A review of non-destructive testing techniques for the in-situ investigation of fretting fatigue cracks

© 2020 The Authors Fretting fatigue can significantly reduce the life of components, leading to unexpected in-service failures. This phenomenon has been studied for over a century, with significant progress being made during the past decade. There are various methods that have been used to study fretting fatigue cracks in order to gain a greater understanding of the effects of fretting fatigue. Destructive methods are traditionally used to observe fretting fatigue cracks. Although useful in determining crack location, crack length, crack propagation modes, crack path and shape, it is not efficient or reliable for time based measurements. Non-destructive testing has developed in recent years and now in-situ monitoring can be used during testing in order to increase the understanding of fretting fatigue. This paper presents a review of non-destructive testing techniques used in-situ during fretting fatigue testing, which are compared in order to conclude the suitability of each technique. Recent developments in non-destructive techniques that could be also applied for fretting fatigue tests are also discussed, as well as recommendations for future research made

Etude du phénomène d'arrêt de propagation des fissures au travers d'un couplage multi-échelles fretting, fretting fatigue et essai fatigue C(T)

Aircraft structures such as blade/disk, rivet/sheet and fretted or bolted assembly contacts are subjected to fatigue fretting damage caused by vibratory loads. These loads combining fretting (alternating micro displacements) and fatigue contact loading can induce cracks. The objective of this thesis is to identify the propagation and crack arrest mechanisms for different configurations involving fretting and fatigue loads. Various aspects will be studied : - Simple fretting, fatigue fretting and fatigue tests will be correlated in a way to measure some material mechanical properties. A reverse approach allowing to identify the long and short fatigue crack propagation thresholds from simple fretting and fretting fatigue will be introduced. - A new closure model taking into account the effect of loading ratio on crack closure in fretting and fretting fatigue tests will be proposed. - The scaling effect will be studied thanks to the development of a new fretting fatigue machine allowing for in-situ monitoring of the propagation of small scale cracks. The behavior of fretting short cracks has been observed for the first time in a fretting fatigue test. The main idea behind the current work is the consideration that for a simple fretting test, the crack will always lead to a crack propagation arrest condition. Threshold stress intensity factors can thus be extracted from fretting tests using a reverse method. The methodology used consists in measuring the longest fretting crack corresponding to a crack propagation arrest condition. Short and long crack regimes are studied by varying fretting loads and geometries. The corresponding threshold stress intensity factor is calculated for each arrest condition. A complete description of fatigue crack arrest thresholds can be obtained from a plot depicting the evolution of the stress intensity factor range as a function of crack length. This methodology has been applied on multiple simple fretting configurations and was extended to fretting fatigue tests allowing to study a large range of loading ratios. Conventional fatigue crack propagation tests were carried out on C(T) specimens in order to validate the reverse method used for crack arrest conditions. The present thesis is divided into six main chapters. Chapter 1 provides a complete literature review on short and long crack propagation in metallic materials introducing crack closure. It provides a treatment for both fretting and fretting fatigue including a comparative analysis. Chapter 2 provides an overview of the different techniques and methodologies used as part of this research project. The reverse method used for the identification of crack propagation arrest conditions as well as a numerical analysis are presented in Chapter 3. The following Chapters provide a treatment of the various results obtained. Chapter 4 focuses on simple fretting tests carried out on different metallic materials. A correlation between simple fretting and long fatigue crack arrest conditions was obtained for negative loading ratios. This analysis is extended to positive loading ratios in Chapter 5 combining simple fretting, prestressed fretting and C(T) fatigue tests. Finally, scaling effects and fretting fatigue crack propagation kinetics are studied in Chapter 6.De nombreuses structures aéronautiques telles que les contacts aube/disque, rivet/tôle, assemblages frettés ou boulonnés subissent des endommagements de fretting fatigue dus à des sollicitations vibratoires. Ces sollicitations, qui combinent des chargements de contact de fretting (micro déplacements alternés) et de fatigue, peuvent induire des phénomènes de fissuration. L’objectif de cette thèse est d’identifier les mécanismes de propagation et d’arrêt de fissuration pour différentes configurations, impliquant des chargements de fretting et de fatigue. Différents aspects seront étudiés : - Les essais de fretting simple, fretting fatigue et fatigue seront corrélés de manière à mesurer certaines propriétés mécaniques de matériaux. Dans cette démarche, une méthode inverse permettant l’identification du seuil d’arrêt de propagation des fissures longues et courtes en fatigue à partir d’essais de fretting simple et fretting fatigue est introduite. - L’effet du rapport de charge est pris en compte afin de quantifier la fermeture de fissure pour les essais de fretting et fretting fatigue. Un nouveau modèle de fermeture sera proposé. - L’effet d’échelle est étudié grâce au développement d’une nouvelle machine de fretting fatigue permettant le suivi in situ des propagations de fissures sur des éprouvettes millimétriques. Le comportement des fissures courtes en fretting pendant un essai de fretting fatigue a été observé pour la première fois. L’idée principale de ce travail est de considérer que lors d’un essai en fretting simple, une condition d’arrêt de propagation est systématiquement atteinte. Les facteurs d’intensités de contraintes seuils en fatigue peuvent ainsi être extraits par une méthode inverse à partir des essais de fretting. La méthodologie adoptée consiste à mesurer la longueur de fissure maximale obtenue lors d’un essai de fretting correspondant à une condition d’arrêt de propagation. En jouant sur les chargements de fretting, les domaine des fissures courtes et longues sont étudiés. Pour chaque condition d’arrêt, le facteur d’intensité de contraintes seuil correspondant est calculé. Enfin, en traçant l’évolution de ce dernier en fonction de la longueur de fissure, une description complète des seuils d’arrêt de fissuration en fatigue peut être obtenue. Cette méthodologie est appliquée sur plusieurs configurations de fretting simple et est étendue aux essais de fretting fatigue. Ainsi une large gamme de rapports de charge peut être étudiée. Des essais conventionnels de fatigue propagation sur éprouvettes C(T) ont été réalisés de manière à valider complètement la démarche d’identification inverse des conditions d’arrêt de fissuration. Le manuscrit est divisé en six chapitres adoptant une évolution linéaire. Le chapitre 1 traite d’une revue bibliographique concernant la propagation des fissures courtes et longues en fatigue dans les matériaux métalliques, introduisant les phénomènes de fermeture. L’analyse est étendue à la propagation des fissures en fretting et fretting fatigue. Le chapitre 2 présente l’ensemble des techniques et méthodes expérimentales utilisées au cours de ce travail. Une analyse numérique et la méthode inverse d’identification des conditions d’arrêt de propagation sont introduites dans le chapitre 3. Les chapitres suivants traitent les différents résultats obtenus. Le chapitre 4 présente les essais de fretting simples menés sur différents matériaux métalliques. Une corrélation entre les conditions d’arrêt de fretting simple avec celles de fissures longues en fatigue est obtenue pour rapports de charge négatifs. Cette analyse est étendue aux rapports de charge positifs au chapitre 5 en couplant les essais de fretting simple, fretting précontraints et essais de fatigue C(T). Enfin, les effets d’échelle et la cinétique de propagation des fissures de fretting fatigue sont étudiés au chapitre 6

