Advantageous Description of Short Fatigue Crack Growth Rates in Austenitic Stainless Steels with Distinct Properties

In this work two approaches to the description of short fatigue crack growth rate under large-scale yielding condition were comprehensively tested: (i) plastic component of the J-integral and (ii) Polak model of crack propagation. The ability to predict residual fatigue life of bodies with short initial cracks was studied for stainless steels Sanicro 25 and 304L. Despite their coarse microstructure and very different cyclic stress-strain response, the employed continuum mechanics models were found to give satisfactory results. Finite element modeling was used to determine the J-integrals and to simulate the evolution of crack front shapes, which corresponded to the real cracks observed on the fracture surfaces of the specimens. Residual fatigue lives estimated by these models were in good agreement with the number of cycles to failure of individual test specimens strained at various total strain amplitudes. Moreover, the crack growth rates of both investigated materials fell onto the same curve that was previously obtained for other steels with different properties. Such a "master curve" was achieved using the plastic part of J-integral and it has the potential of being an advantageous tool to model the fatigue crack propagation under large-scale yielding regime without a need of any additional experimental data

Short Crack Growth in Materials for High Temperature Applications

Pokročilá vysoce legovaná austenitická nerezová ocel Sanicro 25 s Fe-Ni-Cr matricí byla studována za podmínek nízkocyklové únavy za pokojové a vysoké teploty 700 °C. Široká škála moderních experimentálních technik byla použita ke studiu vzájemně souvisejících efektů chemického složení slitiny, mikrostrukturních změn a deformačních mechanismů, které určují odolnost materiálu vůči poškození. Hlavní úsilí bylo zaměřeno na studium iniciace únavových trhlin a růstu krátkých trhlin, tedy dvě stádia, která hrají zásadní roli ve výsledné celkové délce únavového života materiálu v provozu. • Vnitřní deformační mechanismy byly korelovány s vývojem povrchového reliéfu, který je pozorován ve formě persistentních skluzových stop na povrchu. Bylo zjištěno, že vysoce planární charakter dislokačního skluzu způsobuje vysokou lokalizaci cyklické plastické deformace do persistentních skluzových pásů, což v důsledku vede k nukleaci “Stage I” trhlin, která je spojena s přítomností persistentních skluzových stop na povrchu ve všech studovaných vzorcích. Bylo zjištěno, že praskání dvojčatových hraníc je taktéž spojeno s přítomností persistentních skluzových stop podél povrchové stopy dvojčatové roviny. • Interkrystalická iniciace únavové trhliny byla pozorována pouze zřídka, a to za podmínek zatěžování amplitudami vysoké deformace. Bylo zjištěno že interkrystalická iniciace je spojena s přítomností persistentních skluzových stop na hranicích zrn. Hranice zrn praskají za podmínek externího tahového zatížení zejména z důvodu vysokého počtu nekompatibilit na hranicích zrn, které jsou způsobené tvarem persistentních skluzových stop. • Mechanismy růstu přirozených krátkých trhlin byly studovány na vzorcích vystavených nízkocyklove únava s nízkou i vysokou deformací. Role mikrostruktury byla analyzována pomocí experimentálních technik a diskutována. • Rychlosti šíření nejdelších trhlin byly měřeny na vzorcích s mělkým vrubem. Výsledky byly analyzovány použitím přístupů lomové mechaniky založených na amplitudě KI a J-integrálu stejně jako na amplitudě plastické deformace. Všechny přístupy byly diskutovány v souvislosti s Mansonovými-Coffinovými křivkami únavové životnosti. Jednoduchý mocninový zákon růstu krátkých trhlin založený na amplitudě plastické deformace ukazuje velice dobrou korelaci se zákonem únavové životnosti. • Byla studována role oxidace v podmínkách cyklického zatěžování za vysokých teplot. Bylo zjištěno, že křehké praskání zoxidovaných hranic zrn hraje hlavní roli v počátečních stádiích nukleace trhlin. Později po iniciaci se dráha růstu trhliny mění preferenčně na transkrystalickou. Dráha šíření trhlin je velmi podobná dráze zjištěné při cyklování za pokojové teploty

