The effect of grain size on the fatigue crack propagation behavior of age-hardened alloys in inert and corrosive environment

Abstract

The influence of grain size on the fatigue crack propagation behavior of age-hardened Al-Zn-Mg-Cu and Ti-Al alloys has been investigated in vacuum and 3.5% NaCl solution. It was found that an increase in grain size reduced the crack propagation rates in vacuum considerably for both alloys. Crack propagation in vacuum occurred along slip bands in both alloys. In NaCl solution crack propagation rates increased by at least one order of magnitude for both alloys as compared to the results in vacuum. In NaCl solution the grain size dependence of crack propagation rates almost disappeared for the Al-alloy whereas the differences in propagation rates between different grain sizes still existed for the Ti-alloy. Crack propagation in NaCl solution occurred along slip bands for the Ti-alloy similar as in vacuum, while the Al-alloy showed fracture along grain boundaries at low ΔK-values with a transition to slip band fracture at higher ΔK-values. This transition in the Al-alloy occurred at ΔK-values which coincided approximately with the observed threshold values for the corresponding grain size found in vacuum.

Résumé

Nous avons étudié l'influence de la taille des grains sur la propagation des fissures de fatigue dans des alliages Al-Zn-Mg-Cu et Ti-Al à vieillissement structural, sous vide et dans une solution de NaCl à 3,5%. Nous avons trouvé qu'une augmentation de la taille des grains diminue la vitesse de propagation des fissures sous vide dans les deux alliages. Sous vide, la propagation des fissures se produisait le long des bandes de glissement. Dans la solution de NaCl, la vitesse de propagation des fissures augmentait d'au moins un ordre de grandeur par rapport à l'essai sous vide, pour les deux alliages. Dans la solution de NaCl, les vitesses de propagation des fissures ne dëpendaient pratiquement plus de la taille des grains dans l'alliage d'aluminium, alors que cette dépendance était encore marquée dans l'alliage de titane. La propagation des fissures s'effectuait le long des bandes de glissement dans l'alliage de titane comme sous-vide, alors que l'alliage d'aluminium présentait une rupture intergranulaire pour les faibles valeurs de ΔK, et une transition vers une rupture suivant les bandes de glissement pour les fortes valeurs de ΔK. Cette transition se produisait pour des valeurs de ΔK qui coïncident approximativement avec les valeurs-seuils observées sous vide, pour la taille grains correspondante.

Zusammenfassung

An ausscheidungsgehärteten Al-Zn-Mg-Cu und Ti-Al-Legierungen wurde der Einfluβ der Korngröβe auf das Riβausbreitungsverhalten bei Ermüdungsbeanspruchung im Vakuum und 3.5% NaCl-Lösung untersucht. Es wurde gefunden, daβ eine Vergröβerung der Korngröβe zu einer Verringerung der Riβausbreitungsgeschwindigkeiten im Vakuum bei beiden Legierungen führt. In beiden Legierungen erfolgte Riβausbreitung im Vakuum entlang von Gleitbändern. In NaCl-Lösung nahmen die Riβgeschwindigkeiten in beiden Legierungen um etwa eine Gröβenordnung zu. Die Korngröβenabhängigkeit der Riβausbreitungsgeschwindigkeit bei der Al-Legierung wurde in NaCl-Lösung vernachlässigbar klein, während bei der Ti-Legierung auch in korrosiver Umgebung die Korngröβenabhängigkeit erhalten blieb. Riβausbreitung in NaCl-Lösung erfolgte entlang von Gleitbändern bei der Ti-Legierung, während bei der Al-Legierung ein Korngrenzenbruch im unteren ΔK-Bereich gefunden wurde. Mit zunehmenden ΔK-Werten erfolgte ein Übergang zum Gleitbandbruch, wobei dieser Übergangsbereich mit dem entsprechenden ΔK-Schwellwert korreliert werden konnte, bei dem im Vakuum erster Riβfortschritt zu erkennen war.