The early stage of fatigue crack growth in martensitic steel

Abstract

In low ductility and high strength steels, the early stage fatigue behavior associated with non-metallic inclusions is a highly localized phenomenon near the inclusions. However, the nature of the fatigue crack initiation process is not clear. In this paper, a special emphasis is placed on the possible differences in the mechanism of initiation and the early growth of fatigue cracks between a martensitic steel and ordinary ductile materials.

The poor adhesion between matrix and aluminum oxide inclusion leads to the formation of an inclusion pit which serves as a simple stress raiser. The fatigue crack originates at the periphery of this inclusion pit at an angle of 45 degrees to the principal stress direction. Metallurgical and micro-fractographical observations revealed that the initiation and early growth of fatigue cracks from non-metallic inclusion are of the shear rather than the tensile mode. Thus, it is concluded that, though the fatigue process is quite localized in the vicinity of inclusion, the mechanism for an initiation and early growth of fatigue cracks is essentially the same as that for ductile materials. The effects of metallurgical heterogeneities in the martensite, such as the prior austenite grain boundaries, packets, and plates on the initiation and early growth of the cracks, are also discussed from the mechanical-metallurgical viewpoint.

Résumé

Dans les aciers à faible ductilité et à haute résistance, le comportement à la fatigue au cours des premiers stades du phénomène est associé aux inclusions non métalliques et présente un caractère hautement localisé au voisinage de l'inclusion. Cependant, la nature du processus d'initiation d'une fissure de fatigue n'est pas claire. Dans ce mémoire, l'accent à été placé sur des différences que l'on peut rencontrer dans le mécanisme d'amorçage et dans le début de la croissance des fissures de fatigue entre un acier martensitique et des matériaux de ductilité normale.

La faible liaison existant entre la matrice et une inclusion d'oxyde d'aluminium conduit à la formation d'une singularité associée à l'inclusion qui détermine une croissance de la contrainte. La fissure de fatigue prend naissance à la périphérie de cette singularité à un angle de 45° par rapport à la direction de la contrainte principale. Les observations métallurgiques et micro-fractographiques ont révélé que l'amorçage et le début de croissance des fissures de fatigue à partir d'inclusions métalliques relèvent du cisaillement plutôt que de la traction simple. On conclut donc que, bien que le processus de fatigue est entièrement localisé au voisinage d'une inclusion, le mécanisme d'amorçage et de début de croissance d'une fissure de fatigue est essentiellement le même que dans un matériau ductile. L'effet d'hétérogénéités métallurgiques dans la martensite, tel que les frontières du grain austénitique primaire, les empilements et les plaquettes, peuvent être considérés sur l'amorçage et le début de croissance des fissures de fatigue; ce point est également discuté au point de vue mécanique et métallurgique.