Recent progress in understanding environment assisted fatigue crack growth

Abstract

Metal fatigue has been well recognized as an important cause for failure of engineering structures. In most applications, fatigue damage results from the conjoint actions of the cyclically applied stress and the external (chemical) environment, and is therefore time dependent. Understanding of this load-environment interaction is essential to the formulation of rational life prediction procedures and to the development of realistic materials evaluation and qualification tests.

Research over the past 15 years has led to the suggestion that the rate of fatigue crack growth in an aggressive environment, (da/dN)_e, is the sum of three components—the rate of fatigue crack growth in an inert environment, (da/dN)_r, which represents the contribution of “pure” fatigue, a cycle-dependent component, (da/dN)_cf, that requires the synergistic interaction of fatigue and environmental attack, and the contribution by sustained-load crack growth (i.e., stress corrosion cracking) at K levels above K _Iscc, (da/dN)_scc. Recent fracture mechanics and surface chemistry studies have provided a clearer understanding of the cycle-dependent term, and, hence, a more complete understanding of environment assisted fatigue crack growth. (da/dN)_cf results from the reaction of the environment with fresh crack surfaces produced by fatigue, and is a function of the extent of reaction during one loading cycle. For highly reactive alloy-environment systems, this contribution depends also on the rate of transport of the aggressive environment to the crack tip. The experimental basis and the development of models for transport and surface reaction controlled fatigue crack growth are reviewed. Interpretation of the effects of partial pressure of the aggressive environment and cyclic load frequency in terms of surface reaction and transport processes is discussed. Implications in terms of service performance and life prediction procedures are considered.

Résumé

La fatigue des métaux a été reconnue comme une cause importante de rupture des structures métalliques. Dans la plupart des applications, le dommage par fatigue résulte de l'action conjointe d'une contrainte appliquée de manière cyclique et d'un environnement extérieur (chimique). Dès lors, elle dépend du temps. Il est essentiel de comprendre les interactions contrainte/environnement pour la formulation de procédure de prédiction de vie résiduelle et pour le développement d'évaluation et d'essai de qualification réaliste pour l'étude des matériaux.

Les recherches entreprises au cours des 15 dernières années ont conduit à suggérer que la vitesse de propagation d'une fissure de fatigue dans un environnement agressif (da/dN) résulte de trois composants: la vitesse de propagation d'une fissure de fatigue dans un environnement inerte, qui représente la contribution de la fatigue pure, une composante dépendant de l'alternance et qui exprime l'interaction synergétique de la fatigue et de l'attaque provoquée par l'environnement, et une contribution d'une croissance de fissure sous charge constante (c.à.d. fissuration sous corrosion sous tension) à un niveau K supérieur à K _Isc. Les études récentes de mécanique de rupture et de chimie de surface ont fourni une compréhension plus claire du terme dépendant de l'alternance et dés lors, une explication plus compllète de la croissance d'une fissure de fatigue en présence d'un environnement. La composante dépendant de l'alternance résulte de la réaction de l'environnement à une surface de fissuration fraiche produite par la fatigue et est fonction de l'étendue de la réaction au cours d'un seul cycle de sollicitation. Dans le cas de systèmes alliage-environnement hautement réactifs, cette contribution dépend également de la vitesse de transport de l'environnement agressif à l'extrémité de la fissure. La base expérimentale et le développement de modèles pour le transport et la croissance d'une fissure de fatigue contrôlée sous l'effet des réactions de surface ont été passés en revue. Une interprétation des effets d'une pression partielle de l'environnement agressif ainsi que de la fréquence des cycles de sollicitation est discutée en terme de réactions de surface et de processus de transfert. Les implications que ces conclusions présentent sur la performance en service et les procédures de prédiction de vue sont discutées.