i s t a n c e f r o m t h e n e u t r a l a x i s t o t h e b o t t o m l a y e r R E M D S = S u s t r a t e t h i c k n e s s i n [ m ] * * D I S T A N C E = ( E S * D S * D S - E L * D L * D L ) / ( 2 * E S * D S + 2 * E L * D L ) R E T U R N R E M C a l c u l a t i o n o f t h e s e c o n d m o m e n t o f i n e r t i a o f S U B S T R A T E a n d L A Y E R I N S = ( ( D S ‘ 3 ) / 3 - ( D S * D S * D I S T A N C E ) + ( D S * D I S T A N C E * D I S T A N C E ) ) * W I D I N L = ( ( D L ‘ 3 ) / 3 + ( D L * D L * D I S T A N C E ) + ( D L * D I S T A N C E * D I S T A N C E ) ) * W I D R E T U R N R E M * * c a l c u l a t i o n o f N O R M A L I Z E D Y O U N G ' S M O D U L U S C H A N G E * * 1 2 4 1 0 R A l = D L / T H I C K N E S S : R A 2 = D S / T H I C K N E S S 1 2 4 2 0 E O V E R A L L = ( E L * R A 1 ) + ( E S * R A Z ) 1 2 4 3 0 N Y M C = ( E S - E O V E R A L L ) / E S 1 2 4 3 5 R E T U R N 1 2 4 4 0 R E M P r i n t r e s u l t s t o c r t # 2 4 9 0 A S = " # # # . # # # # # # # . # # # # # # # . # # # # # . # # # # # # . # # # # # # # . # # # # 1 2 5 0 0 I F K K = 1 T H E N P R I N T " " : P R I N T " " 1 2 5 0 5 I F K K = 1 T H E N P R I N T L A B E L S P R I N T " " 1 2 5 1 0 I F K K = 1 T H E N P R I N T " E l ( G P a ) E o v e r a l l ( G P a ) E e x p n y m c e n y m c d d " 1 2 5 2 0 P R I N T U S I N G A $ : E L A Y E R , E E O V E R , E E ( K K ) , N Y M C , E N Y M C , D D 1 2 7 0 0 R E T U R N 1 3 5 0 0 R E M M O D I F I E D f o r 3 D s l i t c r a c k s , e l l i p t i c a l i n d e n t b o t t o m 1 3 5 1 0 C R $ = " 3 D s l i t c r a c k s , M O D I F I E D , e l l i p t i c a l i n d e n t b o t t o m " 1 3 5 2 0 F C l = . 5 * ( P I * P I ) * ( 1 ! - P O I S S O N * P O I S S O N ) : R E M F a c l i s t h e p r e f a c t o r , a l i g n e d s l i t c r a c k s 1 3 5 3 0 F C 2 = ( Z l / P I ) : R E M F a c 2 i s a m u l t i p l i c a t i v e f a c t o r a s s o c i a t e d w i t h e p s i l o D 1 3 5 4 0 P E R = ( 2 1 * R A D I U S ) + ( 2 * D L ) + ( 2 * E L L * H D ) : R E M P e r i s t h e p e r i m e t e r o f t h e s l i t c r a c k , i g n o r i n g t h e f r e e s u r f a c e 1 3 5 5 0 8 1 = ( 2 ! * R A D I U S * D L ) - ( . 5 * P I * H D * H D * K P R I M E ) : R E M s i s t h e a r e a o f t h e 8 1 1 t c r a c k 1 3 5 6 0 S S Q = 8 1 * 8 1 : R E M S s q i s t h e s q u a r e o f t h e c r a c k a r e a ( s l i t c r a c k ) 1 3 5 7 0 - ( 2 . 1 3 5 8 0 t 1 3 5 9 0 1 3 6 0 0 1 3 6 1 0 1 3 6 2 0 1 3 6 3 0 1 3 6 4 0 1 3 6 5 0 R E M W i t h l i g = 1 , f a c t o r o f 2 . 8 g i v e s r e a s o n a b l e f i t D E F F N L A Y ( X ) = 8 * X * F C 1 * F C 2 * S S Q ) / P E R ) : V O L = 1 : R E M 3 D m o d i f i e d s l i t D E F F N L A Y ( X ) = E S * ( 1 - ( X * F C 1 * F C 2 * S S Q ) / P E R ) : V O L = 1 : E S * ( 1 R E M 3 D m o d i f i e d s l i S L O P E = ( F C 1 * F C 2 * S S Q ) / P E R : V O L = 1 : R E M 3 D m o d i f i e d s l i t R E T U R N R E M R E M , R E M C a l c u l a t e f o r M O D I F I E D h a l f e l l i p s e c r a c k s , e l l i p t i c a l i n d e n t b o t t o m C R $ = " M O D I F I E D h a l f e l l i p s e c r a c k s , e l l i p t i c a l i n d e n t b o t t o m " R E M M u c h b e t t e r f i t i f l i g = 0 r a t h e r t h a n l i g = l 1 3 6 6 0 1 3 6 7 0 1 3 6 8 0 3 2 7 F A C l = ( l 6 ! / 3 ! ) * ( l ! - P O I S S O N * P O I S S O N ) : R E M F a c l i s t h e p r e f a c t o r , a l i g n e d e l l i p t i c a l c r a c k s F A C 2 = ( 2 ! / P I ) R E M F a c 2 i s a m u l t i p l i c a t i v e f a c t o r a s s o c i a t e d w i t h e p s i l o n P E R I M = ( 2 ! * R A D I U S * E L L ) + ( 2 * E L L * H D ) : R E M P e r i m i s t h e p e r i m e t e r o f a h a l f - e l l i p s e i g n o r i n g t h e f r e e s u r f a c e , b u t i n c l u d i n g i n d e n t l i g a m e n t 1 3 6 9 0 1 3 7 0 0 R P = l l / P E R I M A 1 1 ( ( P I / 2 ! ) * R A D I U S * D L ) ( . 5 * P I * H D * H D * K P R I M E ) : R E M A 1 1 i s t h e a r e a o f a h a l f — e l l i p s e , c o r r e c t e d f o r i n d e n t l i g a m e n t 1 3 7 1 0 1 3 7 2 0 A S Q = A l l * A l l : D E F F N L A Y ( X ) R E M A s q E S * ( 1 ! - X * F A C 1 * F A C 2 * A S Q * R P ) i s t h e s q u a r e o f t h e c r a c k a r e a ( h a l f - e l l i p s e ) V O L 1 : R E M m o d i f i e d H A L F — E L L I P S E c r a c k s 1 3 7 3 0 1 3 7 4 0 1 3 7 5 0 1 3 7 6 0 1 3 7 7 0 1 3 7 7 5 1 3 7 8 0 n e d 1 3 7 9 0 1 3 8 0 0 1 3 8 1 0 1 3 8 2 0 1 3 8 3 0 1 3 8 4 0 1 3 8 5 0 s 1 3 8 6 0 E / E o 1 3 8 7 0 1 3 8 8 0 1 3 8 9 0 1 4 0 0 0 1 4 0 1 0 1 4 0 4 0 1 4 0 6 0 1 4 0 7 0 1 4 0 8 0 1 4 0 9 0 1 4 0 9 2 1 4 0 9 5 1 4 1 0 0 1 4 1 1 0 1 4 1 2 0 1 4 1 3 0 1 4 1 4 0 1 4 1 5 0 1 4 1 6 0 1 4 1 8 0 1 4 2 0 0 1 4 2 0 7 1 4 3 0 0 1 5 5 0 0 1 5 5 0 5 1 5 5 1 0 1 5 5 2 0 1 5 5 2 5 1 5 5 2 7 1 5 5 3 0 1 5 5 7 0 S L O P E = F A C 1 * F A C 2 * A S Q * R P : R E M m o d i f i e d H A L F - E L L I P S E c r a c k s R E T U R N R E M R E M R E M m o d i f i e d 3 D c r a c k s , e d i t i o n I I , e l l i p t i c a l i n d e n t b o t t o m C R $ = " m o d i f i e d 3 0 c r a c k s , e d i t i o n I I , e l l i p t i c a l i n d e n t b o t t o m " F C l = . 5 * ( P I * P I ) * ( 1 ! - P O I S S O N * P O I S S O N ) : R E M F a c l i s t h e p r e f a c t o r , a l i g s l i t c r a c k s F C 2 = ( 2 ! / P I ) : R E M F a c 2 i s a m u l t i p l i c a t i v e f a c t o r a s s o c i a t e d w i t h e p s i l o n P E R = ( 2 ! * R A D I U S + 2 ! * D L + 2 * E L L * H D ) R P = l l / P E R S A = ( 2 ! * R A D I U S * D L ) - ( . 5 * P I * H D * H D * K P R I M E ) R E M s i s t h e a r e a o f t h e s l i t c r a c k R E M S s q i s t h e s q u a r e o f t h e c r a c k a r e a ( s l i t c r a c k ) S S Q = S A * S A : G O S U B 1 4 0 0 0 R E M E l l i p t i c i n t e g r a l s u b r o u t i n e D E F F N L A Y ( X ) = E S * ( 1 ! - ( X * V V * F C 1 * F C 2 * S S Q * R P ) ) : V O L = 1 R E M S L I T c r a c k S L O P E = V V * F C 1 * F C 2 * S S Q * R P : R E M S l o p e i s t h e s l o p e o f t h e d e l t a v e r s u s N d a t a f o r S L I T c r a c k s R E T U R N R E M R E M R E M E V A L U T A T E E L L I P T I C I N T E G R A L S , E C C E N T R I C I T Y P I = 3 . 1 4 1 5 9 2 I F D L > R A D I U S T H E N R E T U R N F 1 = ( R A D I U S * R A D I U S - D L * D L ) E C C E N ( S Q R ( F 1 ) ) / R A D I U S R E M P o w e r s e r i e s a p p r o x i m a t i o n t o e l l i p t i c i n t e g r a l o f s e c o n d k i n d i n t e r m s o f t h e m o d u l u s m . ( S e e D w i g h t , T a b l e o f I n t e g r a l s f o r s e r i e s ) . K P R I M E = S Q R ( 1 ! - E C C E N * E C C E N ) R E M K P R I M E i s i d e n t i c a l t o d l / r a d i u s R E M R A T O P = D L / R A D I U S R E M P R I N T " d l / r a d i u s = " ; R A T O P : " " : K P R I M E M = ( 1 : - K P R I M E ) / ( l ! + K P R I M E ) T 1 = P I / ( 2 ! * ( l ! + M ) ) T 3 = ( M * M ) / 4 T 4 = M ‘ 4 / ( 2 * 2 * 4 * 4 ) T 5 = ( 9 * ( M ‘ 6 ) ) / ( 2 * 2 * 4 * 4 * 6 * 6 ) T 6 = ( 3 * 3 * 5 * 5 ) * ( M ‘ 8 ) / ( 2 * 2 * 4 * 4 * 6 * 6 * 8 * 8 ) E L L = T 1 * ( 1 ! + T 3 + T 4 + T 5 + T 6 ) F C C = S Q R ( 1 ! - E C C E N * E C C E N ) F A C T O R = ( 2 ! / 3 ! ) * ( F C C / E L L ) : R E M P R I N T " f a c t o r = " : F A C T O R V V = ( 1 6 / ( P I * P I ) * F C C * E L L ) R E T U R N R E M P R I N T R E S U L T S T O D I S K F I L E I F D P R I 0 T H E N R E T U R N : R E M d p r i F F $ = " R O M . R E S " O P E N F F $ F O R A P P E N D A S 2 P R I N T # 2 , C R $ ; L s P R I N T # 2 , R O M $ F O R A = 1 T O S E T S P R I N T # 2 , U S I N G A V $ ; A V E M I N ( A , 3 ) : A V E M I N ( A , 4 ) : A V E M I N ( A , 1 ) : A V E M I N ( A , 2 ) , A V E M 0 m e a n s " d o n o t p r i n t r e s u l t s t o d i s k I N ( A , 5 ) , A V E M I N ( A , 6 ) 1 5 5 9 0 N E X T A 1 5 6 0 0 1 5 6 5 0 1 5 6 6 0 2 0 0 0 0 2 1 0 0 0 2 1 0 1 0 2 1 0 2 0 2 1 0 4 0 2 1 0 6 0 2 1 0 8 0 2 1 1 0 0 2 1 1 2 0 2 1 1 4 0 2 3 0 0 0 2 3 0 1 0 2 3 0 2 0 2 3 0 4 0 2 3 0 6 0 2 3 0 8 0 2 3 1 0 0 2 3 1 2 0 2 3 1 4 0 2 3 1 6 0 2 4 0 0 0 2 4 0 1 0 2 4 0 2 0 2 4 0 4 0 2 4 0 6 0 2 7 0 0 0 2 7 0 1 0 2 7 0 2 0 2 7 0 4 0 2 7 0 6 0 2 7 0 8 0 2 7 1 0 0 2 7 1 2 0 2 7 1 4 0 2 7 1 6 0 3 0 0 0 0 3 0 1 0 0 3 0 1 1 0 3 0 1 2 0 3 0 1 3 0 3 0 1 4 0 3 0 1 5 0 3 3 0 0 0 3 3 0 1 0 3 3 0 2 0 3 3 0 4 0 3 3 0 6 0 3 3 0 8 0 3 3 1 0 0 3 3 1 2 0 3 3 1 4 0 3 3 1 6 0 3 3 1 8 0 3 3 2 2 0 3 3 2 4 0 3 3 2 6 0 3 3 2 8 0 3 2 8 P R I N T # 2 , " " C L O S E R E T U R N ' D A T A 6 : R E M S e t s , w h i c h i s t h e n u m b e r o f d a t a s e t s D A T A 7 , 3 , 4 9 , " 4 9 N l o a d i n g i n d e n t e d b o t h s i d e s " , 4 . 