[论文解读] 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 3

一句话总结

本实验研究调查了2024-T3铝合金在2–14 mm厚度范围内混合模式I/II断裂的厚度效应。结果表明，尽管纯模式I加载下的承载能力随厚度增加单调下降，但混合模式加载下厚度依赖性较弱，8 mm试样表现出异常的裂纹起裂角度，且孔洞尺寸和形貌随厚度和加载模式显著变化。

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.

研究动机与目标

• 理解试样厚度如何影响2024-T3铝合金混合模式I/II断裂行为。
• 评估在混合模式加载下，断裂韧性和裂纹起裂载荷对厚度的依赖性。
• 研究裂纹起裂角度及显微结构特征（如孔洞）随厚度变化的演化规律。
• 评估现有断裂准则在预测不同厚度下裂纹起裂角度的有效性。
• 将宏观断裂响应与微观损伤特征（如孔洞尺寸和形貌）相关联。

提出的方法

• 对2024-T3铝合金试样（厚度分别为2、4、8和14 mm）进行notched compact tension（CT）试验。
• 采用三点弯曲夹具施加混合模式I/II加载，通过控制载荷比以模拟不同模式混合度。
• 从断裂试样中平面测量裂纹起裂载荷和裂纹起裂角度。
• 利用扫描电子显微镜（SEM）分析断裂表面，表征凹坑尺寸、形状及分布。
• 将实验测得的裂纹起裂角度与现有断裂准则（如最大切向应力，MTS）的预测结果进行比较。
• 量化裂纹起裂区的孔洞尺寸和形貌，以评估厚度和模式依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 试样厚度如何影响在纯模式I和混合模式I/II加载下的断裂载荷能力？
• RQ2 在混合模式I/II加载下，裂纹起裂角度如何随厚度变化，且是否与现有断裂准则一致？
• RQ3 试样厚度与裂纹起裂区中微孔的尺寸和形貌之间存在何种关系？
• RQ4 为何8 mm厚试样表现出显著低于其他薄厚试样的裂纹起裂角度？
• RQ5 从延性损伤向更局部化损伤的转变如何与厚度和模式混合度相关联？

主要发现

• 在纯模式I加载下，单位厚度的断裂载荷随厚度增加单调下降。
• 在混合模式I/II加载下，断裂载荷对厚度的依赖性变得极弱，表明具有厚度不敏感响应。
• 薄试样和厚试样的裂纹起裂角度与现有断裂准则吻合良好，但8 mm试样表现出显著更低的起裂角度。
• 所有厚度下，微孔均为主要显微结构特征，但其尺寸和深度随厚度和加载模式而变化。
• 在较薄试样中，裂纹起裂区的最终孔洞更大且更浅，相较于厚试样。
• 8 mm试样中异常的裂纹起裂角度与独特的显微结构响应相关，表明在此厚度下主导损伤机制发生转变。