Effect of Hardness on Fatigue Crack Propagation Behavior in [Ferrite/Bainite] Hybrid Materials

Abstract

We have examined fatigue crack propagation behavior in the [ferrite/bainite] Hybrid materials with different hardness under a constant stress intensity factor range. It was found that crack propagation in the ferrite phase decelerated with reaching to the [ferrite/bainite] interface, probably due to supression of plastic deformation at the crack tip. This suppression tendency of the crack propagation became higher when hardness difference between ferrite and bainite was larger. In the case with the highest hardness difference, fatigue crack did not pass through the [ferrite/bainite] interface. Lower crack propagation rate was also found in the bainite which showed higher work softening due to crack propagation.

Evaluation of Fatigue Crack Initiation and Propagation Properties of Structural Steels with Different Cyclic Softening Behavior Based on Local Strain

“…Crack opening/closing behavior of fatigue cracks and fatigue crack propagation path Steels with a high cyclic softening rate, such as Steel C, have been confirmed to promote crack closure and delay fatigue crack propagation 26,27,39) . Additionally, studies showed that in steel materials with a composite structure, the fatigue crack propagation rate decreased due to the bending and branching of the crack-propagation path at the structure boundaries [14][15][16][17][18][19][20][21][22] . Therefore, we attempted to identify factors that reduce the fatigue crack propagation rate in Steel C based on the crack opening/closing behavior and propagation path.…”

“…Furthermore, environments where complex fluctuating loads exert their effect may delay fatigue crack propagation rates due to the load history [6][7][8][9][10][11] ; therefore, the Paris-Elber law 12) , which uses the effective SIF range eff based on crack opening and closing, is typically adopted. The effects of microstructure and mechanical properties on fatigue crack propagation are typically considered insignificant 13) ; however, recent developments pertaining to thick-steel-plate manufacturing technology have resulted in fatigue-resistant steels that can suppress fatigue crack propagation by incorporating a composite structure whose hard phase is dispersed in a soft ferrite [14][15][16][17][18][19][20][21][22] or a texture in which specific crystal orientations are developed [23][24][25] . These steels are used to extend the crack-propagation paths and reduce the propagation driving force by bending and branching fatigue cracks at the boundaries of structures and grains.…”

“…These steels are used to extend the crack-propagation paths and reduce the propagation driving force by bending and branching fatigue cracks at the boundaries of structures and grains. Furthermore, as the steel structure softens with cyclic loading (henceforth, "cyclic softening"), the crack opening load increases 26,27) and the strain range at the fatigue crack tip decreases [17][18][19] , thus decreasing the propagation driving force. Fatigue-resistant steel exhibits complex propagation behavior owing to the superimposition of various factors.…”