1 8 1 e - 5 D A T A 0 . 0 0 6 1 2 , 0 . 0 6 8 7 , 0 . 0 0 1 0 1 , 0 . 0 0 0 1 1 0 , 0 . 0 0 0 8 1 , 1 . 1 3 8 e - 4 , . 2 1 9 , 3 . 2 2 3 3 5 5 e 1 1 D A T A 0 , 0 , 3 2 2 . 3 3 5 5 D A T A 4 5 , 0 , 3 2 2 . 2 4 7 8 D A T A 4 5 , 4 5 , 3 2 2 . 1 1 6 4 D A T A 9 0 , 4 5 , 3 2 2 . 0 3 1 9 D A T A 9 0 , 9 0 , 3 2 1 . 8 3 4 8 D A T A 1 3 5 , 9 0 , 3 2 1 . 5 5 9 5 D A T A 1 3 5 , 1 3 5 , 3 2 1 . 3 7 1 9 D A T A 8 , 3 , 9 8 , " 9 8 N l o a d i n g i n d e n t e d o n t w o s i d e s " , 5 . 9 4 4 e — 5 D A T A 0 . 0 1 2 , 0 . 0 7 0 7 , 0 . 0 0 1 , 0 . 0 0 0 1 4 4 , 0 . 0 0 0 7 1 2 , 1 . 8 5 0 5 e - 4 , . 2 0 6 , 3 . 3 4 8 8 2 8 e 1 1 D A T A 0 , 0 , 3 3 4 . 8 8 2 8 D A T A 4 6 , 0 , 3 3 4 . 6 4 4 9 D A T A 4 6 , 4 6 , 3 3 4 . 4 8 6 3 D A T A 1 3 8 , 4 6 , 3 3 4 . 2 0 0 2 D A T A 1 3 8 , 1 3 8 , 3 3 3 . 5 0 1 1 D A T A 2 3 0 , 1 3 8 , 3 3 3 . 1 3 9 8 D A T A 2 3 0 , 2 3 0 , 3 3 2 . 9 0 5 8 D A T A 3 2 2 , 2 3 0 , 3 3 2 . 3 3 1 8 D A T A 3 , 3 , 1 9 6 , " 1 9 6 l o a d i n g i n d e n t e d o n b o t h s i d e s " , 8 . 3 9 e - 5 D A T A 0 . 0 1 2 , 0 . 0 6 8 5 , 0 . 0 0 1 0 0 0 , 0 . 0 0 0 2 3 9 , 0 . 0 0 0 5 2 2 , 3 . 2 2 4 e - 4 , . 2 0 8 , 3 . 3 3 9 8 9 8 e 1 1 D A T A 0 , 0 , 3 3 3 . 9 8 9 8 D A T A 2 2 , 0 , 3 3 3 . 5 5 7 5 D A T A 2 2 , 4 4 , 3 3 1 . 9 2 1 1 D A T A 8 , 2 , 4 9 , " 4 9 N l o a d i n g i n d e n t e d o n s i n g l e s i d e " , 4 . 1 8 1 e - 5 D A T A 0 . 0 1 2 , 0 . 0 6 9 3 , 0 . 0 0 1 , 0 . 0 0 0 1 1 0 , 0 . 0 0 0 8 1 , l . l 3 8 e - 4 , . 2 0 7 , 3 . 3 4 1 6 3 5 e l l D A T A 0 , 3 3 4 . 1 6 3 5 D A T A ‘ 4 0 , 3 3 4 . 0 5 3 7 D A T A 8 0 , 3 3 3 . 9 2 7 0 D A T A 1 2 0 , 3 3 3 . 8 1 7 3 D A T A 1 6 0 , 3 3 3 . 7 8 6 4 D A T A 2 0 0 , 3 3 3 . 7 1 8 8 D A T A 2 4 0 , 3 3 3 . 6 1 1 9 D A T A 2 8 0 , 3 3 3 . 5 1 9 2 D A T A 5 , 2 , 9 8 , " 9 8 l o a d i n g i n d e n t e d o n o n e s i d e " , 5 . 9 4 4 e - 5 D A T A 0 . 0 1 2 , 0 . 0 6 9 4 3 , 0 . 0 0 1 0 1 4 , 0 . 0 0 0 1 4 4 , 0 . 0 0 0 8 7 0 , 1 . 8 5 0 5 e - 4 , . 2 0 6 , 3 . 2 7 3 3 8 1 e 1 1 D A T A 0 , 3 2 7 . 3 3 8 1 D A T A 6 8 , 3 2 7 . 0 2 2 8 D A T A 1 0 2 , 3 2 6 . 9 2 9 0 D A T A 1 7 0 , 3 2 6 . 5 7 6 8 D A T A 2 3 8 , 3 2 6 . 2 1 8 3 D A T A 1 3 , 2 , 1 9 6 , " 1 9 6 l o a d i n g i n d e n t e d o n o n e s i d e " , 8 . 3 9 e — 5 D A T A 0 . 0 1 2 , 0 . 0 6 9 7 , 0 . 0 0 1 0 0 5 , 0 . 0 0 0 2 3 9 , 0 . 0 0 0 7 6 6 , 3 . 2 2 4 e - 4 , . 2 1 5 , 3 . 3 2 8 7 1 5 e 1 1 D A T A 0 , 3 3 2 . 8 7 1 5 ' . D A T A 7 , 3 3 2 . 5 7 5 6 D A T A 1 4 , 3 3 2 . 4 6 2 6 D A T A 2 1 , 3 3 2 . 2 8 9 9 D A T A 3 6 , 3 3 1 . 8 1 8 3 D A T A 4 4 , 3 3 1 . 6 8 2 2 D A T A 5 2 , 3 3 1 . 4 3 6 6 D A T A 5 9 , 3 3 1 . 2 5 7 5 D A T A 6 6 , 3 3 1 . 1 2 1 5 D A T A 8 7 , 3 3 0 . 5 8 7 8 D A T A 1 0 8 , 3 3 0 . 0 0 1 7 D A T A 1 2 9 , 3 2 9 . 4 6 5 6 D A T A 1 5 0 , 3 2 8 . 7 8 7 3 R E F E R E N C E S 1 . 1 0 . 1 1 . 1 2 . B . A . B o l e y a n d J . H . W e i n e r , T h e o r y o f T h e r m a l S t r e s s e s , J o h n W i l e y a n d S o n s , I n c . N e w Y o r k 1 9 6 0 . H . O h i r a a n d R . C . B r a d t , " S t r e n g t h D i s t r i b u t i o n O f a Q u e n c h - S t r e n g t h e n e d A l u m i n o s i l i c a t e C e r a m i c " , J . A m e r . C e r a m . S O C . , 7 1 [ 1 ] : 3 5 - 4 1 , 1 9 8 8 . W . P . R o g e r s , A . F . E m e r y , R . C . B r a d t a n d A . S . K o b a y a s h i , " S t a t i s t i c a l S t u d y o f T h e r m a l F r a c t u r e O f C e r a m i c M a t e r i a l s i n t h e W a t e r Q u e n c h T e s t " , J . A m e r . C e r a m . S O C . , 7 0 [ 6 ] : 4 0 6 - 4 1 2 , 1 9 8 7 . M . A s h i z u k a , T . E . E a s l e r a n d R . C . B r a d t , " S t a t i s t i c a l S t u d y O f T h e r m a l S h o c k D a m a g e o f a B o r o s i l i c a t e G l a s s " , J . A m e r . C e r a m . S O C . , 6 6 [ 8 ] : 5 4 2 - 5 5 0 , 1 9 8 3 . D . P . H . H a s s e l m a n , " C r a c k P r o p a g a t i o n u n d e r C o n s t a n t D e f o r m a t i o n a n d T h e r m a l S t r e s s F r a c t u r e " , I n t . J . F r a c t . M e c h . , 7 : 1 5 7 , 1 9 7 1 . D . P . H . H a s s e l m a n , " U n i f i e d T h e o r y o f T h e r m a l S h o c k F r a c t u r e I n i t i a t i o n a n d C r a c k P r o p a g a t i o n i n B r i t t l e C e r a m i c s " , J . A m . C e r a m . S O C . , 5 2 [ 1 1 ] : 6 0 0 - 6 0 4 , 1 9 6 9 . T . K . G u p t a , " S t r e n g t h d e g r a d a t i o n a n d c r a c k p r o p a g a t i o n i n t h e r m a l l y s h o c k e d A 1 2 0 3 " , J . A m e r . C e r a m . S O C . , 5 5 : 2 4 9 , 1 9 7 2 . J . P . S i n g h , J . R . T h o m a s a n d D . P . H . H a s s e l m a n , " A n a l y s i s O f E f f e c t O f H e a t - T r a n s f e r V a r i a b l e s o n T h e r m a l S t r e s s R e s i s t a n c e O f B r i t t l e C e r a m i c s m e a s u r e d b y Q u e n c h i n g E x p e r i m e n t s " , J . A m . C e r a m . S O C . , 6 3 [ 3 - 4 ] : 1 4 0 - 1 4 4 , 1 9 8 0 . P . F . B e c h e r , " T r a n s i e n t T h e r m a l S t r e s s B e h a v i o r i n Z r 0 2 - T o u g h e n e d A 1 2 0 3 " , J . A m e r . C e r a m . S O C . , 6 4 : 3 7 - 3 9 , 1 9 8 1 . K . K o k o n i , " E f f e c t O f P a c k a g e L i d o n t h e T h e r m a l S h o c k T e s t O f G l a s s - t O - M e t a l S e a l i n M i c r o e l e c t r o n i c s " , A m C e r a m . S O C . B u l l . , 6 5 : 1 4 9 3 - 1 4 9 7 , 1 9 8 6 . S . T . B u l j a n , J . G . B a l d o n i a n d M . L . H u c k a b e e , " S i 3 N 4 - S i C C o m p o s i t e s " , A m . C e r a m . S o c . B u l l . , 6 6 [ 2 ] : 3 4 7 - 3 5 2 , 1 9 8 7 . W . D . K i n g e r y , H . K . B o w e n a n d D . R . U h l m a n n , I n t r o d u c t i o n t o C e r a m i c s , 2 n d e d . , C h a p . 1 6 , J o h n W i l e y a n d S o n s , N e w Y o r k , 1 9 7 6 . 3 2 9 1 3 . 1 4 . 1 5 1 6 . 1 7 . 1 8 . 1 9 . 2 0 . 2 1 . 2 2 . 2 3 . 2 4 . 3 3 0 W . D . K i n g e r y , " F a c t o r s A f f e c t i n g T h e r m a l S t r e s s R e s i S t a n c e O f C e r a m i c s M a t e r i a l s " , J . A m . C e r a m . S O C . , 3 8 [ 1 ] : 3 - 1 5 , 1 9 5 5 . J . C . C o p p o l a a n d R . C . B r a d t , " T h e r m a l S h o c k D a m a g e i n 3 1 0 " , J . A m e r . C e r a m . S O C . , 5 6 [ 4 ] : 2 1 4 - 2 1 8 , 1 9 7 3 . I B M P a c k a g i n g T e c h n o l o g y , I B M J o u r n a l O f R e s e a r c h a n d D e v e l o p m e n t , V o l . 2 6 , N o . 3 1 9 8 2 . D . L e w i s a n d R . W . R i c e , " C o m p a r i s o n O f S t a t i c , C y c l i c , a n d T h e r m a l S h o c k F a t i g u e i n C e r a m i c C o m p o s i t e s " , C e r a m . E n g . S c i . P r o c . 