AFM studies on fractured surfaces of AF1410 steel and A7075-T6 aluminum alloy

Abstract

In the present research, atomic force microscopy (AFM) was used to characterize fracture surfaces of the AF1410, ultra-high strength steel, and a high strength AA7075-T6 aluminum alloy. Both materials are used by the U.S. Navy in aircraft parts. The implementation of a reliable qualitative and quantitatively technique that could reveal three-dimensional characteristics of the material fracture topography and the study of roughness parameters was necessary to explain the fracture surfaces (nano-fractography). Compact tension specimens made of AF1410 steel and AA7075-T6 alloy were exposed to different conditions at fatigue and impact-fatigue testing respectively. The bottom half of the fractured fatigued samples in the AF1410 steel and both of the impact fatigued sample for the aluminum alloy were used for AFM observations. The surface roughness was a parameter that aided to quantify the surface texture of the steel sample. Using AFM software, six roughness parameters were calculated over a determined area: the roughness average (Sa), the mean value (Sm), the root mean square (Sq), the valley value (Sv), the peak value (Sp), and the range between the peak and the valley value (Sy=Sp-Sv). The crack growth in fatigue testing of the AF1410 steel was analyzed in air and under 1, and 3.5% saline solutions. In the analyzed areas, the results indicated that decreasing NaCl concentration significantly enhanced the roughness average (Sa) in the crack growth direction due to an aggressive process of metal dissolution. When the material was tested at low frequencies and under low sodium chloride concentration, a much higher roughness average was obtained compared to the 3.5 % NaCl condition. With the AA7075-T6 alloy, grains orientation effect was analyzed using two specimens. In this work different crack propagation rates were found on the fracture surfaces, both for the longitudinal and for the transversal specimen.

En el presente proyecto se utilizó un microscopio de fuerza atómica (AFM) para caracterizar las superficies de fractura del AF1410, un acero de altísima resistencia, y una aleación de aluminio AA7075-T6. Ambos materiales son usados por la marina de los Estados Unidos en partes de aviones. Para este fin, fue necesaria la implementación de una técnica especializada y confiable cualitativa y cuantitativamente que pudiera revelar características en tres dimensiones de la topografía del material; además el estudio de otros parámetros que explicaran las superficies de fractura (nano-fractografía). Especímenes compactos del acero AF1410 y de la aleación de aluminio AA7075-T6, fueron expuestos a diferentes condiciones al ensayo de fatiga e impacto-fatiga respectivamente. Para realizar las observaciones con el AFM se utilizaron las partes de abajo de las muestras fatigadas en el acero AF1410 y de ambas partes de la muestra ensayada en impacto-fatiga para la aleación de aluminio. La rugosidad de la superficie fue un parámetro que ayudó a cuantificar la textura de la superficie del acero. Utilizando el software del AFM, fueron calculados seis parámetros de rugosidad sobre un área determinada, los cuales fueron: rugosidad promedio (Sa), valor medio de la rugosidad (Sm), raíz cuadrada de la rugosidad (Sq), valor valle o más profundo (Sv), valor del pico más alto (Sp) y rango entre pico-valle (Sy=Sp-Sv). El crecimiento de grieta en el ensayo de fatiga del acero AF1410 fue realizado en condiciones de laboratorio y en soluciones salinas de 1 y 3.5%. En las áreas analizadas, los resultados indicaron que una disminución en la concentración del NaCl aumentó significativamente la rugosidad promedio (Sa) en la dirección del crecimiento de la grieta debido a un proceso agresivo de disolución del metal. Cuando el material fue ensayado a baja frecuencia y con baja concentración de cloruro de sodio se halló una rugosidad promedio mucho más alta comparada con la del espécimen sometido a condiciones de 3.5% NaCl. Con la aleación AA7075-T6, el efecto de la orientación de los granos en la aleación fue analizado utilizando dos especímenes. En este trabajo fueron halladas diferentes velocidades de propagación de grietas sobre las superficies fracturadas, tanto para el espécimen longitudinal como para el transversal.