局所ひずみに基づく繰返し軟化特性の異なる構造用鋼の疲労亀裂発生・伝播特性評価

“…1. 緒言 橋梁や船舶などの分野では、持続可能な社会の実現に向け、溶接鋼構造物の長寿命化やライフサイクルコ ストの低減が求められており、疲労破壊の予測・防止が重要な課題となっている。また、老朽化し、疲労損傷が 進む道路橋などでは、大規模破壊の防止や補修計画の策定のため、疲労亀裂伝播予測に基づく予寿命評価 技術の重要性も高まっている。一般に疲労破壊は、微視的な疲労亀裂が発生もしくは発見されるまでと、発生し た疲労亀裂が伝播・成長し、破壊するまでの二段階に分けて議論される。疲労亀裂の発生は、局所的な塑性変 形の蓄積によって生じるため、局所的なひずみ変化や塑性仕事に基づいた評価・予測 [1][2][3][4][5] が行われている。一 方、疲労亀裂伝播の予測では、応力拡大係数範囲 ΔK を伝播駆動力とした Paris 則 6) が広く採用されている。ま た、複雑な変動荷重が作用するような環境では、荷重履歴により疲労亀裂伝播速度の遅延現象が生じる [6][7][8][9][10][11] た め、亀裂開閉口を考慮した有効応力拡大係数範囲 ΔKeff を用いた Paris-Elber 則 12) が用いられることが多い。 従来、疲労亀裂伝播へのミクロ組織や機械的特性の影響は小さいとされてきた 13) が、近年の厚鋼板製造技 術の発展に伴い、軟質なフェライトに硬質相を分散させた複合組織 [14][15][16][17][18][19][20][21][22] や特定の結晶方位を集積させた集合 組織 [23][24][25] を造り込み、疲労亀裂伝播を抑制した耐疲労鋼材が検討・開発されている。これらの鋼材では、組織 や結晶粒の境界で疲労亀裂を屈曲・分岐させることで、亀裂伝播経路の増加や亀裂面接触による伝播駆動力 の低減を志向している。また、鋼組織が繰返し載荷に伴って軟化(以降、繰返し軟化と称す)することで、亀裂開 口荷重の上昇 [26][27] やそれに伴う疲労亀裂先端のひずみ範囲の低下 [17][18][19] により、伝播駆動力が減少することも 報告されている。このように耐疲労鋼材は、さまざまな因子が重畳した複雑な伝播挙動を呈するため、巨視的な パラメータである ΔK や ΔKeff のみでは、各影響因子を分離・定量化することは困難と考えられる。 一方、著者らは、鋼材の局所的な弾塑性応答に基づいた疲労亀裂発生・伝播寿命の評価手法を提案してい る [28][29][30][31] 。具体的には、対象材料の繰返し弾塑性応答を高精度に予測可能な材料モデルを確立し、FEM に実装 するとともに、構造体に生じる繰返し弾塑性応答を FEM 解析により求め、得られた局所的なひずみ範囲と平均 応力に基づき疲労亀裂発生寿命を推定、さらに本手法を拡張し、疲労亀裂先端で予測された亀裂発生寿命か ら疲労亀裂伝播速度を評価する。このような疲労亀裂先端の局所ひずみ応答に基づいた評価は、亀裂伝播速 度に及ぼす亀裂形状や荷重履歴のみならず、材料の繰返し軟化特性の影響の分離・定量化にも有効だと考え られる。 これまでの検討 [28][29][30][31] は、マクロな疲労試験結果に基づく解析的検討が主となっているが、本手法の適応範囲 の拡大やモデル改良によるさらなる推定精度向上に向け、実験的なアプローチとしてデジタル画像相関(以降， DIC と称す)法を用いた疲労亀裂周辺のひず...…”

Effects of Cyclic Softening on Fatigue Crack Propagation Properties of Steel

“…ため、亀裂開閉口を考慮した有効応力拡大係数範囲 ΔKeff を亀裂進展駆動力とした Paris-Elber 則(修正 Paris 則) 12) が用いられることも多い。 溶接鋼構造物において疲労破壊の起点となる溶接止端部は、高い応力集中が生じることに加え、その周辺 には溶接による引張残留応力が存在するため、疲労亀裂は比較的早期に発生し、疲労亀裂進展が支配的とな る場合が多い。したがって、鋼板特性により疲労亀裂の進展を抑制することができれば、構造物としての疲労寿 命延長に有効であると考えられる。従来、鋼材の疲労亀裂進展速度へのミクロ組織や機械的特性の影響は小さ いとされてきた 13) が、近年の厚鋼板製造技術の発展に伴い高度な鋼材組織の造り込みが可能となったことで、 疲労亀裂進展を抑制した耐疲労鋼材が検討、開発されている。耐疲労鋼材の設計思想としては、鋼材組織を 軟質組織のフェライトに硬質組織としてパーライト [14][15][16]) やベイナイト [17][18][19] 、マルテンサイト [20][21][22] を分散させた複合 組織、または特定の結晶方位を集積させた集合組織 [23][24][25] とし、疲労亀裂を組織や結晶粒の境界で屈曲・分岐 させ、亀裂進展駆動力を低減することが主流となっている。一方、Konda ら [17][18] や Yamashita ら 19) は、複合組織 や集合組織だけでなく、硬質組織のベイナイトが繰返し載荷に伴って軟化(以降、繰返し軟化と称す)することで 疲労亀裂先端のひずみが低下し、疲労亀裂進展が遅延する可能性を示している。さらに、Katsuta ら…”