[論文レビュー] Experimental Investigation of Thickness Effects on Mixed-mode I/II Fracture of an Aluminum Alloy

Wanlin Guo, Huiru Dong+1 more|ArXiv.org|Jul 10, 2008

Fatigue and fracture mechanics被引用数 3

ひとこと要約

本実験的研究では、2〜14 mmの厚さ範囲における2024-T3アルミニウム合金の混合モードI/II破壊における厚さ効果を調査した。純モードIの応力下では破壊耐力が厚さに従って単調に減少するが、混合モード下では厚さ依存性が弱く、特に8 mmの試験片では異常な割りばしん開始角度が観察され、厚さおよび荷重モードに応じて空孔のサイズと形状に顕著な変動が生じた。

ABSTRACT

Experimental investigations on the effect of thicknesses on mixed-mode I/II fracture are performed with an aluminum alloy with thicknesses of 2, 4, 8 and 14 mm. It is found that under pure-mode I loading condition, the loading capacity per unit thickness monotonically decreases with increasing thickness. However, under mixed-mode loading condition, the dependence of loading capacity on the thickness becomes very weak. Although the measured crack initiation angles from the mid-plane of the fractured specimens coincide well with typical existed criteria in the thin and thick specimens under all the mixed-mode conditions except pure-mode II, exceptional low crack initiation angles are found in the 8mm-thick specimens. Although ductile dimples are the dominated microscopic features in all the specimens, the size of the final voids varies significantly with specimen thickness and loading mode. The ductile dimples in the crack initiation zone become larger and shallower as the specimen thickness decreasing.

研究の動機と目的

• 試験片の厚さがアルミニウム合金2024-T3の混合モードI/II破壊挙動に与える影響を理解すること。
• 混合モード荷重下における破壊靭性および割りばしん開始荷重の厚さ依存性を評価すること。
• さまざまな厚さにおける割りばしん開始角度および微細組織的特徴（例：空孔）の変化を調査すること。
• 既存の破壊基準が、厚さにわたる割りばしん開始角度を予測する有効性を評価すること。
• マクロな破壊挙動と、空孔のサイズや形状といったミクロな損傷特徴との相関関係を明らかにすること。

提案手法

• 2, 4, 8, 14 mmの厚さを有する2024-T3アルミニウム合金試験片を用いて notched compact tension (CT) 試験を実施した。
• 三ポイント bending フixture を用いて制御された荷重比を適用し、混合モードI/II荷重を実現した。
• 破壊試験後の破壊面から、割りばしん開始荷重および中立面からの割りばしん開始角度を測定した。
• 走査型電子顕微鏡（SEM）を用いて破壊面を分析し、ひだのサイズ、形状、分布を特徴づけた。
• 既存の破壊基準（例：最大接線応力基準、MTS）による予測値と実験的割りばしん開始角度を比較した。
• 割りばしん開始領域における空孔のサイズおよび形状を定量的に評価し、厚さおよびモード依存性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 純モードIおよび混合モードI/II荷重下における試験片の厚さが破壊荷重耐力に与える影響は何か？
• RQ2 混合モードI/II荷重下における厚さに伴う割りばしん開始角度の変化は何か？また、既存の破壊基準と整合性があるか？
• RQ3 試験片の厚さと、割りばしん開始領域における延性的ひだがのサイズおよび形状の関係は何か？
• RQ4 なぜ8 mmの試験片では他の薄いおよび厚い試験片と比較して著しく低い割りばしん開始角度を示すのか？
• RQ5 延性的損傷からより局所的損傷への遷移が、厚さおよびモード混合度とどのように関係するか？

主な発見

• 純モードI荷重下では、破壊荷重/単位厚さは厚さが増加するに従って単調に減少した。
• 混合モードI/II荷重下では、破壊荷重の厚さ依存性が著しく弱まり、厚さに依存しない応答を示した。
• 薄いおよび厚い試験片では、既存の破壊基準と一致する割りばしん開始角度が得られたが、8 mmの試験片では著しく低い角度が観察された。
• すべての厚さ範囲で延性的ひだが支配的な微細組織的特徴であったが、そのサイズおよび深さは厚さおよび荷重モードに依存して変化した。
• 薄い試験片では、割りばしん開始領域における最終的な空孔は、より大きく浅い形状であった。
• 8 mm試験片における異常な割りばしん開始角度は、特徴的な微細組織的応答と相関しており、この厚さで破壊メカニズムの主導的変化が生じている可能性を示唆している。