3 [ 9 - 1 0 ] , 7 1 4 - 7 2 1 , 1 9 8 2 . D . L e w i s a n d R . W . R i c e , " T h e r m a l S h o c k F a t i g u e O f M o n o l i t h i c C e r a m i c s a n d C e r a m i c - C e r a m i c P a r t i c u l a t e C o m p o s i t e s " , C e r a m . E n g . S c i . P r o c . , 2 [ 7 - 8 ] , 7 1 2 - 7 1 8 , 1 9 8 1 . J . P . S i n g h , K . N i i h a r a , a n d D . P . H . H a s s e l m a n , " A n a l y s i s o f T h e r m a l F a t i g u e B e h a v i o r O f B r i t t l e S t r u c t u r a l M a t e r i a l s " , J . M a t e r . S c i . , 1 6 : 2 7 8 9 - 2 7 9 7 , 1 9 8 1 . B . K . S a r k a r a n d T . G . J . G l i n n , T r a n s . B r i t . C e r a m . S O C . , 6 9 : 1 2 8 5 - 1 2 8 7 , 1 9 7 0 . K . T . F a b e r , M . D . H u a n g , a n d A . G . E v a n s , " Q u a n t i t a t i v e S t u d i e s o f T h e r m a l S h o c k i n C e r a m i c s B a s e d o n a N o v e l T e s t T e c h n i q u e " , J . A m e r . C e r a m . S o c . 6 4 : 2 9 6 - 3 0 1 , 1 9 8 1 . A . G . E v a n s a n d R . L . J o n e s , " E v a l u a t i o n o f a F u n d a m e n t a l A p p r o a c h f o r t h e S t a t i s t i c a l A n a l y s i s o f F r a c t u r e " , J . A m e r . C e r a m . S O C . , 6 1 , 1 5 6 , 1 9 7 8 . Y . K i m , W . J . L e e , a n d E . D . C a s e , " T h e r m a l F a t i g u e i n S i C F i b e r R e i n f o r c e d A l u m i n o s i l i c a t e G l a s s C e r a m i c C o m p o s i t e " , p p 4 7 9 - 4 8 6 , i n M e t a l a n d C e r a m i c M a t r i x C o m p o s i t e s : P r o c e s s i n g , M o d e l i n g a n d M e g h a n i c a l B e h a v i g r , E d i t e d b y R . B . B h a g a t , A . H . C l a u e r , P . K u m a r a n d A . M . R i t t e r , T h e M i n e r a l s , M e t a l s a n d M a t e r i a l s S o c i e t y , 1 9 9 0 . Y . K i m , W . J . L e e a n d E . D . C a s e , " T h e r m a l F a t i g u e B e h a v i o r O f C e r a m i c M a t r i x C o m p o s i t e s : A C o m p a r i s o n A m o n g F i b e r R e i n f o r c e d , W h i s k e r R e i n f o r c e d , a n d M o n o l i t h i c C e r a m i c s " , p p 8 7 1 - 8 8 1 i n P g o c e e d i h g s 9 f t h e A m e g i g a h S o g i e t y f o r C o m p o s i t e s , 5 t h T e c h n i c a l C o n f e r e n c e , 1 9 9 0 . W . J . L e e a n d E . D . C a s e , " C y c l i c T h e r m a l S h o c k i n S i C W h i s k e r / A l u m i n a C o m p o s i t e s " , M a t e r . S c i . a n d E n g . , A 1 1 9 : 1 1 3 - 1 2 6 , 1 9 8 9 . 2 5 . 2 6 . 2 7 . 2 8 . 2 9 . 3 0 . 3 1 . 3 2 . 3 3 . 3 4 . 3 5 . 3 6 . 3 7 . 3 3 1 W . J . L e e a n d E . D . C a s e , " T h e r m a l F a t i g u e i n P o l y c r y s t a l l i n e A l u m i n a " , J . M a t e r . S c i . , 2 5 : 5 0 4 3 - 5 0 5 4 , 1 9 9 0 . F . D e l a l e , " C r i t i c a l F i b e r S i z e f o r M i c r o c r a c k S u p p r e s s i o n i n C e r a m i c - F i b e r / C e r a m i c - M a t r i x C o m p o s i t e s " , E n g . F r a c . M e c h . , 3 1 [ 1 ] : 1 4 5 - 1 5 5 , 1 9 8 8 . R . W . D a v i d g e a n d T . J . G r e e n , " T h e S t r e n g t h O f T w o - P h a s e C e r a m i c / G 1 a s s M a t e r i a l s " , J . M a t . S c i . , 3 : 6 2 9 - 6 3 4 , 1 9 6 8 . A . H . H e u e r , N . C l a s s e n , W . M . K r i v e n a n d M . R u h l e , " S t a b i l i t y o f T e t r a g o n a l Z r 0 2 P a r t i c l e s i n C e r a m i c M a t r i c e s " , J . A m e r . C e r a m . S O C . , 6 5 : 6 4 2 - 6 5 0 , 1 9 8 2 . Y . F u , A . G . E v a n s a n d W . M . K r i v e n , " M i c r o c r a c k N u c l e a t i o n i n C e r a m i c s S u b j e c t t o a P h a s e T r a n s f o r m a t i o n " , J . A m e r . C e r a m . S O C . , 6 7 [ 9 ] : 6 2 6 - 6 3 0 , 1 9 8 4 . E . D . C a s e , K . M . L o u i e a n d A . G . E v a n s , " S t a t i s t i c a l A n a l y s i s O f D a m a g e I n d u c e d b y W a t e r D r o p o r W a t e r J e t I m p a c t " , J . M a t . S c i . L e t t . , 3 : 8 7 9 - 8 8 4 , 1 9 8 4 . H . P . K i r c h n e r a n d E . D . I s s a c s o n , " R e s i d u a l S t r e s s e s i n H o t - P r e s s e d S i s N ‘ G r o o v e d b y S i n g l e - P o i n t G r i n d i n g " , J . A m . C e r a m . S O C . , 6 5 : 5 5 - 6 0 , 1 9 8 2 . H . P . K i r c h n e r , " C o m p a r i s o n o f S i n g l e - P o i n t a n d M u l t i p o i n t G r i n d i n g D a m a g e i n G l a s s " , J . A m . C e r a m . S O C . , 6 7 : 3 4 7 - 3 5 3 , 1 9 8 4 . K . M a t s u s h i d a , S . K u r a t a n i , T . O k a m o t o a n d M . S h i m a d a , " Y o u n g ' s M o d u l u s a n d I n t e r n a l F r i c t i o n i n A l u m i n a S u b j e c t t o T h e r m a l S h o c k " , J . M a t . S c i . L e t t . , 3 : 3 4 5 - 3 4 8 , 1 9 8 4 . S . N i s h i j i m a , K . M a t s u s h i t a , T . O k a d a , T . O k a m o t o a n d T . H a g i h a r a , " D y n a m i c Y o u n g ' s M o d u l u s a n d I n t e r n a l F r i c t i o n i n C o m p o s i t e M a t e r i a l s " , p p 1 4 3 - 1 5 1 i n N o n m e t a l l i c M a t e r i a l s a n d C o m p o s i t e s a t L o w T e m p e r a t u r e 3 , e d i t e d b y G . H a r t w i g a n d D . E v a n s , P l e n u m P r e s s , N e w Y o r k a n d L o n d o n , 1 9 8 6 . E . D . C a s e , J . R . S m y t h a n d 0 . H u n t e r , J r . , " M i c r o c r a c k H e a l i n g D u r i n g t h e T e m p e r a t u r e C y c l i n g O f S i n g l e P h a s e C e r a m i c s " , p p 5 0 7 - 5 3 0 i n F r a c t u r e M e c h a n i c s o f C e r a m i c s , v o l . 5 , e d i t e d b y R . C . B r a d t , A . G . E v a n s , D . P . H . H a s s e l m a n a n d F . F . L a n g e , P l e n u m P r e s s , N . Y . , 1 9 8 3 . T . K . G u p t a , " C r a c k H e a l i n g a n d S t r e n g t h e n i n g O f T h e r m a l l y S h o c k e d A l u m i n a " , J . A m . C e r a m . S O C . , 5 9 [ 5 - 6 ] : 2 5 9 - 2 6 2 , 1 9 7 6 . T . K . G u p t a , " I n s t a b i l i t y O f C y l i n d r i c a l V o i d s i n A l u m i n a " , J . 3 8 . 3 9 . 4 0 . 4 1 . 4 2 . 4 3 . 4 4 . 4 5 . 4 6 . 4 7 . 4 8 . 4 9 . 5 0 . 5 1 . 3 3 2 A m . C e r a m . S O C . , 6 l [ 5 - 6 ] : 1 9 1 - 1 9 5 , 1 9 7 8 . T . K . G u p t a , " K i n e t i c s o f S t r e n g t h e n i n g O f T h e r m a l l y S h o c k e d M g O a n d A 1 2 0 3 " , J . A m . C e r a m . S O C . , 5 9 [ 9 - 1 0 ] : 4 4 8 - 4 4 9 , 1 9 7 6 . A . G . E v a n s a n d E . A . C h a r l e s , " S t r e n g t h R e c o v e r y b y D i f f u s i v e C r a c k H e a l i n g " , A c t a M e t . , 2 5 : 9 1 9 - 9 2 7 , 1 9 7 7 . C . F . Y e n a n d R . L . C O b l e , " S p h e r o i d i z a t i o n o f T u r b u l a r V o i d s i n A 1 2 0 3 C r y s t a l s a t H i g h T e m p e r a t u r e s " , J . A m e r . C e r a m . S O C . , 5 5 [ 1 0 ] : 5 0 7 - 5 0 9 , 1 9 7 2 . F . F . L a n g e a n d K . C . R a d f o r d , " H e a l i n g O f S u r f a c e C r a c k s i n P o l y c r y s t a l l i n e A 1 2 0 3 " , J . A m e r . C e r a m . S O C . , 5 3 [ 7 ] : 4 2 0 - 4 2 1 , 1 9 7 0 . T . K . G u p t a , " C r a c k H e a l i n g i n T h e r m a l l y S h o c k e d M g O " , J . A m e r . C e r a m . S O C . , 5 8 [ 3 - 4 ] : 1 4 3 , 1 9 7 5 . J . T . A . R o b e r t s a n d B . J . W r o n a , " C r a c k H e a l i n g i n U 0 2 " , J . A m e r . C e r a m . S O C . , 5 6 [ 6 ] : 2 9 7 - 2 9 9 , 1 9 7 3 . G . B a n d y o p a d h y a y a n d J . T . A . R o b e r t s , " C r a c k H e a l i n g a n d S t r e n g t h R e c o v e r y i n U 0 2 " , J . A m e r . C e r a m . S O C . , 5 9 [ 9 - 1 0 ] : 4 1 5 - 4 1 9 , 1 9 7 6 . G . B a n d y o p a d h y a y a n d C . R . K e n n e d y , " I s o t h e r m a l C r a c k H e a l i n g a n d S t r e n g t h R e c o v e r y i n U 0 2 S u b j e c t e d t O V a r y i n g D e g r e e s o f T h e r m a l S h o c k " , J . A m e r . C e r a m . S O C . , 6 0 [ 1 - 2 ] : 4 8 - 5 0 , 1 9 7 7 . R . N . S i n g h a n d J . L . R o u t b o r t , " F r a c t u r e a n d C r a c k H e a l i n g i n ( U , P u ) C " , J . A m e r . C e r a m . S O C . , 6 2 [ 3 - 4 ] : 1 2 8 - 1 3 3 , 1 9 7 9 . Y . O h y a , Z . N a k a g a w a a n d K . H a m a n o , " C r a c k H e a l i n g a n d B e n d i n g S t r e n g t h O f A l u m i n u m T i t a n a t e C e r a m i c s a t H i g h T e m p e r a t u r e " , J . A m e r . C e r a m . S O C . , 7 1 [ 5 ] : c - 2 3 2 - c - 2 3 3 , 1 9 8 8 . M . T o m o z a w a , K . H i r a o a n d P . E . B e a n , " O r i g i n O f S t r e n g t h I n c r e a s e O f A b r a d e d o r I n d e n t e d G l a s s u p o n A n n e a l i n g " , J . A m e r . C e r a m . S O C . , 6 9 [ 8 ] : c - 1 8 6 - c - 1 8 8 , 1 9 8 6 . A . I . B a i l e y , " F r i c t i o n a n d A d h e s i o n O f C l e a n _ a n d C o n t a m i n a t e d M i c a S u r f a c e s " , J . A p p l . P h y s . , 3 2 : 1 4 0 7 - 1 4 1 2 , 1 9 6 1 . R . B . L e o n e s i o , " F r a c t u r e a n d H e a l i n g E f f e c t s i n M i c a C r y s t a l s " , J . A m . C e r a m . S O C . , 5 5 [ 9 ] : 4 3 7 - 4 3 9 , 1 9 7 2 . T . A . M i c h a l s k e a n d E . R . F u l l e r , " C l o s u r e a n d R e p r o p a g a t i o n o f H e a l e d C r a c k s i n S i l i c a t e G l a s s " , J . A m e r . C e r a m . S O C . , 6 8 [ l l ] : 5 8 6 - 5 9 0 , 1 9 8 5 . 