|
|
Influence of Structure Directionality on Fatigue Properties of Formed Al Alloy.
Jíša, David ; Mazal, Pavel (referee) ; Liškutín, Petr (advisor)
The main goal of this diploma thesis is the examination of the influence of structure directionality on fatigue properties of formed aluminium alloy 6082/T6. The main attention is focused on the study of the influence of structure directionality on kinetics of short fatigue cracks growth. The measurement of short fatigue cracks growth was performed on cylindrical samples. The samples were made in two different directions; one parallel with the forming direction and second perpendicular to the forming direction. Servo hydraulic machine MTS 880 was used for the cyclic loading. The samples were cycled at two different constant stress amplitudes. Cyclic loading was systematically interrupted in order to measure the length of short cracks by a light microscope. Tensile tests, measuring of cycling hardening-softening curves, observation of microstructure, observation of surface relief, measuring of microhardness and fractographical analysis of fracture surfaces were used for further examination of the influence of the structure directionality. Some of these measured characteristics did not show any influence of the structure directionality (microhardness, fatigue life curve, Young modulus). In other cases is this influence measurable, however insignificant (yield stress, ultimate stress, cyclic hardening-softening curves and kinetics of short fatigue cracks growth). It can be summarised that the material, though the directionality of its microstructure is apparent, shows relatively isotropic mechanical behaviour.
|
|
|
Microstructure, it´s Stability and Fatigue Properties of Ultra-Fine Grained Copper Prepared by ECAP Method
Navrátilová, Lucie ; Konečná, Radomila (referee) ; Obrtlík, Karel (referee) ; Kunz, Ludvík (advisor)
This work deals with fatigue properties and stability of microstructure of ultrafine-grained (UFG) copper prepared by severe plastic deformation by means of equal channel angular pressing (ECAP) method. The effect of different fatigue loading regimes and thermal exposition on microstructural changes was investigated and the fatigue lifetime curves were experimentally determined. The research attention was focussed on localization of cyclic plastic deformation and fatigue crack initiation in UFG structure. Experimental results indicate that after stress-controlled fatigue loading (both symmetrical and asymmetrical) the microstructure remains ultrafine; no grain coarsening was observed. Contrary to this, strain-controlled fatigue loading results in formation of bimodal structure. Grain coarsening was observed also after thermal exposition at 250 °C for 30 minutes. Annealing at lower temperatures does not result in grain coarsening or development of bimodal structure. Fatigue loading results in development of surface relief in form of cyclic slip markings. Their density, distribution and shape differ for particular fatigue loading regimes. Differences in crack initiation mechanism in low- and high-cycle fatigue region were found. Nevertheless, the characteristic feature for all loading regimes was stability of UFG microstructure in the region of cyclic slip bands and fatigue cracks.
|
|
|
Short Crack Growth in Materials for High Temperature Applications
Mazánová, Veronika ; Obrtlík, Karel (referee) ; Krupp, habil Ulrich (referee) ; Polák, Jaroslav (advisor)
Pokročilá vysoce legovaná austenitická nerezová ocel Sanicro 25 s Fe-Ni-Cr matricí byla studována za podmínek nízkocyklové únavy za pokojové a vysoké teploty 700 °C. Široká škála moderních experimentálních technik byla použita ke studiu vzájemně souvisejících efektů chemického složení slitiny, mikrostrukturních změn a deformačních mechanismů, které určují odolnost materiálu vůči poškození. Hlavní úsilí bylo zaměřeno na studium iniciace únavových trhlin a růstu krátkých trhlin, tedy dvě stádia, která hrají zásadní roli ve výsledné celkové délce únavového života materiálu v provozu. • Vnitřní deformační mechanismy byly korelovány s vývojem povrchového reliéfu, který je pozorován ve formě persistentních skluzových stop na povrchu. Bylo zjištěno, že vysoce planární charakter dislokačního skluzu způsobuje vysokou lokalizaci cyklické plastické deformace do persistentních skluzových pásů, což v důsledku vede k nukleaci “Stage I” trhlin, která je spojena s přítomností persistentních skluzových stop na povrchu ve všech studovaných vzorcích. Bylo zjištěno, že praskání dvojčatových hraníc je taktéž spojeno s přítomností persistentních skluzových stop podél povrchové stopy dvojčatové roviny. • Interkrystalická iniciace únavové trhliny byla pozorována pouze zřídka, a to za podmínek zatěžování amplitudami vysoké deformace. Bylo zjištěno že interkrystalická iniciace je spojena s přítomností persistentních skluzových stop na hranicích zrn. Hranice zrn praskají za podmínek externího tahového zatížení zejména z důvodu vysokého počtu nekompatibilit na hranicích zrn, které jsou způsobené tvarem persistentních skluzových stop. • Mechanismy růstu přirozených krátkých trhlin byly studovány na vzorcích vystavených nízkocyklove únava s nízkou i vysokou deformací. Role mikrostruktury byla analyzována pomocí experimentálních technik a diskutována. • Rychlosti šíření nejdelších trhlin byly měřeny na vzorcích s mělkým vrubem. Výsledky byly analyzovány použitím přístupů lomové mechaniky založených na amplitudě KI a J-integrálu stejně jako na amplitudě plastické deformace. Všechny přístupy byly diskutovány v souvislosti s Mansonovými-Coffinovými křivkami únavové životnosti. Jednoduchý mocninový zákon růstu krátkých trhlin založený na amplitudě plastické deformace ukazuje velice dobrou korelaci se zákonem únavové životnosti. • Byla studována role oxidace v podmínkách cyklického zatěžování za vysokých teplot. Bylo zjištěno, že křehké praskání zoxidovaných hranic zrn hraje hlavní roli v počátečních stádiích nukleace trhlin. Později po iniciaci se dráha růstu trhliny mění preferenčně na transkrystalickou. Dráha šíření trhlin je velmi podobná dráze zjištěné při cyklování za pokojové teploty.