Study of the crack propagation arrest phenomenon by means of a multi-scale coupling : Fretting, Fretting Fatigue and C(T) Fatigue test

De nombreuses structures aéronautiques telles que les contacts aube/disque, rivet/tôle, assemblages frettés ou boulonnés subissent des endommagements de fretting fatigue dus à des sollicitations vibratoires. Ces sollicitations, qui combinent des chargements de contact de fretting (micro déplacements alternés) et de fatigue, peuvent induire des phénomènes de fissuration. L’objectif de cette thèse est d’identifier les mécanismes de propagation et d’arrêt de fissuration pour différentes configurations, impliquant des chargements de fretting et de fatigue. Différents aspects seront étudiés : - Les essais de fretting simple, fretting fatigue et fatigue seront corrélés de manière à mesurer certaines propriétés mécaniques de matériaux. Dans cette démarche, une méthode inverse permettant l’identification du seuil d’arrêt de propagation des fissures longues et courtes en fatigue à partir d’essais de fretting simple et fretting fatigue est introduite. - L’effet du rapport de charge est pris en compte afin de quantifier la fermeture de fissure pour les essais de fretting et fretting fatigue. Un nouveau modèle de fermeture sera proposé. - L’effet d’échelle est étudié grâce au développement d’une nouvelle machine de fretting fatigue permettant le suivi in situ des propagations de fissures sur des éprouvettes millimétriques. Le comportement des fissures courtes en fretting pendant un essai de fretting fatigue a été observé pour la première fois. L’idée principale de ce travail est de considérer que lors d’un essai en fretting simple, une condition d’arrêt de propagation est systématiquement atteinte. Les facteurs d’intensités de contraintes seuils en fatigue peuvent ainsi être extraits par une méthode inverse à partir des essais de fretting. La méthodologie adoptée consiste à mesurer la longueur de fissure maximale obtenue lors d’un essai de fretting correspondant à une condition d’arrêt de propagation. En jouant sur les chargements de fretting, les domaine des fissures courtes et longues sont étudiés. Pour chaque condition d’arrêt, le facteur d’intensité de contraintes seuil correspondant est calculé. Enfin, en traçant l’évolution de ce dernier en fonction de la longueur de fissure, une description complète des seuils d’arrêt de fissuration en fatigue peut être obtenue. Cette méthodologie est appliquée sur plusieurs configurations de fretting simple et est étendue aux essais de fretting fatigue. Ainsi une large gamme de rapports de charge peut être étudiée. Des essais conventionnels de fatigue propagation sur éprouvettes C(T) ont été réalisés de manière à valider complètement la démarche d’identification inverse des conditions d’arrêt de fissuration. Le manuscrit est divisé en six chapitres adoptant une évolution linéaire. Le chapitre 1 traite d’une revue bibliographique concernant la propagation des fissures courtes et longues en fatigue dans les matériaux métalliques, introduisant les phénomènes de fermeture. L’analyse est étendue à la propagation des fissures en fretting et fretting fatigue. Le chapitre 2 présente l’ensemble des techniques et méthodes expérimentales utilisées au cours de ce travail. Une analyse numérique et la méthode inverse d’identification des conditions d’arrêt de propagation sont introduites dans le chapitre 3. Les chapitres suivants traitent les différents résultats obtenus. Le chapitre 4 présente les essais de fretting simples menés sur différents matériaux métalliques. Une corrélation entre les conditions d’arrêt de fretting simple avec celles de fissures longues en fatigue est obtenue pour rapports de charge négatifs. Cette analyse est étendue aux rapports de charge positifs au chapitre 5 en couplant les essais de fretting simple, fretting précontraints et essais de fatigue C(T). Enfin, les effets d’échelle et la cinétique de propagation des fissures de fretting fatigue sont étudiés au chapitre 6.Aircraft structures such as blade/disk, rivet/sheet and fretted or bolted assembly contacts are subjected to fatigue fretting damage caused by vibratory loads. These loads combining fretting (alternating micro displacements) and fatigue contact loading can induce cracks. The objective of this thesis is to identify the propagation and crack arrest mechanisms for different configurations