0013-7944/90 S3.00 + 0.00 c 1990 Pe

0013-7944/90 S3.00 + 0.00 c 1990 Per gamon Press plc.
Engineering Fracture Mechantes Vol. 36, No. 1, pp. 77-92, 1990 Printed in Great Britain.
THE EFFECT OF R - RATIO ON NEAR THRESHOLD
FATIGUE CRACK GROWTH IN A METALLIC
GLASS AND A STAINLESS STEEL
A. T. ALPAS, L. EDWARDS and C. N. REID
Department of Materials, The Open University, Milton Keynes, MK7 6AA, U. K.
Abstract - Fatigue crack growth tests have been performed on very thin amorphous Ni78 Si10 B12 and Type 316 stainless steel samples at low ΔK levels and different R-ratios. Crack tip displacements of the metallic glass alloy were determined using a direct replication technique. In this alloy near threshold growth rates deviated from the Paris - Erdogan Law and cracks continued to grow at remarkably low ΔK values, i.e. down to a threshold value of ΔKTH = 0.5 MPa m for R =0.1. In this regime an anomalous R-ratio effect occurred with ΔKTH increasing to l .0 MPa m when R was raised to 0.5. The same increase in R - ratio caused a decrease in crack growth rate at all ΔK values below 5 MPa m. This decrease in growth rate was accompanied by a decrease in the size of shear facets that characterize the fracture surfaces. Contrary to the metallic glass, in thin stainless steel specimens ΔK decreased and crack growth rates increased with increasing R- ratio. The effects was similar to that reported from work on conventional thick specimens for which crack closure was held to be responsible. Crack closure was detected at low R-values in the metallic glass but since crack growth rates were found to be slower at high R - ratios, closure arguments could be used to account for this effect. The crack tip measurements showed that the decrease in crack growth rates with increasing R-ratio was due to an decrease in the local crack tip compliance as measured by ΔCTOD. It is postulated that this decrease in compliance is due to buckling of the specimen.
INTRODUCTION
MEAN STRESS, usually expressed in terms of load ratio or R-ratio (Kmin /Kmax ), is known to be one of the most important mechanical factors influencing fatigue crack growth. The effect of R-ratio on fatigue crack growth has been extensively studied [l-4], and it has generally been found that at a given value of alternating stress intensity factor ΔK, crack growth rates increase with R-ratio (for positive R-ratios). The A-ratio effects become prominent especially (i) at high crack growth rates where ΔK values approach KIC, and (ii) at low growth rates near the stress intensity threshold, (ΔKTH). The value of ΔKTH itself decreases as R increases [5,6]. The increase in crack growth rates with R-ratio at given high ΔK levels is considered to be due to the occurrence of static fracture modes such as intergranular and transgranular cleavage [7,8]. The effect of R-ratio on near threshold growth rates has usually been discussed in terms of crack closure [3,4,9,10]. Early observations based on compliance measurements revealed that closure may arise from compressive residual stresses due to the restraint of plastic strain by surrounding elastic material in the wake of an advancing crack [l 1, 12, 13]. This plasticity induced crack closure occurs mainly in thin plates subjected to intermediate values of ΔK and crack growth rate [14]. Recently other closure mechanisms resulting from the contact of asperities on uneven crack surfaces [15,16] or the formation of oxide deposits [17] inside cracks have been found to be important at near threshold growth rates. However, the studies to date have been confined to commercial crystalline alloys such as steels, aluminium alloys, nickel-base and titanium-base alloys [18, 19].
Metallic glasses differ from these crystalline alloys in important ways. They are formed by rapid quenching from the melt so crystallization is suppressed. Consequently, they are amorphous and do not possess a conventional metallurgical microstructure. Typical iron- and nickel-based metallic glasses [20, 21] have exceptionally high tensile strengths (typically 2-3 GPa) but also exhibit toughness values comparable to those of maraging steels [22]. However, yielding occurs by the nucleation and propagation of localized shear bands so that they possess a very inhomogeneous deformation microstructure [23, 24]. It has been suggested that their low fatigue strengths, in the range of 10 - 20% of the static tensile strength [25, 26], is due to this inhomogeneous slip distribution. Localized flow occurs because there is little or no work hardening in the slip bands [27]. This means that metallic glasses effectively behave as elastic/pcrfectly plastic materials.
Now at the Department of Engineering Materials, University of Windsor, Ontario, Canada.
