Ou study focuses on the effects of phase transformations on crack propagation. We want to understand the changes of fracture toughness during welding. In this work, fracture toughness is expressed by J-integral. There are many experimental methods to obtain the critical toughness JIC but they are impractical for our investigation during phase transformation. That is the reason why we have proposed a method coupling mechanical tests, digital image correlation and finite element simulation. The fracture tests are implemented on pre-cracked single edge notched plate sample which is easy for machining and heat conduct during phase transformation. The tests are conducted at different temperatures until rupture. Digital image correlation gives us the displacement information on every sample. Each test is then simulated by finite element where the fracture toughness is evaluated by the method G-Theta at the crack propagation starting moment found by potential drop method and digital image correlation technical. Two materials have been studied, 15Cr-5Ni martensitic precipitation hardening stainless steel and 16MND5 ferritic low carbon steel. For these two materials, different test temperatures were chosen before, during and after phase transformation for testing and failure characterization of the mechanical behavior. Investigation result shows that metallurgical phase transformation has an influence on fracture toughness and further crack propagation. For 15-5PH, the result of J1C shows that the as received 15-5PH has higher fracture toughness than the one at 200°C. The toughness is also higher than the original material after one cycle heat treatment probably due to some residual austenite. Meanwhile, pure austenite 15-5PH at 200°C has higher fracture toughness than pure martensitic 15-5PH at 200°C. For 16MND5, the result also proves that the phase transformation affects fracture toughness. The as received material has bigger J1C than the situation where it was heated to 600°C. On the other hand, the material at 600°C just before isothermal bainite transformation after the austenitization during cooling process also has higher fracture toughness than the one at 600°C before austenitization. These two conclusions are consistent well with the result of 15-5PH. But the final situation of 16MND5 after one cycle heat treatment has a slightly smaller J1C than the receiving situation. It means that one cycle heat treatment hasn't an significant influence on 16MND5fracture toughness. Conclusions show that one should pay attention to the heating period before austenitization of the substrate material when people do the welding as the higher temperature will bring the lower fracture toughness during this process. While during cooling period, the fracture toughness doesn't change a lot during, before or after the cooling induced phase transformation. Even for 15-5PH, it has a better fracture toughness after the martensite transformation than before.

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A aplicação do novo conceito de tratamento térmico, chamado de têmpera e partição (Q&P), desenvolvido para a obtenção de aços da terceira geração da classe AHSS (Advanced high strengh steel ou aços avançados de alta resistência), mostra-se uma alternativa para o processamento de ferros fundidos nodulares com alta resistência mecânica. No processo Q&P, o carbono presente na martensita supersaturada, formada na etapa de têmpera, é utilizado para estabilizar a austenita não transformada durante a etapa de partição, mantendo-a estável na temperatura ambiente. Essa rota de tratamento térmico consiste em realizar uma têmpera no material (após uma etapa prévia de austenitização) numa faixa de temperatura entre o Ms e Mf (temperatura de início e fim da transformação martensítica, respectivamente), seguido de um reaquecimento e manutenção a uma temperatura acima do Ms (etapa isotérmica de partição) com o objetivo de que o carbono migre da martensita supersaturada para a austenita remanescente promovendo sua estabilização. Essa partição do carbono só é possível caso a precipitação da cementita seja suprimida, e isso é conseguido com a presença de elementos de liga, como o Si e/ou Al. Neste trabalho foi feito um estudo sobre as características microestruturais e mecânicas de um ferro fundido nodular (3,47%C; 2,47%Si; 0,2%Mn) submetido ao tratamento térmico de têmpera e partição, o qual foi denominado neste trabalho como, Q&PDI (Quenched and Partitioned