Life and fracture in very high cycle fatigue of a high strength steel

• Main Author: Karlsson, Daniel
• Format: Others
• Language: English
• Published: Karlstads universitet, Institutionen för ingenjörsvetenskap och fysik (from 2013) 2021
• Subjects: Very high cycle fatigue; VHCF; Fractography; Fine granular area; FGA; High strength tool steel; Ultrasonic testing equipment; Metallurgy and Metallic Materials; Metallurgi och metalliska material
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kau:diva-86135

Classical fatigue models teach that there is an intrinsic fatigue limit for steels, representing a level of stress that is too low for regular crack growth where every cyclic load propagates a fatigue crack through the material. Modern application with extreme lifetimes has shown that fatigue will still take place in steels with stress levels well below the expected fatigue limit. This relatively new area of study has been named Very High Cycle Fatigue, or VHCF, and describes fatigue failures with a number of load cycles exceeding 107. Fractography of steels that has suffered VHCF tends to reveal an especially rough crack surface adjacent to where the fatigue crack originates, which is typically some form of defect in the bulk of the steel. This area is believed to be critical for VHCF and has been referred to in a number of ways by different studies, but will herein be called Fine Granular Area, or FGA. The aim of this study is to try and get a better understanding of VHCF. This was done by fractography analysis of test specimens of high strength tool steel that suffered fatigue failure at lifetimes ranging from about 106 cycles to 1,9x109 cycles. The lower lifetimes were achieved using hydraulic testing equipment, while the specimens in the VHCF range suffered fatigue failure in ultrasonic testing equipment allowing the application of a cyclic stress at a rate of 20 000 Hz. The resulting fracture surfaces were then investigated using a scanning electron microscope, or SEM, taking special note of the fatigue initiating defects and, in the case of VHCF, the rough area found adjacent to it. In combination with the SEM an elemental analysis of the fatigue initiating defects as well as the bulk of the material was done using energy-dispersive X-ray spectroscopy, or EDS. This was done to find out what the defects consisted of; confirming that they were slags and checking that the composition of the material of the bulk of the specimen matches what was expected. Using light optical microscopy in combination with acid etching of the surface of samples cut out of the test specimens the structure of the steel was investigated. Calculating the local stresses at the location of the fatigue initiating defect was done using FEM in combination with displacement amplitude gathered from the ultrasonic testing equipment. The data gathered was then measured and compared to that of previous studies, using models of prediction and seeing how they match the experimental results. The results suggest that the stress intensity factor at the internal slags is critical for VHCF and that with lower stress intensity factors one can expect longer lifetimes. Another observation is a relatively consistent stress intensity factor at the edge of the FGA combined with the original defect, likely signifying the transition from the creation of FGA to traditional crack propagation. There also seems to be a connection between the size of the FGA and the number of cycles to failure, with larger FGA with increasing lifetimes. The most glaring shortcoming of this study is the amount satisfactory tests conducted, and thus amount of data points, is very low due to the majority of specimens suffered failure at the threading used to connect them to the ultrasonic testing equipment at lifetimes far too low to be relevant. === Klassiska utmattningsmodeller lär ut att det finns en utmattningsgräns för stål, vilket representerar en spänningsnivå som är för låg för regelbunden sprickväxt där varje cyklisk belastning sprider en utmattningsspricka genom materialet. Moderna applikation med extrema livstider har visat att utmattning fortfarande äger rum i stål med spänningsnivåer långt under den förväntade utmattningsgränsen. Detta relativt nya studieområde har fått namnet Very High Cycle Fatigue, eller VHCF, och beskriver utmattningsfall med ett antal belastningscykler som överstiger 107. Fraktografi av stål som har drabbats av VHCF tenderar att ha en särskilt gropig sprickyta som ligger intill där utmattningssprickan har sitt ursprung, vilket typiskt är någon form av defekt i stålets bulk. Detta område tros vara kritiskt för VHCF och har hänvisats till på ett antal sätt av olika studier, men kommer här att kallas Fine Granular Area eller FGA. Syftet med denna studie är att försöka få en bättre förståelse för VHCF. Detta gjordes genom fraktografianalys av testprover av verktygsstål med hög hållfasthet som drabbades av utmattningsbrott vid livstider från cirka 106 cykler till 1,9x109 cykler. De lägre livslängderna uppnåddes med hjälp av hydraulisk testutrustning, medan proverna i VHCF-området drabbades av utmattningsbrott i ultraljudstestutrustning som klarar att applicera en cyklisk stress med en frekvens på 20 kHz. De resulterande sprickytorna undersöktes sedan med hjälp av ett svepelektronmikroskop, eller SEM, med särskild fokus på utmattningsinitierande defekter och, i fallet med VHCF, det grova området som hittades intill det, FGA. I kombination med SEM utfördes en elementanalys av utmattningsinitierande defekter liksom huvuddelen av materialet med energidispersiv röntgenspektroskopi, eller EDS. Detta gjordes för att ta reda på vad inneslutningarna bestod av för att bekräfta att de var slagg samt kontrollera att sammansättningen av materialet i huvuddelen av provet matchar det som förväntades. Med användning av optisk ljusmikroskopi i kombination med syraetsning av ytan på prover som skars ut ur testproverna undersöktes stålets struktur. Beräkning av de lokala spänningarna på platsen för den utmattningsinitierande defekten gjordes med hjälp av FEM i kombination med förskjutningsamplituden som samlats från ultraljudsutrustningen. De insamlade uppgifterna mättes sedan och jämfördes med tidigare studier genom att använda diverse modeller och se hur de matchar de experimentella resultaten. Resultaten antyder att stressintensitetsfaktorn vid inneslutningarna är kritisk för VHCF och att man med lägre stressintensitetsfaktorer kan förvänta sig längre livstid. En annan observation är en relativt konsekvent stressintensitetsfaktor vid kanten av FGA, vilket sannolikt markerar övergången från skapandet eller utbredning av FGA till traditionell sprickutbredning. Det verkar också finnas en koppling mellan storleken på FGA och antalet cykler till fel, med större FGA med ökande livslängd. Den mest uppenbara bristen i denna studie är mängden tillfredsställande tester som genomförts. Därmed är mängden datapunkter mycket låg, detta på grund av att majoriteten av proverna misslyckades vid gängningen som användes för att ansluta dem till ultraljudstestutrustningen vid livstider alltför låga för att vara relevanta.