5 2 . 5 3 . 5 4 . 5 5 . 5 6 . 5 7 . 5 8 . 5 9 . 6 0 . 6 1 . 6 2 . 6 3 . 6 4 . 6 5 . 6 6 . 3 3 3 B . S t a v r i n i d i s a n d D . G . H o l l o w a y , " C r a c k H e a l i n g i n G l a s s " , P h y s . C h e m . G l a s s e s , 2 4 [ 1 ] : 1 9 - 2 5 , 1 9 8 3 . M . I n a g a k i , K . U r a s h i m a , S . T o y o m a s u , Y . G o t o a n d M . S a k a i , " W o r k o f F r a c t u r e a n d C r a c k H e a l i n g i n G l a s s " , J . A m . C e r a m . S O C . , 6 8 [ 1 2 ] : 7 0 4 - 7 0 6 , 1 9 8 5 . G . R . P u l l i a m , " P r e c i p i t a t i o n i n M i c r o s c o p i c C r a c k s " , J . A m . C e r a m . S O C . , 4 2 [ 1 0 ] : 4 7 7 - 8 2 , 1 9 5 9 . D . H . R o a c h , S . L a t h a b a i a n d B . R . L a w n , " I n t e r f a c i a l L a y e r s i n B r i t t l e C r a c k s " , J . A m . C e r a m . S O C . , 7 1 [ 2 ] : 9 7 - 1 0 5 , 1 9 8 8 . R . L . L e h m a n , R . E . H i l l , J r . a n d G . E . S i g e l , J r . , " L o w - T e m p e r a t u r e C r a c k C l o s u r e i n F l u o r i d e G l a s s " , J . A m e r . C e r a m . S O C . , 7 2 [ 3 ] : 4 7 4 - 4 7 7 , 1 9 8 9 . M . K . C . H o l d e n a n d V . D . F r e c h e t t e , " H e a l i n g o f G l a s s i n H u m i d E n v i r o n m e n t s " , J . A m e r . C e r a m . S O C . , 7 2 [ 1 1 ] : 2 1 8 9 - 2 1 9 3 , 1 9 8 9 . H . M . C h o u a n d E . D . C a s e , " T i m e - D e p e n d e n t R e c o v e r y O f t h e E l a s t i c M o d u l u s i n T h e r m a l l y S h o c k e d P o l y c r y s t a l l i n e Y t t r i u m I r o n G a r n e t ( Y I G ) " , M a t . S c i . E n g . , 1 0 0 : 7 - 1 4 , 1 9 8 8 . S . S . M a n s o n , C h a p . 7 i n T h e r m a l S t r e s s a n d L o w - C y c l e F a t i g u e , M c C r a w - H i l l , N e w Y o r k , 1 9 6 6 . C . M . C h e n g , " R e s i s t a n c e t o T h e r m a l S h o c k " , J . A m . R o c k e t S O C . , 2 1 [ 6 ] : 1 4 7 - 1 5 3 , 1 9 5 1 . G . S i m m o n s a n d H . W a n g , p p 1 4 6 , 3 2 8 - 3 2 9 i n S i n g l e C r y s t a l E l a s t i c C o n s t a n t s a n d C a l c u l a t e d A g g r e g a t e P r o p e r t i e s . A H a n d b o o k , T h e M . I . T . P r e s s , C a m b r i d g e , 1 9 7 1 . C . K i t t e l , p 1 4 2 i n I n t r o d u c t i o n t o S o l i d S t a t e P h y s i c s , 5 t h e d . , J o h n W i l e y & S o n s , N e w Y o r k , 1 9 7 6 . L . D . B e n t s e n , D . P . H . H a s s e l m a n a n d R . R u h , " E f f e c t o f H o t - P r e s s i n g T e m p e r a t u r e o n T h e r m a l D i f f u s i v i t y / C o n d u c t i v i t y O f S i C / A l N C o m p o s i t e s " , J . A m . C e r a m . S o c . C o m m . , 6 6 [ 3 ] : C 4 0 - c 4 1 , 1 9 8 3 . P . F . B e c h e r , " E f f e c t o f W a t e r B a t h T e m p e r a t u r e o n t h e T h e r m a l S h o c k O f A 1 2 0 3 " , J . A m . C e r a m . S O C . C o m m . , 6 4 [ 1 ] : c 1 7 - C l 8 , 1 9 8 1 . P . F . B e c h e r , D . L e w i s I I I , K . R . C a r m a n a n d A . C . G o n z a l e s , " T h e r m a l S h o c k R e s i s t a n c e o f C e r a m i c s : S i z e a n d G e o m e t r y E f f e c t s i n Q u e n c h T e s t s " , B u l l . A m . C e r a m . S O C . , 5 9 [ 5 ] : 5 4 2 - 5 4 8 , 1 9 8 0 . J . P . S i n g h , Y . T r e e a n d D . P . H . H a s s e l m a n , " E f f e c t o f B a t h a n d 6 7 . 6 8 . 6 9 . 7 0 . 7 1 . 7 2 . 7 3 . 7 4 . 7 5 . 7 6 . 7 7 . 3 3 4 S p e c i m e n T e m p e r a t u r e o n T h e r m a l S t r e s s R e s i s t a n c e O f B r i t t l e C e r a m i c s S u b j e c t e d t o T h e r m a l Q u e n c h i n g " , J . M a t . S c i . , 1 6 : 2 1 0 9 - 2 1 1 8 , 1 9 8 1 . ' F . P . I n c r o p e r a a n d D . P . D e W i t t , C h a p . 1 0 i n I n t r o d u c t i o n t o _ H e a t T p a n s f e r , J o h n W i l e y & S o n s , N e w Y o r k , 1 9 8 5 . E . H a h n e a n d U . G r i g u l l , p p 4 0 3 - 4 2 4 i n H e a t T r a n s f e r i n B o i l i n g , H e m i s p h e r e P u b l i s h i n g C o r p o r a t i o n , L o n d o n , 1 9 7 7 . J . R . T h o m e , C h a p . 2 a n d 7 i n E n h a n c e d B o i l i n g H e p ; T r a n s f e r , H e m i s p h e r e P u b l i s h i n g C o r p o r a t i o n , N e w Y o r k , 1 9 9 0 . R . W . D a v i d g e , p p 4 9 5 3 - 4 9 5 6 i n E n c y c l o p e d i a O f M a t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g , v o l . 7 , E d i t o r - i n - c h i e f M . B . B e a v e r , P e r g a m o n P r e s s , O x f o r d , 1 9 8 6 . R . F . C o o k , B . R . L a w n , T . P . D a b b s , a n d P . C h a n t i k u l , " E f f e c t O f M a c h i n i n g D a m a g e o n t h e S t r e n g t h o f G l a s s - C e r a m i c " , J . A m . C e r a m . S o c . C o m m . , 6 4 [ 9 ] : c 1 2 1 - c 1 2 2 , 1 9 8 1 . F . F . L a n g e , M . R . J a m e s , a n d D . J . G r e e n , " D e t e r m i n a t i o n O f R e s i d u a l S u r f a c e S t r e s s e s C a u s e d b y G r i n d i n g i n P o l y c r y s t a l l i n e A 1 2 0 3 " , J . A m . C e r a m . S o c . C o m m . , 6 6 [ 2 ] : c 1 6 - c 1 7 , 1 9 8 3 . D . A . K r o h n a n d D . P . H . H a s s e l m a n , " E f f e c t o f A b r a s i o n o n S t r e n g t h a n d T h e r m a l - S t r e s s R e s i s t a n c e O f a S o d a - L i m e - S i l i c a G l a s s " , J . A m . C e r a m . S O C . , 5 6 [ 6 ] : 3 3 7 - 3 3 8 , 1 9 7 3 . D . L e w i s I I I , " E f f e c t o f S u r f a c e T r e a t m e n t o n t h e S t r e n g t h a n d T h e r m a l S h o c k B e h a v i o r o f a C o m m e r c i a l G l a s s - C e r a m i c " , A m . C e r a m . S o c . B u l l . , 5 8 [ 6 ] : 5 9 9 - 6 0 5 , 1 9 7 9 . P . J . B e r e n s e n , " E x p e r i m e n t s o n P 0 0 1 B o i l i n g H e a t T r a n s f e r " , I n t . J . H e a t M a s s T r a n s f e r , 5 : 9 8 5 - 9 9 9 , 1 9 6 2 . B . B u d i a n s k y a n d R . J . O ' C o n n e l l , " E l a s t i c M o d u l i O f A C r a c k e d S o l i d " , I n t . J . S o l i d s S t r u c t u r e s , 1 2 : 8 1 - 9 7 , 1 9 7 6 . x A . H o e n i g , ” E l a s t i c M o d u l i O f a N o n - R a n d o m l y C r a c k e d B o d y " , I n t . J . S o l i d s S t r u c t u r e s , 1 5 : 1 3 7 - 1 5 4 , 1 9 7 9 . 7 8 . 7 9 . 8 0 . 8 1 . 8 2 . 8 3 . 8 4 . 8 5 . 8 6 . 8 7 . 8 8 . 8 9 . 