Ductile Iron ou Ferro Fundido Nodular Temperado e Particionado). Para isso foi realizada uma austenitização plena nas amostras, a 880°C, por duas horas, seguida de uma têmpera em óleo pré-aquecido nas temperaturas de 140 e 170°C. A etapa de partição foi feita nas temperaturas de 300, 375 e 450°C, com intervalos de tempo variando de 5 a 120 minutos. A caracterização microestrutural foi realizada através de microscopia ótica, microscopia eletrônica de varredura e EBSD. A técnica de difração de raios-X foi empregada para quantificar a fração volumétrica e o teor de carbono na austenita retida. Ensaios de dilatometria, difração de raios-X \"in situ\" e nanoindentação foram empregados para auxiliar na análise das transformações de fases que ocorreram na etapa de partição, como a transformação bainítica e a precipitação de carbonetos de transição nas placas de martensita. A caracterização mecânica foi feita através de ensaios de tração, impacto, dureza, nanoindentação, tenacidade à fratura e resistência à fadiga. Ensaios de compressão auxiliaram na análise da transformação martensítica induzida por deformação. Os resultados obtidos mostraram que é possível obter ferros fundidos nodulares com alta resistência mecânica (limite de resistência >1450 MPa), com consideráveis ductilidade (de até 9%) e energia absorvida sob impacto (de até 81 J), bem como tenacidades à fratura de 55 MPa.m1/2 e limites de fadiga de 550 MPa. Este comportamento é proporcionado por uma microestrutura singular, constituída por uma dispersão homogênea de placas de martensita numa matriz de ausferrita bastante refinada, com consideráveis frações volumétricas de austenita retida (max. 23%). / Quenching and partitioning (Q & P), a new heat treatment concept developed to obtain third generation AHSS (Advanced High Strength Steel), is an alternative for processing of nodular cast irons in order to obtain high mechanical strength. In the Q & P process, the carbon present in the supersaturated martensite formed in the quenching step diffuses towards the untransformed austenite during the partition step, keeping it stable at room temperature. This heat treatment route consists of quenching the material (after a previous step of austenitization) in a temperature range between Ms and Mf (beginning and end temperature of the martensitic transformation, respectively), followed by reheating and maintenance at a temperature above the Ms (isothermal stage of partition) allowing the carbon to migrate from the supersaturated martensite to the remaining austenite, promoting its stabilization. This partition of carbon is only possible if precipitation of cementite is suppressed; this is achieved adding alloying elements such as Si and/or Al. In this work a study was made on the microstructural and mechanical characteristics of a ductile iron (3.47%C; 2.47%Si; 0.2%Mn), submitted to a Q&P heat treatment, in this work named Q & PDI (Quenched and Partitioned Ductile Iron). A full sample austenitization was carried out at 880 ° C for two hours, followed by a pre-heated oil quanching at temperatures of 140 and 170 ° C. The partitioning step was at temperatures of 300, 375 and 450Â ° C, with time intervals ranging from 5 to 120 minutes. Microstructural characterization was performed through optical microscopy, scanning electron microscopy and EBSD. The X-ray diffraction technique was used to quantify the volumetric fraction and the carbon content in the retained austenite. Dilatometry, X-ray diffraction \"in situ\" and nanoindentation were also used to aid in the analysis of the phase transformations that occurred in the partitioning stage, such as the bainitic transformation and the precipitation of transition carbides in the martensite plates. Mechanical characterization was performed through tensile, impact, hardness, nanoindentation, fracture toughness and fatigue strength tests. Compression tests aided in the analysis of the deformation induced martensitic transformation. The results showed that it is possible to obtain nodular cast irons with high mechanical strength (resistance limit> 1450 MPa), with considerable ductility (up to 9%) and energy absorbed under impact (up to 81 J), as well as fracture toughness of 55 MPa.m -1 / 2 and fatigue limits of 550 Mpa. This behavior is provided by a unique microstructure, consisting of a homogeneous dispersion of martensite plates in a very refined ausferrite matrix, with considerable volumetric fractions of retained austenite (max. 23%).

