この規格 プレビューページの目次
※一部、英文及び仏文を自動翻訳した日本語訳を使用しています。
3 つの定義
ISO 11782 のこの部分では、次の定義が適用されます。
3.1
腐食疲労
腐食と金属の交互の歪みを伴うプロセスで、多くの場合、亀裂が発生します。
注記 1:腐食環境で金属が繰り返しひずみを受けると、腐食疲労が発生することがあります。
3.2
力
P
試験片に加えられる力は、その方向が亀裂面を引き離すようなものである場合、正と見なされます。
3.3
最大力
最大P
負荷サイクル中の力の代数的最大値。
3.4
最小限の力
P分
負荷サイクル中の力の代数的最小値。
3.5
力の範囲
P
力の代数的最大値と最小値の差。
3.6
応力拡大係数
Kl
応力 (長さ) 1/2の次元をもつ適用荷重、亀裂の長さ、および試験片の形状の関数。開放モード変位 (モード I) を受ける亀裂の先端での弾性応力場の強化を一意に定義します。
注記 1:試験片が純粋に弾性的に応答すると仮定して計算された応力拡大係数は、亀裂先端の可塑性ゾーンのサイズが亀裂の長さと比較して小さい場合、実際の亀裂体の挙動と相関することがわかっています。ひびの入っていない靭帯の長さ.この標準では、モード I が想定されており、添字 I がどこでも暗示されています。
3.7
最大応力拡大係数
K最大
疲労で
最大荷重に対応するサイクルにおける応力拡大係数の最大代数値。
3.8
最小応力拡大係数
K_
疲労で
サイクルにおける応力拡大係数の最小代数値。
注記 1:この値は、応力比Rがゼロより大きい場合の最小荷重に対応し、 Rがゼロ以下の場合はゼロに等しく設定されます。
3.9
応力拡大係数の範囲
K
疲労で
サイクル内の最大応力拡大係数と最小応力拡大係数の代数的差:
3.10
閾値応力拡大係数範囲
Kth
疲労で
応力拡大係数の範囲の値で、この範囲を下回ると亀裂の進行率がアプリケーションにとって重要ではなくなります。
3.11
応力比
R
疲労負荷中
3.12
サイクル
定期的に繰り返される負荷時間関数またはストレス時間関数の最小セグメント。疲労サイクル、負荷サイクル、応力サイクルという用語も一般的に使用されます。
3.13
疲労亀裂進展速度
d a/d N
疲労負荷によって引き起こされた、1 サイクルあたりの亀裂の伸びで表される亀裂の伸び率。
3.14
応力拡大係数係数
Y
特定の試験片ジオメトリの応力解析から導出された係数で、特定の亀裂長さの応力拡大係数を荷重と試験片の寸法に関連付けます。
3.15
平面ひずみ破壊靭性
Klc
塑性変形に対する制約が高い条件下で、応力強度の上昇の影響を受けて、環境に依存しない亀裂の最初の重要な拡張が発生するKの臨界値。
3.16
試験片の向き:
どこ
| Z | 材料の製造中に使用される主な作業力と一致します（短横軸）。 |
| X | 粒子の流れの方向 (縦軸) と一致します。 |
| Y | X 軸と Z 軸に垂直です (図 1 を参照) |
3.17
亀裂の長さ
a
試験片の形状に応じて、亀裂の先端からノッチの口または荷重点軸まで測定された有効な亀裂の長さ。
3.18
試験片幅
W
試験片の形状に応じて、背面からノッチを含む面または荷重面まで測定した試験片の有効幅。
3.19
波形
時間の関数としての負荷のピーク ツー ピーク変動の形状。
3.20
循環周波数
単位時間あたりのサイクル数。通常は 1 秒あたりのサイクル数 (Hz) で表されます。
4回のテスト
4.1 腐食疲労き裂進展試験の原理
疲労予亀裂は、繰返し荷重によってノッチ付き試験片に誘発されます。亀裂が成長するにつれて、Δ KおよびRの値がその後の Δ Kthまたは亀裂成長速度の決定に適切になり、亀裂がノッチの影響を無視できるほど十分な長さになるまで、負荷条件が調整されます。
次に、特定の用途に関連する環境および応力条件下で繰り返し荷重を使用して、腐食疲労亀裂伝播試験を実施します。試験中、亀裂の長さは経過サイクルの関数として監視されます。これらのデータは数値解析にかけられるため、亀裂成長率 d a/d Nは、応力拡大係数範囲 Δ Kの関数として表すことができます。
Kの観点から提示された亀裂成長率は、一般に、使用される試験片の形状とは無関係です。相似の原理により、さまざまな種類の試験片から得られたデータの比較が可能になり、d a/d N対 Δ Kのデータを、適切な機械的、化学的、および電気化学的試験条件が採用されている場合に、エンジニアリング構造の設計および評価に使用することができます。 .類似の原則からの重要な逸脱は、亀裂先端の化学的性質の違い、微細構造に敏感な成長、および亀裂先端の遮蔽に関する考慮事項のために、短い亀裂に関連して発生する可能性があります。
腐食疲労の閾値応力拡大係数範囲 Δ Kthは、特定の金属/環境条件に応じて、空気中の閾値より高い場合も低い場合もあります。これは、特定のアプリケーションで増加率が重要でなくなるまで、負荷範囲 (6.3 を参照) を制御して減少させることによって決定できます。実際には、測定の観点から、これに値を割り当てる必要があります (8.5 を参照)
注 -亀裂成長速度の測定と閾値応力拡大係数範囲の決定の両方が、残留応力によって著しく影響を受ける可能性があります。したがって、試験前に熱応力緩和を考慮する必要がありますが、これが許容できない場合は、結果の解釈において影響の可能性を認識する必要があります。特に、残留応力が存在すると、Δ Kthが試験片の厚さに明らかに依存する可能性があります。厚さの影響は、原則として、水素の充填に関連して発生する可能性があり、流動する水溶液で流体の厚さ方向の輸送が発生する場合にも発生します。後者の場合、厚さ方向の亀裂側面を介した溶液輸送は破壊力学試験片のアーティファクトであり、使用中の亀裂を表していない可能性があることを認識しておく必要があります。
図 2 に示すように、多くの金属の腐食疲労亀裂進展速度試験の結果から、d a/dN と Δ Kの関係は、空気中での試験で通常観察される 3 段階の関係とは大きく異なる可能性があることが示されています。曲線は材料/環境システムに依存し、場合によっては、図 2 に示すように、時間依存 (サイクル依存とは異なる) 亀裂モードが発生し、亀裂の成長を促進して周波数依存の成長速度プラトーを生成する可能性があります。
4.2 腐食疲労き裂進展試験片
4.2.1 一般
破壊靭性試験で使用されるタイプの幅広い標準試験片形状を使用できます。選択する試験片の種類は、試験する材料の形状と試験条件によって異なります。
コンパクト テンション (CT) 試験片などのピン荷重試験片は、バックラッシュの影響があるため、 R値がゼロまたはゼロ未満の試験には適していません。このような目的には、4 点シングル エッジ ノッチ ベンド (SENB4) または中心割れ張力 (CCT) 試験片に摩擦グリップを使用するのが適しています。
基本的な要件は、試験片の寸法が、塑性変形が亀裂先端付近で制限される主に 3 軸 (平面ひずみ) 条件を維持するのに十分であることです。破壊靭性試験の経験から、有効なKlc測定では、 a 、 Bおよび(Wa)が
ここで、 σyはy強度です。
上記の式のklcをKmaxに置き換える腐食疲労亀裂成長試験中に適切な拘束を確保するために、同様の基準を使用することをお勧めします。
4.2.2 試験片の設計
腐食疲労亀裂進展速度試験に頻繁に使用される試験片形状には、次のものがあります。
- a) 3 点シングル エッジ ノッチ ベンド (SENB3);
- b) 4 点シングル エッジ ノッチ ベンド (SENB4)
- c)コンパクトテンション (CT);
- d)センタークラック張力 (CCT)
これらの各タイプの試験片の標準的な試験片設計の詳細を図 3 ～ 6 に示し、許容ノッチ形状を図 7 に示します。適切な機械加工公差を表 1 に示します。
4.2.3 応力拡大係数に関する考慮事項
弾性理論を使用して、さまざまな形状の試験片または構造の亀裂の先端に作用する応力拡大係数を次の形式の関係で表すことができることを示すことができます。
どこ
| Q | 幾何定数です。 |
| σ | 適用応力です。 |
| a | 亀裂の長さです。 |
応力拡大係数は、次の形式の応力拡大係数関数を介してa/ W ( Wは試験片の幅) で表される亀裂の長さに関連する無次元の応力拡大係数Yを使用して計算できます。
注 -P ≤ 0, K = 0 の場合。ただし、負の荷重が亀裂の成長速度に影響を与えないと仮定してはなりません。
上記で説明した 4 つの試験片形状に適したYの値を表 2 から 5 に示します。
4.2.4 標本の準備
