Influence of strain-induced martensitic transformation on fatigue short crack behaviour in an austenitic stainless steel

Influence de la transformation martensitique induite par déformation sur le comportement en fatigue des fissures courtes dans un acier inoxydable austénitique

Ecole Nationale Supérieure des Mines, URA CNRS 1884 158, cours Fauriel, 42023 Saint-Etienne Cedex 2, France

Abstract

The influence of martensitic transformation induced by cyclic straining on the mechanisms of low cycle fatigue damage in a metastable austenitic stainless steel with different grain sizes has been investigated using macroscopic measurements and microscopic observations of short crack evolutions. The amount of martensite formed during cyclic straining increases with increasing plastic strain amplitude and cumulative plastic strain but the dominant parameter is the grain size of austenite. The fine microstructure (D = 10 pm) with maximum martensite fraction of about 20 % is characterised by a better fatigue resistance than the coarse one (D = 40 µm and only 2 % of martensite) for the same plastic strain amplitude.

Martensitic transformation is found to radically modify the cyclic response of the alloy and consequently the damage mechanisms. Indeed, both short crack nucleation and growth take place exclusively in the transformed regions.

A mechanism of short crack propagation based on the γ → α’ transformation assisted by stress concentrations at the crack tip is proposed. The indirect influence of grain boundaries in the austenite on crack propagation in the martensite is demonstrated. The better fatigue resistance of metastable alloys with fine granular structure can thus be understood.

Résumé

L’influence de la transformation martensitique, induite par déformation cyclique, sur les mécanismes d’endommagement en fatigue oligocyclique dans un acier inoxydable austéni- tique métastable, avec différentes tailles de grains, a été étudiée. Pour cela, des mesures macroscopiques et des observations microscopiques des fissures courtes ont été réalisées.

La quantité de martensite formée durant la déformation cyclique augmente avec l’amplitude de déformation plastique et la déformation plastique cumulée, mais le paramètre dominant est la taille de grains de l’austénite. La microstructure fine (D = 10 µm) avec une fraction maximale d’environ 20 % de martensite se caractérise par une meilleure résistance à la fatigue par rapport à la structure à gros grains (D = 40 pm et seulement 2 % de martensite), à même amplitude de déformation plastique.

La transformation martensitique modifie radicalement la réponse cyclique de l'alliage et par conséquent les mécanismes d’endommagement. En effet, l’amorçage et la croissance des fissures courtes se déroulent exclusivement dans les régions transformées.

Un mécanisme de propagation des fissures courtes basé sur la transformation γ → α’ assistée par des concentrations de contraintes en pointe de fissure est proposé. L’influence indirecte des joints de grains de l’austénite sur la propagation des fissures dans la martensite est démontrée. La meilleure résistance à la fatigue des alliages métastables, de structure fine, peut ainsi être comprise.