Diversos critérios de tenacidade à fratura translaminar dinâmica foram determinados para o laminado híbrido metal-fibra TiGra, empregando-se conceitos e metodologias da Mecânica da Fratura Elástica Linear MFEL (fator-K) e da Mecânica da Fratura Elasto-Plástica MFEP (integral-J). Verificou-se que as tenacidades de iniciação elasto-plástica, Jid, e de carga máxima, Jmd, do TiGra são controladas pelo desenvolvimento, ou supressão de delaminações. Os resultados indicaram que o emprego deste material se justifica mais pela sua resistência à propagação de danos (caracterizada por Jmd) do que à iniciação da fratura dinâmica (por Jid). De modo geral, os requisitos de validade de Jid como verdadeira propriedade do material (JId) foram satisfeitos, embora para Jmd boa parte das restrições quanto ao tamanho mínimo do corpo-de-prova tenha sido violada. Mais freqüentemente, velocidades mais rápidas de impacto beneficiaram as tenacidades-J do TiGra, enquanto que temperaturas mais elevadas afetaram negativamente estas propriedades. Quanto à MFEL, a tenacidade KJd do TiGra foi beneficiada pelo incremento na taxa de carregamento sob temperaturas mais elevadas, enquanto que a tenacidade Kid foi negativamente afetada pela taxa de deformação em todas as temperaturas avaliadas. Temperaturas mais altas também degradaram as propriedades de tenacidade-K do TiGra. Em oposição às tenacidades-J, os critérios KJd e Kid não satisfizeram em absoluto os mais exigentes critérios de contenção de plasticidade estabelecidos pela MFEL, se comparados aos propostos pela MFEP. Por fim, o desempenho mecânico do laminado TiGra foi severamente comprometido quando do cômputo da densidade específica para a determinação das tenacidades J e K por unidade de massa, sendo nesta ocasião o laminado híbrido facilmente superado por vários laminados convencionais da classe dos Carbono-Epóxi. / Several dynamic translaminar fracture toughness criteria have been determined for TiGr hybrid fiber-metal laminate through Linear Elastic (K-factor) and Elastic-Plastic (J-integral) Fracture Mechanics (LEFM and EPFM, respectively) concepts and methodologies. Instrumented Charpy impact testing was carried out over a wide range of temperatures under two loading rates. It has been discovered that the elastic-plastic initiation toughness, Jid, and the toughness at maximum load, Jmd, of TiGr are controlled by either delamination favoring or suppression. Impact tests revealed that the in-service use of TiGr must rely on its resistance to dynamic fracture propagation (as characterized by Jmd) rather than on fracture initiation (by Jid). In a broad sense, the requirements for Jid data validity as a material property (JId) were fulfilled, whereas many restrictive demands in regard to the minimum testpiece size were violated by the Jmd criterion. Generally, higher impact velocities were beneficial to TiGrs J-toughnesses, inasmuch as higher temperatures impaired these properties. Regarding the LEFM approach, KJd toughness of TiGr laminate was imparted by faster impacts at higher temperatures, whilst the strain rate negatively influenced the Kid toughness over the whole temperature range tested. Higher temperatures also degraded the K-toughness properties of TiGr hybrid laminate. Differently from J-toughnesses values, the KJd e Kid criteria did not satisfy at all the more stringent criteria set forth by the LEFM approach with regard to plastic constraint, as compared to those established by EPFM. Finally, the mechanical performance of TiGr laminate was overwhelmingly compromised as the materials specific gravity was taken in account to obtain K and J toughness values by unit weight, so that TiGr was by far exceeded in this regard by conventional Carbon/Epoxy composite laminates.

Orientador: Itamar Ferreira / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-06T11:42:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 AguirreTorrico_IvanFelix_D.pdf: 3675970 bytes, checksum: 89da868d1276d05e3f5f216b82efb029 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: O gasoduto Bolívia-Brasil foi fabricado com dutos de aços API 5L X65 e X70. Existem relatos na literatura especializada de que o campo de tensões nas vizinhanças da ponta da trinca e a tenacidade à fratura são similares entre os corpos de prova não normalizados do tipo tração com entalhe lateral [SE(T)] e dutos. Neste trabalho realizou-se um estudo numérico e experimental da tenacidade à fratura em condições elasto-plásticas, com corpos de prova do tipo SE(T), dos aços API 5L X65 e API 5L X70. A determinação dos parâmetros da mecânica da fratura elástica linear foi feita pelos Métodos dos Elementos Finitos (MEF) e dos Elementos de Contorno (MEC) e a determinação do parâmetro elasto-plástico integral J por MEF. O fator eta plástico obtido numericamente, pelo MEF e com dados fornecidos pelo método EPRI, foi de 1,0, para medições do deslocamento de abertura da boca da trinca (CMOD). Com este fator eta plástico, foram realizados ensaios experimentais de tenacidade à fratura com corpos de prova do tipo SE(T), com espessura de 5 mm, e esses valores foram comparados com os resultados de ensaios em corpos de prova de flexão em três pontos [SE(B)], também com espessura de 5 mm. Houve um boa concordância entre os resultados numéricos e experimentais da integral J. Verificou-se que as curvas J-R obtidas com ensaios