必要な向き (図 1 を参照) の試験片は、可能であれば、完全に熱処理された状態、つまり対象の材料状態で機械加工する必要があります。完全に熱処理された状態で簡単に完全に機械加工できない材料の試験片の場合、仕上げ加工で厚さから少なくとも 1 面あたり 0.5 mm を除去することを条件として、ノッチングおよび仕上げ操作の前に最終熱処理を行うことができます。ステージ。ただし、熱処理によって有害な表面状態、残留応力、焼き割れ、または歪みが発生しない場合は、完全に機械加工された試験片に対して熱処理を行うことができます。
機械加工後、その後の疲労予亀裂または腐食疲労亀裂伝播試験中に亀裂先端の汚染が発生しないようにするために、試験片を完全に脱脂する必要があります。ひび割れの長さを監視する目的で、はんだ付けまたはろう付けによって電極を試験片に取り付ける必要がある場合は、残留フラックスの痕跡を除去するために、プレクラッキングの前にこの操作に続いて試験片を脱脂する必要があります。
4.2.5 標本の識別
試験片の識別マークは、ノッチを有する試験片の面またはノッチに平行な端面のいずれかにスタンプまたは書き込みすることができます。
5 装置
5.1 環境チャンバー
環境チャンバーは、試験片の試験セクションを完全に囲むものとします。ガルバニック効果と隙間腐食を防ぐために、可能な限り、把持部分は溶液環境との接触から除外する必要があります。これが不可能な場合は、類似の金属、電気絶縁、またはコーティングを使用するなど、適切な措置を講じる必要があります。適切な量の溶液と金属面積比が必要であり (反応速度と暴露時間によって異なります)、通常は循環システムが必要です。印加電位または印加電流の条件では、この電極からの反応生成物によって引き起こされる影響を制限するために、対電極用の別のコンパートメントが必要になる場合があります。非金属材料は、これが実行可能な環境チャンバーと循環システムに推奨されます。これらの材料は不活性でなければならない。ガラスや特定のプラスチックは高温では不活性ではないことに注意してください。金属製のチャンバーが必要な場合、ガルバニック相互作用を防ぐために、これらは試験片から電気的に絶縁する必要があります。
ガス環境でのテストには、全金属チャンバーが推奨されます。
5.2 亀裂長測定
亀裂の長さの測定に最も一般的に使用される手法は、付録 A に記載されています。光学的な測定方法は、環境や試験室によって妨げられることが多く、いずれにせよ、亀裂の表面の長さのみを示すガイダンスとなります。腐食生成物の除去による亀裂の視認性の向上は、局所的な電気化学を混乱させる可能性があるため、推奨されません。試験片の厚さ方向の平均亀裂を測定する方法が一般的に好まれます。これらには、電気抵抗法が含まれます。 AC および DC 電位降下測定は適切ですが、腐食疲労亀裂の伝播速度に検出可能な影響を及ぼさないことを確認するためにチェックする必要があり、ガルバニック効果を排除するために適切な方法を使用する必要があります。ノッチを横切る変位の測定、またはノッチの反対側の試験片の背面の歪みの測定に基づくコンプライアンス方法も使用できます。
6 疲労予割れ
6.1 一般
疲労亀裂に使用される機械には、応力分布がノッチに対して対称になるように負荷をかける方法が必要であり、適用される力は ± 2.5% 以内の精度で知られている必要があります。
実験室での腐食疲労研究では、適切なサイズと真直度の鋭利な疲労亀裂を提供するために、人工的な予備亀裂手順が導入されています。原則として、この手順は、使用する周波数、荷重パラメータの調整方法、および予割れが空気中で行われるか試験環境で行われるかによって、その後のき裂の成長に影響を与える可能性があります。
一部の材料では、予亀裂操作中に腐食疲労試験環境を導入すると、疲労亀裂の通常の延性粒内モードから延性の低い腐食疲労モードへの変化が促進されます。これは、腐食疲労試験中の亀裂のその後の開始を促進する可能性があります。ただし、プレクラッキング操作の直後に腐食疲労試験を実施しないと、クラック先端に残った腐食剤が腐食攻撃による鈍化を促進する可能性があります。このため、当事者間で別段の合意がない限り、通常の実験室の空気環境で疲労予割れを実施することをお勧めします。この場合、高いサイクル周波数を使用することで、プレクラッキングを促進できます。
6.2 前分解手順
亀裂が少なくとも 0.025 Wまたは 1.25 mm のいずれか大きい方だけ側面のノッチを超えるまで、試験される条件に完全に熱処理された試験片で疲労予亀裂を実施します。
プレクラッキング中の最終Kmaxは、試験データが得られる最初のKmaxを超えてはならない。理想的には、 Kｍａｘの値を減少させずにプレクラッキングを行うべきである。これは、d a/d N > 10 -8 m/cycle の場合は実行可能ですが、成長率が低い場合は非現実的です (6.3 を参照)
注 -約 10 -8 m/サイクルの成長率を与えるK値は次のとおりです。
| — | スチール、ニッケル、チタン、銅合金: | K ＝13MPa・m 1/2 |
| — | アルミニウム合金: | K ＝6MPa・m 1/2 |
Kmax値は、関心のあるR値から評価できます。 Kmaxの値は 0.7 Klcを超えてはならない。
Kmin値は、プレクラッキング中のKmaxと同じくらい重要です。 Kminはクラック ウェイク効果を決定します。たとえば、高R対低Rのクラック ウェイク効果は、腐食疲労試験の結果に劇的な影響を与える可能性があります。一時的な d a/d N (クラック閉鎖の影響) 挙動が生じる可能性があります。
プレクラッキングの最後に、表面の亀裂の長さが 0.1 aを超えないことを確認します。疲労亀裂が対称面から±5°以上離れている場合、試験片はそれ以上の試験には適していません。
事前に亀裂を入れた試験片は、必要になるまで乾燥容器に保管することができます。亀裂先端の鈍化や汚染の影響が生じる可能性があるため、長期間の保管は避ける必要があります。
6.3 低亀裂成長率またはKth決定のための予備亀裂
d a/d N < 10 -8 m/cycle の場合、および閾値 Δ Kの決定 (8.5 を参照) については、最初に 6.2 で説明した予備分解手順に従う必要があります。次に、最小のKまたは関心のある亀裂成長率が達成されるまで、負荷遮断手順が採用されます。
試験片に周期的に荷重を加え、以下に従って亀裂の長さとともにKmaxを滑らかに変化させます。
どこ
| sa | 予備的なプレクラッキング段階の後の亀裂の長さです (6.2 を参照) |
| Ks | Kmaxの対応する値です。 |
| Ck | 負荷遮断係数です。 ( aとasがメートルで表される場合、一般にCk = −100 m -1で十分です) |
応力比Rが一定に保たれ、予備的なプレクラッキング後の値であるRsに等しくなるように、 Pminを変化させながら負荷を減らし続けます。
注 —コンピュータ制御による継続的な負荷遮断が推奨されます。負荷の段階的シェディングが採用されている場合、 Pの減少は以前の値の 10% を超えてはならず、亀裂が少なくとも前の平面ひずみ塑性域サイズだけ成長するまで調整を行ってはなりません。
関連する Δ K値が得られるまで、 Kmaxを一定に維持しながらKminを増加させるだけで、低い亀裂成長率またはしきい値 Δ K決定のための予備分解の代替方法を高R値に使用できます。
ノッチが同等の長さのクラックとして動作すると仮定し、 Kmaxが目的の値に等しくなり、 KminがRの目標値から導出されるように、試験片に周期的に荷重を加えます。
aがasに達したら、試験片に周期的にKを加え、
ここで、 Ckは負荷制限係数です ( aとasがメートルで表される場合、一般にCk = -280 m -1で十分です)
Kmaxを一定に保ち、 Ksに等しくなるようにPmaxを変更します。適切なK値が得られるまで続けます。
注 -測定開始時の Δ Kに等しいKs (1 − Rs ) は、 R = Rsこの値での Δ Kthよりも小さい可能性があり、この試験方法は明らかに不適切です。
7つの試験条件
7.1 環境への配慮
金属と環境の相互作用には特異性があるため、厳密に管理された環境条件下で腐食疲労亀裂伝播試験を実施することが不可欠です (以下の段落 3 および 4 を参照)
環境試験条件は、試験の意図に依存しますが、理想的には、合金の意図された使用に一般的なものと同じか、予想される使用条件に匹敵するものでなければなりません。
重要な環境要因は、電極電位、温度、溶液組成、pH, 溶存ガス濃度、流量、および圧力です。 ISO 7539-1 は、有用な背景情報を提供します。気体環境に関して、重要な要素は気体の純度です。