|
|
|
FATIGUE CHARACTERISTICS OF MODIFIED MAGNESIUM ALLOYS AFTER CORROSION DEGRADATION
Němcová, Aneta ; Očenášek, Vladivoj (referee) ; Hadzima, Branislav (referee) ; Pacal, Bohumil (advisor)
This doctoral thesis deals with the determination of the influence of plasma electrolytic oxidation (PEO) on fatigue behaviour of extruded AZ61 magnesium alloy in air and in the 3.5% NaCl solution. The coatings were formed in the silicate-phosphate electrolyte under pulsed current conditions at a frequency of 50 Hz. The influence of current density on coating formation was examined under current densities of 70, 130 and 200 mA cm-2 for different durations up to a maximum of 1800 s. 8 g dm-3 of KF were added to the electrolyte to study the influence of fluoride ions in plasma electrolytic oxidation. It is shown that fluoride ions inhibit localised oxidation in the initial stage of the process, associated with the secondary particles based on Al–Mn. The presence of fluoride also modified the sparking characteristics, decreased the rate of coating growth and changed the morphologies of the coatings. The influence of fluoride on the coating hardness, and the corrosion resistance of the alloy during exposure to salt spray, was negligible. Based on previous optimised PEO conditions, coatings formed under a current density of 130 mA cm-2 for 300 s in the electrolyte containing KF were chosen for fatigue testing. The high-cycle fatigue tests were carried out on cylindrical samples under a force controlled sinusoidal tension-tension cycle with asymmetry parameter R=0. The experimental data were fitted with Kohout & Věchet function. The fatigue limit of uncoated alloy in air for 107 cycles was determined at 145.4 MPa and the combination of PEO coating with chloride ions caused a reduction of ~55 %. Attention was paid to the fatigue crack initiation in different conditions of cyclic loading. The fracture surfaces underwent detailed fractography analysis including secondary crack observation on the gauge length. The contribution of Al–Mn particles were confirmed on the uncoated alloy in air and the presence of chloride ions were observed as another influential contributor to local corrosion attack. The cyclic loading caused spalling of the outer layer, and the multiple initiation was observed on PEO coated alloy, caused by cracks in the coating and stress transferring to the alloy.