In common with most crystalline metallic alloys, fatigue crack propagation in metallic glasses at intermediate ΔK levels occurs by a mechanism involving the formation of ductile striations [28J. Recently, it was shown that the crack propagation mechanism in metallic glasses depends on the density and distribution of shear bands at the crack tip which in turn are controlled by the value of AK[29). At low ΔK levels cracks propagate by decohesion along active shear bands and this leads to faceted fracture morphologies.
The effect of mechanical variables on fatigue crack growth in metallic glasses has not been established yet. The objective of this work is to investigate the effect of R-ratio on fatigue crack growth rates in a strong and tough metallic glass. Since the chosen material can be produced only as a thin ribbon, the effect of R-ratio on the fatigue crack growth of thin stainless steel sheets was also studied and the results are compared.

Kết quả (Việt) 1:

0013-7944/90 S3.00 0.00 c 1990 mỗi gamon báo chí plc.
kỹ thuật gãy xương Mechantes Vol. 36, số 1, trang 77-92, 1990 in trong Anh.
THE hiệu ứng OF R - tỷ lệ ON gần ngưỡng
mệt mỏi CRACK phát triển IN A kim loại
thủy tinh và A không GỈ thép
A. T. ALPAS, L. EDWARDS và C. N. REID
vùng tài liệu, The đại học mở, Milton Keynes, MK7 6AAU. K.
Tóm tắt - mệt mỏi crack phát triển thử nghiệm đã được thực hiện trên rất mỏng vô định hình Ni78 Si10 B12 và loại 316 thép không gỉ mẫu ở các cấp độ thấp ΔK và R-tỷ lệ khác nhau. Crack Mẹo displacements hợp kim kim loại thủy tinh đã được xác định bằng cách sử dụng một kỹ thuật trực tiếp nhân rộng. Trong hợp kim này gần ngưỡng tăng trưởng tỷ giá deviated từ Paris - Erdogan luật và vết nứt tiếp tục gia tăng tại đáng kể thấp ΔK giá trị, tức là xuống đến một giá trị ngưỡng của ΔKTH = 0.5 MPa m r = 0,1. Trong chế độ này tác dụng R-tỷ lệ bất thường xảy ra với ΔKTH gia tăng l.0 MPa m khi R lên 0,5. Sự gia tăng cùng một R - tỷ lệ gây ra giảm tốc độ tăng trưởng vết nứt ở tất cả ΔK giá trị dưới 5 MPa mét. Này giảm tốc độ tăng trưởng đã được kèm theo một sự giảm xuống trong kích thước của cắt các khía cạnh đặc trưng bề mặt gãy xương. Trái ngược với thủy tinh kim loại, bằng thép không gỉ mỏng mẫu vật ΔK giảm và crack tốc độ tăng trưởng tăng lên với sự gia tăng tỷ lệ R. Những tác động là tương tự như báo cáo từ công việc trên mẫu vật dày thông thường cho crack mà đóng cửa đã được tổ chức chịu trách nhiệm. Crack đóng cửa đã được phát hiện tại R-giá trị thấp trong thủy tinh kim loại nhưng kể từ khi tốc độ tăng trưởng crack được tìm thấy là chậm hơn lúc cao R - tỷ lệ, đóng cửa đối số có thể được sử dụng để giải thích cho hiệu ứng này. Đo đạc Mẹo crack cho thấy rằng việc giảm tốc độ tăng trưởng crack với sự gia tăng tỷ lệ R là do một sự giảm xuống trong việc tuân thủ Mẹo crack địa phương được đo bằng ΔCTOD. Nó giả thuyết này giảm tuân thủ là do sự oằn của mẫu vật.