Short Crack Growth in Materials for High Temperature Applications

Pokročilá vysoce legovaná austenitická nerezová ocel Sanicro 25 s Fe-Ni-Cr matricí byla studována za podmínek nízkocyklové únavy za pokojové a vysoké teploty 700 °C. Široká škála moderních experimentálních technik byla použita ke studiu vzájemně souvisejících efektů chemického složení slitiny, mikrostrukturních změn a deformačních mechanismů, které určují odolnost materiálu vůči poškození. Hlavní úsilí bylo zaměřeno na studium iniciace únavových trhlin a růstu krátkých trhlin, tedy dvě stádia, která hrají zásadní roli ve výsledné celkové délce únavového života materiálu v provozu. • Vnitřní deformační mechanismy byly korelovány s vývojem povrchového reliéfu, který je pozorován ve formě persistentních skluzových stop na povrchu. Bylo zjištěno, že vysoce planární charakter dislokačního skluzu způsobuje vysokou lokalizaci cyklické plastické deformace do persistentních skluzových pásů, což v důsledku vede k nukleaci “Stage I” trhlin, která je spojena s přítomností persistentních skluzových stop na povrchu ve všech studovaných vzorcích. Bylo zjištěno, že praskání dvojčatových hraníc je taktéž spojeno s přítomností persistentních skluzových stop podél povrchové stopy dvojčatové roviny. • Interkrystalická iniciace únavové trhliny byla pozorována pouze zřídka, a to za podmínek zatěžování amplitudami vysoké deformace. Bylo zjištěno že interkrystalická iniciace je spojena s přítomností persistentních skluzových stop na hranicích zrn. Hranice zrn praskají za podmínek externího tahového zatížení zejména z důvodu vysokého počtu nekompatibilit na hranicích zrn, které jsou způsobené tvarem persistentních skluzových stop. • Mechanismy růstu přirozených krátkých trhlin byly studovány na vzorcích vystavených nízkocyklove únava s nízkou i vysokou deformací. Role mikrostruktury byla analyzována pomocí experimentálních technik a diskutována. • Rychlosti šíření nejdelších trhlin byly měřeny na vzorcích s mělkým vrubem. Výsledky byly analyzovány použitím přístupů lomové mechaniky založených na amplitudě KI a J-integrálu stejně jako na amplitudě plastické deformace. Všechny přístupy byly diskutovány v souvislosti s Mansonovými-Coffinovými křivkami únavové životnosti. Jednoduchý mocninový zákon růstu krátkých trhlin založený na amplitudě plastické deformace ukazuje velice dobrou korelaci se zákonem únavové životnosti. • Byla studována role oxidace v podmínkách cyklického zatěžování za vysokých teplot. Bylo zjištěno, že křehké praskání zoxidovaných hranic zrn hraje hlavní roli v počátečních stádiích nukleace trhlin. Později po iniciaci se dráha růstu trhliny mění preferenčně na transkrystalickou. Dráha šíření trhlin je velmi podobná dráze zjištěné při cyklování za pokojové teploty.: Advanced highly-alloyed austenitic stainless steel Sanicro 25 based on Fe-Ni-Cr matrix was studied under the conditions of low cycle fatigue at room temperature and at elevated temperature of 700 °C. Several state-of-the-art experimental techniques were used to investigate the mutual effects of alloy composition, microstructural changes and deformation mechanisms, which determine the overall damage resistance of the material. The main effort has been focused on the fatigue crack initiation and the short crack growth, two stages which play an essential role in the resulting fatigue life of the material in the service. • The internal deformation mechanisms were correlated with the evolution of the surface relief in the form of persistent slip markings. It was found that the high planar character of the dislocation slip causes the high cyclic plastic strain localization into the persistent slip bands and thus the early Stage I crack nucleation associated with the presence of the persistent slip markings in all studied samples. The twin boundary cracking was found to be related to the presence of the persistent slip marking along the surface trace of twin boundary as well. • The intergranular crack initiation was observed only rarely at high strain amplitude loading. It was found to be related to the presence of the persistent slip markings at the grain boundary. Owing to high number of local incompatibilities at the grain boundary caused by the shape of the persistent slip markings the grain boundary cracks under the external tensile loading. • The crack growth mechanisms of natural short cracks were studied on the samples subjected both to low and high strain amplitude cycling. The role of microstructure was analysed using experimental techniques and discussed. • The crack growth rates of the longest cracks were measured on the samples with a shallow notch. The results were analysed using the fracture mechanics approaches based both on amplitude of KI and of J-integral as well as on the plastic strain amplitude. All approaches were discussed in the relation to the Manson-Coffin fatigue life curve. The simple power law of the short crack growth based on the plastic strain amplitude shows very good correlation to the fatigue life law. • In the case of cycling at elevated temperature the role of oxidation was studied. The brittle cracking of the oxidized grain boundaries was found to play a major role in the early stages of crack nucleation. Later the crack growth path changes to be preferentially transgranular. The crack growth path is very similar to that studied in room temperature cycling.

Early damage and fatigue crack initiation at ambient and elevated temperatures in heat resistant austenitic steel

Fatigue damage at ambient and at elevated temperature has been studied in advanced heat resistant austenitic steel. Cylindrical specimens were subjected to constant strain rate cycling and cycling with dwell in the tensile part of the cycle with different strain amplitudes. Surface relief evolution and initiation of surface and internal cracks were studied using high resolution SEM, FIB cutting, EBSD analysis, foil preparation and STEM imaging

Early damage and fatigue crack initiation at ambient and elevated temperatures in heat resistant austenitic steel

Fatigue damage at ambient and at elevated temperature has been studied in advanced heat resistant austenitic steel. Cylindrical specimens were subjected to constant strain rate cycling and cycling with dwell in the tensile part of the cycle with different strain amplitudes. Surface relief evolution and initiation of surface and internal cracks were studied using high resolution SEM, FIB cutting, EBSD analysis, foil preparation and STEM imaging