試験は、金属の電極電位が試験の特定の環境条件に依存する開回路条件下で行うことができ、通気の程度が重要な要因となります。あるいは、電極電位は、ポテンシオスタット法またはガルバノスタット法によって開回路値から変位させることができる。
外部電流を印加するための補助電極は、試料上に均一な電流分布を生成するように設計する必要があります。つまり、電極電位が一定でなければなりません。
7.2 ストレスに関する考慮事項
7.2.1 循環周波数
繰り返し破壊試験と同様に、繰り返し頻度は通常、腐食疲労亀裂の伝播に影響を与える最も重要な変数です。
腐食疲労亀裂の伝播速度は、腐食疲労プロセスに寄与する腐食および拡散プロセスの時間依存性のために、周波数の減少とともに一般に増加します。より高い周期周波数 (一般に 10 Hz を超える) では、腐食疲労亀裂の伝播速度は、空気中の疲労亀裂の成長速度よりも大きくない場合があります。これは、各負荷サイクル中に重大な影響が発生するのに十分な時間がないためです。場合によっては、再不動態化が亀裂先端での保護表面膜の破裂速度を上回る可能性があるため、腐食疲労亀裂の伝播速度も非常に低い周期周波数で低下する可能性があります。
サイクル頻度が高すぎたり低すぎたりすると、保守的でないデータになる可能性があるため、検討中のアプリケーションに関連するサイクル頻度で腐食疲労亀裂伝播試験を実施することが重要です。周波数の変更の影響を評価するために、検討中のアプリケーションよりも高い周波数と低い周波数の両方で、いくつかの周波数でテストを実行することが望ましいです。
7.2.2 応力比
腐食疲労亀裂の伝播速度は通常、応力比が高いほど、システムに応じていくつかの理由で増加します。これには、亀裂先端の歪み、亀裂先端の前の応力分布、亀裂先端のシールド、および亀裂の化学的性質に対する応力比の影響が含まれます。このため、使用される応力比は、遭遇したものを代表するものでなければなりません。
7.2.3 波形
与えられた周期周波数では、負荷サイクルの波形が亀裂先端での膜破断速度を支配するため、腐食疲労亀裂の伝播速度に影響を与える可能性があります。サイクルの最小、中間、または最大負荷での保持期間は、亀裂プロセスのメカニズムに応じて、腐食疲労亀裂の伝播速度を増加または減少させる可能性があります。例えば、 Kmaxが時間依存モードのK値を超える場合、最大荷重での保持時間は、亀裂伝播速度を増加させると予想される場合があります。ただし、静的荷重下での亀裂に耐性のある材料では、最大荷重での保持時間は、腐食または可塑性による時間依存の亀裂鈍化のため、亀裂の伝播速度を低下させる可能性があります。このような影響は、腐食疲労亀裂伝播試験中に適切な波形と保持時間を使用する必要があります。
いくつかの実用的なアプリケーションには、ランダムな負荷サイクルへの曝露、または周期的な負荷条件の明確に定義された定期的な変化への曝露が含まれます。これらの変動の影響については、さまざまな負荷条件での一連のテスト中に観察された効果を合計することによってある程度の洞察が得られる場合がありますが、ブロックまたはランダムな負荷プログラムを使用してコンピューター制御によって使用条件をシミュレートすることが望ましいです。
7.2.4 亀裂先端の遮蔽（閉鎖）効果
粗い粒界腐食疲労破面、破面上の酸化物または石灰質堆積物は、除荷中に応力拡大係数K = K閉鎖で時期尚早の亀裂面接触を引き起こす可能性があります。これにより、有効な亀裂先端駆動力が適用された Δ K未満に減少し、疲労亀裂の伝播速度が大幅に低下する可能性があります。このような状況では、有効な Δ Kは次のように適切です。
Δ Keff = Kmax − K閉包
これにより、サービスに関連する有益な亀裂閉鎖効果を特定できるように、亀裂伝播測定中に環境および負荷条件を慎重に制御する必要性が高まります。
8 試験手順
8.1 一般
試験前に、厚さBと幅Wを亀裂面から 0.1 W以内の線で 0.001 W以内で測定する必要があります。試験片の両側の疲労予亀裂の平均長さも決定する必要があり、この値を使用して、初期応力拡大係数範囲 Δ Kを生成するために必要な荷重を評価する必要があります。
8.2 起動手順
開始手順は、亀裂内の局所環境および電極電位の時間依存変化、亀裂先端形状の変化、水素による金属の充電、酸化物またはその他の発生のため、常に初期の亀裂成長速度に何らかの影響を及ぼします。預り金このため、初期データの解釈にはかなりの注意を払う必要があり、これは、しきい値 Δ Kを定量化する試みにおいて最も重要になります。
プレクラック試験片と環境チャンバーを取り付け、環境をセルに導入します。次に、亀裂の浸漬時に繰り返し荷重を開始するものとします。
8.3 環境制御とモニタリング
必要に応じて、テスト中に環境を監視および制御する必要があります。緩衝されていないシステムでは、自動pH制御システムを使用してpHを一定に保つことができます。それ以外の場合は、亀裂の成長に対する pH の変動の影響を評価する必要があります。
大気に開放されたシステムでは、溶液に空気を吹き込むことで通気を維持できます。クローズド システムでは、監視が必要です。テストで使用される流量は、使用中の条件の範囲をシミュレートする必要があります。これは、流れが電極電位に影響を与える可能性があるためです。たとえば、酸素のフラックスや、クラック エンクレーブとバルク ソリューション間の物質移動に影響を与えることによってです。後者の場合、クラックに対する流れの方向が重要になる可能性があります。人為的な厚さ方向の移動を制限するために亀裂側面を密閉することを検討する必要がありますが、局所的な隙間の問題が発生する可能性があります。
アプリケーションに適した参照電極を使用して電極電位を測定することを強くお勧めします。電位の測定における IR ドロップを制限するように注意する必要があります。溶液の温度は、± 2 ° C に制御する必要があります。
8.4 腐食疲労亀裂伝播速度の決定
8.4.1 亀裂の長さ
亀裂の長さは、経過したサイクルの関数として、連続的に、または 0.01 Wの亀裂伸長の間隔で記録する必要があります。亀裂の長さは 0.01 W以内で測定する必要があります。亀裂の長さの変化は、0.002 W以内で測定されるものとします。
試験の中断とオフロードの時間は、それらに関連する亀裂の長さと一緒に記録されるものとします。
a/ Wが 0.65 を超える前に試験を終了することが望ましく、試験片を破砕する前に亀裂前部の位置をマークできるように、試験環境から試験片を取り除く必要があります。
注 -亀裂前部の位置をマークする目的は、亀裂前部の曲率をチェックできるようにすることです。可能性のある方法は、加熱着色とその後の静的破壊、または実質的に異なる応力範囲を使用した空気中での破壊への継続的なサイクルです。
腐食疲労亀裂の長さは、破面の両端、および片端から 0.25 B 、0.5 B 、および 0.75 Bの点で測定するものとします。同様の測定は、腐食疲労亀裂前部が明確に定義されている破面上の他の場所で行うものとします。すべての場所で、亀裂の長さの最大値と最小値の差が 0.1 aを超えないことを確認する必要があります。
腐食疲労き裂の長さの測定値が、試験中に用いたき裂監視方法で示された値と 0.01 W以内で一致することを確認すること。
8.4.2 き裂の進展速度
割線法またはインクリメンタル多項式法を使用して、経過したサイクルのデータに対する亀裂の長さから、亀裂の成長速度を計算できます。
8.4.2.1 セカント法
亀裂成長速度を計算するための正割 (またはポイントツーポイント手法) では、 a対N曲線上の 2 つの隣接する点を結ぶ直線の勾配を計算するだけです。より正式には次のように表現されます。
どこ
| ai +1 | は、次のレコードの亀裂の長さ (ミリメートル) です。 |
| iは | は、現在の記録の亀裂の長さ (ミリメートル単位) です。 |
| Ni | 次のレコードの個々のサイクル数です。 |
| i | 現在のレコードの個々のサイクル数です。 |
計算された d a/d Nは ( ai +1 − ai ) の平均速度であるため、通常、平均長 は Δ Kの計算に使用されます。
8.4.2.2 増分多項式法
d a/ d Nを計算するこの方法では、2 次多項式 (放物線) を (2 n + 1) 個の連続するデータ ポイントのセットに当てはめます。ここで、 nは通常、5 点と 7 点の当てはめに対してそれぞれ 2 または 3 です。ローカル フィットの方程式の形式は次のとおりです。
どこ
