Brittle Fracture Resistance of the Fe–17%ni Alloy of Extraterrestrial Origin (the Chinga Meteorite) under Static and Dynamic Loading

V. I. Grokhovsky; S. V. Gladkovsky; K. A. Badekha; V. E. Veselova

doi:10.17804/2410-9908.2023.6.145-158

V. I. Grokhovsky, S. V. Gladkovsky, K. A. Badekha, V. E. Veselova

BRITTLE FRACTURE RESISTANCE OF THE Fe–17%Ni ALLOY OF EXTRATERRESTRIAL ORIGIN (THE CHINGA METEORITE) UNDER STATIC AND DYNAMIC LOADING

DOI: 10.17804/2410-9908.2023.6.145-158

The values of conditional yield strength, impact strength, and the parameters of static and dynamic crack resistance of the Chinga meteorite substance (the Fe–17%Ni alloy) are determined by mechanical testing for uniaxial tension and static bending and instrumented impact testing of V-notched prismatic samples at temperatures ranging between 20 and −196 ℃. It is shown that the dynamic nature of material loading according to the three-point bending scheme contributes to a noticeable decrease in impact strength (KCV) and crack propagation energy (KCT) during low-temperature tests (−196 ℃) and the appearance of brittle quasi-cleavage sites on the fracture surface. On the contrary, as the test temperatures decrease from room temperature to the temperature of liquid nitrogen during the static tests of the Chinga meteorite samples with induced cracks, the parameter of static crack resistance K_C (K_1C) increases and the fracture surface of the samples after low-temperature testing is characterized by predominantly viscous dimpled topography.

Acknowledgement: The work was performed under the agreement with the Russian Ministry of Science and Higher Education, theme FEUZ-2023-0014, No. 075-03-2023-006, and under a state assignment from the MSHE, No. AAAA-A18-118020790147-4. The equipment of the Plastometriya shared research facilities, IES UB RAS, was used for the research. We also appreciate the support from the Russian Ministry of Science and Higher Education under the Program for the Development of UrFU according to the Priority 2030 program.

Keywords: meteoritic material, low-temperature tests, impact strength, crack initiation and propagation energy, static and dynamic crack resistance, fracture surface, dimpled and quasi-cleavage topography

References:

Nemchinov, I.V., Svettsov, V.V., and Shuvalov, V.V. Katastroficheskie vozdejstviya kosmicheskikh tel [Catastrophic Impacts of Cosmic Bodies]. IKTs “Akademkniga” Publ., Moscow, 2005, 310 p. (In Russian).
Petrovic, J.J. Review Mechanical properties of meteorites and their constituents. Journal of Material Science, 2001, 36, 1579–1583. DOI: 10.1023/A:1017546429094.
Slyuta, E.N. Physical and mechanical properties of stony meteorites. Solar System Research, 2017, 51, 64–85. DOI: 10.1134/S0038094617010051.
Remo, J.L. and Johnson, A.A. A preliminary study of the ductile-brittle transition under impact conditions in material from an octahedrite. Journal of Geophysical Research, 1975, 80 (26), 3744–3748.
Johnson, A.A., Remo, J.L., and Davis, R.B. The Low temperature impact properties of the meteorite Hoba. Journal of Geophysical Research, 1979, 84 (B4), 1683–1688. DOI: 10.1029/JB084iB04p01683.
Grokhovsky, V.I. and Gladkovsky, S.V. The impact mechanical tests of meteorites. Meteoritics and Planetary Science, 2010, 45, A69–A69.
Grokhovsky, V.I. and Gladkovsky, S.V. The impact mechanical tests of Seymchan and Chinga meteorites. Meteoritics and Planetary Science, 2018, 53, 6276–6276.
Botvina, L.R. Razrushenie: kinetika, mekhanizmy, obshchie zakonomernosti [Destruction: Kinetics, Mechanisms, General Patterns]. Nauka Publ., Moscow, 2008, 334 p. (In Russian).
Pestrikov, V.M. and Morozov, E.M. Mekhanika razrusheniya [Fracture Mechanics: Course of Lectures]. Professiya Publ., SPb., 2012, 550 p. (In Russian).
Gladkovsky, S.V. Instrumented Impact Tests in Material Science, Ch. 6. In: Perspektivnye materialy: uchebnoe posobie [Perspective Materials: Textbook, ed. by D.L. Merson]. Izd-vo TGU Publ., Tolyatti, 2021, 336 p. (In Russian).
Grokhovsky, V.I. and Gladkovsky, S.V. Brittle fracture resistance of Chinga and Seymchan meteorites under static and impact loading. Meteoritics and Planetary Science, 2019, 54, 6429.
Buchner, E., Schmieder, M. Kurat, G., Brandstätter, F., Kramar, U., Ntaflos, T., and Kröchert, J. Buddha from space – an ancient object of art made of a Chinga iron meteorite fragment. Meteoritics and Planetary Science, 2012, 47 (9), 1491–1501. DOI: 10.1111/j.1945-5100.2012.01409.x.
GOST 9454–78. (In Russian).
GOST 25.506-85. (In Russian).
RD 50-344-82. (In Russian).
GOST 22848-77. (In Russian).
Botvina, L.R. Osnovy fraktodiagnostiki [Fundamentals of Fractodiagnostics]. Tekhnosfera Publ., Moscow, 2022, 394 p.
Lebedev, D.V. Konstruktivnaya prochnost kriogennykh staley [Structural Strength of Cryogenic Steels]. Metallurgiya Publ., Moscow, 1971, 264 p.
Brown, W., Srawley, J. Ispytaniya vysokoprochnykh metallicheskikh materialov na vyazkost razrusheniya pri ploskoy deformatsii [Plane Strain Crack Toughness Testing of High Strength Metallic Materials]. Mir Publ., Moscow, 1972, 245 p.
Mekhanicheskie svoystva konstrukcionnykh materialov pri nizkkih temperaturakh: sb. nauch. trudov [Mechanical Properties of Structural Materials at Low Temperatures, ed by I.N. Fridlaynder]. Metallurgiya Publ., Moscow, 1983, 432 p.
Brusnitsyna, E.V., Badekha, K. A., Grokhovsky, V.I., Muftakhetdinova, R.F. Martensite morphology in different types of meteorites. Meteoritics and Planetary Science, 2018, 53, 6290–6290.

В. И. Гроховский, С. В. Гладковский, К. А. Бадеха, В. Е. Веселова

СОПРОТИВЛЕНИЕ ХРУПКОМУ РАЗРУШЕНИЮ СПЛАВА Fe–17%Ni ВНЕЗЕМНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ (МЕТЕОРИТ ЧИНГЕ) ПРИ СТАТИЧЕСКОМ И ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

Методами механических испытаний на одноосное растяжение и статический изгиб и инструментированных ударных испытаний призматических образцов с V-образным надрезом в интервале температур 20…−196 ℃ определены значения условного предела текучести, ударной вязкости и параметров статической и динамической трещиностойкости вещества метеорита Чинге (сплава Fe–17%Ni). Показано, что динамический характер нагружения материала по схеме трехточечного изгиба способствует заметному снижению ударной вязкости (KCV) и работы распространения трещины (KCT) при низкотемпературных испытаниях (−196 ℃) и появлению в изломе хрупких участков квазискольного разрушения. Напротив, при статических испытаниях образцов метеорита Чинге с наведенными трещинами показатель статической трещиностойкости K_C (K_1C) повышается с понижением температур испытаний от комнатной до температуры жидкого азота, а излом образцов после низкотемпературных испытаний характеризуется преимущественно вязким ямочным рельефом.

Благодарность: Работа выполнена в рамках соглашения с Министерством науки и высшего образования РФ № 075-03-2023-006 (тема FEUZ-2023-0014) и госзадания Минобрнауки № АААА-А18-118020790147-4. Исследования проводились с использованием оборудования ЦКП «Пластометрия» ИМАШ УрО РАН. Авторы благодарят за поддержку Министерство науки и высшего образования РФ в рамках Программы развития УрФУ в соответствии с программой «Приоритет-2030».

