The influence of interacting small defects on the fatigue limit of steels - Vuorovaikuttavien pienten vikojen vaikutus terästen väsymisrajaan
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2020-12-17
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
78 + app. 48
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 217/2020
Abstract
Metallic engineering components possess numerous small natural defects, which can potentially become sites for fatigue crack initiation. Although the influence of a single small crack on the fatigue strength is well studied, knowledge of the behavior of interacting defects is more limited. Current design rules and standards for the interaction effect, such as British standard BS 7910, are based on material-independent criteria. Consequently, this thesis examines experimentally the effect of the material on defect interaction. In addition, this work introduces an efficient finite element-based method for stress intensity factor (SIF) evaluation of interacting arbitrarily shaped 3D cracks. In experimental investigations, fully-reversed tension-compression fatigue tests were performed using different steel grades. Small artificial defects were manufactured onto the specimen surface with an accurately determined distance between them. Fatigue limits were determined by the non-propagating condition of cracks that had emanated from artificial defects. The size of natural non-propagating cracks (NPC's) varies among different materials. Thus, the influence of the material's effect is determined on both NPC characteristics and defect interaction on the fatigue limit. In order to evaluate SIF's of arbitrarily shaped 3D cracks, this thesis develops the Stress Component Division Method (SCDM), which utilizes the theory of elasticity, the superposition principle, and stress component division. The key point of the SCDM is that it separates the total stress in an element into two components, singular and non-singular terms, the former of which is associated with the SIF. This study showed that the behavior of interacting defects varied greatly among different steels. In low strength steel, the defects coalesced at the fatigue limit regardless of the spacing between them, whereas defects never coalesced at the fatigue limit in high strength steel regardless of the spacing between the defects. In case of moderate strength steels, the interaction phenomena were more complicated and the coalescence at the fatigue limit depended on the materials hardness, the relative size of NPC's, microstructure and the spacing between original defects. The numerical SIF solutions for arbitrarily shaped 3D cracks computed by SCDM are in good agreement with the known numerical solutions even when a coarse mesh is employed. It was concluded that, by itself, the commonly used material-independent interaction criterion is insufficient in the evaluation of fatigue strength for interacting crack problems in different steel grades. The experimental results presented here provide new information and guidance to improve the interaction criteria in real engineering structures. It was also shown that in addition to the aspect ratio of the defects and the spacing between defects, the defect shape must also be considered in SIF evaluation of interacting defects.Teräskomponentit sisältävät erilaisia materiaalivikoja, joista väsymissäröt tyypillisesti ydintyvät. Vaikka pienten vikojen vaikutusta terästen väsymislujuuteen on kattavasti tutkittu, useamman vian yhteisvaikutuksen tutkimus on ollut huomattavasti rajallisempaa. Nykyiset väsymiskriittisten osien suunnitteluohjeistukset perustuvat standardeihin, joiden kriteerit eivät huomioi materiaalin vaikutusta. Esimerkki tällaisesta standardista on BS 7910. Tässä väitöskirjatyössä tutkitaan kokeellisesti materiaalin vaikutusta vikojen vuorovaikutukseen. Lisäksi työssä esitellään tehokas elementtimenetelmään perustuva numeerinen menetelmä vuorovaikuttavien 3D-säröjen jännitysintensiteettikertoimien (SIF) määrittämiseen. Kokeellisessa tutkimusosassa eri lujuusluokan teräksiä testattiin käyttäen väsytyskokeissa vaihtojännitystä keskijännityksen ollessa nolla. Koekappaleiden pintaan työstettiin pienet keinotekoiset viat, joiden välinen etäisyys määriteltiin tarkasti. Väsymisraja määriteltiin pysähtyvien säröjen perusteella, eli säröjen, jotka ydintyvät, mutta eivät jatka kasvamistaan murtumaan asti. Pysähtyvien säröjen luontainen koko vaihtelee eri materiaaleissa. Materiaalin vaikutusta tutkittiinkin sekä pysähtyvien säröjen ominaisuuksien että vikojen vuorovaikutuksen näkökulmasta. Työn teoreettisessa osassa kehitetään Stress Component Division Method (SCDM), jossa hyödynnetään elastisuusteoriaa, superpositioperiaatetta sekä jännityskomponenttien erittelyä. SCDM:n avulla kokonaisjännitys särön kärjen elementissä voidaan jakaa singulaariseen ja ei-singulaariseen komponenttiin, joista ensimmäinen vastaa SIF:a. Tässä työssä havaittiin, että vikojen vuorovaikutuksessa oli huomattavia eroja eri materiaaleissa. Matalan lujuusluokan teräksessä säröt yhdistyivät väsymisrajalla huolimatta alkuvikojen välisestä etäisyydestä, kun taas korkealujassa teräksessä viat eivät yhdistyneet riippumatta etäisyydestä. Keskilujissa teräksissä vikojen vuorovaikutus oli monimutkaisempi ilmiö, ja säröjen yhdistymiseen vaikuttivat mm. materiaalin kovuus, suhteellinen pysähtyvän särön koko, mikrorakenne ja alkuvikojen välinen etäisyys. Numeerisesti SCDM:lla määritetyt 3D-säröjen jännitysintensiteettikertoimet vastasivat erinomaisesti tunnettuja vastaavia ratkaisuja, vaikka käytetty elementtikoko oli suhteellisen suuri. Tämän työn tulosten perusteella voidaan päätellä, että yleisesti käytetyt, analyyttiset ja materiaalista riippumattomat vuorovaikutuskriteerit ovat sellaisenaan riittämättömiä kuvaamaan vikojen vuorovaikutusta väsymisrajaan erilaisissa teräksissä. Työn kokeelliset tulokset tarjoavat paitsi uutta tietoa vikojen vuorovaikutuksesta todellisissa komponenteissa, myös suosituksia vuorovaikutuskriteerien parantamiseksi. Työssä osoitettiin myös, että vuorovaikuttavien vikojen jännitysintensiteettikertoimen täsmällisessä määrittämisessä tulisi vikojen mittojen suhteen ja vikojen välisen etäisyyden lisäksi huomioida myös vian todellinen geometria.Description
Supervising professor
Remes, Heikki, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, FinlandThesis advisor
Matsunaga, Hisao, Prof., Kyushu University, JapanMarquis, Gary, Prof., Aalto University, Finland
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Åman, M., Okazaki, S., Matsunaga, H., Marquis, G. B. & Remes, H. (2017). Interaction effect of adjacent small defects on the fatigue limit of a medium carbon steel. Fatigue and fracture of engineering materials and structures, 40: 130– 144.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201906033492
-
[Publication 2]: Åman, M., Wada, K., Matsunaga, H., Remes, H. & Marquis, G. (2020). The influence of interacting small defects on the fatigue limits of a pure iron and a bearing steel. International journal of fatigue, vol. 135, 105560.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202003132513
-
[Publication 3]: Åman, M., Berntsson K., & Marquis, G. (2020). An efficient stress intensity factor evaluation method for interacting arbitrarily shaped 3D cracks. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 109, 102767.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202010165890DOI: 10.1016/j.tafmec.2020.102767 View at publisher