SE(T) são próximas das obtidas com ensaios SE(B), tendo em vista que a espessura dos corpos de prova utilizada, de 5 mm, não pôde ser modelada no estado plano de tensão ou de deformação / Abstract: The gas pipeline Bolivia-Brazil was manufactured with pipes of API 5L X65 and X70 steels. Specialized literature report that the stress field in the neighborhood of the crack tip and the fracture toughness are similar between not standard single edge notch tensile specimens - SE(T) - and pipes. In this work numerical and experimental study were made of the elastic-plastic fracture toughness using SE(T) specimens for API 5L X65 and X70 steels. The determination of the parameters of the linear elastic fracture mechanics was performed by the methods of the Finite Elements (FEM) and Boundary Elements (BEM). The J-integral parameter was determined by FEM. The plastic eta factor was obtained by FEM and with data supplied by the EPRI method. In both cases for measurements of the crack mouth opening displacement (CMOD) the determined plastic eta factor is 1.0. With this plastic eta factor, experimental tests of fracture toughness were accomplished using SE(T) specimens with thickness of 5 mm, and those values were compared with the test results obtained with standard single edge bend -SE (B)- specimens also with thickness of 5 mm. There was a good agreement between the numeric and experimental results of J-integral. Was verified that the J-R curves obtained with SE(T) specimens are close to the obtained with SE(B) specimens / Doutorado / Materiais e Processos de Fabricação / Doutor em Engenharia Mecânica

No presente trabalho produziu-se amostras de flexão em três pontos, SENB, a partir de placas moldadas por compressão feitas de uma resina de Poli(metacrilato de metila) comercial. Dois conjuntos contendo 6 amostras cada foram então pré-trincados por meio de uma lamina afiada de aço adotando-se dois métodos diferentes propostos pela literatura técnica: através de batidinhas (gentle tapping) e através da inserção controlada a velocidade constante da lâmina, ambas usando um dispositivo especialmente desenhado para este fim. Estas amostras foram então submetidas ao ensaio de tenacidade à fratura em deformação plana, KIc, com o intuito de se testar a hipótese de que os diferentes métodos introduzem diferentes padrões de dano na matriz próxima à região da ponta da pré-trinca, o que, por sua vez, influência os resultados obtidos. Adotou-se a norma ASTM D 5045 como padrão do ensaio. Todas as amostras produziram resultados válidos para KIc, considerando-se os critérios da norma. Os resultados confirmam a hipótese inicial mostrando que os diferentes métodos de introdução da pré-trinca influenciam o valor medido de KIc a um nível de significância de 5% para a diferença das médias obtidas nos dois grupos, sendo que o valor mais conservador é obtido quando as pré-trincas são introduzidas pelo método das batidinhas (KIc = 1,15 ± 0,11 MPa m1/2). Com base nestes resultados novas amostras com geometria auto-similar às anteriores foram produzidas e usadas para a investigação do estado de tensão desenvolvido nas amostras pelo método da fotoelasticidade. Os resultados confirmam que os diferentes métodos de pré-trincamento produzem diferentes padrões de Moiré próximos à ponta da trinca, o que prova que os estados de tensão são efetivamente afetados e que o método da inserção controlada produz a maior perturbação no campo de tensão próximo à ponta da pré-trinca. / Single-Edge-Notch Bending samples produced out of compression-molded plates obtained from a commercial Poly(methyl metacrylate), PMMA, resin were investigated concerning the influence of the adopted pre-cracking methodology on plane strain fracture toughness results according to ASTM D 5045 standard. Two sets of 6 samples each were pre-cracked using a sharp-edge scalpel steel blade using two methodologies proposed in the technical literature: by gentle tapping on the blade and by controlled insertion at constant velocity, both using a device specially designed for these purposes. These sample were, then, submitted to the plane strain fracture toughness (KIc) test based on the hypothesis that different pre-cracking methods result in different damage levels of the matrix near the pre-crack tip and, hence, in different measured values for KIc. All samples produced valid results for KIc based on the geometric criteria adopted by the standard. The results confirm the original hypothesis showing that the two pre-cracking methods influence the measured value at a significance level of 5% for the comparison of the averages obtained in both sets. The most conservative value for plane strain fracture toughness of the investigated resin is obtained by pre-cracks introduced by gentle tapping on the blade (KIc = 1.15 ± 0.11 MPa m1/2). Based on these results new samples with a self-similar geometry were produced and submitted to photoelasticity tests to investigate the influence of the pre-cracking methods on the strain-field developed during three-point bending loading. The results confirm that the different methods produce different Moiré patterns close to the pre-crack tip, proving that the developed stress fields are different and that pre-cracks introduced by controlled insertion of the blade produce the largest perturbations of the strain field close to the pre-crack tip.