3 3 5 N . L a w s a n d J . R . B r o c k e n b r o u g h , " T h e E f f e c t O f M i c r o - C r a c k S y s t e m s o n t h e L o s s o f S t i f f n e s s o f B r i t t l e S o l i d s " , I n t . J . S o l i d s S t r u c t u r e s , 2 3 [ 9 ] : 1 2 4 7 - 1 2 6 8 , 1 9 8 7 . D . P . H . H a s s e l m a n a n d J . P . S i n g h , " A n a l y s i s o f T h e r m a l S t r e s s R e s i s t a n c e o f M i c r o c r a c k e d B r i t t l e C e r a m i c s " , A m . C e r a m . S O C . B u l l . , 5 8 [ 9 ] : 8 5 6 - 8 6 0 , 1 9 7 9 . T . Y o k o b o r i a n d M . I c h i k a w a , " E l a s t i c S o l i d w i t h a n I n f i n i t e R o w o f C o l l i n e a r C r a c k s a n d t h e F r a c t u r e C r i t e r i o n " , J . P h y s . S O C . J p n . , 1 9 : 2 3 4 1 - 2 3 4 2 , 1 9 6 4 . W . R . D e l a m e t e r , G . H e r r m a n n a n d D . M . B a r n e t t , " W e a k e n i n g O f a n E l a s t i c S o l i d b y a R e c t a n g u l a r A r r a y o f C r a c k s " , 4 3 [ 3 ] : 7 4 - 8 0 , J , A p p l . M e c h . , T r a n s . A S M E , 1 9 7 5 . J . J . M e c h o l s k y , J r . , S . W . F r e i m a n a n d R . W . R i c e , " E f f e c t O f G r i n d i n g o n F l a w G e o m e t r y a n d F r a c t u r e o f G l a s s " , J . A m . C e r a m . S O C . , 6 0 [ 3 - 4 ] : 1 1 4 - 1 1 7 , 1 9 7 7 . H . P . K i r c h n e r , " D a m a g e P e n e t r a t i o n a t E l o n g a t e d M a c h i n i n g G r o o v e s i n H o t - P r e s s e d S i 3 N 4 " , J . A m . C e r a m . S O C . , 6 7 [ 2 ] : 1 2 7 - 1 3 2 , 1 9 8 4 . T . J . L a r c h u k , J . C . C o n w a y , J r . , a n d H . P . K i r c h n e r , " C r u s h i n g a s a M e c h a n i s m o f M a t e r i a l R e m o v a l d u r i n g A b r a s i v e M a c h i n i n g " , J . A m . C e r a m . S O C . , 6 8 [ 4 ] : 2 0 9 - 2 1 5 , 1 9 8 5 . J . D . B . V e l d k a m p , N . H a t t u a n d G . d e W i t h , " D e f o r m a t i o n a n d C r a c k i n g d u r i n g H i g h T e m p e r a t u r e S c r a t c h i n g o f S o m e B r i t t l e M a t e r i a l s " , p p 1 2 1 - 1 4 4 i n F r a c t u r e M e c h a n i c s O f C e r a m i c s , V o l . 5 , e d i t e d b y R . C . B r a d t , A . G . E v a n s , D . P . H . H a s s e l m a n a n d F . F . L a n g e , P l e n u m P r e s s , N e w Y o r k , 1 9 8 3 . D . B . M a r s h a l l , p p 1 9 0 - 2 2 0 i n F r a c t u r e i n C e r a m i c M a t e r i a l s : T o u g h e n i n g M e c h a n i s m s , M a c h i n i n g D a m a g e , S h o c k , e d i t e d b y A . G . E v a n s , N o y e s P u b l i c a t i o n s , P a r k R i d g e , N e w J e r s e y , 1 9 8 4 . B . R . L a w n , A . G . E v a n s a n d D . B . M a r s h a l l , " E l a s t i c / P l a s t i c I n d e n t a t i o n D a m a g e i n C e r a m i c s : T h e M e d i a n / R a d i a l C r a c k S y s t e m " , J . A m . C e r a m . S O C . , 6 3 [ 9 - 1 0 ] : 5 7 4 - 5 8 1 , 1 9 8 0 . B . R . L a w n a n d M . V . S w a i n , " M i c r o f r a c t u r e B e n e a t h P o i n t I n d e n t a t i o n s i n B r i t t l e S o l i d s " , J . M a t . S c i . , 1 0 : 1 1 3 - 1 2 2 , 1 9 7 5 . B . R . L a w n a n d D . B . M a r s h a l l , " H a r d n e s s , T o u g h n e s s a n d B r i t t l e n e s s : A n I n d e n t a t i o n A n a l y s i s " , J . A m . C e r a m . S O C . , 6 2 [ 7 - 8 ] : 3 4 7 - 3 5 0 , 1 9 7 9 . 9 0 . 9 1 . 9 2 . 9 3 . 9 4 . 9 5 . 9 6 . 9 7 . 9 8 . 9 9 . 1 0 0 . 1 0 1 . 1 0 2 . 3 3 6 G . R . A n s t i s , P . C h a n t i k u l , B . R . L a w n a n d D . B . M a r s h a l l , " A C r i t i c a l E v a l u a t i o n o f I n d e n t a t i o n T e c h n i q u e s f o r M e a s u r i n g F r a c t u r e T o u g h n e s s : I , D i r e c t C r a c k M e a s u r e m e n t s " , J . A m . C e r a m . S O C . , 6 4 [ 9 ] : 5 3 3 - 5 3 8 , 1 9 8 1 . B . R . L a w n a n d E . R . F u l l e r , " E q u i l i b r i u m P e n n y - l i k e C r a c k s i n I n d e n t a t i o n F r a c t u r e " , J . M a t . S c i . , 1 0 : 2 0 1 6 - 2 0 2 4 , 1 9 7 5 . D . B . M a r s h a l l a n d B . R . L a w n , " R e s i d u a l S t r e s s E f f e c t s i n S h a r p C o n t a c t C r a c k i n g : P a r t I I n d e n t a t i o n F r a c t u r e M e c h a n i c s " , J . M a t . S c i . , 1 4 [ 8 ] : 2 0 0 1 - 2 0 1 2 , 1 9 7 9 . J . F . K a l t h o f f a n d D . A . S h o c k n e y , " I n s t a b i l i t y o f C r a c k s U n d e r I m p u l s e L o a d s " , J . A p p l . P h y s . , 4 8 [ 3 ] : 9 8 6 - 9 9 3 , 1 9 7 7 . A . G . E v a n s , " 0 n I m p a c t D a m a g e i n t h e E l a s t i c R e s p o n s e R e g i m e " , J . A p p l . P h y s . , 4 9 [ 6 ] : 3 3 0 4 - 3 3 1 0 , 1 9 7 8 . E . D . C a s e , " N u m e r i c a l A p p r o x i m a t i n g F o r m s f o r t h e D y n a m i c S t r e s s I n t e n s i t y F a c t o r " , p p 2 1 1 - 2 2 2 i n F r a c t u r e M e c h a n i c s o f C e r a m i c s , V o l . 7 , e d i t e d b y R . C . B r a d t , A . G . E v a n s , D . P . H . H a s s e l m a n a n d F . F . L a n g e , P l e n u m p r e s s , N e w Y o r k , 1 9 8 3 . E . C a s e a n d A . G . E v a n s , p p 4 0 4 - 4 1 5 i n F p a c t u r e i n C e r a m i c M a t e r i a l s ; T o u g h e n i n g M e c h a n i s m s , M a c h i n i n g D a m a g e , S h o c k , e d i t e d b y A . G . E v a n s , N o y e s P u b l i c a t i o n s , P a r k R i d g e , N e w J e r s e y , 1 9 8 4 . E . D . C a s e a n d Y o u n g m a n K i m , " T h e E f f e c t o f S u r f a c e L i m i t e d M i c r o c r a c k s o n t h e E f f e c t i v e Y o u n g ' s M o d u l u s O f C e r a m i c s : 1 . A n a l y s i s " , S u b m i t t e d t o M a t . S c i . a n d E n g . A S T M S t a n d a r d C 2 0 3 - 8 5 " S t a n d a r d t e s t m e t h o d s f o r b r e a k i n g l o a d a n d f l e x u r a l p r o p e r t i e s o f b l o c k t y p e t h e r m a l i n s u l a t i o n " F . F o r s t e r , " E i n n e u e s M e s s v e r f a h r e n z u r B e s t i m m u g d e s E l a s t i z i a t m o d u l s u n d d e r D a m p f u n g " ( A N e w M e t h o d f o r D e t e r m i n a t i o n o f M o d u l u s o f E l a s t i c i t y a n d D a m p i n g ) , Z e i t s c h r i f t f u r M e t a l l k u n d e , 2 9 [ 4 ] : 1 0 9 - 1 1 5 , 1 9 3 7 . S . S p i n n e r a n d W . E . T e f f t , " A M e t h o d f o r D e t e r m i n i n g M e c h a n i c a l R e s o n a n c e F r e q u e n c i e s a n d f o r C a l c u l a t i n g E l a s t i c M o d u l i f r o m T h e s e F r e q u e n c i e s " , A S T M P r o c . , 6 1 : 1 2 2 1 - 1 2 3 8 , 1 9 6 1 . E . S c h r e i b e r , 0 . L . A n d e r s o n , a n d N . S o g a , E l a s t i c C o n s t a n t s a n d T h e i r M e a s u r e m e n t s , C h a p . 4 , M c G r a w - H i l l , N e w Y o r k , 1 9 7 4 . G . P i c k e t t , " E q u a t i o n s f o r C o m p u t i n g E l a s t i c C o n s t a n t s f r o m F l e x u r a l a n d T o r s i o n a l R e s o n a n t F r e q u e n c i e s O f V i b r a t i o n o f P r i s m a n d C y l i n d e r " , A S T M P r o c . , 4 5 : 8 4 6 - 8 6 5 , 1 9 4 5 . 1 0 3 . 1 0 4 . 1 0 5 . 1 0 6 . 1 0 7 . 1 0 8 . 1 0 9 . 1 1 0 . 1 1 1 . 1 1 2 . 1 1 3 . 1 1 4 . 1 1 5 . 1 1 6 . 3 3 7 D . P . H . H a s s e l m a n , T a b l e s f o r t h e C o m p u t a t i o n O f S h e a r M o d u l u s a n d Y o u n g ' s M o d u l u s o f E l a s t i c i t y f r o m R e s o n a n t F r e q u e n c i e s o f R e c t a n g p l a r P r i s m s , C a r b o r u n d u m C o . , N i a g a r a F a l l s , N Y , 1 9 6 1 . J . B . W a c h t m a n , J r . a n d W . E . T e f f t , " E f f e c t o f S u s p e n s i o n o n A p p a r e n t V a l u e s O f I n t e r n a l F r i c t i o n D e t e r m i n e d b y F o r s t e r ' s M e t h o d " , R e v . S c i . I n s t r s . , 2 9 [ 6 ] : 5 1 7 - 5 2 0 , 1 9 5 9 . L . R a y l e i g h , p p 2 5 3 - 8 3 i n T h p T h g o r y , o f S o u n d , v o l . 