Capability of load-time history reconstruction and fatigue crack growth rate estimation for 2024-T3 aluminium alloy on the basis of fractographic analysis

The subject of the paper is the considerations of the capability of load-time history reconstruction for the component under variable amplitude loading and fatigue crack growth rate estimation for the 2024-T3 Alclad aluminium alloy on the basis of microfracture analysis. For this goal three variable amplitude (VA) load sequences with multiple overloads and differing from the level of load sequence complexity were applied. These loads are employed when simulating the fatigue behaviour of aeronautical alloys. To reveal the load sequence effect on crack growth behaviour the microfracture analysis were provided by means of TEM microscope

Fatigue research 2024-T3 aluminium alloy

В роботі представлено дослідження втомного руйнування листів алюмінієвого сплаву 2024-Т3 товщиною 3 мм при трьох видах блокового змінно амплітудного навантаження. Прикладене навантаження моделює реальний спектр навантажень нижньої частини крила літака. Метою дослідження було виявлення впливу спектру навантаження на формування втомних борозенок на поверхні руйнування та перевірка можливості відтворення історії навантаження на основі фрактографічного аналізу. Результати дослідження швидкості руйнування відносяться до довгих тріщин. Експериментально визначена швидкість руйнування була порівняна з швидкістю отриманою на основі аналізу відстані між втомними борозенками. Фрактографічний аналіз дозволяє отримати кількісний опис залежності між міжборозенковою відстанню на поверхні руйнування та швидкістю втомного руйнування в цілому діапазоні довжини тріщини.The subject of the paper is fatigue crack growth rate investigation for 2024-T3 3 mm thick Alclad aluminium alloy sheet under three variable amplitude load programs with multiple overloadsunderloads. These programs correspond to a flight simulation spectrum of a lower skin wing structure. The research was undertaken in order to learn an interaction between applied load and formation of fatigue striations on the specimen fracture surfaces as well as to check the capability for load-time history reconstruction on the basis of microfracture analysis. All considerations in the terms of fatigue crack growth behaviour refer mainly to long cracks. Experimentally determined crack growth rates were compared with the growth rates that were evaluated from the striations spacing. Quantitative fractography allowed to deliver the relation between surface crack and crack depth growth rates for whole range of crack growth.W pracy przedstawiono badania zmęczeniowego pękania 3 mm blachy ze stopu aluminium 2024-T3 pod wpływem trzech zmiennoamplitudowych programów obciążeń. Zastosowane obciążenia były związane z widmem obciążeń dolnego pokrycia skrzydła samolotu. Badania miały na celu określenie wpływu widma obciążeń na kształtowanie się prążków zmęczeniowych na powierzchni przełomu oraz sprawdzenie możliwości odtwarzania historii obciążenia na podstawie analizy fraktograficznej. Wyniki badań prędkości pękania dotyczyły długich pęknięć. Doświadczalnie wyznaczone prędkości zmęczeniowego pękania były porównywane z prędkościami wyznaczonymi na podstawie odległości międzyprążkowych. Analiza fraktograficzna pozwala na określenie ilościowych relacji między odległościami międzyprążkowymi na powierzchni przełomu a prędkością zmęczeniowego pękania w całym zakresie długości pęknięcia

Analysing Micromechanisms of Initiation and Propagation of Short Fatigue Cracks from Rivet Holes in the Aluminums Sheets

Researched initiation and propagation of short surfaces fatigue cracks out of open in double-sided botch laminated sheet of aviation aluminum alloy 2024-T3 at stable amplitude one-sided bend (R=0.1). Research of the initial stage of development of cracks is realized by use of a SEM microscope, and it allowed to set the place of origin of crack and mikromechanisms of fracture of aluminum sheets, and also type of front of crack. Established a large enough scatter of velocity of propagation in the area of development of short cracks, which for a sheet from this alloy, with a thickness of 3 mm, reaches 0.5 mm. On the basis of fractografy researches modified model of analytical description of propagation of short fatigue crack is proposed

The Effect of a Complex Stress State on Fatigue Crack Propagation and the Orientation of the Cracking Plane in VT3-1 Aeronautical Titanium Alloy

