Low-cycle fatigue testing methods

The good design of highly stressed mechanical components requires accurate knowledge of the service behavior of materials. The main methods for solving the problems of designers are: determination of the mechanical properties of the material after cyclic stabilization; plotting of resistance to plastic deformation curves; effect of temperature on the life on low cycle fatigue; and simulation of notched parts behavior

Experimental and numerical rolling contact fatigue study on the 32CrMoV13 steel

The aim of this work is to study pure rolling contact fatigue in 32CrMoV13 quenching and tempering steel. The study involves both experimental and numerical work. The influence of the roughness and the residual stresses on the mechanisms and zones of cracking were studied. The results show a rapid reduction in roughness during the first minute of test but even so there will be specimen deterioration. The residual stress profile after rolling contact tests have high compression values in the surface and at a depth of approximately 240 μm, which is related with the Hertzian maximal shear stress. The numerical simulation of the Hertzian loading was used both to determine the elastic shakedown of thematerial and to apply a high-cycle multiaxial fatigue criterion. The threedimensional finite element analysis used in the numerical calculation includes elastic-linear kinematic hardening plastic material and allows the introduction of an initial residual stress state. Taking into account the elastoplastic load induced by the Hertz pressure, low-cycle fatigue tests were used to characterize the mechanical properties of the material. In order to validate the numerical simulation, the results of the calculation after elastic shakedown were compared with the values measured by X-ray diffraction after rolling contact tests. The results showed a reasonable agreement between calculated and measured stresses. The Dang Van high-cycle multiaxial fatigue criterion showed a good relationship with the experimental findings

Évaluation de la qualité des soudures vis-à-vis de la résistance à la fatigue

Dans le cas d'un assemblage soudé, le niveau de contrainte admissible, vis-à-vis de la fatigue, dépend de la présence d'imperfections apportées par l'opération de soudage. L'augmentation de ce niveau de contrainte passe par une amélioration de la qualité de la soudure, en particulier, en limitant les défauts présents et en jouant sur la géométrie du cordon de soudure. Dans ces conditions, des gains supérieurs à 50 % sur la résistance à la fatigue peuvent être obtenus. Dans ce contexte, cet article a pour objectif, tout d'abord, de préciser les types d'imperfections à améliorer, ensuite, d'indiquer les méthodes d'évaluation de ces imperfections et de proposer des voies d'amélioration, enfin, de proposer des méthodes analytiques ou numériques, afin de prendre en compte la qualité de la soudure au stade de la conception des composants soudés. L'application de cette démarche de qualité conduit à la fois à des gains de fabrication, résultant d'une augmentation des niveaux de contraintes admissibles et à une meilleure maîtrise du procédé de soudage et donc à un accroissement de la fiabilité des produits

Tenue en fatigue des couches cémentées basse pression : approches expérimentale et prédictive

Les résultats des essais de fatigue flexion sur des éprouvettes entaillées en acier 14NiCr11, traitées dans deux conditions de cémentation basse pression, ont montré des améliorations de la résistance à la fatigue des couches cémentées exprimées en terme de limite d'endurance à 106 cycles de l'ordre de 60 % et de 80 % par rapport à l'état non traité. Ces améliorations ont été interprétées sur la base des gradients de propriétés stabilisées des couches cémentées consécutifs à l'effet conjugué d'un phénomène de relaxation cyclique et d'un phénomène de transformation de l'austénite résiduelle en martensite au cours du chargement cyclique. Il s'établit une redistribution de durcissement et de contraintes résiduelles de compression stabilisées qui justifient les améliorations enregistrées. La prise en compte du durcissement superficiel et du champ de contraintes résiduelles, dans la martensite à l'état stabilisé, dans les différents critères de fatigue polycyclique considérés dans cette étude (critère de Crossland, de Dang Van et de Findley-Matake) a permis de bien rendre compte des résultats expérimentaux

Durcissement superficiel par laser CO

Le durcissement superficiel par faisceau laser CO2 continu n’est généralement pas recommandé dans le cas des pièces métalliques de grandes surfaces par suite de l’important gradient de structure créé par les recouvrements de passes. En effet, les conséquences de ce gradient sur l’hétérogénéité du durcissement et la distribution des contraintes résiduelles peuvent compromettre la tenue en service, et particulièrement la résistance à la fatigue des pièces traitées. La solution industrielle réside dans la recherche et l’optimisation du couple acier/paramètre de traitement laser, permettant de limiter voire d’éviter l’apparition de zones adoucies, sièges de contraintes résiduelles de traction. Les modes d’interaction microstructure-traitement laser orientent les recherches vers les aciers à dispersoïdes susceptibles de compenser, par effet de durcissement structural, l’adoucissement résultant des recouvrements de passes. Dans ce cadre, nous avons étudié l’influence de deux types de traitements laser sur l’évolution des structures métallurgiques, des contraintes résiduelles dans les zones de recouvrement de passes et leurs conséquences sur la tenue en fatigue de l’acier à dispersoïdes de nuance 17MnCuNi7. Il en résulte une profondeur des couches affectées pouvant atteindre 2 mm, avec des modifications structurales étroitement liées aux gradients thermiques spécifiques à chaque type de traitement. Le durcissement maximum est atteint en surface, avec des valeurs voisines de 700 HV0,1 attribuées à une transformation martensitique. La distribution homogène des carbures mixtes de vanadium et de niobium, limite l’adoucissement dans les zones de recouvrement. Les contraintes résiduelles sont de compression dans les zones durcies comme dans les zones adoucies. La tenue en fatigue de l’acier de nuance 17MnCuNi 7 durci par traitement laser dépend en premier lieu du champ de contraintes résiduelles dans les couches affectées par le traitement, en dépit des pertes de dureté provoquées par le recouvrement de passes. Les améliorations apportées par ce traitement, en terme de limite d’endurance, varient de 10 à 20 % par rapport à l’état de référence, trempé revenu

Experimental and numerical rolling contact fatigue study on the 32CrMoV13 steel

The aim of this work is to study pure rolling contact fatigue in 32CrMoV13 quenching and tempering steel. The study involves both experimental and numerical work. The influence of the roughness and the residual stresses on the mechanisms and zones of cracking were studied. The results show a rapid reduction in roughness during the first minute of test but even so there will be specimen deterioration. The residual stress profile after rolling contact tests have high compression values in the surface and at a depth of approximately 240 μm, which is related with the Hertzian maximal shear stress. The numerical simulation of the Hertzian loading was used both to determine the elastic shakedown of the material and to apply a high‐cycle multiaxial fatigue criterion. The three‐dimensional finite element analysis used in the numerical calculation includes elastic‐linear kinematic hardening plastic material and allows the introduction of an initial residual stress state. Taking into account the elastoplastic load induced by the Hertz pressure, low‐cycle fatigue tests were used to characterize the mechanical properties of the material. In order to validate the numerical simulation, the results of the calculation after elastic shakedown were compared with the values measured by X‐ray diffraction after rolling contact tests. The results showed a reasonable agreement between calculated and measured stresses. The Dang Van high‐cycle multiaxial fatigue criterion showed a good relationship with the experimental findings