The kinetics of subcritical crack growth under sustained loading

Abstract

The kinetics of subcritical crack growth under sustained loading for an AISI 4340 steel tempered at 400°F in distilled water were determined. Crack growth experiments were carried out over a range of temperatures from 10–75°C, using the crack tip stress intensity factor, K, to characterize the mechanical driving force. Results show that crack growth in distilled water is controlled by a thermally activated process with apparent activation energies that depend on K. Crack growth occurred only above a threshold K level with growth rates showing a strong K dependence at lower values of K and attaining constant, rate limiting values at higher K levels. The rate limiting velocities correspond to an apparent activation energy of 8000±1000 cal/mole, in essential agreement with values reported for crack growth in similar steels. This apparent activation energy corresponds to that for hydrogen permeation in AISI 4340 steel and lends further support to the concept that the rate limiting process for crack growth in high strength steels in water is that of hydrogen permeation into the crack-tip region. Because of the differences in the apparent activation energies for crack growth in water and in gaseous hydrogen, the rate limiting step in the permeation process still needs to be defined.

Résumé

On a détermine la cinétique de la croissance subcritique des fissures sous charge constante dans l'eau distillée pour un acier AISI 4340 revenu à 400°F.

Les essais de propagation de fissure ont été exécutés dans une gamme de températures comprise entre 10 et 75°C, les efforts étant caractérisés par le facteur K d'intensité des contraintes à l'extrémité de la fissure.

Les résultats démontrent que la croissance de la fissure dans l'eau distillée est régie par un processus d'activation thermique, dont les énergies d'activation apparente dépendent de K. La propagation de la fissure ne se produit que lorsque K dépasse un certain seuil; les vitesses de propagation dépendent fortement de K à ses niveaux les moins elevés au-dessus de ce seuil, mais tendent vers une valeur limite constante lorsque K est important. Cette vitesse limite correspond à une énergie d'activation apparente de 8000±1000 cal/môle, ce qui est en accord avec les valeurs que l'on a trouvées pour la propagation des fissures dans des aciers similaires.

Cette énergie d'activation correspond à celle qui est nécessaire pour la diffusion de l'hydrogène dans l'acier AISI 4340. Ceci constitue un argument supplémentaire en faveur du concept suivant lequel la vitesse de croissance des fissures dans les aciers à haute résistance en présence d'eau est limitée par un processus de diffusion de l'hydrogène dans la région de l'extrémité de la fissure.

Zusammenfassung

Die Kinetik der subkritischen Rißausbreitung bei konstanter Belastung in distilliertem Wasser wird für ein Stahl AISI 4340, der auf 400°F Wärme behandelt wurde, aufgestellt.

Die Rißausbreitungsversuche wurden, unter Verwendung des Spannungsintensitätfaktors K an der Spitze des Risses zur Charakterisierung der mechanischen Fortbewegungskraft, in einem Temperaturbereich von 10 bis 75°C ausgeführt.

Die Ergebnisse zeigen daß die Ausbreitung des Risses im distillierten Wasser durch ein thermisches Beschleunigungsverfahren regiert wird, wo die Beschleunigungsenergie von K abhängt. Rißausbreitung kann nur über einem gewissen Niveau der Höhe von K zu stande kommen mit Rißausbreitungsgeschwindigkeiten die stark von K abhängen für die Werte die nahe über diesem Niveau liegen, die aber einen Konstanten Oberwert anstreben für höhere Werte von K.

Diesem Oberwert der Geschwindigkeit gehört eine Beschleunigungsenergie von 8000±1000 Kal/mole an was mit den Werten die man für ähnliche Stähle gefunden hat übereinstimmt.

Diese Beschleunigungsenergie ist die gleiche wie die, die zur Diffusion von Wasserstoff in Stahl AISI 4340 nötig ist. Dies ist ein zusätzliches Argument zur Annahme daß die Rißausbreitungsgeschwindigkeit für Stähle, mit hoher Bruchlast, im Wasser durch ein Diffusionsverfahren vom Wasserstoff in der Gegend der Spitze des Risses begrenzt wird.