|
|
|
Short Crack Growth in Materials for High Temperature Applications
Mazánová, Veronika ; Obrtlík, Karel (referee) ; Krupp, habil Ulrich (referee) ; Polák, Jaroslav (advisor)
Pokročilá vysoce legovaná austenitická nerezová ocel Sanicro 25 s Fe-Ni-Cr matricí byla studována za podmínek nízkocyklové únavy za pokojové a vysoké teploty 700 °C. Široká škála moderních experimentálních technik byla použita ke studiu vzájemně souvisejících efektů chemického složení slitiny, mikrostrukturních změn a deformačních mechanismů, které určují odolnost materiálu vůči poškození. Hlavní úsilí bylo zaměřeno na studium iniciace únavových trhlin a růstu krátkých trhlin, tedy dvě stádia, která hrají zásadní roli ve výsledné celkové délce únavového života materiálu v provozu. • Vnitřní deformační mechanismy byly korelovány s vývojem povrchového reliéfu, který je pozorován ve formě persistentních skluzových stop na povrchu. Bylo zjištěno, že vysoce planární charakter dislokačního skluzu způsobuje vysokou lokalizaci cyklické plastické deformace do persistentních skluzových pásů, což v důsledku vede k nukleaci “Stage I” trhlin, která je spojena s přítomností persistentních skluzových stop na povrchu ve všech studovaných vzorcích. Bylo zjištěno, že praskání dvojčatových hraníc je taktéž spojeno s přítomností persistentních skluzových stop podél povrchové stopy dvojčatové roviny. • Interkrystalická iniciace únavové trhliny byla pozorována pouze zřídka, a to za podmínek zatěžování amplitudami vysoké deformace. Bylo zjištěno že interkrystalická iniciace je spojena s přítomností persistentních skluzových stop na hranicích zrn. Hranice zrn praskají za podmínek externího tahového zatížení zejména z důvodu vysokého počtu nekompatibilit na hranicích zrn, které jsou způsobené tvarem persistentních skluzových stop. • Mechanismy růstu přirozených krátkých trhlin byly studovány na vzorcích vystavených nízkocyklove únava s nízkou i vysokou deformací. Role mikrostruktury byla analyzována pomocí experimentálních technik a diskutována. • Rychlosti šíření nejdelších trhlin byly měřeny na vzorcích s mělkým vrubem. Výsledky byly analyzovány použitím přístupů lomové mechaniky založených na amplitudě KI a J-integrálu stejně jako na amplitudě plastické deformace. Všechny přístupy byly diskutovány v souvislosti s Mansonovými-Coffinovými křivkami únavové životnosti. Jednoduchý mocninový zákon růstu krátkých trhlin založený na amplitudě plastické deformace ukazuje velice dobrou korelaci se zákonem únavové životnosti. • Byla studována role oxidace v podmínkách cyklického zatěžování za vysokých teplot. Bylo zjištěno, že křehké praskání zoxidovaných hranic zrn hraje hlavní roli v počátečních stádiích nukleace trhlin. Později po iniciaci se dráha růstu trhliny mění preferenčně na transkrystalickou. Dráha šíření trhlin je velmi podobná dráze zjištěné při cyklování za pokojové teploty.
|
|
|
Low cycle fatigue behaviour and fatigue crack initiation in MAR-M247 at 700 °c
Šulák, Ivo ; Obrtlík, Karel ; Hrbáček, K.
The second generation nickel-based superalloy MAR-M247 offersa satisfying combination of fatigue and creep properties and oxidation and corrosion resistance that arerequired for application at elevated temperatures in hostile environments. The microstructure consists mainly oftheface centred cubic γ matrix and ordered γ ́ strengthening precipitates (L12crystal structure). The present work focuses on low cycle fatigue (LCF) behaviour of polycrystalline nickel-based superalloy MAR-M247 at high temperature. LCF tests were conducted on cylindrical specimens in symmetrical push-pull cycle under strain control with constant total strain amplitude and strain rate at 700 °C in ambientair. Cyclic stress-strain curvesand fatigue life curves in the representation ofplastic strain amplitude vs. stress amplitude andstress amplitude vs. the number of cycles to failure, respectively,were plotted and compared with data obtained on Inconel 713LC. Special attention waspaid to the investigation of crack initiation in MAR-M247 during low cycle fatigue. Crack initiation sites were studied by means of scanning electron microscopy (SEM) in dual beam microscope TESCAN LYRA 3 XMU FESEM equipped with focus ion beam (FIB). Specimens’ surface observations revealed the formation of pronounced surface relief indicating localisation of plastic deformation.Observations in transmission electron microscope (TEM)confirmed localisation of cyclic plastic deformation in persistent slip bands along {111} slip planes. Fractographic analysis revealed fatigue crack initiation sites. Fatigue crack propagation in stage I was typical of smooth facets up to 500 μm long.
|
|
|
Fatigue crack initiation and growth in 316L steel in torsional cyclic loading
Karol, Michal ; Chlupová, Alice ; Mazánová, Veronika ; Kruml, Tomáš
Fatigue crack initiation and growth study in 316L austenitic stainless steel was made in cyclic\ntorsion. The experiments on hollow cylindrical specimens were performed at room temperature using fully reversed shear strain controlled cycles. The specimens used were polished mechanically and electrolytically to enable surface damage and crack propagation observation using optical light microscope, SEM. It was found that high density of extrusions and intrusions are formed on the specimen surface due to cyclic loading. TEM observations revealed that dislocation arrangement in well-known ladder-like structure is responsible for the localization of cyclic plastic deformation and for the origin of surface roughness in which the fatigue crack nucleate. The path of fatigue cracks leading to failure was observed, too. The crack path\nwas found to be dependent upon the applied shear strain amplitude.
|
|
|
LOW CYCLE FATIGUE BEHAVIOR AND FATIGUE CRACK INITIATION IN MAR-M247 AT 700 °C
Šulák, Ivo ; Obrtlík, Karel ; Hrbáček, K.