Ключевые слова: метеорит, низкотемпературные испытания, ударная вязкость, работа зарождения и распространения трещины, статическая и динамическая трещиностойкость, поверхность разрушения, ямочный и квазискольный рельеф

Библиография:

Адушкин В. В., Немчинов И. В., Светцов В. В. Катастрофические воздействия космических тел / под ред. В. В. Адушкина, И. В. Немчинова. – М. : ИКЦ «Академкнига», 2005. – 310 с.
Petrovic J. J. Review Mechanical properties of meteorites and their constituents // Journal of material science. – 2001. – Vol. 36. – P. 1579–1583. – DOI: 10.1023/A:1017546429094.
Slyuta E. N. Physical and mechanical properties of stony meteorites // Solar System Research. – 2017. – Vol. 51. – P. 64–85. – DOI: 10.1134/S0038094617010051.
Remo J. L., Johnson A. A. A preliminary study of the ductile-brittle transition under impact conditions in material from an octahedrite // Journal of Geophysical Research. – 1975. – Vol. 80, iss. 26. – P. 3744–3748.
Johnson A. A., Remo J. L., Davis R. B. The Low temperature impact properties of the meteorite Hoba // Journal of Geophysical research. – 1979. – Vol. 84, iss. B4. – DOI: 10.1029/JB084iB04p01683.
Grokhovsky V. I., Gladkovsky S. V. The impact mechanical tests of meteorites // Meteoritics and Planetary Science. – 2010. – Vol. 45. – P. A69–A69.
Grokhovsky V. I., Gladkovsky S. V. The impact mechanical tests of Seymchan and Chinga meteorites // Meteoritics and Planetary Science. – 2018. – Vol. 53. – P. 6276–6276.
Ботвина Л. Р. Разрушение: кинетика, механизмы, общие закономерности. – М. : Наука, 2008. – 334 с.
Пестриков В. М., Морозов Е. М. Механика разрушения : курс лекций. – СПб. : Профессия, 2012. – 552 с.
Гладковский С. В. Инструментированные ударные испытания в материаловедении // Перспективные материалы : учебное пособие. Гл. 6 / под ред. Д. Л. Мерсона. – Тольятти : Изд-во ТГУ, 2021. – 336 c.
Grokhovsky V. I., Gladkovsky S. V. Brittle fracture resistance of Chinga and Seymchan meteorites under static and impact loading // Meteoritics and Planetary Science. – 2019 – Vol. 54. – P. 6429.
Buddha from space – an ancient object of art made of a Chinga iron meteorite fragment / E. Buchner, M. Schmieder, G. Kurat, F. Brandstätter, U. Kramar, T. Ntaflos, J. Kröchert // Meteoritics and Planetary Science. – 2012. – Vol. 47 (9). – P. 1491–1501.
ГОСТ 9454–78.
ГОСТ 25.506-85.
РД 50-344-82.
ГОСТ 22848-77.
Ботвина Л. Р. Основы фрактодиагностики. – М. : Техносфера, 2022. – 394 с.
Лебедев Д. В. Конструктивная прочность криогенных сталей. – М. : Металлургия, 1971. – 264 с.
Браун У., Сроули Дж. Испытания высокопрочных металлических материалов на вязкость разрушения при плоской деформации. – М. : Мир, 1972. – 245 с.
Механические свойства конструкционных материалов при низких температурах : сб. науч. трудов / пер. с англ. под ред. И. Н. Фридляндера. – М. : Металлургия, 1983. – 432 с.
Martensite morphology in different types of meteorites / E. V. Brusnitsyna, K. A. Badekha, V. I. Grokhovsky, R. F. Muftakhetdinova // Meteoritics and Planetary Science. – 2018. – Vol. 53. – P. 6290–6290.

Библиографическая ссылка на статью

Brittle Fracture Resistance of the Fe–17%ni Alloy of Extraterrestrial Origin (the Chinga Meteorite) under Static and Dynamic Loading / V. I. Grokhovsky, S. V. Gladkovsky, K. A. Badekha, V. E. Veselova // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. - 2023. - Iss. 6. - P. 145-158. -
DOI: 10.17804/2410-9908.2023.6.145-158. -
URL: http://dream-journal.org/issues/content/article_434.html
(accessed: 21.12.2024).