involving fretting and fatigue loads. Various aspects will be studied : - Simple fretting, fatigue fretting and fatigue tests will be correlated in a way to measure some material mechanical properties. A reverse approach allowing to identify the long and short fatigue crack propagation thresholds from simple fretting and fretting fatigue will be introduced. - A new closure model taking into account the effect of loading ratio on crack closure in fretting and fretting fatigue tests will be proposed. - The scaling effect will be studied thanks to the development of a new fretting fatigue machine allowing for in-situ monitoring of the propagation of small scale cracks. The behavior of fretting short cracks has been observed for the first time in a fretting fatigue test. The main idea behind the current work is the consideration that for a simple fretting test, the crack will always lead to a crack propagation arrest condition. Threshold stress intensity factors can thus be extracted from fretting tests using a reverse method. The methodology used consists in measuring the longest fretting crack corresponding to a crack propagation arrest condition. Short and long crack regimes are studied by varying fretting loads and geometries. The corresponding threshold stress intensity factor is calculated for each arrest condition. A complete description of fatigue crack arrest thresholds can be obtained from a plot depicting the evolution of the stress intensity factor range as a function of crack length. This methodology has been applied on multiple simple fretting configurations and was extended to fretting fatigue tests allowing to study a large range of loading ratios. Conventional fatigue crack propagation tests were carried out on C(T) specimens in order to validate the reverse method used for crack arrest conditions. The present thesis is divided into six main chapters. Chapter 1 provides a complete literature review on short and long crack propagation in metallic materials introducing crack closure. It provides a treatment for both fretting and fretting fatigue including a comparative analysis. Chapter 2 provides an overview of the different techniques and methodologies used as part of this research project. The reverse method used for the identification of crack propagation arrest conditions as well as a numerical analysis are presented in Chapter 3. The following Chapters provide a treatment of the various results obtained. Chapter 4 focuses on simple fretting tests carried out on different metallic materials. A correlation between simple fretting and long fatigue crack arrest conditions was obtained for negative loading ratios. This analysis is extended to positive loading ratios in Chapter 5 combining simple fretting, prestressed fretting and C(T) fatigue tests. Finally, scaling effects and fretting fatigue crack propagation kinetics are studied in Chapter 6

Introduction of a reverse simulation approach to identify the fatigue stress intensity factor crack arrest threshold from fretting cracking experiments

cited By 9International audienceThe aim of this study was to estimate the ΔKth crack arrest stress intensity factor related to the crack arrest condition of a material subjected to partial slip fretting loadings, by coupled experimental and numerical simulation. The study focuses on a plane (Al-alloy)/cylinder (TA6V) interface. Fretting tests were performed for each configuration to obtain the crack length as a function of the number of fretting cycles, in order to establish the crack length related to crack arrest condition. Using a reverse FEM analysis of crack arrest fretting experiments, the thresholds ΔK th(fr) are extracted. Two 2196-T8 and 2196-UA aluminium alloys were compared, while the short crack arrest versus the crack length evolutions were formalized using a Kitagawa Takahashi formalism. © 2013 Elsevier Ltd

Identification of the fatigue stress intensity factor threshold for different load ratios R: From fretting fatigue to C (T) fatigue experiments

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Modelling the fretting fatigue crack growth: From short crack correction strategies to microstructural approaches

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Numerical methods for stress intensity factor Δ K calculations of fretting cracked interface

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