The second generation nickel-based superalloy MAR-M247 offers a satisfying combination of fatigue and creep properties and oxidation and corrosion resistance that are required for application at elevated temperatures in hostile environments. The microstructure consists mainly of the face centred cubic γ matrix and ordered γ´ strengthening precipitates (L12 crystal structure). The present work focuses on low cycle fatigue (LCF) behaviour of polycrystalline nickel-based superalloy MAR-M247 at high temperature. LCF tests were conducted on cylindrical specimens in a symmetrical push-pull cycle under strain control with constant total strain amplitude and strain rate at 700 °C in ambient air. Cyclic stress-strain curves and fatigue life curves in the representation of plastic strain amplitude vs. stress amplitude and stress amplitude vs. the number of cycles to failure, respectively, were plotted and compared with data obtained on Inconel 713LC. Special attention was paid to the investigation of crack initiation in MAR-M247 during low cycle fatigue. Crack initiation sites were studied by means of scanning electron microscopy (SEM) in dual beam microscope TESCAN LYRA 3 XMU FESEM equipped with focus ion beam (FIB). Specimens’ surface observations revealed the formation of pronounced surface relief indicating localisation of plastic deformation. Observations in transmission electron microscope (TEM) confirmed localisation of cyclic plastic deformation in persistent slip bands along {111} slip planes. Fractographic analysis revealed fatigue crack initiation sites. Fatigue crack propagation in stage I was typical of smooth facets up to 500 μm long.
|
|
|
Fatigue Crack Initiation in Nickel-Based Superalloy MAR-M247 at High Temperature
Šulák, Ivo ; Obrtlík, Karel
The present work is focused on the study of crack initiation during low cycle fatigue (LCF) loading of the second generation nickel-based superalloy MAR-M247 treated with hot isostatic pressing. LCF tests were conducted on cylindrical specimens in symmetrical push-pull cycle under strain control with constant total strain amplitude and strain rate at 800 °C in air atmosphere. Selected specimens were electrolytically polished to facilitate surface relief observations. Crack initiation sites were studied by means of scanning electron microscopy (SEM) in dual beam microscope TESCAN LYRA 3 XMU FESEM equipped with focus ion beam (FIB). The microstructure of the material is characterised by coarse dendritic grains with numerous carbides and small casting defects. The average grain size was 2.1 ± 0.3 mm. Fractographic analysis revealed the fatigue crack initiation sites and their relation to the casting defects and material microstructure. Casting defects, carbide inclusions and interdendritic areas were found to be important crack nucleation sites. Specimens’ surface observations revealed the formation of pronounced surface relief with short worm-like markings. Fatigue crack initiation in these places is documented and discussed.
|
|
|
FATIGUE CHARACTERISTICS OF MODIFIED MAGNESIUM ALLOYS AFTER CORROSION DEGRADATION
Němcová, Aneta ; Očenášek, Vladivoj (referee) ; Hadzima, Branislav (referee) ; Pacal, Bohumil (advisor)
This doctoral thesis deals with the determination of the influence of plasma electrolytic oxidation (PEO) on fatigue behaviour of extruded AZ61 magnesium alloy in air and in the 3.5% NaCl solution. The coatings were formed in the silicate-phosphate electrolyte under pulsed current conditions at a frequency of 50 Hz. The influence of current density on coating formation was examined under current densities of 70, 130 and 200 mA cm-2 for different durations up to a maximum of 1800 s. 8 g dm-3 of KF were added to the electrolyte to study the influence of fluoride ions in plasma electrolytic oxidation. It is shown that fluoride ions inhibit localised oxidation in the initial stage of the process, associated with the secondary particles based on Al–Mn. The presence of fluoride also modified the sparking characteristics, decreased the rate of coating growth and changed the morphologies of the coatings. The influence of fluoride on the coating hardness, and the corrosion resistance of the alloy during exposure to salt spray, was negligible. Based on previous optimised PEO conditions, coatings formed under a current density of 130 mA cm-2 for 300 s in the electrolyte containing KF were chosen for fatigue testing. The high-cycle fatigue tests were carried out on cylindrical samples under a force controlled sinusoidal tension-tension cycle with asymmetry parameter R=0. The experimental data were fitted with Kohout & Věchet function. The fatigue limit of uncoated alloy in air for 107 cycles was determined at 145.4 MPa and the combination of PEO coating with chloride ions caused a reduction of ~55 %. Attention was paid to the fatigue crack initiation in different conditions of cyclic loading. The fracture surfaces underwent detailed fractography analysis including secondary crack observation on the gauge length. The contribution of Al–Mn particles were confirmed on the uncoated alloy in air and the presence of chloride ions were observed as another influential contributor to local corrosion attack. The cyclic loading caused spalling of the outer layer, and the multiple initiation was observed on PEO coated alloy, caused by cracks in the coating and stress transferring to the alloy.
|
guest ::
