Linear elastic fracture mechanics of duralumin

Abstract

One desirable improvement of high-strength aluminum alloys often showing considerable anisotropy is the increase of their notch toughness in certain grain orientations. Although we know that material properties such as yield stress, fracture toughness, fatigue or stress corrosion behaviour generally have a strong directional dependence, the characteristics of yielding and particularly of fracture, are not well documented. These two aspects are specially studied in this paper.

The basis forms the presentation of various methods for the testing of the fracture toughness parameter K _1C . The most suitable technique is then adopted and the toughness evaluated, covering a range of temperatures which are of particular interest in typical engineering applications. From a three-point bend test performed on a Charpy-type specimen provided with a fatigue crack and sidenotched, a fracture toughness parameter can be derived. Influence of the strain rate on fracture and its implications arising for certain technical problems are investigated in an impact test. This is believed to be the first application of an instrumented Charpy specimen in the toughness investigations of a high-strength Al alloy and in the determination of crack movements through the section. Effects of the orientation are then evaluated and a connection with some metallurgical factors indicated. Evidence is presen ted showing the fracture mechanics approach applied in the analysis of a part-through crack in a thin-walled cylinder.

Résumé

Les alliages d’aluminium à haute résistance présentant généralement une grande anosotropie et une amélioration de leurs propriétés consiste à augmenter leur résilience pour certaines orientations des grains. Même si nous savons que les propriétés des matériaux, comme la limite élastique, la résistance à la rupture, leur comportement en fatigue ou leur corrosion sont fortement anisotropes, les caractéristiques de l’écoulement plastique et de la rupture sont, de ce point de vue, mal connues. Cet article se penchera particulierement sur ces deux aspects.

En premier lieu sont présentés différentes méthodes pour l’évaluation du facteur de concentration des contraintes K _1C . La technique la plus appropriée est alors adoptée et la résistance mesurée dans un domaine de températures d’intérêt particulier pour les ingénieurs. Le facteur K _1C peut être obtenu à partir d’un essai de flexion fait sur une éprouvette de type Charpy ayant une fissure de fatigue et entaillée sur ses faces latérales. L’influence du taux de déformation sur la rupture et ses implications dans certaines applications techniques sont recherchées dans l’essai de résilience. Nous croyons que ce soit là la premiére application d’une telle éprouvette pour l’étude des duralumins et pour connaître le déplacement des fissures dans la section. L’effet de la texture est alors évalué et l’on indique des corrélations avec d’autres facteurs métallurgiques. On montre aussi une approche de la mécanique de rupture appliquée à l’analyse d’une fissure dans un cylindre à paroi mince.