The subject of the paper is the investigations of fatigue crack imitation and propagation in notched specimens made of the VT3-1 aeronautical russian titanium alloy under combined bending - torsion loading. The presence of short cracks was revealed at various ratios of bending to torsion. Experimental courses of short and long crack growth rates have been proved by the SEM and TEM micrographs which illustrated the changes in the mechanism of cracking in the examined specimens. The attempt was undertaken in order to explain partly brittle fracture that was observed in the range of fatigue short crack growth in the VT3-1 titanium alloy specimens. The results of the study of atmospheric hydrogen absorption capability and its ability for penetration inside the faces of nucleated and propagated microcracks in the surface layer allowed for suggestion that the cleavage mechanism of fracture found in the regime of short crack growth in the VT3-1 titanium alloy specimens was induced by hydrogen

Deterministic Approach to Predicting the Fatigue Crack Growth in the 2024-T3 Aluminum Alloy Under Variable Amplitude Loading

The paper presents the attempt to predict fatigue crack growth rate in a component subjected to variable amplitude loading containing overload-underload cycles. For this goal in a deterministic approach the modified Willenborg retardation model was applied. To provide experimental data the research into fatigue crack growth for 2024-T3 aluminum alloy sheet CCT specimens under LHL type block program loading with multiple overload-underload cycles was developed. The microfractographic analysis of fatigue fractures with the use of the transmission electron microscope (TEM) made it possible to trace the effect of block program loading on the crack growth rate. The knowledge of the affection of a particular overloadunderload cycle or a block of these cycles on crack rate on the basis of microfractographic analysis was utilized for assessing the equivalent loading for the LHL block program. The diagrams that presented the crack growth rate both on the surface and inside the aluminum alloy sheet was performed. The crack growth rate inside the sheet was estimated on the basis of the striation spacing analysis

Prediction of fatigue crack growth for 2024-T3 aluminium alloy under block program loading

Zbadano doświadczalnie wpływ blokowego widma obciążenia z wielokrotnymi cyklami przeciążeniowo-odciążeniowymi na prędkość zmęczeniowego pękania i na formowanie się obrazów prążków zmęczeniowych na powierzchni pęknięcia elementów typu CCT (Central Crack Tension) ze stopu aluminium 2024-T3. Analiza mikrofraktograficzna przełomów zmęczeniowych tych elementów przeprowadzona z użyciem mikroskopu TEM pozwoliła prześledzić wpływ poszczególnych bloków obciążenia na ich prędkość pękania. Podano wykresy prędkości pękania na powierzchni i wewnątrz blachy aluminiowej. Prędkość pękania wewnątrz blachy oceniono z odległości międzyprążkowych. Na podstawie wyników badań mikrofraktograficznych ustalono zastępcze widmo obciążenia, które wykorzystano w modelu deterministycznym do przewidywania wzrostu pęknięcia. Zastosowano model opóźnień Willenborga.The paper presents experimental results of fatigue crack growth rate investigations for a 3-mm-thick 2024-T3 aluminium alloy sheet under the SRM-100 block program loading with multiple overload-underload cycles. Microfractographic analysis of specimen fracture surfaces has revelated that the crack grows under three cycle blocks of the highest stress amplitude only among thirteen blocks included in the program as well as the crack propagation period covers a 4.2% of the time of the loading affectation. For the most time of load acting, the crack is stopped or increases very slowly. A long term lasted crack retardation results from multiple spike overloads-underloads, an extended plastic zone ahead of the crack tip and the short return periods. These mentioned phenomena have influence on higher fatigue of the specimens. On the other hand, those phenomena do that an exact reconstruction of the service loading on the basis of fatigue striation images on the fracture surface of broken component is impossible. Using experimental data of fatigue crack growth rate study as well as the results of microfracture analysis made for the CCT specimen fracture surfaces the deterministic approach has been proposed to predict the crack growth under block program loading. To emphasize the effect of crack retardation under overloads-underloads, the Willenborg model was applied when calculating the fatigue crack growth rate in the aluminium alloy sheet

Selected problems of the S235JR and S355JR steels enriching with chromium using a CO₂ continuous wave laser

