Size as a factor in the brittle-ductile transition and the strength of some materials

Abstract

Attention is called to a new phenomenon: in certain materials, specimen size (or, its energy-storage capacity) influences its brittle-ductile transition and strength. This effect is not the recognized statistical one (which only concerns the nucleation of fracture), but derives from the strain-energy in the system and concerns the stability of slow-growing cracks after nucleation. Recent experimental observations, in which this effect was noted, are cited and a theory proposed to account for them. This theory is based on the fact that a highly unstable equilibrium exists between the respective rates of strain-energy release and energy demand. When the system is over-stocked with strain-energy, any sudden drop in energy demand creates an excess of energy released. This then takes the form of kinetic energy capable of doing work against the remaining resistance, in turn, resulting in a lower fracture load and reduced ductility. Specimen size enters these considerations only in so far as it governs the amount of stored energy; consequently the effect is most pronounced in flexure.

Although the effect was so far observed in materials with moderate ductility, it is speculated that fine techniques might reveal its presence both “ideally” brittle and “ideally” ductile materials.

Résumé

On attire l'attention sur un phénomène nouveau: pour certains materiaux, la dimension des éprouvettes (ou leur capacité d'accumulation d'énergie) possède une influence sur leur résistance et leurs propriétés de transition de ductilité. Cet effet ne procède pas de l'aspect statistique qui concerne la formation du premier nodule de rupture, mais est en rélation avec l'énergie de déformation dans le système, et intéresse la stabilité des fissures en cours d'extension lente après nucléation. On cite des observations expérimentales récentes, où un tel effet dimensionnel a été relevé, et l'on propose une théorie pour entenir compte.

Cette théorie est basée sur le fait qu'il existe un état d'équilibre extrêmement instable entre les pour-centages respectifs d'énergie libérée et d'énergie requise pour la fissuration. Lorsque l'énergie de déformation est surabondante dans le système, toute chute soudaine de l'énergie requise se traduit par un excès brutal d'énergie libéree. Celle-ci prend la forme d'une énergie cinétrique qui est à même d'effectuer un travail vis-à-vis de la résistance offerte á la rupture, ce qui entrâine, à son tour, un abaissement de la charge de rupture et une diminution de la ductilité. La dimension de l'éprouvette n' intervient dans ce phénomène que pour autant qu' elle régisse la quantité d' energie accumulée; l'effet en est donc plus prononcé dans les essais de flexion.

Malgré que l'effet dimensionnel des éprouvettes sur les propriétés de résistance á la rupture fragile n'a, jusqu' ici, été constaté que pour des matériaux de ductilité moyenne, on pense qu'un affinage des techniques expérimentales est susceptible de le révéler également dans les matériaux idéalement fragiles et idéalement ductiles.

Zusammenfassung

Augenmerk wird auf ein neues Phenomen gelenkt: In gewissen Werkstoffen beeinflusst die Grosse des Prüfkörpers (oder sein Energiespeicherungsvermögen) den Uebergang vom spröden zum verformbaren Verhalten, Diese Erscheinung hat nichts mit dem bekannten statistischen Effekt zu' tun (der sich nur auf den Bruchanriss bezieht), sondern ist eine Folge der Formänderungsenergie in dem System und äussert sich in der Stabilität each dem ersten Anriss langsam fortschreitender Risse. Neuere Beobachtungen, in dessen dieser Effekt festgestellt wurde, werden angeführt und eine Theorie wird aufgestellt, die ihnen Rechnung tragen soll, Diese Theorie gründet sich auf die Tatsache, dass ein hochgradig labiles Gleichgewicht zwischen der jeweiligen Freisetzungsrate der Verformungsenergie und dem Energiebedarf besteht. Wenn das System mit Verformungsenergie überladen ist, verursacht jeder plötzliche Abfall des Energiebedarfs einen Uebersehuss freigesetzter Energie. Dieser tritt als kinetische Energie in Erscheinung, die imstande ist, sich in Ueberwindung des verbleibenden Widerstandes umzusetzen und so zu einer niedrigeren.Bruchlast and zu verringerter Verformbarkeit führt. Die Grösse des Prüfkörpers erscheint in diesen Betrachtungen nur insofern, als sie den Betrag der verfügbaren Energiespeicherung bestimmt; demgemäss zeigt sich der Effekt am stärksten bei der Biegungsbeanspruchung.

Obwohl der Effekt bis jetzt nur in Werkstoffen von mässiger Verformbarkeit beobachtet wurde, wird vetmutet, dass Feinmesstechniken sein Auftreten sowohl in “ideal” sproden als auch in “ideal” verformbaren Werkstoffen nachweisen könnten.