Development and application of uniaxial and  multiaxial ultrasonic fatigue testing methods

Pedro Ferreira Rodrigues da Costa

Key information

Authors:

Pedro Ferreira Rodrigues da Costa (Pedro Ferreira Rodrigues da Costa)

Supervisors:

Luís Filipe Galrão dos Reis (Luís Filipe Galrão dos Reis); Diogo Coelho de Carvalho Montalvão e Silva (Diogo Coelho de Carvalho Montalvão e Silva)

Published in

07/26/2022

Abstract

A presente dissertação tem como foco o estudo e o desenvolvimento de ensaios de fadiga ultrassónica, nomeadamente quatro diferentes tipos de ensaios e respetivas metodologias experimentais. Desde aviões até pontes, diversas máquinas e estruturas da Era moderna quotidiana estão sujeitas entre 106 (um milhão) e 109 (mil milhões) ciclos de fadiga na sua vida operacional. Devido a uma maior exigência de possível previsibilidade de falha após um milhão de ciclos, regime de fadiga de muito elevado número de ciclos, as máquinas de fadiga ultrassónica foram assim projetadas para uma viável realização de estudos de fadiga em tempo e energia consumida. A projeção e o desenvolvimento de uma máquina de fadiga ultrassónica, para um determinado regime de tensão, requer estudo e desenvolvimento experimental especializado para garantir uma testagem à fadiga válida e consistente. Devido à complexidade associada a máquinas ultrassónicas, respetivas metodologias experimentais e novas influentes variáveis (i. e. não relevantes em testes de fadiga convencional), é necessária a realização prévia de estudos de elevada exigência. No momento em que se consideram regimes multiaxiais existe ainda uma acrescida complexidade. Dois métodos ultrassónicos uniaxiais – tensão-compressão e torção - e dois novos métodos multiaxiais são alvo de estudo intensivo e continuo melhoramento. Os respetivos métodos de fadiga multiaxial são axial-axial através de provetes cruciformes, e fadiga multiaxial tensão/torção através de provetes cilíndricos. Um extensivo estudo numérico, analítico e experimental é realizado, primeiramente, aos ensaios uniaxiais, criando assim toda a metodologia para os inovadores e mais complexos ensaios multiaxiais. Todos os resultados são comparados e analisados demonstrando a viabilidade da metodologia numérica e experimental aplicada. Em conjunção com as estabelecidas metodologias numérica e experimental, são posteriormente propostas diretivas analíticas inerentes aos dois novos ensaios multiaxiais com o principal objetivo de criar a base para uma normalização dos ensaios estudados e de outros futuros. The focus of this dissertation is the development of ultrasonic fatigue testing (UFT) experimental methods across four different loading conditions, including in-plane biaxial and combined tension-torsion. Structural components from bridges to aeroplanes can be subjected from 106 (one million) to 109 (one billion) cycles across their service life. UFT methods have thus appeared to respond to the industry demand for failure predictability of materials beyond one million cycles, the Very High Cycle Fatigue regime (VHCF). The primary objective of ultrasonic fatigue methods is to induce high cycle frequency (from 20 kHz), thus enabling the VHCF study in a timely and energy reliable manner. The design of an UFT machine and specimens that enable getting a determined and bespoke stress state of interest requires specialised study and experimental analyses to fully guarantee valid and consistent fatigue test results. The complexity of ultrasonic machines and the respective experimental procedure together with new influential variables (i.e., that were not relevant in conventional testing) demand high-end research. Such complexity increases with complex multiaxial stress states. Two uniaxial (tension and torsion) and two novel multiaxial (in-plane biaxial and combined tension-torsion) methods were studied and continuously improved in the present work. The two innovative biaxial ultrasonic machines are axial-axial cruciform testing and tension/torsion cylindrical specimens. Thorough numerical, analytical and experimental analyses and UFT were first conducted in the two uniaxial ultrasonic methods followed by the two novel biaxial. The base numerical and experimental methodologies were built and transferred to the two biaxial methods from the first uniaxial ultrasonic tests. All results were compared and analysed, proving the reliability of the proposed methodologies. Base analytical guidelines for the novel methods were also proposed, and together with the more accessible methodology, the base for future standardisation of ultrasonic multiaxial methods was outlined.