Linear Elastic Fracture Mechanics Analysis of Fatigue Crack Growth Under Complex Loading Using the Digital Image Correlation Technique

Abstract

Fatigue crack propagation assessment includes identifying the crack direction, knowing the equivalent Stress Intensity Factor (SIF) range, determining a crack length growth rate per number of cycles (da/dN), and establishing a crack propagation rule connecting the equivalent SIF and da/dN rate, such as a Paris type of rule. When mixed and non-proportional loading occur, those parameters are not fully understood yet. This thesis deals with some of the variables that influence crack propagation under non-proportional mixed mode loading. The Digital Image Correlation (DIC) technique was used to acquire images of test specimens subjected to cyclic proportional and non-proportional loading. Two types of specimen samples were used. Firstly, two different plate test specimens were tested; a disk compact tension (DCT), and a modified compact tension, C(T). They were subjected cyclic loading inducing crack opening mode I or proportional crack opening modes I and II. Secondly, the previously and elsewhere acquired DIC data for five thin tubes subject to cyclic loading were analyzed. The thin tubes had prefabricated slit-notches from which fatigue cracks initiated and propagated. Those five thin tubes were subjected to different cases of proportional and non-proportional loading. One tube specimen was exposed to axial loading and presented mode I crack opening. The other four were subjected to torsion loading or mixed axial-torsional loading and exhibited all three I, II and III crack-opening modes. The experimentally acquired DIC displacement fields were processed to independently calculate SIF for each existing opening mode using linear elastic fracture mechanics (LEFM) formulations. One formulation used full

Fatigue crack growth of Al 5083-H111 subjected to mixed-mode loading

“…where 1 = 1.155 . It is assumed that equivalent SIF proposed for monotonic loading can be extended to proportional fatigue loading [22]. So, the cyclic equivalent stress intensity factor, ΔK eq , is [23]:…”

Implementación de la Técnica de Correlación de Imágenes Digitales con Software Libre

“…Un sistema de medición DIC consta de una cámara con lente que adquiere las imágenes, una fuente de luz que da iluminación uniforme, una muestra pintada con fondo blanco y finos puntos negros para dar un alto contraste, un dispositivo que genere fuerzas conocidas como una máquina universal de ensayos, un computador con un software de correlación y un dispositivo de adquisición de datos que relacione la fuerza aplicada y la fotografía tomada en un tiempo t determinado [3], [33], [34]. Las cámaras deben estar montadas sobre un punto fijo y no se deben mover entre tomas [19], [35]. Una disposición de un montaje DIC típico se muestra en la Figura 1, en el cual se usan no una sino dos cámaras para adicionalmente realizar medidas de profundidad en cuerpos tridimensionales [33].…”

“…DIC es una técnica óptica que utiliza una (2D) [9], [18], [19] o dos o más (3D) [25], [33], [35] cámaras separadas por una distancia conocida, con el fin de tener en cuenta el movimiento de cuerpo rígido, la rotación y el desplazamiento perpendicular al lente, que aprovecha el cambio de intensidad de grises en fotografías secuenciales tomadas en una muestra antes y después de la deformación. de un punto en el subconjunto antes y después de la deformación; fm y gm son los valores de intensidad media de los subconjuntos de referencia y objetivo.…”

“…Las fotografías se digitalizan como mapas de los bits f(x, y) que permiten comparar la intensidad del gris antes y después de la deformación para obtener campos de desplazamiento utilizando la minimización de un criterio de correlación de bits [18], [35] como el descrito en la Ecuación (1). Los desplazamientos en la imagen deformada se pueden expresar usando expansiones de Taylor [3] como se muestra en la Ecuación (2), en donde sólo se muestran los términos de primer orden.…”

“…La preparación de las probetas es tal vez la parte más importante en un desarrollo experimental [35]. Para DIC, la preparación de muestras consta en la aplicación de una capa de pintura blanca seguida de la aplicación de un punteado aleatorio de color negro como se muestra en la Primeramente, se aplicó una capa blanca a la probeta.…”