1 , D o v e r P u b l i c a t i o n , N e w Y o r k , 1 9 7 6 . J . V . B e c k a n d K . J . A r n o l d , p p 2 3 4 - 2 4 7 i n P h p p h p p § p _ h p p i h § p i p h i n E n g i n e e r i n g a n d S c i e n c e , W i l e y S e r i e s i n P r o b a b i l i t y a n d M a t h e m a t i c a l S t a t i s t i c s , J o h n W i l e y & S o n s , N e w Y o r k , 1 9 7 7 . J . V . B e c k , B . B l a c k w e l l a n d C . R . S t . C l a i r , J r . , p p 2 9 0 - 2 9 4 i n I n v e r s e H e a t C o n d u c t i o n : I l l - P o s e d P r o b l e m s , W i l e y - I n t e r s c i e n c e , N e w Y o r k , 1 9 8 5 . B . L . S y m o n d s , R . F . C o o k a n d B . R . L a w n , " D y n a m i c F a t i g u e o f B r i t t l e M a t e r i a l s C o n t a i n i n g I n d e n t a t i o n L i n e F l a w s " , J . M a t . S c i . , 1 8 : 1 3 0 6 - 1 3 1 4 , 1 9 8 3 . A . G . E v a n s a n d E . A . C h a r l e s , " F r a c t u r e T o u g h n e s s D e t e r m i n a t i o n s b y I n d e n t a t i o n " , J . A m . C e r a m . S O C . , 5 9 [ 7 - 8 ] : 3 7 1 - 3 7 2 , 1 9 7 6 . Y . K i m a n d E . D . C a s e , " T i m e - d e p e n d e n t E l a s t i c M o d u l u s R e c o v e r y M e a s u r e m e n t o n T h e r m a l l y S h o c k e d S i C f i b e r / A l u m i n o s i l i c a t e C o m p o s i t e s , M a c h i n a b l e G l a s s C e r a m i c s a n d P o l y c r y s t a l l i n e A l u m i n a " , S u b m i t t e d t o J . M a t . S c i . P . C . P a r i s a n d F . E r d o g a n , " A c r i t i c a l a n a l y s i s O f c r a c k p r o p a g a t i o n l a w s " , J . B a s i c E n g . T r a n s . A S M E , s e r i e s D , 8 5 : 5 2 8 - 3 4 , 1 9 6 3 . R . G . F o r e m a n , V . E . K e a r n e y a n d R . M . E n g l e , " N u m e r i c a l a n a l y s i s o f c r a c k p r o p a g a t i o n i n c y c l i c l o a d e d s t r u c t u r e s " , i b i d , 8 9 : 4 5 9 - 4 6 4 , 1 9 6 7 . S . P e a r s o n , " E f f e c t o f m e a n s t r e s s i n 1 2 . 6 m m a l u m i n u m a l l o y O f h i g h a n d l o w f r a c t u r e t o u g h n e s s " , E n g . F r a c . M e c h . , 1 : 2 1 3 - 3 3 , 1 9 6 8 . H . W . L i u , " C r a c k p r o p a g a t i o n i n t h i n m e t a l s h e e t u n d e r r e p e a t e d l o a d i n g " , J . B a s i c E n g . T r a n s . A S M E , s e r i e s D , 8 3 : 2 3 - 3 1 , 1 9 6 1 . B . T h o m k i n s , " F a t i g u e c r a c k p r o p a g a t i o n - a n a n a l y s i s " , P h i l . M a g . , 1 8 : 1 0 4 1 - 6 6 , 1 9 6 8 . K . N . R a j u , " A n e n e r g y b a l a n c e c r i t e r i o n f o r c r a c k g r o w t h u n d e r 1 1 7 . 1 1 8 . 1 1 9 . 1 2 0 . 1 2 1 . 1 2 2 . 1 2 3 . 1 2 4 . 1 2 5 . 1 2 6 . 1 2 7 . 1 2 8 . 1 2 9 . 1 3 0 . 3 3 8 f a t i g u e l o a d i n g f r o m c o n s i d e r a t i o n o f e n e r g y O f p l a s t i c d e f o r m a t i o n " , I n t . J . F r a c t u r e , 8 : 1 - 1 4 , 1 9 7 2 . T . V . D u g g a n , " A t h e o r y f o r f a t i g u e c r a c k p r o p a g a t i o n " , E n g . F r a c . M e c h . , 9 : 7 3 5 - 4 7 , 1 9 7 7 . N . E . F r o s t a n d J . R . D i x o n , " A t h e o r y o f f a t i g u e c r a c k g r o w t h " , I n t . J . F r a c t u r e , 3 : 3 0 1 - 1 6 , 1 9 6 7 . L . P . P o o k a n d N . E . F r o s t , " A f a t i g u e c r a c k g r o w t h t h e o r y " , I n t . J . F r a c t u r e , 9 : 5 3 - 6 1 , 1 9 7 3 . W . E l b e r , " T h e s i g n i f i c a n c e o f f a t i g u e c r a c k C l o s u r e " , A S T M S T P 4 8 6 , 2 3 0 - 4 2 , 1 9 7 1 . D . A . K r o h n a n d D . P . H . H a s s e l m a n , " S t a t i c a n d c y c l i c b e h a v i o r O f a P o l y c r y s t a l l i n e A l u m i n a " , J . A m . C e r a m . S O C . , 5 4 [ 4 ] : 2 0 8 - 1 1 , 1 9 7 2 . F . G u i u , " C y c l i c f a t i g u e O f p o l y c r y s t a l l i n e a l u m i n a i n d i r e c t p u s h - p u l l " J . M a t . S c i . , 1 3 : 1 3 5 7 - 1 3 6 1 , 1 9 7 8 . S u s u m u H o r i b e , " C y c l i c f a t i g u e c r a c k g r o w t h f r o m i n d e n t a t i o n f l a w i n S i 3 N 4 " , J . M a t . S c i . L e t t . , 7 : 7 2 5 - 2 7 , 1 9 8 8 . L . E w a r t a n d S . S u r e s h , " D y n a m i c F a t i g u e C r a c k G r o w t h i n P o l y c r y s t a l l i n e A l u m i n a u n d e r C y c l i c C o m p r e s s i o n " , J . M a t . S c i . L e t t . , 5 : 7 7 4 - 7 8 , 1 9 8 6 . L . E w a r t a n d S . S u r e s h , " C r a c k p r o p a g a t i o n i n c e r a m i c s u n d e r c y c l i c l o a d s " , J . M a t . S c i . , 2 2 : 1 1 7 3 - 1 1 9 2 , 1 9 8 7 . T . K a w a g u b o a n d K . K o m e y a , " S t a t i c a n d c y c l i c f a t i g u e b e h a v i o r O f a S i n t e r e d S i s N 4 a t r o o m t e m p e r a t u r e " , J . A m . C e r a m . S O C . , 7 0 [ 6 ] : 4 0 0 - 4 0 5 , 1 9 8 7 . C . P . C h e n a n d W . J . K n a p p , " F a t i g u e f r a c t u r e O f a n a l u m i n a c e r a m i c a t s e v e r a l t e m p e r a t u r e s " , 6 9 1 - 7 0 7 , i n F r a c t u r e M e c h a n i c s o f C e r a m i c s , v o l . 2 , e d i t e d b y R . C . B r a d t , D . P . H . H a s s e l m a n a n d F . F . L a n g e , P l e n u m p r e s s , N e w Y o r k , 1 9 7 4 . A . G . E v a n s a n d E . R . F u l l e r , " C r a c k p r o p a g a t i o n i n c e r a m i c m a t e r i a l s u n d e r c y c l i c l o a d i n g c o n d i t i o n s " , M e t , T r a n s . , 5 [ 1 ] : 2 7 - 3 3 , 1 9 7 4 . A . G . E v a n s , " F a t i g u e i n c e r a m i c s " , I n t . J . F r a c t u r e , 1 6 [ 6 ] : 4 8 5 - 4 9 8 , 1 9 8 0 . S u s u m u H o r i b e a n d M a s a e S u m i t a , " F a t i g u e b e h a v i o r o f S i n t e r e d S i C ; t e m p e r a t u r e d e p e n d e n c e a n d e f f e c t o f d o p i n g w i t h a l u m i n u m " , 1 3 1 . 1 3 2 . 1 3 3 . 1 3 4 . 1 3 5 . 1 3 6 . 1 3 7 . 1 3 8 . 1 3 9 . 1 4 0 . 1 4 1 . 1 4 2 . 3 3 9 J . M a t . S c i . , 2 3 : 3 3 0 5 - 3 3 1 3 , 1 9 8 8 . A . G . E V a n s , L . R . R u s s e l a n d D . W . R i c h e r s o n , " S l o w c r a c k g r o w t h i n c e r a m i c m a t e r i a l s a t e l e v a t e d t e m p e r a t u r e s " , M e t . T r a n s . A , 6 A [ 4 ] : 7 0 7 - 7 1 6 , 1 9 7 5 . D . L e w i s I I I , " C y c l i c m e c h a n i c a l f a t i g u e i n c e r a m i c - c e r a m i c c o m p o s i t e - A n U p d a t e " , C e r a m . E n g . S c i . P r o c . , 4 [ 9 - 1 0 ] : 8 7 4 - 8 8 1 , 1 9 8 3 . K . M . P r e w o , " F a t i g u e a n d s t r e s s r u p t u r e o f s i l i c o n c a r b i d e f i b e r - r e i n f o r c e d g l a s s - c e r a m i c " , J . M a t . S c i . , 2 2 : 2 6 9 5 - 2 7 0 1 , 1 9 8 7 . S . S u r e s h , L . X . H a n a n d J . J . P e t r o v i c , " F r a c t u r e o f S i 3 N 4 - S i C w h i s k e r c o m p o s i t e s u n d e r c y c l i c l o a d s " , J . A m . C e r a m . S O C . , 7 1 [ 3 ] : c - 1 5 8 - c - l 6 1 , 1 9 8 8 . A . A . M o r r o n e , S . R . N u t t a n d S . S u r e s h , " F r a c t u r e t o u g h n e s s a n d F a t i g u e c r a c k g r o w t h b e h a v i o r o f a n A 1 2 0 3 - S i C c o m p o s i t e " , J . M a t . S c i . , 2 3 : 3 2 0 6 - 3 2 1 3 , 1 9 8 8 . K . M . P r e w o , " T e n s i o n a n d F l e x u r a l S t r e n g t h o f S i C f i b e r - r e i n f o r c e d G l a s s - C e r a m i c s " , J . M a t . S c i . , 2 1 : 3 5 9 0 - 3 6 0 0 , 1 9 8 6 . D . L e w i s I I I , p p 4 8 7 - 4 9 6 , i n F r a p t u p e M e c h a n i c s o f C e r a m i c s , V o l . 6 , e d i t e d b y R . C . B r a d t , A . G . E v a n s , D . P . H . H a s s e l m a n a n d F . F . L a n g e , P l e n u m P r e s s , N . Y . , 1 9 8 3 . F . H . G i l l e r y a n d E . A . B u s h , " T h e r m a l C o n t r a c t i o n o f B - E u c r y p t i t e ( L i 2 0 A 1 2 0 3 2 8 1 0 2 ) b y X - r a y a n d D i l a t o m e t e r M e t h o d s " , J . A m . C e r a m . S O C . , 4 2 : 1 7 5 - 1 7 7 , 1 9 5 9 . E . G . W o l f f , " T h e r m a l E x p a n s i o n i n M e t a l / L i t h i a - A l u m i n a - S i l i c a ( L A S ) C o m p o s i t e s " , I n t . J . T h e r m o p h y s i c s , 9 [ 2 ] : 2 2 1 - 2 3 2 , 1 9 8 8 . D . H . G r a n d e , J . F . M a n d e l l a n d K . C . C . H o n g , " F i b e r / m a t r i x b o n d s t r e n g t h s t u d i e s o f g l a s s , c e r a m i c , a n d m e t a l m a t r i x c o m p o s i t e s " , J . M a t . S c i . , v o l . 