| b0 、 b1およびb2は、 a i−n ≤ a ≤ a i+nの範囲で最小二乗回帰法によって決定される回帰パラメーターです。 |
| âiは、 Niにおける亀裂の長さの近似値です。 |
パラメーター: および は、入力データをスケーリングするために使用されるため、回帰パラメーターを決定する際の困難を回避できます。
Niでの亀裂成長速度は、上記の放物線の導関数から得られ、次の式で与えられます。
この d a/d N値に関連付けられた Δ Kの値は、 Niに対応する当てはめられた亀裂の長さâiを使用して計算されます。
8.5 腐食疲労限界応力拡大係数範囲の決定
プレクラッキングの手順は 6 節に、環境導入の手順は 8.2 に記載されています。空気中の閾値 Δ Kの従来の定義では、5 × 10 6サイクル、つまりq/10 -8 ( qは mm 単位の亀裂長さ測定システムの分解能) の期間にわたる亀裂進展の証拠が観察されないことが含まれます。明らかに、これは 0.1 Hz 以下のテスト周波数では非現実的です。低周波数では、関係する時間スケールのために、関連するしきい値 Δ Kthを測定できない場合があります。測定された最小の d a/d N (「しきい値」に対応) は、測定の分解能と長期的な信頼性、測定の忍耐力と経済性に影響されます。このため、任意の金属/環境システムに対して許容可能な低い d a/d Nに関してしきい値基準の実用的な定義を確立することは不可能です。関連する基準は、関係当事者によって合意されるものとする。
ノート
- 1しきい値に関連する開始手順は、重大な影響を与える可能性があります。空気中でのプレクラッキングとその後の浸漬により、非現実的なトランジェントが生じる場合があります。関連する周波数よりも高い周波数での溶液中のプレクラッキングは、非現実的な亀裂先端化学をもたらす可能性があります。
- 2酸化物または腐食生成物の厚さ、破面粗さの塑性域サイズ、負荷率、およびモード I の負荷からの偏差によって直接影響を受ける亀裂閉鎖の程度も、Δ Kth に影響します。
9 試験報告書
レポートには、次の情報を含める必要があります。
- a)試験片の種類と寸法BとW (ミリメートル単位) およびノッチの深さ;
- b)亀裂の長さを測定するために使用した試験機と装置の説明、および亀裂の長さの測定を行った精度。
- c)例えば、化学組成、溶融および製造プロセス、熱処理、微細構造、粒子サイズ、非金属介在物含有量、および機械的特性に関する試験材料の特性評価;製品のサイズと形状も、該当する場合は応力緩和の方法と同様に報告する必要があります。
- d)試験片の向きと、それが取り出された元の製品に対するその位置。
- e) Δ K 、 Rおよび疲労予亀裂からの亀裂長さの最終値;
- f) Δ P 、 R 、周期周波数および波形を含む負荷変数をテストする。
- g)環境チャンバーと、環境の監視または制御に使用されるすべての機器の説明。
- h)初期溶液組成、pH, 通気度（または他の関連ガスの濃度）、流動条件、温度および電極電位。流量の仕様は、再循環速度によって決定される場合、標本を通過する近似直線速度で表すものとする。参照電極を使用する場合、電位を報告し、適切な標準電極（例：標準水素電極または 25 °C の飽和カロメル電極）に言及するものとする。試験中のこれらのパラメータの変動を記録するものとします。
- i)試験の開始手順
- j)試験中の環境または負荷 (試験の中断を含む) における過渡現象。
- k)a対Nを d a/d Nに変換するために使用される技術を含む、データに適用される分析方法。
- l)試験片K - 弾性挙動が優勢であることを保証するために使用される校正及びサイズ基準 (ISO 11782 のこの部分に記載されていない試験片について);
- m)亀裂の曲率の程度 (試験片全体の 5 箇所での測定が推奨されます)
- n)腐食疲労亀裂伝搬試験では、d a/d Nを Δ Kの関数としてプロットするものとする (Δ Kを横座標に、d a/ d Nを縦座標にプロットすることをお勧めします — 対数座標は一般的に使用済み）; 4.2.1 のサイズ要件に違反するすべてのデータを特定する必要があります。
- o)腐食疲労閾値の応力拡大係数範囲は、 Kthの値、関連する亀裂の長さ、 Pの関連する値、および亀裂の拡大の形跡がないサイクル数を決定します。
3 Definitions
For the purposes of this part of ISO 11782, the following definitions apply.
3.1
corrosion fatigue
Process involving conjoint corrosion and alternating straining of the metal, often leading to cracking.
Note 1 to entry: Corrosion fatigue may occur when a metal is subjected to cyclic straining in a corrosive environment.
3.2
force
P
Force applied to the specimen considered positive when its direction is such as to cause the crack faces to move apart.
3.3
maximum force
Pmax
Algebraic maximum value of force during a loading cycle.
3.4
minimum force
Pmin
Algebraic minimum value of force during a loading cycle.
3.5
force range
ΔP
Difference between the algebraic maximum and minimum values of the force.
3.6
stress intensity factor
Kl
Function of applied load, crack length and specimen geometry having dimensions of stress (length)1/2 which uniquely defines the elastic stress field intensification at the tip of a crack subjected to opening mode displacements (mode I).
Note 1 to entry: It has been found that stress intensity factors, calculated assuming that specimens respond purely elastically, correlate the behaviour of real cracked bodies provided that the size of the zone of plasticity at the crack tip is small compared to the crack length and the length of the uncracked ligament. In this standard, mode I is assumed and the subscript I is implied everywhere.
3.7
maximum stress intensity factor
Kmax
in fatigue
Highest algebraic value of the stress intensity factor in a cycle corresponding to the maximum load.
3.8
minimum stress intensity factor
Kmin
in fatigue
Lowest algebraic value of the stress intensity factor in a cycle.
Note 1 to entry: This value corresponds to the minimum load when the stress ratio, R, is greater than zero and is set equal to zero when R is less than or equal to zero.
3.9
range of stress intensity factor
ΔK
in fatigue
