A kinetic model for dynamic embrittlement

A kinetic model is offered here to describe the intergranular cracking occurring in polycrystalline materials as the result of stress-induced grain boundary penetration of a surface-adsorbed embrittling element. This stress-driven inward diffusion of an embrittling species causes a reduction in the cohesive strength of the grain boundary and leads to what we call dynamic embrittlement. The theoretical analysis shows that in the case of an elastic–plastic stress field, embrittling atoms diffuse into the stressed boundary, and they eventually reach a maximum concentration in the region of the maximum tensile stress ahead of the crack tip. This result is applied to the case of sulfur-induced cracking in a MnMoNiCr steel, coupled with a fracture criterion in which the stress for decohesion is inversely related to the concentration of the embrittling element. The crack growth rate is calculated as a function of the applied stress, the temperature, and the diffusivity of sulfur, and it is shown to be consistent with the experimental data. It is concluded that dynamic embrittlement is the rate-controlling mechanism of the cracking of this steel (i.e., stress-relief cracking) in a range of applied stress intensity which corresponds to brittle intergranular fracture. Ein kinetisches Modell zur Beschreibung der interkristallinen Risbildung in polykristallinen Substanzen infolge des spannungsinduzierten Eindringens eines an der Oberflache adsorbierten versprodenden Elements in die Korngrenze wird vorgeschlagen. Dieses Einwartsdiffundieren eines versprodenden Elements infolge von Spannungen reduziert die Kohasion an der Korngrenze und fuhrt zu der Erscheinung, die wir dynamisches Versproden nennen. Fur ein elastisch–plastisches Spannungsfeld zeigt die Theorie, das die versprodenden Atome in die gespannte Grenze diffundieren und ein Konzentrationsmaximum in dem Gebiet maximaler Zugspannung uber der Spitze des Risses erreichen. Dieses Ergebnis wird auf den Fall von schwefelinduzierten Rissen in einem MnMoNiCr-Stahl angewendet, zusammen mit einem Bruchkriterium, in dem die Dekohasionsspannung mit der inversen Konzentration des versprodenden Elements verknupft ist. Das Riswachstum wird als Funktion der anliegenden Spannung, der Temperatur und des Diffusionsvermogens von Schwefel in Ubereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen berechnet. Daraus schliest man, das die dynamische Versprodung in diesem Stahl den Regelmechanismus fur das Riswachstum darstellt fur Spannungsintensitaten, die sprodem Korngrenzenbruch entsprechen.