In this study, the effect of specimen thickness on near-threshold fatigue crack propagation (FCP) was investigated in consideration of microstructural parameters, such as the effective grain size and pearlite content. Fatigue tests were performed with compact tension (CT) specimens of SA106 Gr.C steel and its weld, SA508 Cl.3 steel and 12% Cr steel. Specimen thicknesses were 6, 12, and 24 mm The tests were carried out at room temperature in ambient air with a load ratio of 0.1 and a sinusoidal waveform of 10 Hz.
Near-threshold fatigue crack propagation rates decrease and threshold stress intensity factor range, $ΔK_{th}$ values increase with increasing specimen thickness for all microstructures. As the effective grain size decreases, the extent of increase in $ΔK_{th}$ value with increasing specimen thickness decreases. It was observed that the effect of specimen thickness on $ΔK_{th}$ was attributed to roughness- and oxide-induced crack closures enhanced by plastic constraint at the crack tip. As specimen thickness increases, the strain gradient at the crack tip will be steeper and plane strain condition will be prevalent internally. At a given ΔK, crack tip opening displacement under plane strain would be smaller than that under plane stress due to the plastic constraint and the contribution of roughness-induced crack closure would be relatively higher across the thickness. By the prolonged fretting contact of the crack front, oxide-induced crack closure would be enhanced and thus the fatigue thresholds increased.
In the case of SA106 Gr.C steel, the $ΔK_{th}$ of the spheroidized microstructure was lower than that of the as-received microstructure in 24mm thick specimens, while there was little difference in 6mm thick specimens. It was observed that the crack was propagated continuously in the ferrite region, while at the same time it was deflected through large angle in the pearlite region by branching. The mismatching asperities caused by pearlites would increase roughness-induced and oxide-induced crack closure so that the as-received microstructure revealed higher fatigue threshold than the spheroidized microstructure.
원자로 구조재료로 사용되는SA106 Gr.C 용접부, SA508 Cl.3 그리고 12% rotor의 임계 피로균열성장에 미치는 시편 두께의 영향을 입도 그리고 펄라이트 등의 미세구조 관점에서 연구를 수행하였다. 피로 시험은 폭 50.8mm 그리고 두께 6, 12 그리고 24mm 시편을 이용하여 하중비 0.1 그리고 하중주파수 10Hz 조건 하에서 상온에서 수행하였다.
Paris 영역에서는 시편 두께의 영향이 나타나지 않았으나 임계 영역에서는 미세조직에 관계없이 시편의 두께가 증가함에 따라 피로균열성장률은 감소하고 피로임계는 증가하는 것으로 관찰되었다. 특히, 6mm와 12mm 시편의 경우 ASTM E647-92에서 권고하고 있는 시편 폭과 두께의 비에 대한 요구사항을 만족하였으나 미세조직에 따라 17~30 %의 편차가 관찰되었다. 따라서, 임계 피로균열성장 시험에 대한 시편 두께 요구사항에 대한 재검토가 필요한 것으로 사료된다.
유효입도가 증가함에 따라 시편 두께가 피로한계에 미치는 영향이 확대되는 것으로 관찰되었다. 임계 영역에서 시편 두께 및 유효입도의 영향은 거칠기-유기 균열닫힘에 수반하는 산화막-유기 균열닫힘에 의한 것으로 관찰되었다. 시편 두께의 증가에 따라 시편 내부에서 소성구속력이 증가하게 되어 같은 하중조건에서 균열열림변위가 상대적으로 감소하게 되기 때문에 유효입도가 클수록 거칠기-유기 균열닫힘이 확대되고 이에 따른 프레팅에 의해 산화막-유기 균열닫힘이 수반된 것으로 판단된다.
페라이트-펄라이트 미세조직의 SA106 Gr.C 강의 구상화 열처리를 통해 페라이트의 입도가 같을 경우 펄라이트가 포함된 미세조직이 평면변형 응력조건에서 균열분기를 통해 피로임계를 증가시키는 것으로 관찰되었다. 파면을 통하여 균열은 페라이트 영역을 따라 전파되지만 평면변형 조건에서는 펄라이트 내에서의 전단변형이 제한되어 펄라이트 영역에서 큰 각을 이루며 분기하는 것을 확인하였다. 펄라이트의 분기에 의해 형성된 거친 파면의 부적합은 균열닫힘을 확대시켜 피로임계를 증가시키는 것으로 판단된다.
