Fatigue crack growth behaviour in welded joints of high-strength steel at low temperature: Kitsunai, Y. and Yoshihisa, E. JSME Int. J. July 1991 Ser. I, 34, (3), 339–346

Abstract

The integrity of ceramic/metal joints is investigated under mechanically applied cyclic stresses using double-cantilever-beam, and compact-tension, sandwich test specimens. Specifically, fatigue-crack propagation rates for interfacial cracks are characterized over a range of velocities from 10−9 to 10−4m/s for glass/copper and alumina/aluminum-alloy interfaces tested in moist air. Compared to corresponding (stress-corrosion) results under sustained loading, it is found that true interfacial cracks in glass-copper joints are significantly accelerated under cyclic loads. In addition, crack extension force (G) thresholds for interfacial crack growth under cyclic loads are some 46% lower than under sustained loads and are typically over six times lower than the interface toughness (Gc). For the alumina/aluminum-alloy system, conversely, fracture never occurs in the interface; under monotonic loading cracking progresses near the interface in the ceramic layer whereas under cyclic loading failure may occur either in the ceramic or in the metal. Based on a comparison with fatigue-crack growth data in bulk alumina and bulk aluminum alloys, it is found that near interfacial crack-growth rates in the metal are much lower than those of the bulk ceramic and show a far higher dependency on the range of G than behavior in the bulk metal.L'intégrité des jonctions métal/céramique a été étudiée sous contraintes cycliques appliquées de façon mécanique, en utilisant une poutre en double console et des éprouvettes sandwich compression-tension. Spécifiquement, les vitesses de propagation des fissures interfaciales, sont caractérisées dans une gamme de vitesses comprises entre 10−5 et 10−4m/s pour des interfaces verre/cuivre et alumine/alliage d'aluminium soumises à un essai en atmosphère humide. Par comparaison avec les résultats correspondants (de corrosion sous contrainte) sous charge prolongée, on trouve que les fissures interfaciales véritables dans les jonctions verre/cuivre sont nettement accélérées sous charge cyclique. En outre, le seuil des forces (G) d'allongement des fissures pour la croissance des fissures interfaciales sous charge cyclique est inférieur d'environ 46% au seuil obtenu sous charge prolongée, et il est typiquement six fois plus faible que la dureté de l'interface (Gc). Au contraire, pour le système alumine/alliage d'aluminium, la rupture n'a jamais lieu au niveau de l'interface; sous charge monotone; la fissuration progresse au voisinage de l'interface dans la couche de céramique, alors que sous charge cyclique, il peut y avoir rupture soit dans la céramique soit dans le métal. En comparant les résultats concernant la croissance des fissures de fatigue dans de l'alumine massive d'une part et dans des alliages d'aluminium massifs de l'autre, on trouve que les vitesses de croissance des fissures proches de l'interface, dans le métal, sont bien inférieures à celles qu'on mesure dans la céramique massive, et qu'elles dépendent bien plus de la gamme de G que dans le cas du métal massif.Die Beständigkeit von Keramik-Metall-Verbindungen wird unter äußerer zyklischer Spannung im Umlauf-Biegeversuch und im Zugversuch an Sandwich-Proben untersucht. Insbesondere werden Ausbreitungsraten der Ermüdungsrisse an der Glas/Kupfer- und Aluminiumoxid/Aluminiumlegierungs-Grenzfläche im Bereich zwischen 10−9 bis 10−4m/s in feuchter Luft gemessen. Im Vergleich zu entsprechenden (Spannungs-Korrosions-) Ergebnissen unter konstanter Spannung ergibt sich, daß die echten Grenzflächenrisse in den Glas-Kupfer-Grenzflächen unter zyklischer Spannung beträchtlich schneller sind. Außerdem ist die Schwelle der Rißausbreitungskraft G für Wachstum der Grenzflächenrisse unter zyklischer Belastung etwa 46% niedriger als unter konstanter Last und typischwerweise sechsmal geringer als die Grenzflächenzähigkeit Gc) Dagegen tritt bei dem System Aluminiumoxid/Aluminiumlegierung Bruch niemals in der Grenzfläche auf; unter monotoner Belastung schreitet die Rißbildung in der Nähe der GRenzfläche fort, dagegen unter zyklischer Belastung entweder in der Keramik oder in dem Metall. Aus einem Vergleich mit dem Rißverhalten im Volumen von Aluminiumoxid oder der Legierung folgt, daß die Wachstumsraten der Risse in der Nähe der Grenzfläche im Metall viel geringer sind als in Keramikvolumen und weitaus stärker abhängen von dem Bereich von G als dem Verhalten im Metallvolumen.