Algebraic difference between the maximum and minimum stress intensity factors in a cycle:
3.10
threshold stress intensity factor range
ΔKth
in fatigue
Value of the stress intensity factor range below which the rate of crack advance becomes insignificant for the application.
3.11
stress ratio
R
in fatigue loading
3.12
cycle
Smallest segment of the load- or stress-time function which is repeated periodically. The terms fatigue cycle, load cycle and stress cycle are also commonly used.
3.13
fatigue crack growth rate
da/dN
Rate of crack extension caused by fatigue loading and expressed in terms of crack extension per cycle.
3.14
stress intensity factor coefficient
Y
Factor derived from the stress analysis for a particular specimen geometry which relates the stress intensity factor for a given crack length to the load and specimen dimensions.
3.15
plane strain fracture toughness
Klc
The critical value of K at which the first significant environmentally independent extension of the crack occurs under the influence of rising stress intensity under conditions of high constraint to plastic deformation.
3.16
specimen orientation:
where
| Z | is coincident with the main working force employed during manufacture of the material (short-transverse axis); |
| X | is coincident with the direction of grain flow (longitudinal axis); |
| Y | is normal to the X and Z axes (see figure 1). |
3.17
crack length
a
Effective crack length measured from the crack tip to either the mouth of the notch or the loading point axis depending on the specimen geometry.
3.18
specimen width
W
Effective width of the specimen measured from the back face to either the face containing the notch or the loading plane depending on the specimen geometry.
3.19
waveform
Shape of the peak-to-peak variation of load as a function of time.
3.20
cyclic frequency
Number of cycles per unit time, usually expressed in terms of cycles per second (Hz).
4 Test
4.1 Principle of corrosion fatigue crack propagation testing
A fatigue pre-crack is induced in a notched specimen by cyclic loading. As the crack grows the loading conditions are adjusted until the values of ΔK and R are appropriate for the subsequent determination of ΔKth or crack growth rates and the crack is of sufficient length for the influence of the notch to be negligible.
Corrosion fatigue crack propagation tests are then conducted using cyclic loading under environmental and stressing conditions relevant to the particular application. During the test, crack length is monitored as a function of elapsed cycles. These data are subjected to numerical analysis so that the rate of crack growth, da/dN, can be expressed as a function of the stress intensity factor range, ΔK.
Crack growth rates presented in terms of ΔK are generally independent of the geometry of the specimen used. The principle of similitude allows the comparison of data obtained from a variety of specimen types and allows da/dN versus ΔK data to be used in the design and evaluation of engineering structures provided that appropriate mechanical, chemical and electrochemical test conditions are employed. An important deviation from the principle of similitude can occur in relation to short cracks because of crack-tip chemistry differences, microstructurally sensitive growth and crack tip shielding considerations.
The threshold stress intensity factor range for corrosion fatigue, ΔKth may be higher or lower than the threshold in air depending on the particular metal/environment conditions. It may be determined by a controlled reduction in load range (see 6.3) until the rate of growth becomes insignificant for the specific application. Practically, from a measurement perspective it is necessary to assign a value to this (see 8.5).
