A damage-based fatigue life prediction method for metallic alloys and composites

Abstract

(English) Fatigue failures in materials have been studied for centuries, with early pioneers like August Wöhler noting that repeated loading, even below the static strength of the material, could lead to structural deterioration. Despite decades of research by notable authors, fatigue remains a complex and challenging issue, accounting for most service failures in metallic and composite structures. Therefore, designing structures to withstand cyclic loads without compromising integrity is crucial. But this process requires conducting numerous fatigue tests to define the appropriate design stress levels for each material and condition. However, determining the fatigue behaviour of metallic alloys and composites through standardised testing methods is often costly and time-consuming. While various techniques have been proposed to expedite testing and enhance the optimisation of materials and components for fatigue resistance, they have not gained wide industry adoption due to limitations in equipment or complex data treatment. Thus, there is an industry need for a testing method that rapidly determines material fatigue resistance, especially in the automotive sector where new designs and developments require results in a short time. To address this challenge, the development of a new testing method for characterising the fatigue resistance of metallic alloys and composites has become essential, as current solutions like ultra-high frequency testing machines or the rapid testing methods using temperature variations are not universal solutions for all these materials. In this thesis, a novel fatigue testing method, named the stiffness method, is introduced to rapidly assess the fatigue resistance of both metallic and composite materials with minimal specimens and in a short timeframe. This approach involves monitoring fatigue damage using different variables, such as inelastic strain in metallic alloys and compliance in composites. These measurements overcome the limitations of other methods by using common extensometers like digital image correlation techniques and contact extensometers. The results obtained through the stiffness method are not only convincing but also more accessible for interpretation and discussion compared to other monitoring techniques, such as temperature dissipation. The effectiveness of this approach has been validated across nineteen metallic materials, including titanium and aluminium alloys, carbon steels, stainless steels, and one carbon-fibre composite. The estimated fatigue limit and high cycle fatigue curve (S-N curve) obtained through the stiffness method align excellently with values derived from standardised tests. This underscores the method as a powerful and efficient tool for swiftly assessing the fatigue behaviour of both metallic alloys and composite materials.Furthermore, this research investigates the fatigue reduction observed in high-strength steels when surface defects are introduced during manufacturing processes such as shearing. This reduction in fatigue resistance is explained by the fatigue notch sensitivity of the material. The results establish a robust correlation between fracture toughness, assessed within the framework of fracture mechanics, and fatigue notch sensitivity in high-strength steels. As a result, fracture toughness coupled with the stiffness method can be a valuable toolkit for selecting materials with superior fatigue resistance.

In summary, this work presents an innovative and efficient approach to evaluate the fatigue behaviour of metallic alloys and composite materials, offering significant advantages in terms of time and resource savings. Additionally, it introduces fracture toughness as a valuable indicator for material selection in high-strength steel applications, ultimately contributing to improved fatigue performance.

(Català) Les fallades per fatiga, sobretot en materials metàl·lics, han estat estudiades durant segles, amb pioners com August Wöhler que va observar que l'aplicació d'una càrrega repetida molt per sota de la resistència estàtica del material, podia portar a la deterioració i fractura del material. Tot i això, dècades després, la fatiga continua essent un problema complex, responsable de la majoria de les fallades en servei en materials metàl·liques i compostos. De manera que és vital dissenyar estructures que resisteixin càrregues cícliques sense comprometre la seva integritat estructural. Aquest procés però, requereix realitzar nombrosos assaigs de fatiga per definir els nivells de tensió segurs per a cada material i condició. No obstant, determinar el comportament a la fatiga mitjançant els mètodes d'assaig estandarditzats sovint és costós i requereix molt temps. Tot i que històricament s’han proposat diverses tècniques per accelerar els assaigs i optimitzar els materials i components a fatiga, no s'han aplicat generalitzadament a la indústria degut a limitacions en l'equipament, sovint molt car, i a un tractament de dades complex. Així doncs, hi ha la necessitat de desenvolupar un mètode d'assaig que permeti determinar ràpidament la resistència a la fatiga dels materials, especialment en el sector de l'automoció, on els nous dissenys i desenvolupaments requereixen resultats en poc temps. En aquesta tesi, s'introdueix un nou mètode d’assaig de fatiga, anomenat el mètode de la rigidesa, per fer front a aquest repte i avaluar ràpidament la resistència a la fatiga tant de materials metàl·lics com compostos amb un nombre mínim de mostres i en un curt període de temps. Aquest enfocament implica la monitorització del dany per fatiga mitjançant variables diferents, com la deformació inelàstica en aliatges metàl·lics i la compliança en compostos. Aquesta estratègia permet superar les limitacions d'altres mètodes utilitzant extensòmetres comuns a tots els laboratoris de fatiga com per exemple la tècnica de correlació digital d'imatges o extensòmetres de contacte. Els resultats obtinguts mitjançant el mètode de la rigidesa no només són convincents sinó que també són més fàcils d'interpretar i discutir en comparació amb altres tècniques de monitorització com la dissipació de temperatura. Aquest mètode s'ha validat en 19 materials metàl·lics diferents, incloent aliatges de titani i alumini, acers al carboni, acers inoxidables i un compost de fibra de carboni. El límit de fatiga estimat i la corba de fatiga a alt nœmero de cicles (corba S-N) obtinguts mitjançant el mètode de la rigidesa coincideixen amb els valors obtinguts de les proves estandarditzades. Això reforça la validesa del mètode com una eina potent i eficient per avaluar ràpidament el comportament a la fatiga tant d’aliatges metàl·lics com de materials compostos. Per altra banda, s'ha investigat la reducció de la resistència a fatiga observada en acers d'alta resistència quan hi ha defectes superficials dels processos de fabricació de peces metàl·liques com el tall per cisalla. Aquesta reducció de la resistència a la fatiga es pot explicar per la sensibilitat a l'entalla a fatiga del material. Els resultats mostren una correlació robusta entre la tenacitat a la fractura, avaluada en el marc de la mecànica de la fractura, i la sensibilitat a l'entalla a fatiga en acers d'alta resistència. Per tant, la tenacitat a la fractura, juntament amb el mètode de la rigidesa, pot ser una eina molt valuosa per seleccionar materials amb una resistència superior a la fatiga. En resum, aquesta tesi presenta un enfocament innovador i eficaç per avaluar el comportament a la fatiga d'aliatges metàl·lics i materials compostos, oferint avantatges significatius en termes d'estalvi de temps i recursos. A més a més, introdueix la tenacitat a la fractura com a un indicador valuós per a la selecció d'acers d'alta resistència, contribuint en última instància a una millora del rendiment a la fatiga.