Fatigue-crack propagation in a high-strength aluminum alloy

Abstract

Fatigue-crack propagation experiments were carried out within the framework of linear-elastic fracture mechanics to examine the effect of water and its constituents on the rate of crack growth in a high-strength aluminum alloy over a range of test temperatures from 295 to 380° K. Dehumidified high-purity (99.9995 percent purity) argon was used as an inert reference environment. The results showed that water accelerated the rate of fatigue-crack propagation by about a factor of 10 in this temperature range, whereas dry oxygen and dry hydrogen had a negligible effect. They confirm the findings of Hartman, and Bradshaw and Wheeler that the cause for the large increase in the rate of crack growth is the formation of hydrogen gas at high pressure in the region ahead of the crack tip, driven in by the reaction of water with the-freshly created aluminum crack surfaces, as suggested by Broom and Nicholson. The results showed further that fatigue-crack propagation in water, as well as in the dry environments, is controlled by thermally activated processes, with apparent activation energies that depend strongly on the crack-tip stress-intensity parameter, ΔK. The rate controlling process appears to be that associated with the creation of new crack surfaces in the range of crack growth rates 10⁻⁶ to 10⁻⁵ inch per cycle. The strong dependence of the apparent activation energy on ΔK suggests that a careful study of the kinetics of fatigue-crack growth and of the crack growth laws is in order. Such a study should incorporate both the mechanical and chemical variables involved.

Résumé

Des essais de propagation de fissures de fatigue ont été effectués pour étudier l'influence de l'eau et de ses composants sur le taux de croissance des fissures dans un alliage d'aluminium à haute résistance, entre 295 et 380°K. L'atmosphère de référence est obtenue au moyen d'argon sec (99.9995 %). L'eau accélère le taux de propagation par un factueur de 10 dans cette gamme de températures, l'influence de l'oxygène sec et de l'hydrogène sec étant négligeables. Nos essais confirment les résultats de Hartman, et Bradshaw & Wheeler; ils indiquent que la formation d'hydrogène gazeux à haute pression dans la région précédant immédiatement l'extrémité de la fissure cause la forte argumentation du taux de fissuration, comme suggéré par Broom & Nicholson. La propagation des fissures de fatigue dans l'eau et aussi en atmosphère sèche est contrölée par des processus activés thermiquement avec des énergies apparentes d'activation dépendent fortement de ΔK. Entre 2,5 10⁻⁶ et 2,5 10⁻⁵ cm par période, le processus de contrôle parait être lie à la formation de nouvelles surfaces de fissures.

Une étude approfondie de la einétique et des lois de croissance des fissures de fatigue semble indiquée par la forte influence de ΔK sur l'énergie apparente d'activation. Les variables méchaniques et chimiques devraient être incorporées à cette étude.

Zusammenfassung

Untersuchungen über die Bruchausbreitung beim Ermüdungsbruch wurden im Rahmen der linearelastischen Bruchtheorien ausgeführt, um den Einfluss von Wasser and seinen Komponenten auf die Bruchausbreitung pro Periode in einer hochfesten Aluminiumlegierung über einen Temperaturbereich von 295° bis 380°K zu prüfen. Getrocknetes, hochreines Argon (Reinheitsgrad: 99.9995%) wurde als träges Referenzgas benutzt. Die Resultate zeigten, dass Wasser die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Fatiguebruchs innerhalb dieses Temperaturbereichs etwa um einen Faktor 10 heraufsetzte,während trockener Sauerstoff undtrockener Wasserstoff einen vernachlissigbaren Einfluss hatten. Dieses bestätigt die Ergebnisse von Hartman, and von Bradshaw and Wheeler, dass die Ursache (wie von Broom and Nicholson vermutet wird für das starke Anwachsen der Bruchgeschwindigkeit) die Bildungvon Wasserstoffgas bei hohem Druck in dem Gebiet vor der Rissspitze ist. Die Ergebnisse zeigten weiter, dass die Fatiguebruchausbreitung in Wasser ebenso wie in trockener Umgebung durch thermisch aktivierte Prozesse kontrolliert wird, mit einer auftretenden Aktivierungsenergie, die streng von dem Spansungsfaktor ΔK and der Rissspitze abhängt. In einer Bereich von 2.5 × 10⁻⁶ nis 2.5 × 10⁻⁵ em pro Periode scheint der Steuervorgang für die Bruchausbreitung von der Art zu sein, dass er mit der Bildung von neuen Bruchflächen verbunden ist. Die strenge Abhängigkeit der auftretenden Aktivierungsenergie von ΔK legt eine sorgfältige Untersuchung der Kinetik der Fatiguebruchausbreitung and der Bruchausbreitungsgesetze nahe. Solch eine Untersuchung sollte sowohl die mechanischen als auch die chemischen Parameter berücksichtigen.