2 3 : 3 1 1 - 3 2 8 , 1 9 8 8 . R . L . S a l g a n i k , " M e c h a n i c s o f B o d i e s w i t h M a n y C r a c k s " , M e c h . S o l i d s , 8 [ 4 ] : 1 3 5 - 1 4 2 , 1 9 7 4 . . T . H o s h i d e , T . O h a r a a n d T . Y a m a d a , " F a t i g u e C r a c k G r o w t h f r o m I n d e n t a t i o n F l a w s i n C e r a m i c s " , I n t . J . F r a c t . , 3 7 : 4 7 - 5 9 , 1 9 8 8 . 1 4 3 . 1 4 4 . 1 4 5 . 1 4 6 . 1 4 7 . 1 4 8 . 1 4 9 . 1 5 0 . 1 5 1 . 1 5 2 . 1 5 3 . 1 5 4 . 1 5 5 . 3 4 0 A . G r o s s m u l l e r , V . Z e l i z k o a n d M . V . S w a i n , " F a t i g u e C r a c k G r o w t h i n C e r a m i c s u s i n g a C o m p r e s s i v e L o a d i n g G e o m e t r y " , J . M a t . S c i . L e t t . , 8 [ 1 ] : 2 9 - 3 1 , 1 9 8 9 . M . J . R e e c e , F . G u i u a n d M . F . R . S a m m u r , " C y c l i c F a t i g u e C r a c k P r o p a g a t i o n i n A l u m i n a u n d e r D i r e c t T e n s i o n - C o m p r e s s i o n L o a d i n g " , J . A m . C e r a m . S O C . , 7 2 [ 2 ] : 3 4 8 - 3 5 2 , 1 9 8 9 . K . C h y u n g , G . H . B e a l l , a n d D . G . G r o s s m a n , " M i c r o s t r u c t u r e s a n d M e c h a n i c a l P r o p e r t i e s o f M a c h i n a b l e G l a s s - C e r a m i c s " , p p 1 1 6 7 - 1 1 9 4 , i n E l e c t r o n M i c r o s c o p y a n d S t r u c t u r e o f M a t e r i a l s , e d i t e d b y G . T h o m a s . U n i v e r s i t y o f C a l i f o r n i a P r e s s , B e r k e l e y , 1 9 7 2 . Z . S t r n a d , p p 2 2 6 - 2 3 0 , i n G l a s s - C e r a m i c M a t e r i a l s ( G l a s s S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y : V o l . 8 ) , E l s e v i e r , N e w Y o r k , 1 9 8 6 . A . B . B h a t i a , U l t r a s o n i c A b s o p p t i o h , C h a p . 3 , O x f o r d U n i v e r s i t y P r e s s , O x f o r d , 1 9 6 7 . T . N . T i e g s a n d P . F . B e c h e r , J . A m . C e r a m . S O C . , 7 0 [ 5 ] : C 1 0 9 - C 1 1 1 , 1 9 8 7 . J . J . B r e n n a n a n d K . M . P r e w o , " S i l i c o n C a r b i d e F i b e r R e i n f o r c e d G l a s s - C e r a m i c M a t r i x C o m p o s i t e s e x h i b i t i n g H i g h S t r e n g t h a n d T o u g h n e s s " , J . M a t . S c i . , 1 7 : 2 3 7 1 - 2 3 8 3 , 1 9 8 2 . P . F . B e c h e r , C . H s u e h , P . A n g e l i n i a n d T . N . T i e g s , " T o u g h e n i n g B e h a v i o r i n W h i s k e r - r e i n f o r c e d C e r a m i c M a t r i x C o m p o s i t e s " , J . A m . C e r a m . S O C . , 7 1 [ 1 2 ] : 1 0 5 0 - 1 0 6 1 , 1 9 8 8 . P . F . B e c h e r a n d G . C . W e i , " T o u g h e n i n g B e h a v i o r i n S i C W h i s k e r - r e i n f o r c e d A l u m i n a " , i b i d , 6 7 [ 1 2 ] : 0 2 6 7 - C 2 6 9 , 1 9 8 4 . D . R . B i s w a s a n d V . K . P u j a r i , " V e r i f i c a t i o n o f t h e D o u b l e - T o r s i o n E q u a t i o n b y u s i n g D i f f e r e n t T h i c k n e s s S a m p l e s o f a M a c h i n a b l e G l a s s - C e r a m i c " , i b i d , 6 4 [ 7 ] : C 9 8 - C 9 9 , 1 9 8 1 . P . W . M c M i l l a n , G l a s s C e r a m i c s , 2 n d e d . , p . 2 3 8 , A c a d e m i c P r e s s , L o n d o n , E n g l a n d , 1 9 7 9 . R . A . S c h a p e r y , " T h e r m a l e x p a n s i o n c o e f f i c i e n t s o f c o m p o s i t e m a t e r i a l s b a s e d o n e n e r g y p r i n c i p l e s " , J . C o m p . M a t . , 2 [ 3 ] : 3 8 0 - 4 0 4 , 1 9 6 9 . W . R . M a n n i n g a n d 0 . H u n t e r , J r . , " E l a s t i c p r o p e r t i e s o f P o l y c r y s t a l l i n e Y t t r i u m O x i d e , H o l m i u m O x i d e , a n d E r b i u m O x i d e ; H i g h T e m p e r a t u r e M e a s u r e m e n t s " , J . A m . C e r a m . S O C . , 5 2 : 4 9 2 - 4 9 6 , 1 9 6 9 . 1 5 6 . 1 5 7 . 1 5 8 . 1 5 9 . 1 6 0 . 1 6 1 . 1 6 2 . 1 6 3 . 1 6 4 . 1 6 5 . 1 6 6 . 1 6 7 . 1 6 8 . 1 6 9 . 3 4 1 J . A . H a g l u n d a n d 0 . H u n t e r , J r . , " E l a s t i c P r o p e r t i e s o f P o l y c r y s t a l l i n e M o n o c l i n i c G a d o l i n i a " , J . A m . C e r a m . S O C . , 5 5 : 3 2 7 - 3 3 0 , 1 9 7 3 . M . N . O z i s i k , H e a t T r a n s f e r , C h a p . 6 - 8 , M c G r a w - H i l l , N e w Y o r k , 1 9 8 5 . S . W . C h u r c h i l l a n d H . H . S . C h u , " C o r r e l a t i n g E q u a t i o n s f o r L a m i n a r a n d T u r b u l a r F r e e C o n v e c t i o n f r o m a V e r t i c a l P l a t e " , I n t . J . H e a t M a s s T r a n s f e r , 1 8 : 1 3 2 3 , 1 9 7 5 . J . P . H o l m a n , H e a t T r a n s f e r , F o u r t h E d i t i o n , C h a p . 5 - 7 , M c G r a w - H i l l , N e w Y o r k , 1 9 7 6 . ) F . P . I n c r o p e r s a n d D . P . D e W i t t , I h t r o d u c t i o n t o H e a t T r a n s f e r , C h a p . 6 - 9 , J o h n W i l e y & S o n s , N e w Y o r k , 1 9 8 5 . S . W h i t a k e r , E l e m e n t a r y H e a t T r a n s f e r A n a l y s i s , P e r g a m o n , N e w Y o r k , 1 9 7 6 . A . A . Z u k a u s k a s a n d A . B . A m b r a z y a v i c h y u s , " H e a t ' T r a n s f e r O f a P l a t e i n a L i q u i d F l o w " , I n t . J . H e a t M a s s T r a n s f e r , 3 : 3 0 5 , 1 9 6 1 . A s t r O M e t A s s o c i a t e s I n c . ( A d i s t r i b u t o r o f t h e C o r n i n g C l a s s p r o d u c t s , C i n c i n n a t i , O H ) p r o v i d e d t e c h n i c a l d a t a f o r M a c o r . W . H . G i t z e n , p 6 5 i n A l u m i n a a s a C e r a m i c M a t e r i a l , A m e r i c a n C e r a m i c S o c i e t y , C o l u m b u s , O H , 1 9 7 0 . Y . S . T o u l o u k i a n , e d i t o r , p p 2 3 6 - 2 4 9 i n T h e r m o p h y s i c a l P r o p e r t i e s O f H i g h T e m p e r a t u r e S o l i d M a t e r i a l s , v 0 1 . 6 : P a r t I , T h e r m o p h y s i c a l P r o p e r t i e s R e s e a r c h C e n t e r , P u r d u e U n i v e r s i t y , 1 9 6 7 . E . A . F a r b e r a n d R . L . S c o r a h , " H e a t T r a n s f e r t o W a t e r B o i l i n g U n d e r P r e s s u r e " , T r a n s . A S M E , 7 9 : 3 6 9 - 3 8 4 , 1 9 4 8 . T . H a c h i s u , T . S a k a i a n d K . T a g u c h i , " T r a n s i e n t T e m p e r a t u r e D i s t r i b u t i o n i n C i r c u l a r C y l i n d e r s D u r i n g Q u e n c h i n g " , H e a t T r a n s f e r ; J a p a n e s e R e s e a r c h , 1 0 [ 1 ] : 5 2 - 6 4 , 1 9 8 1 . M . N . O z i s i k , fi g h t T r a n s f e r , C h a p . 1 0 , M c G r a w - H i l l , N e w Y o r k , 1 9 8 5 . J . P . H o l m a n , H e a t T r a n s f e r F o u r t h E d i t i o n , C h a p . 9 , M C G r a w - H i l l , N e w Y o r k , 1 9 7 6 . 1 7 0 . 1 7 1 . 1 7 2 . 1 7 3 . 1 7 4 . 1 7 5 . 1 7 6 . 1 7 7 . 1 7 8 . 1 7 9 . 1 8 0 . 1 8 1 . 1 8 2 . 3 4 2 Y . K i m , W . J . L e e , a n d E . D . C a s e , " T h e M e a s u r e m e n t o f t h e S u r f a c e H e a t T r a n s f e r C o e f f i c i e n t f o r C e r a m i c s Q u e n c h e d i n t o a W a t e r B a t h " , A c c e p t e d f o r t h e p u b l i c a t i o n i n M a t . S c i . E n g . P r o v i d e d d a t a b y M a n u f a c t u r e r ( S p e c i a l t y M a t e r i a l s D i v i s i o n , E a g l e - P i c h e r I n d u s t r i e s , I n c . ) K . K . S m y t h a n d M . B . M a g i d a , " D y n a m i c F a t i g u e o f a M a c h i n a b l e G l a s s - C e r a m i c " , J . A m . C e r a m . S O C . , 6 6 [ 7 ] : 5 0 0 - 5 0 5 , 1 9 8 3 . N . N o d a , Y . M a t s u n a g a , T . T s u j i , a n d H . N y u k O , " T h e r m a l S h o c k P r o b l e m s o f E l a s t i c B o d i e s w i t h 8 C r a c k " , J . T h e r m a l S t r e s s e s , 1 2 : 3 6 9 - 3 8 3 , 1 9 8 9 . R . W . H e r t z b e r g , p 2 8 2 , f i g u r e 8 . 