giới thiệu
căng thẳng có nghĩa là, thường được thể hiện trong điều khoản của tỷ lệ tải hoặc R-tỷ lệ (Kmin /Kmax), được biết đến là một trong những yếu tố cơ học quan trọng nhất ảnh hưởng đến mệt mỏi crack tăng trưởng. Hiệu quả của R-tỷ lệ ngày mệt mỏi crack tăng trưởng đã là nghiên cứu rộng rãi [l-4], và nó đã nói chung được tìm thấy rằng có giá trị nhất định xen kẽ căng thẳng cường độ yếu tố ΔK, crack tăng trưởng tỷ giá tăng với tỷ lệ R (cho tích cực R-tỷ lệ). A-tỷ lệ ảnh hưởng trở nên nổi bật đặc biệt là (i) ở tốc độ tăng trưởng cao crack nơi ΔK giá trị tiếp cận KIC, và (ii) ở tốc độ tăng trưởng thấp gần ngưỡng cường độ căng thẳng, (ΔKTH). Giá trị của ΔKTH chính nó giảm khi R tăng [5,6]. Sự gia tăng tốc độ tăng trưởng crack với R-tỷ lệ tại cho ΔK cao cấp được coi là do sự xuất hiện của tĩnh gãy xương chế độ chẳng hạn như intergranular và transgranular cleavage [7,8]. Tác dụng của R-tỷ lệ trên gần ngưỡng tốc độ tăng trưởng thường đã được thảo luận về crack đóng cửa [3,4,9,10]. Quan sát đầu tiên dựa trên các đo đạc tuân thủ tiết lộ rằng đóng cửa có thể phát sinh từ nén dư căng thẳng do hạn chế của nhựa căng thẳng bởi xung quanh các vật liệu đàn hồi trong sự trỗi dậy của một crack tiến [l 1, 12, 13]. Đóng cửa crack dẻo gây ra này xảy ra chủ yếu ở mỏng tấm chịu với các giá trị trung gian của tỷ lệ tăng trưởng ΔK và crack [14]. Mới đóng cửa các cơ chế khác là hệ quả từ số liên lạc của asperities trên không đồng đều crack bề mặt [15,16] hoặc sự hình thành của ôxít tiền gửi bên trong [17] vết nứt đã được tìm thấy là quan trọng ở gần ngưỡng tốc độ tăng trưởng. Tuy nhiên, các nghiên cứu đến nay đã được hạn chế để thương mại các hợp kim tinh thể chẳng hạn như thép, hợp kim nhôm, hợp kim Niken-cơ sở và Titan-cơ sở [18, 19].
Kim loại kính khác nhau từ các hợp kim tinh thể ở cách quan trọng. Họ được hình thành bởi nhanh chóng tôi từ tan chảy do đó kết tinh đàn áp. Do đó, họ đang vô định hình và không có một microstructure luyện kim thông thường. Điển hình sắt và niken-dựa trên kim loại kính [20, 21] có cường độ đặc biệt cao độ bền kéo (thường là 2-3 GPa) nhưng cũng thể hiện độ dẻo dai giá trị tương đương với maraging thép [22]. Tuy nhiên, năng suất xảy ra bởi nucleation và tuyên truyền của các ban nhạc địa phương cắt do đó, rằng họ có một microstructure rất inhomogeneous biến dạng [23, 24]. Nó đã được gợi ý rằng thấp của mệt mỏi thế mạnh, trong khoảng 10-20% của tĩnh căng sức mạnh [25, 26], là do phân phối inhomogeneous phiếu này. Bản địa hóa dòng chảy xảy ra bởi vì có ít hoặc không có công việc cứng trong các ban nhạc trượt [27]. Điều này có nghĩa rằng kim loại kính có hiệu quả hành xử như đàn hồi/pcrfectly nhựa vật liệu.
bây giờ tại các vùng của kỹ thuật tài liệu, đại học Windsor, Ontario, Canada.
Điểm chung với hầu hết tinh thể kim loại hợp kim, mệt mỏi crack tuyên truyền trong kim loại kính ở các cấp độ trung cấp ΔK xảy ra bởi một cơ chế liên quan đến sự hình thành của dễ uốn striae [28J. Gần đây, nó cho thấy rằng cơ chế truyền crack trong kim loại kính phụ thuộc vào mật độ và phân phối của ban nhạc cắt lúc đầu crack lần lượt được điều khiển bởi giá trị của AK[29). Tại thấp ΔK cấp vết nứt tuyên truyền bằng decohesion dọc theo hoạt động cắt ban nhạc và điều này dẫn đến mặt gãy xương morphologies.
Tác dụng của cơ khí biến ngày mệt mỏi crack tăng trưởng trong kim loại kính chưa được thành lập. Mục tiêu của công việc này là để điều tra ảnh hưởng của R-tỷ lệ ngày mệt mỏi crack độ tăng trưởng trong một thủy tinh kim loại mạnh mẽ và khó khăn. Kể từ khi các tài liệu đã chọn có thể được sản xuất chỉ như là một dải ruy băng mỏng, tác dụng của R-tỷ lệ tăng trưởng crack mệt mỏi của thép không gỉ mỏng tấm cũng được nghiên cứu và các kết quả được so sánh.