Neste trabalho, foram determinadas as propriedades mecânicas de fadiga de baixo e alto ciclo e de tenacidade à fratura JIC de um aço inoxidável austenítico do sistema Cr-Mn-N, utilizado na confecção de colares para perfurações pela indústria de exploração de petróleo. Foi também avaliada a influência da temperatura de serviço nas propriedades mecânicas do aço, que apresentou um decréscimo significativo nos valores dos limites de escoamento e de resistência e do alongamento com o aumento da temperatura. Na temperatura ambiente, os ensaios de fadiga de baixo e alto ciclo foram realizados segundo as normas ASTM E606 e ASTM E466. Em temperaturas superiores, as propriedades de fadiga foram estimadas utilizando alguns métodos atualmente disponíveis, que utilizam somente as propriedades mecânicas de tração. Os resultados obtidos mostraram uma pequena influência da temperatura na vida à fadiga na região de baixo ciclo e uma grande influência na região de alto ciclo. A curva tensão-deformação cíclica do material foi obtida pelo método convencional e pelo método do passo incrementai, que utiliza somente um corpo de prova. Os ensaios de JIC foram realizados nas temperaturas ambiente e 150°C, segundo a norma ASTM E813, utilizando a técnica de variação da flexibilidade elástica. Na temperatura ambiente, foi observada uma grande dispersão nos valores obtidos de JIC, atribuída à presença de uma fase frágil, identificada como precipitados de carbonitretos mistos de ferro, cromo, manganês e nióbio. Foi também observada uma diminuição no valor médio de JIC com o aumento da temperatura. / In the present work, the low and high cycle fatigue and fracture toughness properties of a Cr-Mn-N austenitic stainless steel used for application in drill collars were investigated. Also, the temperarure dependence of the tensile properties was determined, and it was found that the yield strength, ultimate strength and elongation values decrease significantly with the temperature. The low and high cycle fatigue testing were carried out at room temperature according to ASTM E606 and ASTM E466 standards. At high temperarure, the fatigue properties were estimated from monotonic propetties obtained in the tensile testing. The results showed small influence of temperature in the fatigue life in the short-life range and great influence in the long-life range. The cyclic stress-strain curve was obtained by companion specimen tests and incremental step tests methods. The last method showed to be advantageous because only one specimen and short testing time were required. The fracture toughness was detennined at room temperature and at 150°C applying elastic-plastic fracture mechanics concepts. The single specimen elastic compliance technique for crack length determination was employied. At room temperature a great scattering of the JIC values was observed due the presence of the brittle phase identified as a precipitates of carbonitride content Fe, Cr, Mn, Nb elements. Also a decreasing of average value o f the JIC was observed with the increasing of temperature.

O presente trabalho avalia e compara os resultados da tenacidade à fratura da zona termicamente afetada (ZTA) de soldas múltiplos passes por meio de ensaios de CTOD. Para este estudo, foi utilizado um aço alta resistência e baixa liga (ARBL) resistente à corrosão ambiental. As soldas foram realizadas com insumo de calor de 30 e 50 kJ/cm em um chanfro 1/2 K. Os resultados dos ensaios de CTOD mostraram que a solda produzida com maior insumo de calor apresenta tenacidade à fratura mais elevada. A análise microestrutural revelou que as microestruturas de elevada dureza e baixa tenacidade, formadas na ZTA de granulação grosseira, para a condição de 30 kJ/cm, deram lugar às microestruturas de tenacidade mais elevada, para o insumo de calor de 50 kJ/cm. / In this work the fracture toughness results of the heat affected zone (HAZ) in a multiple pass welds using a crack tip opening displacement (CTOD) concept were evaluated and compared. It was used an ambiental resistent high strengh low alloy steel. The welds were carried out using a heat input of 30 and 50 kJ/cm in a bevel preparation 1/2 K. The results of CTOD testing showed that increasing heat input, caused an improvement in the weldments fracture toughness. Microstructural analysis revealed that the high hardness and low toughness microstructures formed at coarse grain HAZ, near fusion line, for welding condition 30 kJ/cm were changed to higher toughness microstructure using a heat input of 50 kJ/cm.

