Propagation of Fatigue Cracks under Shear Loading Modes II, III and II+III in the Near-Threshold Region

Abstract

Práce je zaměřena na šíření únavových trhlin v módech II, III a II + III v prahové oblasti v kovových materiálech. Byly provedeny experimenty pro ARMCO železo, titan, nikl a austenitickou ocel na třech druzích vzorků pro zatěžování trhliny ve smykových módech. Byl použit zvláštní způsob vytváření iniciační trhliny, který eliminoval efekt zavírání trhliny na začátku smykového zatěžování. Ve všech zkoumaných materiálech byly efektivní prahové hodnoty v módu II přibližně 1,7 krát nižší než v módu III. Měřením úhlů lokálních odklonů a natočení lomových faset s použitím stereofotogrammetrie v SEM bylo usuzováno na tendenci trhliny k vyhýbání do lokálního módu I. Nejmenší úhly byly zjištěny u ARMCO železa pro trhliny v módech II i III, středně velké úhly u titanu a niklu a největší úhly (vyhnutí do čistého módu I) byly pozorovány u austenitické oceli. Tyto rozdíly lze vysvětlit různým počtem dostupných skluzových systémů v krystalových mřížkách daných materiálů. Poměry mezi naměřenými prahovými hodnotami v módu I, II a III byly srovnány s předpověďmi teoretických modelů. Byl navržen analytický vztah pro efektivní prahové hodnoty v módu II, který byl v dobré shodě s experimentálními výsledky. Pomocí efektivních prahových hodnot bylo vyčísleno kritérium pro vyhýbání do módu I, které vedlo ke kritickému úhlu odklonu 40° souvisejícímu s přechodem z lokálního smykového módu do otevíracího módu.

The work is focused on fatigue crack propagation under modes II, III and II + III in the near-threshold region in metallic materials. Experiments were conducted for ARMCO iron, titanium, nickel and stainless steel on three types of specimens for shear-mode crack loading. A special technique of precrack generation was used which enabled a closure-free loading at the beginning of the shear-mode experiments. For all investigated materials the effective thresholds under the remote mode II loading were found to be about 1.7 times lower than those under the remote mode III. Tendency to local mode I branching was assessed by a measurement of local deflection and twist angles of fracture facets using stereophoto-grammetry in SEM. The lowest angles of both mode II and mode III cracks were identified for the ARMCO iron, the intermediate ones in titanium and nickel and the highest ones (pure mode I branches) were determined for the stainless steel. These differences can be explained by different numbers of available slip systems in crystal lattices of investigated materials. Ratios of measured effective thresholds in modes I, II and III were compared with results predicted by theoretical models. An analytical formula for effective mode-II thresholds was proposed and found in a good agreement with experimental results. The mode I branching criterion in terms of effective thresholds led to a critical deflection angle of 40° related to a transition from local shear to opening mode.