NOTE — Both crack growth rate measurements and threshold stress intensity factor range determinations can be markedly affected by residual stresses. Thermal stress relief should, therefore, be considered prior to testing, but if this is not acceptable, the possibility of an effect should be recognized in the interpretation of the results. In particular, the presence of residual stresses can lead to an apparent dependence of ΔKth on specimen thickness. Thickness effects can also arise in principle in relation to hydrogen charging and also where through-thickness transport of fluid occurs in flowing aqueous solutions. In the latter case it should be recognized that solution transport via the crack sides in the through-thickness direction is an artifact of the fracture mechanics specimen and may not be representative of cracking in service.
Results of corrosion fatigue crack growth rate tests for many metals have shown that the relationship between da/dN and ΔK can differ significantly from the three-stage relationship usually observed for tests in air, as shown in figure 2. The shape of the curve depends on the material/environment system and for some cases time-dependent (as distinct from cycle-dependent) cracking modes can ensue which can enhance crack growth producing frequency-dependent growth rate plateaux as shown in figure 2.
4.2 Specimens for corrosion fatigue crack propagation testing
4.2.1 General
A wide range of standard specimen geometries of the type used in fracture toughness testing may be used. The particular type of specimen selected will be dependent upon the form of the material to be tested and the conditions of test.
Pin-loaded specimens such as compact tension (CT) specimens are not suitable for tests with R values of zero or less than zero because of backlash effects. For such purposes four-point single edge notch bend (SENB4) or centre cracked tension (CCT) specimens loaded by friction grips are suitable.
A basic requirement is that the dimensions of the specimens be sufficient to maintain predominantly triaxial (plane strain) conditions in which plastic deformation is limited in the vicinity of the crack tip. Experience with fracture toughness testing has shown that for a valid Klc measurement a, B and (W-a) should not be less than
where σy is the yield strength.
It is recommended that a similar criterion be used to ensure adequate constraint during corrosion fatigue crack growth testing where Kmax is substituted for klc in the above expression.
4.2.2 Specimen design
Specimen geometries which are frequently used for corrosion fatigue crack growth rate testing include the following:
- a) three-point single edge notch bend (SENB3);
- b) four-point single edge notch bend (SENB4);
- c) compact tension (CT);
- d) centre-cracked tension (CCT).
Details of standard specimen designs for each of these types of specimen are given in figures 3 to 6 and permitted notch geometries are given in figure 7. Suitable machining tolerances are given in table 1.
4.2.3 Stress intensity factor considerations
It can be shown, using elastic theory, that the stress intensity factor acting at the tip of a crack in specimens or structures of various geometries can be expressed by relationships of the form:
where
| Q | is the geometrical constant; |
| σ | is the applied stress; |
| a | is the crack length. |
Stress intensity factors can be calculated by means of a dimensionless stress intensity coefficient, Y, related to crack length expressed in terms of a/W (where W is the width of the specimen) through a stress intensity factor function of the form:
NOTE — Where P ≤ 0, K = 0. Nevertheless, it should not be assumed that negative loading will have no influence on the rate of crackgrowth.
The values of Y appropriate to the four specimen geometries discussed above are given in tables 2 to 5.
4.2.4 Specimen preparation
Specimens of the required orientation (see figure 1) shall, where possible, be machined in the fully heat-treated condition, i.e. in the material condition of interest. For specimens in material that cannot easily be completely machined in the fully heat-treated condition, the final heat-treatment may be given prior to the notching and finishing operations provided that at least 0,5 mm per face is removed from the thickness at the finish machining stage. However, heat treatments may be carried out on fully machined specimens in cases where heat treatment will not result in detrimental surface conditions, residual stresses, quench cracking or distortion.
After machining, the specimens shall be fully degreased in order to ensure that no contamination of the crack tip occurs during subsequent fatigue precracking or corrosion fatigue crack propagation testing. In cases where it is necessary to attach electrodes to the specimens by soldering or brazing for crack length monitoring purposes, the specimens should be degreased following this operation prior to precracking in order to remove traces of remnant flux.
4.2.5 Specimen identification
Specimen identification marks may be stamped or scribed on either the face of the specimen bearing the notch or the end faces parallel to the notch.
5 Apparatus
5.1 Environmental chamber
The environmental chamber shall completely enclose the test section of the specimen. Wherever possible, the gripped portions shall be excluded from contact with the solution environment to prevent galvanic effects and crevice corrosion. If this is not possible, appropriate measures shall be taken through, for example, the use of similar metals, electrical insulation or coatings. An adequate volume of solution to metal area ratio is required (dependent on reaction rates and exposure time) and a circulation system is usually necessary. For conditions of applied potential or applied current a separate compartment for the counter electrode may be necessary to limit any effects caused by reaction products from this electrode. Non-metallic materials are recommended for the environmental chamber and circulation system where this is practicable. These materials shall be inert. Note that glass and certain plastics are not inert at elevated temperatures. Where metallic chambers are necessary these shall be electrically insulated from the specimen to prevent galvanic interaction.
For tests in gaseous environment an all-metal-chamber ispreferred.
5.2 Crack length measurement
The most commonly used techniques for the measurement of crack length are described in annex A. Optical methods of measurement are often precluded by the environment and test chamber and, in any case, provide guidance only to the surface length of a crack. Enhancement of crack visibility by removal of corrosion products may perturb the local electrochemistry and is not recommended. Methods that measure the average crackacross the thickness of the specimen are generally preferred. These include electrical resistance methods. AC and DC potential drop measurements are suitable but should be checked to ensure that they exert no detectable influence on the rate of corrosion fatigue crack propagation and appropriate methods should be used to eliminate galvanic effects. Compliance methods based on measurement of displacement across the notch or of strain in the back face of the specimen opposite the notch can also be used.
6 Fatigue precracking
6.1 General
The machine used for fatigue cracking should have a method of loading such that the stress distribution is symmetrical about the notch and the applied force should be known to an accuracy within ± 2,5 %.
In corrosion fatigue studies in the laboratory an artificial precracking procedure is introduced to provide a sharpened fatigue crack of adequate size and straightness. In principle, this procedure can affect subsequent crack growth depending on the frequency used, the manner in which the loading parameters are adjusted and whether precracking is conducted in air or in the test environment.
In some materials, the introduction of the corrosion fatigue test environment during the precracking operation will promote a change from the normal ductile transgranular mode of fatigue cracking to a less ductile corrosion fatigue mode. This may facilitate the subsequent initiation of cracking during corrosion fatigue testing. However, unless corrosion fatigue testing is conducted immediately following the precracking operation, corrodent remaining at the crack tip may promote blunting due to corrosive attack. For this reason, it is recommended that, unless agreed otherwise between the parties, fatigue precracking should be conducted in the normal laboratory air environment. In this case, precracking can be expedited by the use of high cyclic frequency.
6.2 Precracking procedure
Conduct fatigue precracking with the specimen fully heat-treated to the condition in which it is to be tested until the crack extends beyond the notch at the side surfaces by at least 0,025W or 1,25 mm, whichever is greater.