A indústria aeronáutica tem buscado melhorias no conceito de integridade estrutural, a partir do desenvolvimento de projetos mais otimizados com a produção de aeronaves mais leves e seguras. Tais projetos garantem aeronaves operacionalmente mais viáveis e redução no consumo de combustível, beneficiando o fabricante, os operadores e a população em geral, pois aplica o conceito de aeronave verde. Estruturas aeronáuticas em operação recebem solicitações de cargas típicas de vôo, como pressurização, sustentação, que por sua vez, geram esforços dos mais variados tipos e suas combinações, como tração, compressão, fadiga, torção, flexão, flambagem, cargas aeroelásticas, vibrações e flutter, associados a ambientes críticos. O conhecimento sobre o comportamento do material estrutural perante ambientes corrosivo ou de baixa temperatura, é importante para avaliação da vida útil das aeronaves. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi avaliar o comportamento da liga AA2050-T84 sob ponto de vista de corrosão-fadiga e tenacidade a fratura em criogenia e, correlacionar com a microestrutura e fractografia através de ensaios mecânicos e de tenacidade a fratura em temperatura ambiente e criogênica. As condições de ensaios foram determinadas próximas a de serviço a que o material será inserido sendo, para criogenia -54 ºC e para os ensaios de propagação de trinca por fadiga em atmosfera ambiente e névoa salina com concentração de solução de 3,5% e 5% NaCl, frequência de 15Hz e razões de carga R = 0,1 e 0,5. Os resultados em criogenia mostraram que há melhora nas propriedades trativas e estabilidade na tenacidade, pois o material retém dutilidade com o decréscimo da temperatura. Os ensaios de propagação de trinca por fadiga foram executados com ΔK decrescente e os parâmetros para geração de névoa salina foram determinados experimentalmente. As curvas de crescimento de trinca e determinação do fator limite foram comparadas quanto a razão de carga e atmosfera de ensaio. Observou-se que para os ensaios de propagação de trinca por fadiga a presença da névoa salina acelera a taxa de propagação e resultam em um fator limite menor. / The aviation industry has sought improvements with the concept of structural integrity, from the development of more optimized designs with production aircraft with low weight and secure. These projects ensure an aircraft more operationally doable and reduced fuel consumption, benefiting the manufacturer, operators and the people, applying the concept of green aircraft. Aerospace structures in operation receive requests loads typical of flight, how pressurization support and lift that produce several types and combinations of requests, such as tensile, compression, fatigue, torsion, bending, buckling , aeroelastic loads, vibration and flutter associated with critical environments. Knowledge about the behavior of the structural material into corrosive environments or cryogenic temperature, it is important for evaluation to the lifetime of the aircraft. Accordingly , the aim of this study was to estimate the behavior of AA2050 - T84 alloy, about corrosion-fatigue and fracture toughness at cryogenic situations and correlate with microstructure and fractography, by mechanical tests and fracture toughness at room temperature and cryogenic. The test conditions has been determined near of the service that the material will be inserted, for cryogenic temperature -54 ºC and testing of fatigue crack propagation in air and salt spray with concentration of 3.5% and 5% NaCl, frequency 15Hz and load ratios R = 0.1 and 0.5. The cryogenic results showed that there improvement in tensile properties and stability in toughness due the restraint of ductility with decreasing temperature. Tests of fatigue crack propagation were carried out with ΔK decreasing and the parameters to obtain salt spray were determined experimentally. The crack growth curves and determination of the threshold were compared the according to load ratio and test atmosphere. In the fatigue crack propagation it was observed that presence of salt spray accelerates the rate of propagation and result in a lower threshold.