Zagadnieniem rozważanym w pracy jest wzbogacanie warstwy wierzchniej stali kadłubowych S235JR i S355J2 chromem w celu zwiększenia ich odporności na działania korozyjne wody morskiej. Podjęto próbę wyjaśnienia mechanizmu tworzenia stabilnych struktur w głębi warstw dyfuzyjnych przy domieszkowaniu stali chromem. Jako modelowego aktywatora termodynamicznych zjawisk, zachodzących podczas tego procesu z zastosowaniem zmodyfikowanej metody zgrzewania tarciowego FSP (Friction Stir Processing), użyto wiązki promieniowania laserowego. Analizowano dyfuzyjny transport masy, który jest pierwotnym i dominującym zjawiskiem w przemianach fazowych zachodzących w mikroobszarach o znacznym gradiencie temperatury w procesie tworzenia cienkich warstw antykorozyjnych. Przedstawiono rozkłady stężenia chromu w warstwie dyfuzyjnej stali, wynikające ze wzorów analitycznych podanych w pracy i z własnych pomiarów doświadczalnych, otrzymanych przy wydłużonym i skróconym czasie nagrzewania wiązką laserową powłoki galwanicznego chromu osadzonej na podłożu stalowym.The paper deals with the problem of the S235JR and S355J2 hull steels enriching with chromium in order to improve their corrosive resistance against sea water. The attempts were undertaken to explain the mechanism of formation of durable layers inside the diffusion zone while the steel alloying process is providing. In the research to model the process of surface layer steel modification by means of modified friction stir processing (FSP), a continuous wave CO₂ laser beam was served as a model activator of thermodynamical phenomena appearing there. Mainly, diffusive mass transport was considered in the work as it being the original and basic phenomenon affected in the phase transformations. The theoretical and experimental concentration distributions of chromium inside the diffusive layers being diffused from galvanic coating of steel matrix were performed in the paper for short and long laser exposition time. Thanks determining in the work the conditions for collaboration of the concentration diffusion component as well the complex thermodiffusive mass transport, it is possible to design the structure and the thickness of diffusive layers in the matrix

Model of Fe-Cr type diffusion layer formation in a thermal field

W artykule przedstawiono model tworzenia warstw dyfuzyjnych na przykładzie chromu, jako elementu nasycającego, i żelaza jako elementu nasycanego w polu laserowej inicjacji cieplnej z zastosowaniem lasera CO₂ emitującego wiązkę o normalnym rozkładzie gęstości mocy w trybie pracy ciągłej. Zamieszczone w pracy wyniki badań weryfikacyjnych dokumentują istnienie termodyfuzyjnego strumienia masy w strefie nagrzewanego materiału. Proces ten jest dominujący w pierwszym, wyodrębnionym w tym modelu etapie tworzenia warstwy, to jest w czasie nagrzewania materiału. Obserwowane efekty oddziaływania tego strumienia na strukturę w modyfikowanej warstwie uzależnione były w pierwszym rzędzie od czasu realizacji procesu oraz od parametrów cieplno-geometrycznych obszaru wpływu ciepła, takich jak: głębokość przetopienia i grubość zastosowanej powłoki chromu nałożonego galwanicznie. Przy spełnieniu odpowiednich warunków relacji pomiędzy wymienionymi parametrami, rozkłady stężenia chromu posiadały maksima w głębi warstw, a nie na powierzchni, jak ma to miejsce w konwencjonalnych procesach dyfuzyjnych realizowanych przy stałej temperaturze.In the paper, the model of formation of the Fe-Cr diffusion layer on a carbon steel substrate in the thermal field produced by continuous laser beam with normal power density distribution is presented. Here, the enclosed results of verification investigations prove that thermodifusional mass transport is a dominant phenomenon in the first stage of the diffusion layer formation process when the chromium galvanic surface layer is under heating. The effect of the thermodiffusion flux action depends on the heating period as well as on thermo-geometrical parameters of the heat affected zone such as melting depth and the thickness of the chemical chromium layer coating on the steel substrate. While the particular relations between the above mentioned parameters of heat affected zone are satisfied then the maximum values of chromium concentration distribution can be found in the depth of diffusion layer. It seems to be on contrary to the conventional diffusion process running under constant temperature whereas the maximum concentration of chromium metal is found on the surface of diffusion layer

New technologies basing on friction stir welding of metals

W pracy w znacznym skrócie przedstawiono aktualny stan wiedzy na temat dynamicznie rozwijanych w ostatnich latach nowych technologii wykorzystujących proces łączenia tarciowego materiałów. Omówiono metody: FSP (Friction Stir Processing) i FSW (Friction Stir Welding). Skoncentrowano się na tych zastosowaniach omawianych metod, w których zaobserwowano znaczny wzrost wytrzymałości zmęczeniowej i odporności korozyjnej konstrukcyjnych materiałów nośnych.The state-of-the art in the field of new manufacturing technologies developed in the last years, which are based on friction stir welding/processing of materials (FSP and FSW), is the subject of the paper. The main attention was focused on the application of these techniques in surface engineering which lead to materials and products with higher performance, higher fatigue strength, and corrosion toughness