Abstract
Fatigue failure of a component can occur at service loads considerably lower than the yield strength of the material. Under fatigue loading condition, the material in the vicinity of the tip of a propagating crack repeatedly deforms plastically, leaving microscopic marks on the crack surface, commonly known as fatigue striations. Counting and measuring fatigue striations is a method in estimating the number of loading cycles a component went through until fracture. Some studies suggest a one-to-one relation between the number of fatigue striations and the number of load cycles, but this relation is still debatable, given that there are many factors influencing the formation of those striations. The main purpose of this work is to analyze the influence of microstructure and mechanical strength on the formation of fatigue striations in structural steels, in order to understand how these material properties are related to the fatigue crack behavior. For such, standard Charpy-V samples were subjected to hardness, fatigue and impact testing. Metallography was performed to characterize the microstructure, and a fractographic analysis by using optical and scanning electron microscopy was carried out to investigate the fracture surface. This study shows that steels with higher ductility have a closer one-to-one relation than those with a higher tensile strength. Above a certain level of tensile strength, fatigue striations do form rarely or completely disappear.
Kurzfassung
Weit unterhalb der Streckfestigkeit des Werkstoffs kann es durch Schwingbruch zum Bauteilversagen kommen. Unter Schwingbeanspruchung wird der Werkstoff in der Nähe der Spitze eines sich ausbreitenden Risses wiederholt plastisch verformt. Dabei entstehen allgemein als Schwingstreifen bekannte mikroskopische Spuren. Das Zählen und Vermessen von Schwingstreifen ist ein Verfahren zum Schätzen der Anzahl von Belastungszyklen, denen ein Bauteil bis zum Bruch ausgesetzt war. Einige Studien legen hier eine 1 : 1-Beziehung zwischen der Anzahl von Schwingstreifen und der Anzahl von Lastspielen nahe. Dies erscheint angesichts der zahlreichen, die Bildung solcher Streifen beeinflussenden Faktoren allerdings fraglich. Hauptziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Auswirkungen des Gefüges und der mechanischen Festigkeit auf die Bildung von Schwingstreifen in Baustählen, um Zusammenhänge zwischen diesen Werkstoffeigenschaften und dem Schwingbruchverhalten verstehen zu können. Dafür wurden an Standard-Charpy-V-Proben Härte- sowie Schwing- und Schlagprüfungen durchgeführt. Zur Gefügecharakterisierung wurden die Proben metallographisch untersucht. Die Bruchfläche wurde zur Analyse fraktographisch licht- und rasterelektronenmikroskopisch untersucht. Die vorliegende Untersuchung zeigt dabei auf, dass Stähle mit einer höheren Duktilität näher an eine solche 1 : 1-Beziehung herankommen als solche mit einer höheren Zugfestigkeit. Oberhalb einer bestimmten Zugfestigkeit bilden sich selten oder gar keine Schwingstreifen.
References
[1] Liu, F.; Lin, X.; Yang, H.; Wen, X.; Li, Q.; Liu, F.; Huang, W.: Effect of microstructure on the fatigue crack growth behavior of laser solid formed 300M steel. Materials Science & Engineering A 2017; 695: 258–64. DOI: 10.1016/j.msea.2017.04.001Search in Google Scholar
[2] Yue, Y.; Dai, L.Y.; Zhong, H.; Zhang, X.Y.; Liang, S.X.; Ma, M.Z.; Liu, R.P.: Effect of microstructure on high cycle fatigue behavior of Ti-20Zr-6.5Al-4V alloy. Journal of Alloys and Compounds 2017; 696: 663–69. DOI: 10.1016/j.jallcom.2016.11.303Search in Google Scholar
[3] ASM Handbook. Failure Analysis and Prevention. United States of America: ASM International; v. 11, 2002.Search in Google Scholar
[4] Shyam, A.; Lara-Curzio, E.: A model for the formation of fatigue striations and its relationship with small fatigue crack growth in an aluminum alloy. International Journal of Fatigue2010; 32: 1843–52. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2010.05.005Search in Google Scholar
[5] Connors, W.: Fatigue Striation Spacing Analysis. Materials Characterization1994;33: 245–53. DOI: 10.1016/1044-5803(94)90046-9Search in Google Scholar
[6] Bulloch, J.H.; Callagy, AG.: A detailed study of the relationship between fatigue crack growth rate and striation spacing in a range of low alloy ferritic steels. Engineering Failure Analysis2010;17: 168–78. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2009.04.028Search in Google Scholar