The final Kmax during precracking shall not exceed the initial Kmax for which test data are to be obtained. Ideally, precracking should be conducted without reduction in the value of Kmax. This is feasible for da/dN > 10−8 m/cycle but impractical for lower growth rates (see 6.3).
NOTE — The ΔK values to give growth rates of about 10−8 m/cycle are:
| — | steels, nickel, titanium and copper alloys: | ΔK = 13 MPa·m1/2 |
| — | aluminium alloys: | ΔK = 6 MPa·m1/2 |
The Kmax value can be evaluated from the R value of interest. The value of Kmax shall not exceed 0,7Klc.
The Kmin value can be as important as Kmax during precracking; Kmin will dictate crack wake effects. For example, high R versus low R crack wake effects can dramatically affect corrosion fatigue testing results. Transient da/dN (crack closure influenced) behaviour can result.
At the end of precracking check that the surface crack lengths do not differ by more than 0,1a. If the fatigue crack departs more than ± 5° from the plane of symmetry the specimen is not suitable for further testing.
The precracked specimen may be stored in a dessicated vessel until required. Long storage periods should be avoided because of possible crack tip blunting or contamination effects.
6.3 Precracking for low crack growth rates or ΔKth determination
For da/dN < 10−8 m/cycle and for determination of the threshold ΔK (see 8.5) the precracking procedure described in 6.2 should be followed initially. A load-shedding procedure is then adopted until the lowest ΔK or crack growth rate of interest is achieved.
Cyclically load the specimen, smoothly varying Kmax with crack length according to:
where
| as | is the crack length after the preliminary precracking stage (see 6.2); |
| Ks | is the corresponding value of Kmax; |
| Ck | is a load shedding factor; (Ck = −100 m-1 is generally satisfactory when a and as are expressed in metres). |
Continue load shedding, varying Pmin so that the stress ratio R remains constant and equal to Rs, the value after the preliminary precracking.
NOTE — Continuous load shedding by computer control is recommended. If step shedding of load is employed the reduction in P shall not exceed 10 % of the previous value, and adjustments should not be made until the crack has grown by at least the prior plane strain plastic zone size
An alternative method of precracking for low crack growth rates or threshold ΔK determination can be used for high R values simply by increasing Kmin while maintaining Kmax constant until the relevant ΔK value is obtained.
Assuming the notch to behave as a crack of the equivalent length, cyclically load the specimen such that Kmax equals the value of interest and Kmin is derived from the target value of R.
When a reaches as, cyclically load the specimen, smoothly varying Kmin with crack length according to
where Ck is a load shedding factor (Ck = −280 m−1 is generally satisfactory when a and as are expressed in metres).
Vary Pmax so that Kmax remains constant and equal to Ks. Continue until the appropriate ΔK value is obtained.
NOTE —Ks (1 − Rs) which equals ΔK at the beginning of the determination can conceivably be less than ΔKth at this value of R = Rs and this test method would clearly be inappropriate.
7 Test conditions
7.1 Environmental considerations
Because of the specificity of metal-environment interactions, it is essential that corrosion fatigue crack propagation tests are conducted under environmental conditions which are closely controlled (see paragraphs 3 and 4 below).
The environmental testing conditions depend upon the intent of the test but, ideally, should be the same as those prevailing for the intended use of the alloy or comparable to the anticipated service condition.
Environmental factors of importance are electrode potential, temperature, solution composition, pH, concentration of dissolved gases, flowrate and pressure. ISO 7539-1 provides useful background information. In relation to gaseous environments a critical factor is purity of the gas.
Tests may be conducted under open circuit conditions in which the electrode potential of the metal is dependent on the specific environmental conditions of the test, of which the degree of aeration is an important factor. Alternatively, the electrode potential may be displaced from the open circuit value by potentiostatic or galvanostatic methods.
Auxiliary electrodes to apply external current should be designed to produce uniform current distribution on the specimen, i.e the electrode potential should be constant.
7.2 Stressing considerations
7.2.1 Cyclic frequency
As in cycles to failure testing, cyclic frequency is usually the most important variable that influences corrosion fatigue crack propagation.
The rate of corrosion fatigue crack propagation generally increases with decreasing frequency because of the time dependence of the corrosion and diffusion processes that contribute to the corrosion fatigue process. At higher cyclic frequencies (generally greater than 10 Hz), the rate of corrosion fatigue crack propagation may be no greater than that of fatigue crack growth in air because insufficient time is available during each loading cycle for significant effects to occur. In some cases, the rate of corrosion fatigue crack propagation may also fall at very low cyclic frequencies because repassivation may outpace the rate of rupture of protective surface films at the crack tip.
Since too high or too low a cyclic frequency can lead to non-conservative data, it is important that corrosion fatigue crack propagation tests be conducted at a cyclic frequency that is relevant to the application under consideration. It is desirable to run tests at several frequencies both at greater and less than the application under consideration to assess the effects of changing frequencies.
7.2.2 Stress ratio
The rates of corrosion fatigue crack propagation are usually increased by higher stress ratios for several reasons depending on the system and including effects of stress ratio on crack tip straining, stress distribution ahead of the crack tip, crack tip shielding and crack chemistry. For this reason, the stress ratio used shall be representative of that encountered.
7.2.3 Waveform
For a given cyclic frequency, the waveform of the loading cycle governs the rate of film rupture at the crack tip and may, therefore, influence the rate of corrosion fatigue crack propagation. Hold periods at minimum, intermediate or maximum load in the cycle can either increase or decrease the rate of corrosion fatigue crack propagation, depending on the mechanism of the cracking process. For example, where Kmax exceeds the K value for time dependent modes, a hold time at maximum load may be expected to increase the rate of crack propagation. However, in materials which are resistant to cracking under static load, a hold time at maximum load may reduce the rate of crack propagation because of time dependent crack blunting due to corrosion or plasticity. Such effects necessitate the use of an appropriate waveform and hold times during corrosion fatigue crack propagation testing.
Some practical applications involve exposure to random loading cycles or to well-defined periodic changes in the cyclic loading conditions. While some insight into the influence of these fluctuations may be gained by the summation of the effects observed during a series of tests under different loading conditions, it is preferable to simulate the service conditions by computer control using block or random loading programs.
7.2.4 Crack tip shielding (closure) effects
Rough intergranular corrosion fatigue fracture surfaces, oxides or calcareous deposits on the fracture surfaces can cause premature crack surface contact at a stress intensity factor K = Kclosure during unloading. This reduces the effective crack tip driving force below the applied ΔK and can greatly reduce fatigue crack propagation rates. Under these circumstances an effective ΔK is appropriate, as follows:
ΔKeff = Kmax − Kclosure
This reinforces the need for environmental and loading conditions to be carefully controlled during crack progagation measurements so that beneficial crack closure effects relevant to service can be identified.
8 Test procedure
8.1 General
Before testing, the thickness, B, and width, W, should be measured to within 0,001W on a line not further than 0,1W from the crack plane. The average length of the fatigue precrack on both sides of the specimen should also be determined and this value should be used in assessing the loads required to produce the initial stress intensity factor range, ΔK.
