The effect of water vapor on fatigue crack tip stress and strain range distribution and the energy required for crack propagation in low-carbon steel

Abstract

The formation of a subgrain structure by the passage of a fatigue crack in low-carbon steel has been detected by backscattered electron imaging in the SEM. The distribution of subgrain sizes has been measured as a function of cyclic stress intensity and environment, and from this data the cyclic stress and strain range distributions have been determined, as has the energy dissipated during propagation of the fatigue crack. These results are compared to theoretical and other experimental findings. The energy equivalent (per unit area of incremental crack advance) of the environment is found to be 10⁶ times the surface energy of iron. In an inert environment, the maximum cyclic stress range developed at the crack tip is found to be approximately 2.3 times the yield stress, independent of cyclic stress intensity. Water vapor effectively lowers this stress range, and causes it to assume a dependence upon cyclic stress intensity.

Résumé

En faisant apparaître les électrons rétrodispersés lors de l'analyse scanning-microscope, on a détecté la formation d'une structure de sous-grain lors du passage d'une fissure de fatigue dans un acier à bas carbone. La distribution des tailles de sous-grain a été mesurée en fonction de l'intensité de contraînte cyclique et de l'environnement et à partir de ces données on a déterminé la contrainte cyclique et la distribution des amplitudes de déformation ainsi que l'énrgie dissipée lors de la propagation d'une fissure de fatigue. Ces résultats ont été comparés avec des données théoriques et expérimentales en provenance d'autres sources. L'énergie équivalente par unité de surface de croissance unitaire de la fissure correspondant à un environnement déterminé a été trouvée être 10⁶ fois l'énergie de surface du fer. Dans un environnement inerte, l'amplitude de contrainte cyclique maximum développée à l'extrémité d'une fissure se trouve être approximativement 2, 3 fois la limite élastique et ce indépendamment de l'intensité de la contrainte cyclique. La vapeur d'eau affecte de manière effective cette amplitude de contrainte et conduit à supposer une dépendance sur l'intensité de contrainte cyclique.