Fatigue Induced Cavitation in Single-Phase Material

Abstract

This paper presents calculations of the growth rates of grain boundary voids in single phase material. Raj's equations for the transient growth rate of cavities subjected to constant stress are extended to the case of cyclic loading. It is found that even under a fully reversed cyclic applied stress preexisting voids grow for an appreciable time. (However for growth to occur voids must first appear near the compressive maximum in a cycle.) When account is taken of the stress concentrations arising from the sliding of grains meeting in a serrated boundary, the transient growth is seen to be large and long-lived. Mean stress effects (including the influence of surface tension or gas pressure on the void surface) are greatly reduced by the presence of stress concentrations. It is found that in the course of cycling, large sharp stress peaks develop on the grain boundaries adjacent to the voids. The magnitude of these peaks increases with increasing frequency of cycling. This fact, together with relaxation effects associated with the sliding grains, may explain the observed enhancement of cavitation as cycle frequency rises. The stress peaks may assist in the formation of ‘stringers’ of voids observed in material subjected to high temperature fatigue. It is proposed that void nucleation near serration peaks occurs by a dislocation pile-up mechanism. Thus voids naturally come into existence at peak stress, either compressive or tensile, and those formed at compressive maxima then can grow by vacancy diffusion.

Résumé

On présente une méthode de calcul du taux de croissance de lacunes aux joints de grains dans un matériel monophase. On adapte les équations de Raj (pour le calcul du taux de croissance transitoire de cavités dans un matériel soumis à une contrainte continue) afin de couvrir le cas d'un chargement cyclique. On observe alors que les lacunes présentes au sein d'un matériel au début de la période de chargement continuent de croître pendant assez longtemps, même lorsqu'elles sont induites par une contrainte cyclique (toutefois, ces lacunes doivent d'abord apparaître près de la contrainte maximum en compression). En tenant compte des concentrations de contraintes causées par le glissement de joints de grains en dents de scie, on peut affirmer que la croissance des lacunes est rapide et prolongée. La présence de concentration de contraintes réduit de beaucoup les effets de contraintes orientées (telle que la tension superficielle ou la pression gazeuse à la surface d'une lacune). On a aussi découvert qu'il y a apparition de pics de contraintes élevées aux environs des lacunes, auxjoints de grains, lorsqu'un matériel est soumis à une contrainte cyclique. Ceci, en conjonction avec les effets de relaxation associés au glissement de grains, peut expliquer que le taux de cavitation est plus élevé lorsque la fréquence de la contrainte cyclique est plus élevée. Les pics de contraintes peuvent faciliter la formation de chapelets de lacunes (observés dans un matériel soumis à un essai de fatigue à haute température). On suggère qu'un mécanisme d'accumulation des dislocations provoque la nucléation de lacunes au voisinage des dents de scie. Les lacunes apparaissent naturellement aux contraintes maximales, soit en tension, soit en compression, et dans ce dernier cas, elles peuvent ensuite croître par un mécanisme de diffusion des lacunes atomiques.