[7] Shao, C.W.; Shi, F.; Li, X.W.: Influence of cyclic stress amplitude on mechanisms of deformation of a high nitrogen austenitic stainless steel. Materials Science & Engineering A2016; 667: 208–16. DOI: 10.1016/j.msea.2016.05.007Search in Google Scholar
[8] Gao, P.F.; Lei, Z.N.; Li, Y.K.; Zhan, M.: Low-cycle fatigue behavior and property of TA15 titanium alloy with tri-modal microstructure. Materials Science & Engineering A2018; 736: 1–11. DOI: 10.1016/j.msea.2018.08.080Search in Google Scholar
[9] Li, S.; Kang, Y.; Kuang, S.: Effects of microstructure on fatigue crack growth behavior in cold-rolled dual phase steels. Materials Science & Engineering A2014; 612: 153–61. DOI: 10.1016/j.msea.2014.06.002Search in Google Scholar
[10] Verma, P.; Srinivas, N.C.S.; Singh, S.R.; Singh, V.: Low cycle fatigue behavior of modified 9Cr-1Mo steel at room Temperature. Materials Science & Engineering A2016; 6520111111: 30–41. DOI: 10.1016/j.msea.2015.11.060Search in Google Scholar
[11] Fang, X.Y.; Zhao, Y.X.; Liu, H.W.: Study on fatigue failure mechanism at various temperatures of a high-speed railway wheel steel. Materials Science & Engineering A2017; 696: 299–314. DOI: 10.1016/j.msea.2017.04.042Search in Google Scholar
[12] Lynch, S.: Some fractographic contributions to understanding fatigue crack growth. International Journal of Fatigue2017; 104: 12–26. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2017.06.036Search in Google Scholar
[13] McEvily, A.J.; Velazquez, G.: Fatigue Crack Tip Deformation Processes as Influenced by the Environment. Metallurgical Transactions A1992; 23: 2211–21. DOI: 10.1007/BF02646014Search in Google Scholar
[14] Zheng, Z.; Yuan, S.; Sun, T.; Pan, S.: Fractographic study of fatigue cracks in a steel car wheel. Engineering failure Analysis2015; 47: 199–207. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2014.09.010Search in Google Scholar
[15] Li, Z.; Han, J.; Li, W.; Pan, L.: Low cycle fatigue behavior of Cr-Mo-V low alloy steel used for railway brake discs. Materials and Design2015; 56: 146–57. DOI: 10.1016/j.matdes.2013.10.093Search in Google Scholar
[16] Liu, F.; Lin, X.; Yang, H.; Wen, X.; Li, Q.; Liu, F.; Huang, W.: Effect of microstructure on the fatigue crack growth behavior of laser solid formed 300M steel. Materials Science & Engineering A2017; 695: 258–64. DOI: 10.1016/j.msea.2017.04.001Search in Google Scholar
[17] Wang, B.; Zhang, P.; Duan, Q.Q.; Zhang, Z.J.; Yang, H.J.; Pang, J.C.; Tian, Y.Z.; Li, X.W.; Zhang, Z.F.: Synchronously improved fatigue strength and fatigue crack growth resistance in twinning-induced plasticity steels. Materials Science & Engineering A2018; 711: 533–42. DOI: 10.1016/j.msea.2017.11.074Search in Google Scholar
[18] Hershko, E.; Mandelker, N.; Gheorghiu, G.; Sheinkopf, H.; Cohen, I.; Levy, O.: Assessment of fatigue striation counting accuracy using high resolution scanning electron microscope. Engineering Failure Analysis2008; 15: 20–7. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2007.01.005Search in Google Scholar
[19] Williams, J.J.; Yazzie, K.E.; Phillips, N.C.; Chawla, N.; Xiao, X.; Carlo, F.; Iyyer, N.; Kittur, M.: On the correlation between fatigue striation spacing and crack growth rate: a three-dimensional (3-D) X-ray Synchrotron Tomography study. Metallurgical and Materials Transactions A2011; 42: 3845–48. DOI: 10.1007/s11661-011-0963-xSearch in Google Scholar
[20] DIN EN 10083 - 3. Vergütungsstähle – Teil 3: Technische Lieferbedingungen für ligierte Stähle; Deutsche Fassung EN 10083 - 3: 2006. Deutsches Institur für Normung; 2006.Search in Google Scholar
[21] DIN EN ISO 148 - 1. Metallische Werkstoffe - Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy – Teil 1: Prüfverfahren; Deutsche Fassung EN ISO 148 - 1: 2016. Deutsches Institur für Normung; 2016.Search in Google Scholar
[22] DIN EN ISO 18265. Metallische Werkstoffe - Umwertung von Härtewerten; Deutsche Fassung EN ISO 18265: 2003. Deutsches Institur für Normung; 2004.Search in Google Scholar
[23] Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung. Arbeitsgemeinschaft Fraktographie – Datenbank Fraktographie. Available in: https://www.fraktographie.bam.de; fraktographie@bam.deSearch in Google Scholar
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