Fatigue behavior of ultra high strength structural materials

Abstract

Ultra high strength structural AF1410 steel is commonly used in critical aircraft structural components in aerospace and marine application, because it possesses high toughness and outstanding mechanical properties. However, there exists a lack of knowledge of its corrosion-fatigue properties and hydrogen embrittlement. This study attempts to undertake an accurate simulation of actual service conditions mimicking a realistic environment and to characterize the hold time-fatigue interaction on aircraft structural members. AF1410 steel was evaluated in marine environment and electrolytic hydrogen charged conditions. A decrease in lifetime of AF1410 was observed as a function of increasing severity of the simulated environment and reducing test frequency. The crack growth rate of hydrogen charged specimens and under simulated marine environment was higher than specimens evaluated without hydrogen (air), when evaluated using sinusoidal and trapezoidal loading forms. Furthermore, hydrogen charged specimens at one and two lateral surfaces exhibited a drastic reduction in the lifetime caused by simultaneous effect of hydrogen and fatigue loading. Our results show that hold time effect under environmental hydrogen embrittlement conditions was detrimental on fatigue lifetime of AF1410 steel which is frequently ignored under environmental temperatures. Additionally, the hydrogen charged specimens underwent a change in the fracture modes from ductile to brittle. Since, hydrogen has not permeated the entire specimens; the experiments provided a more realistic approach to the study of large aircraft components during service. In addition, a phenomenological mathematical model for lifetime prediction was developed to account for the effect of hydrogen on the fatigue crack growth rate for AF1410 steel. Finally, the phenomenological model developed shows an excellent agreement between the experimental and predicted results.

El acero AF1410 es comúnmente usado en componentes estructurales críticos en aplicaciones aeroespaciales y marinas, ya que posee una alta tenacidad y propiedades mecánicas excepcionales. Sin embargo, existe una falta de conocimiento de las propiedades de corrosión-fatiga de este acero de ultra alta resistencia. Este estudio intenta iniciar una simulación adecuada de las condiciones actuales de servicio de componentes estructurales imitando un ambiente real y también caracterizar términos de tiempo cortos de carga sostenida combinado con fatiga. AF1410 fue evaluado en ambiente marino y condiciones de cargado electrolítico de hidrógeno. Se observó una disminución en el tiempo de vida del AF1410 como función de incrementar la severidad del medio ambiente y reduciendo la frecuencia. La velocidad de crecimiento de especimenes cargados con hidrógeno fue más alta que especimenes evaluados sin hidrógeno. El tiempo de vida para especimenes expuestos a ambiente corrosivo e hidrógeno disminuyó bajo formas de cargas sinusoidales y trapezoidales. Además, especimenes cargados con hidrógeno en ambas caras laterales exhibieron una drástica reducción en el tiempo de vida por una acción simultánea de hidrógeno y tiempo de carga sostenida. Nuestros resultados mostraron que el tiempo de carga sostenida fue crítico sobre el tiempo de vida del AF1410, el cual es frecuentemente ignorado bajo temperaturas ambientales. Adicionalmente, especimenes cargados con hidrógeno experimentaron un cambio en el modo de fractura de dúctil a frágil. Debido a que el hidrógeno no permea los especimenes enteros, los experimentos proveen una aproximación real al estudio de estructuras aéreas grandes en servicio. En adición, un modelo fenomenológico para predecir la vida del material fue desarbolado para tomar en cuenta el efecto del hidrógeno sobre el crecimiento de grieta en fatiga para el AF1410. Finalmente, el modelo fenomenológico desarrollado mostró un excelente acuerdo entre los resultados predichos y experimentales.