Crack initiation and endurance limit of hard steels under multiaxial cyclic loads

The endurance limit and the mechanisms o f fatigue crack initiation in the high cycle regime were investigated using round specimens o f the bearing steel 52100 under longitudinal forces and torsional moments and combinations o f these loads. Three specimen types were examined: smooth specimens and specimens with circumferential notches with radii o f 1.0 and 0.2 mm. The influence ofmean and multiaxial stresses on the endurance limit can be understood by consideration ofcrack initiation mechanisms and micro-mechanics. Crack initiation took place at oxides, carbonitrides and at the surface. The mechanisms ofcrack initiation could be related to the load type: Loads with rotating principal stresses are more damaging fo r nitrides than fo r oxides. Increasing maximum stresses are more dangerous fo r nitrides than fo r oxides, and introduce more damage to the surface than to the nitrides. Normal stresses are more damaging fo r oxides than shear stresses. The endurance limits were calculated by means o f an extended weakest-link model which combines volume and surface crack initiation with related fatigue criteria. For volume crack initiation the criterion o f Dang Van was used. For the correct description o f the competing surface crack initiation, a new criterion was applied. With this concept, a prediction o f the endurance limit is possible fo r loads which produce critical planes and range within a limited regime ofstress ratios.Исследованы предел выносливости и механизмы зарождения усталостных трещин в многоцикловом режиме, используя круглые образцы из подшипниковой стали 52100, подвергаемые действию продольных сил и крутящих моментов, а также комбинации этих нагрузок. Использовали гладкие образцы и образцы с кольцевыми надрезами радиусами 1,0 и 0,2 мм. Влияние средних и многоосных напряжений на предел выносливости может быть объяснено с учетом механизмов зарождения трещин и микромеханики. Зарождение трещин происходило на оксидах, карбонитридах и на поверхности. Механизмы зарождения трещин могут быть связаны с типом нагрузки: нагрузки с вращательными главными напряжениями более деструктивны для нитридов, чем для оксидов. Возрастающие максимальные напряжения более опасны для нитридов, чем для оксидов, и вызывают большие повреждения поверхности, чем нитридов. Нормальные напряжения вызывают большее повреждение оксидов, чем касательные напряжения Пределы выносливости рассчитывали с помощью модифицированной модели слабого звена, которая объединяет зарождение трещин в объеме и на поверхности с соответствующими критериями усталости. Для зарождения трещин в объеме был использован критерий Данг Вана. Для корректного описания конкурирующего зарождения трещин на поверхности был применен новый критерий. С помощью этой концепции можно предсказать предел выносливости для нагрузок, которые создают критические плоскости и диапазон в рамках ограниченного режима коэффициентов асимметрии цикла

Kleinrissausbreitung und Lebensdauer von Cu-33,8%Ni-3,4%Cr in unterschiedlichen Umgebungen

At 1050 C, only one single phase exists in the alloy Cu-33.8%Ni-3.4%Cr. During ageing at 580 C it decomposes in two phases: #gamma#_1-matrix and #gamma#_2-precipitates. The decomposition causes a large increase of the strength under static loading. The influence of decomposition on the fatigue properties, which are more important for applications in practice, seems to be complicated. Investigation results of similar alloys indicate a dependence of fatigue mechanisms on environment. Thereupon, environmental influence on small crack propagation and lifetime of the alloy Cu-33.8%Ni-3.4%Cr both in homogenized and in peak aged condition was investigated. The investigation was carried out in three diffferent gaseous environments: air, argon-hydrogen-mixture, and argon. The results obtained will be reported in this work. (orig.)Die bei 1050 C einphasige Legierung Cu-33,8%Ni-3,4%Cr entmischt waehrend der Auslagerung bei 580 C in zwei Phasen: #gamma#_1-Matrix und #gamma#_2-Ausscheidungen. Die Entmischung bewirkt eine deutliche Erhoehung der statischen Festigkeit. Der Einfluss der Entmischung auf das fuer die Anwendung in der Praxis wichtigere Ermuedungsverhalten der Legierung scheint jedoch kompliziert zu sein. Untersuchungsergebnisse an aehnlichen Legierungen deuten auf umgebungsabhaengige Ermuedungsmechanismen hin. Daraufhin wurde der Umgebungseinfluss auf die Kleinrissausbreitung und Lebensdauer von Cu-33,8%Ni-3,4%Cr sowohl im homogenisierten als auch im maximal ausgehaerteten Zustand untersucht. Die Untersuchung erfolgte in drei unterschiedlichen Umgebungsatmosphaeren: Luft, Argon-Wasserstoff-Gemisch, und Argon. Die erzielten Ergebnisse werden in dieser Arbeit vorgestellt. (orig.)Reprinted from: Mat.-wiss. u. Werkstofftech. (1993) v. 24 p. 432-439Available from TIB Hannover: RA 3251(93/E/102) / FIZ - Fachinformationszzentrum Karlsruhe / TIB - Technische InformationsbibliothekSIGLEDEGerman