Measurement of microstructurally small fatigue crack using digital image correlation
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
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
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
64+7
Series
Abstract
Modern manufacturing methods enable the production of components, where microstructurally small cracks determine a substantial amount of their fatigue life. The current fatigue assessment approaches focus mainly on long cracks, which are insufficient to characterise the microstructurally small cracks’ behaviour. More experimental research throughout the fatigue life is needed to deepen our understanding of the behaviour of microstructurally small crack. This thesis focused on the experimental characterisation of microstructurally small fatigue crack’s behaviour. The research objective was to develop a holistic measurement procedure for small fatigue cracks. The methodology was based on digital image correlation (DIC) and subsequent crack growth analyses within individual grains. A synchronized dual-camera setup was developed to measure in-situ crack length and full-field displacements during the crack growth. The microstructure was studied using EBSD, and the obtained grain boundary map was compared to the shear strain localisation data acquired using DIC. The developed experimental procedure was applied for a Fe 18%Cr stainless steel specimen with a volume-weighted average grain size of 192 µm. The specimen was subjected to cyclic loading at a load ratio of 0.1 and load frequency of 10 Hz. The developed experimental procedures and statistical analysis was used to successfully measure the crack length, crack growth rate (CGR) and crack-tip opening displacement range (ΔCTOD). Both CGR and ΔCTOD were highly affected by microstructural features, i.e. grain boundaries or shear strain localisations. On smaller crack lengths, the shear strain localisations develop along the crack path well before the crack tip reached the localisation. The grain boundaries restricted the crack-tip plasticity on longer crack lengths, which formed large shear strain localisations. Shear strain localisation’s vicinity at the crack tip led to significant variation in CGR and ΔCTOD throughout the crack propagation. The observations obtained by the developed experimental procedures help to explain the fundamental mechanisms behind the distinct behaviour of small fatigue cracks.Nykyaikaiset valmistusmenetelmät mahdollistavat sileäpintaisten osien valmistamisen, joissa säröt ovat pääosin väsymiseliniästään samassa kokoluokassa mikrorakenteen kanssa. Nykyiset väsymismitoitusmenetelmät perustuvat suurelta osin pitkien säröjen kasvun ennakointiin ja siksi nämä menetelmät eivät ole riittäviä mallintamaan mikrorakenteellisesti pienen särön kasvua. Ymmärtääksemme pienten säröjen kasvamista paremmin, tarvitsemme lisää kokeellisia mittauksia väsymiselinkaaren aikana. Tässä diplomityössä tutkittiin mikrorakenteellisesti lyhyen särön kasvua kokeellisesti. Työn tavoitteena oli kehittää kokonaisvaltainen mittausmenetelmä, jossa siirtymiä ja särönkasvunopeutta mitattiin in-situ digitaalikuvakorrelaation (DIC) ja optisten mittausten avulla. Tutkimuksen kokeellista osiota varten kehitettiin aineenkoetuskoneen kanssa synkronoitu kaksoismikroskooppijärjestelmä. Testikappaleen mikrorakennetta tutkittiin EBSD avulla ja mikrorakennetta verrattiin leikkausvenymäkeskittymien esiintymiseen kappaleen pinnalla. Tutkimuksessa Fe-18%Cr ruostumatonta teräskappaletta, jonka tilavuuspainoitettu kidekoko oli 192 µm, kuormitettiin 10 Hz syklisellä kuormituksella. Minimi ja maksimikuorman suhde oli R = 0.1. Kehitettyä automaattinen testausjärjestelyä, toistuvia mittauksia ja tilastollista analyysiä hyödynnettiin onnistuneesti särön kasvunopeuden ja särökärjen avauman määrittämiseksi. Kappaleen mikrorakenne, kuten kiderajat ja leikkausjännityskeskittymät, vaikuttivat sekä särön kasvunopeuteen että särökärjen avaumaan. Lyhyillä säröpituuksilla särön etupuolelle syntyi leikkausvenymäkeskittymiä ennen särön kasvua alueelle. Pitkillä säröpituuksilla kiderajat rajoittivat plastisuuden levittäytymistä, jolloin särön etupuolelle muodostui laajoja leikkausvenymäkeskittymiä. Leikkausvenymäkeskittymät särökärjen läheisyydessä vaikuttivat huomattavasti särön kasvunopeuden ja särökärjenavauman suuruuteen. Kehitetyn mittausjärjestelmän avulla tehdyt havainnot laajentavat tietämystämme pienien säröjen epätasaisen kasvun mekanismeista.Description
Supervisor
Remes, HeikkiThesis advisor
Malitckii, EvgeniiLehto, Pauli