7 ( e ) , D e f o r m a t i o n a n d F r a c t u r e M e c h a n i c s O f E n g i n e e r i n g M a t e r i a l s , t h i r d e d . , J o h n W i l e y & S o n s , N e w Y o r k , 1 9 8 9 . M . K . F e r b e r , P . F . B e c h e r , a n d C . B . F i n c h , " E f f e c t o f M i c r o s t r u c t u r e o n t h e P r o p e r t i e s O f T i B 2 C e r a m i c s " , J . A m . C e r a m . S O C . , 6 6 [ 1 ] : c - 2 - c - 4 , 1 9 8 2 . C e r a m i c S o u r c e , V o l . 1 , p 3 5 1 , 1 9 8 5 , T h e A m e r i c a n C e r a m i c S o c i e t y , I n c . W . S . D u r a n t a n d S . M i r s h a k , " R o u g h e n i n g O f H e a t T r a n s f e r S u r f a c e s a s a M e t h o d o f I n c r e a s i n g H e a t F l u x a t B u r n o u t , P r o g r e s s R e p o r t N O . 1 " , U . S . A t o m i c E n e r g y C o m m i s s i o n R e p o r t D P - 3 8 0 , 1 9 5 9 , a s c i t e d i n L . S . T o n g , p 1 8 8 i n B o i l i n g H e a t T r a n s f e r a n d T w o - P h a s e F l o w , J o h n W i l e y & S o n s , I n c . , N e w Y o r k , 1 9 6 5 . W . S . D u r a n t a n d S . M i r s h a k , " R o u g h e n i n g O f H e a t T r a n s f e r S u r f a c e s a s a M e t h o d o f I n c r e a s i n g H e a t F l u x a t B u r n o u t " , U . S . A t o m i c E n e r g y C o m m i s s i o n R e p o r t D P S T - 6 0 - 2 8 4 , 1 9 6 0 , a s c i t e d i n L . S . T o n g , p 1 8 8 i n B o i l i n g H e a t T r a n s f e r a n d T w o - P h g p e F l o w , J o h n W i l e y & S o n s , I n c . , N e w Y o r k , 1 9 6 5 . Y . K i m , S . G a y n o r , a n d E . D . C a s e , " T h e E f f e c t o f S u r f a c e L i m i t e d M i c r o c r a c k s o n t h e E f f e c t i v e Y o u n g ' s M o d u l u s O f C e r a m i c s : I I I . E x p e r i m e n t " , S u b m i t t e d t o J . M a t . S c i . D . P . H . H a s s e l m a n , " E f f e c t o f C r a c k s o n T h e r m a l C o n d u c t i v i t y " , J . C o m p . M a t . , 3 : 4 0 3 - 4 0 7 , 1 9 7 8 . L . R . F . R o s e , " O n t h e I n i t i a l M o t i o n O f a G r i f f i t h C r a c k " , I n t . J . F r a c . , 1 2 [ 6 ] : 8 2 9 - 8 4 1 , 1 9 7 6 . J . R . W i l l i s , " V a r i a t i o n a l a n d R e l a t e d M e t h o d s f o r t h e O v e r a l l P r o p e r t i e s O f C o m p o s i t e s " , A d v a n c e s i n A p p l i e d M e c h a n i c s , 2 1 : 1 - 7 8 , 1 9 8 1 . 1 8 3 . 1 8 4 . 1 8 5 . 1 8 6 . 1 8 7 . 1 8 8 . 1 8 9 . 1 9 0 . 1 9 1 . 1 9 2 . 1 9 3 . 1 9 4 . 3 4 3 E . D . C a s e , " T h e E f f e c t O f M i c r o c r a c k i n g o n t h e P o i s s o n ' s R a t i o o f B r i t t l e M a t e r i a l s " , J . M a t e r . S c i . 1 1 : 3 7 0 2 - 3 7 1 2 , 1 9 8 4 . C . B . P o n t o n a n d R . D . R a w l i n g s , " R e v i e w o f L i t e r a t u r e a n d F o r m u l a t i o n o f S t a n d a r d i z e d I n d e n t a t i o n T o u g h n e s s E q u a t i o n s " , M a t e r . S c i . a n d T e c h . , 5 : 8 6 5 - 8 7 2 , 1 9 8 9 . C . B . P o n t o n a n d R . D . R a w l i n g s , " A p p l i c a t i o n a n d C r i t i c a l E v a l u a t i o n o f S t a n d a r d i z e d I n d e n t a t i o n T o u g h n e s s E q u a t i o n s " , M a t e r . S c i . a n d T e c h . , 5 : 9 6 1 - 9 7 6 , 1 9 8 9 . K . N i i h a r a , R . M o r e n a , a n d D . P . H . H a s s e l m a n , " E v a l u a t i o n O f K I o f B r i t t l e S o l i d s b y t h e I n d e n t a t i o n M e t h o d w i t h L o w C r a c k - t o - I n d e n t R a t i o s " , J . M a t . S c i . L e t t . , 1 : 1 3 - 1 6 , 1 9 8 2 . K . N i i h a r a , " A F r a c t u r e M e c h a n i c s A n a l y s i s O f I n d e n t a t i o n - I n d u c e d P a l m q v i s t C r a c k i n C e r a m i c s " , J . M a t . S c i . L e t t . , 2 : 2 2 1 - 2 2 3 , 1 9 8 3 . J . L a n k f o r d , " T h r e s h o l d M i c r o f r a c t u r e d u r i n g E l a s t i c - P l a s t i c I n d e n t a t i o n o f C e r a m i c s " , J . M a t . S c i . , 1 6 : 1 1 7 7 - 1 1 8 2 , 1 9 8 1 . J . L a n k f o r d , " I n d e n t a t i o n M i c r o f r a c t u r e i n t h e P a l m q v i s t C r a c k R e g i m e : I m p l i c a t i o n s f o r F r a c t u r e T o u g h n e s s E v a l u a t i o n b y t h e I n d e n t a t i o n M e t h o d " , J . M a t . S c i . L e t t . , 1 : 4 9 3 - 4 9 5 , 1 9 8 2 . D . K . S h e t t y , A . R . R o s e n f i e l d , a n d W . H . D u c k w o r t h . " I n d e n t e r F l a w G e o m e t r y a n d F r a c t u r e T o u g h n e s s f o r a G l a s s - C e r a m i c " , J . A m . C e r a m . S O C . , 6 8 [ 1 0 ] : C - 2 8 2 - C - 2 8 4 , 1 9 8 5 . D . K . S h e t t y , I . G . W r i g h t , P . N . M i n c e r , a n d A . H . C l a u e r , " I n d e n t a t i o n F r a c t u r e O f W C - C O C e r m e t s " , J . M a t . S c i . , 2 0 : 1 8 7 3 - 1 8 8 2 , 1 9 8 5 . D . B . M a r s h a l l , " C o n t r o l l e d F l a w s i n C e r a m i c s : A C o m p a r i s o n O f K n o o p a n d V i c k e r s I n d e n t a t i o n " , J . A m . C e r a m . S O C . , 6 6 : 1 2 7 - 1 3 1 , 1 9 8 3 . S . S . S m i t h a n d B . J . P l e t k a , " I n d e n t a t i o n F r a c t u r e o f S i n g l e C r y s t a l a n d P o l y c r y s t a l l i n e A l u m i n u m O x i d e " p p . 1 8 9 - 2 0 9 i n F r a c t u r e M e c h a n i c s O f C e r a m i c s , V o l 6 . , E d i t e d b y R . C . B r a d t , A . G . E v a n s , F . F . L a n g e , a n d D . P . H . H a s s e l m a n , P l e n u m P r e s s , N e w Y o r k , 1 9 8 3 . P . F . B e c h e r , C . H s u e h , P . A n g e l i n i a n d T . N . T i e g s , " T o u g h e n i n g B e h a v i o r i n W h i s k e r - R e i n f o r c e d C e r a m i c M a t r i x C o m p o s i t e s " , J . A m . C e r a m . S O C . , 7 1 [ 1 2 ] : 1 0 5 0 - 1 0 6 1 , 1 9 8 8 . 1 1 9 5 ‘ . 1 9 6 . 1 9 7 . 1 9 8 . 1 9 9 . 2 0 0 . 3 4 4 D . B . M a r s h a l l a n d B . R . L a w n , " F l a w C h a r a c t e r i s t i c i n D y n a m i c F a t i g u e : T h e I n f l u e n c e o f R e s i d u a l C o n t a c t S t r e s s e s " , J . A m . C e r a m . S O C . , 6 3 [ 9 - 1 0 ] : 5 3 2 - 5 3 6 , 1 9 8 0 . E . R . F u l l e r , B . R . L a w n , a n d R . F . C o o k , " T h e o r y O f F a t i g u e f o r B r i t t l e F l a w s O r i g i n a t i n g f r o m R e s i d u a l S t r e s s C o n c e n t r a t i o n s " , 6 6 [ 5 ] : 3 1 4 - 3 2 1 , 1 9 8 3 . C . C . C h i n a n d E . D . C a s e , " I n f l u e n c e o f Q u e n c h i n g o n F r a c t u r e S t r e n g t h , E l a s t i c M o d u l u s , a n d I n t e r n a l F r i c t i o n o f C l a s s P l a t e s " , S u b m i t t e d t o J . M a t . S c i . ' E . D . C a s e a n d Y o u n g m a n K i m , " T h e E f f e c t O f S u r f a c e L i m i t e d M i c r o c r a c k s o n t h e E f f e c t i v e Y o u n g ' s M o d u l u s O f C e r a m i c s : I I . C r a c k G e o m e t r y M o d i f i c a t i o n " , S u b m i t t e d t o M a t . S c i . a n d E n g . D . E . W i l e y , W . R . M a n n i n g a n d 0 . H u n t e r , J r . , " E l a s t i c P r o p e r t i e s o f P o l y c r y s t a l l i n e T i B 2 , Z r B 2 a n d H f B 2 f r o m R o o m T e m p e r a t u r e t o 1 3 0 0 ° K " , J . L e s s - C o m m o n M e t a l s , 1 8 : 1 4 9 - 1 5 7 , 1 9 6 9 . F . W . V a l d i e k , " E l e c t r i c a l R e s i s t i v i t y , E l a s t i c M o d u l u s , a n d D e b y e T e m p e r a t u r e O f T i t a n i u m D i b o r i d e " , J . L e s s - C o m m o n M e t a l s , 1 2 : 2 0 2 - 2 0 9 , 1 9 6 7 . T E ‘ U N I V . L I B R R R I E S - H I ] I ] [ I ] [ I ] [ H I W I I I H W I H H I 0 6 0 4 7 7 5 1 N I C H I G G N H S T G . ; [ I H I H H I I H H I I I H I H _ 3 1 2 9 3 8