8.2 Starting procedure
The starting procedure invariably has some effect on the initial crack growth rates because of time-dependent changes in the local environment in the crack and the electrode potential, changes in crack-tip shape, charging of the metal with hydrogen, development of oxides or other deposits. For this reason considerable caution shall be exercised in interpreting initial data and this becomes of most significance in attempts to quantify threshold ΔK.
The precracked specimen and environmental chamber shall be mounted and the environment introduced to the cell. Cyclic loading shall then commence on immersion of the crack.
8.3 Environmental control and monitoring
The environment shall be monitored and controlled during the test as required. In unbuffered systems the pH can be maintained constant using an automatic pH control system; otherwise the effect of any variations in pH on crack growth shall be assessed.
In systems open to the atmosphere, aeration can be maintained by bubbling air through the solution. In closed systems, monitoring is required. The flowrates used in testing should simulate the range of conditions in service because flow can affect the electrode potential, e.g. by influencing the flux of oxygen, and mass transfer between the crack enclave and the bulk solution. The orientation of flow with respect to the crack can be important in the latter case. Sealing of the crack sides to limit artificial through-thickness transport should be considered but may introduce local crevice problems.
It is strongly recommended that the electrode potential be measured with a reference electrode appropriate for the application. Care shall be taken to limit IR drop in the measurement of potential. The temperature of the solution should be controlled to ± 2 °C.
8.4 Determination of corrosion fatigue crack propagation rates
8.4.1 Length of crack
Crack length must be recorded as a function of elapsed cycles either continuously or at intervals of crack extension of 0,01W. Crack lengths shall be measured to within 0,01W; changes in crack length shall be measured to within 0,002W.
Any test interruptions and time off-load shall be recorded together with the crack length associated with them.
It is desirable to terminate the test before a/W exceeds 0,65 and the specimen shall be removed from the test environment so that the crack front position can be marked before fracturing the specimen.
NOTE — The object of marking the crack front position is to enable a check to be made for crack front curvature. Possible methods are heat tinting followed by static fracture or continued cycling to failure in air using a substantially different stress range.
The length of the corrosion fatigue crack shall be measured on the fracture surface at both edges and at points 0,25B, 0,5B and 0,75B from one edge. Similar measurements shall be made at other locations on the fracture surface where the corrosion fatigue crack front is well defined. It should be confirmed that at all locations the maximum and minimum values of crack length do not differ by more than 0,1a.
It shall be confirmed that the measured length of the corrosion fatigue crack conforms with the value indicated by the crack monitoring method used during the test to within 0,01 W.
8.4.2 Growth rate of crack
Crack growth rates can be calculated from the crack length versus elapsed cycles data using either the secant method or an incremental polynomial method.
8.4.2.1 Secant method
The secant (or point-to-point technique) for computing the crack growth rate simply involves calculating the slope of the straight line connecting two adjacent points on the a versus N curve. It is more formally expressed as follows:
where
| ai+1 | is the crack length, in millimetres, of the next record; |
| ai | is the crack length, in millimetres, of the current record; |
| Ni+1 | is the count of individual cycles for the next record; |
| Ni | is the count of individual cycles for the current record. |
Since the computed da/dN an average rate over the (ai+1 − ai ), increment, the average length, , is normally used to calculate ΔK.
8.4.2.2 Incremental polynomial method
This method for computing da/dN involves fitting a second-order polynomial (parabola) to sets of (2n + 1) successive data points where n is usually 2 or 3 for five-point and seven-point fits, respectively. The form of the equation for the local fit is as follows:
where
| b0, b1 and b2 the regression parameters that are determined by the least squares regression method over the range ai−n ≤ a ≤ ai+n ; |
| âi is the fitted value of crack length at Ni . |
The parameters: and are used to scale the input data, thus avoiding difficulties in determining the regression parameters.
The rate of crack growth at Ni is obtained from the derivative of the above parabola, which is given by the following expression:
The value of ΔK associated with this da/dN value is computed using the fitted crack length, âi , corresponding to Ni .
8.5 Determination of corrosion fatigue threshold stress intensity factor range
The procedure for precracking was described in clause 6 and for introduction of the environment in 8.2. The conventional definition of threshold ΔK in air involves the observation of no evidence of crack extension over a period of 5 × 106 cycles, or q/10−8 (where q is the resolution of the crack length measurement system in mm). Clearly, this is unrealistic at test frequencies of 0,1 Hz or less. At low frequencies the relevant threshold ΔKth may not be measurable because of the time scale involved. The minimum da/dN measured (corresponding to the"threshold") is influenced by the measurement resolution and long term reliability, patience and economics of measurement. For this reason, establishing a working definition of the threshold criterion in terms of an acceptably low da/dN for an arbitrary metal/environment system is not possible. The relevant criterion shall be agreed by the relevant parties.
NOTES
- 1 The starting procedure in relation to thresholds has, potentially, a significant influence. Precracking in air and subsequent immersion may give unrealistic transients. Precracking in solution at frequencies higher than those of relevance may give unrealistic crack-tip chemistry.
- 2 The degree of crack closure, which is directly affected by oxide or corrosion product thickness, fracture surface roughness plastic zone size, loading ratio, and deviation from Mode I loading, will also affect ΔKth.
9 Test report
The report should include the following information:
- a) specimen type and dimensions B and W (in millimetres) and notch depth;
- b) description of the test machine and equipment used to measure crack length and the precision with which crack length measurement were made;
- c) test material characterization in terms of, for example, chemical composition, melting and fabrication process, heat treatment, microstructure, grain size, non-metallic inclusion content and mechanical properties; product size and form shall also be reported as shall the method of stress relief, if applicable;
- d) specimen orientation and its location with respect to the parent product from which it was removed;
- e) terminal values of ΔK, R and crack length from fatigue precracking;
- f) test loading variables, including ΔP, R, cyclic frequency and waveform;
- g) descriptions of the environmental chamber and all equipment used for environmental monitoring or control;
- h) initial solution composition, pH, degree of aeration (or concentration of other relevant gases), flow conditions, temperature and electrode potential; specification of flowrate shall be in terms of approximate linear rate past specimen if determined by the recirculation rate; reference electrode used, the potential shall be reported and referred to an appropriate standard electrode (example: standard hydrogen electrode or saturated calomel electrode at 25 °C); variations in these parameters during testing shall be recorded;
- i) starting procedure for the test;
- j) transients in the environment, or in the loading (including test interruptions) during testing noting the nature and duration and the associated crack lengths;
- k) analysis methods applied to the data, including the technique used to convert a versus N to da/dN;
- l) specimen K-calibration and size criterion used to ensure predominantly elastic behaviour (for specimens not described in this part of ISO 11782);
- m) extent of crack curvature (measurements at five locations across the specimen are recommended);
- n) for corrosion fatigue crack propagation tests da/dN shall be plotted as a function of ΔK (it is recommended that ΔK be plotted on the abscissa and da/dN on the ordinate — log-log coordinates are commonly used); all data that violate the size requirements of 4.2.1 shall be identified.
- o) for corrosion fatigue threshold stress intensity factor range determinations the value of ΔKth, the associated crack length, the associated value of ΔP and the number of cycles without evidence of crack extension.