Investigation of the Damage Around a Crack Tip in Metals using Small Angle X-ray Scattering

Structural materials, such as ferritic and austenitic steels and aluminium alloys, as used in the nuclear and aircraft industry are subject to external stresses which may lead to the nucleation of cracks. The damage zone ahead of a crack tip introduced as a result of static deformation was investigated in an Al-2024 and Al-6013 alloy and in a 10 CrMo9 10 reference steel by means of small angle X-ray scattering. A robust parameter, the anisotropy parameter, describing the damage region was developed. Further parameters were exployed. The data, supported by electron microscopy investigations point to large oriented dislocation networks. Finite element calculations show a good correspondence in the shape and size of the damage zone.

Konstruktionswerkstoffe, z. B. ferritische Stähle, austenitische Stähle und Aluminiumlegierungen mit Anwendung in der Kernenergie- und Luftfahrttechnik, sind hohen äußeren Belastungen ausgesetzt, die zur Rissbildung führen können. Die Schädigungszone vor der Spitze von Rissen, die durch quasistatische Belastung in Materialproben der Aluminiumlegierungen Al-2024 und Al-6013 und des warmfesten Stahls 10 CrMo9 10 eingebracht worden waren, wurde mittels Röntgenkleinwinkelstreuung punktweise erfasst und abgerastert. Aus den Streubildern wurden mehrere verschiedene Streuparameter abgeleitet, von denen sich der Anisotropieparameter als besonders robust erwies. Die Ergebnisse deuten, gestützt durch elektronenmikroskopische Untersuchungen, auf grobe orientierte Versetzungsnetzwerke. Finite-Elemente-Rechnungen zeigen eine gute Übereinstimmung hinsichtlich Form und Größe der Schädigungszone.