Surface crack paths in FML : off-axis propagation under fatigue loading

The main aim of this thesis is the investigation into the fatigue surface crack behaviour in Glare. Glare is a hybrid material, belonging to the Fibre Metal Laminates (FML), composed of several thin aluminium layers interspersed with glass-fibre layers and bonded together by adhesive; this laminate is mainly used in the aeronautical field thanks to its excellent fatigue properties and low specific weight. All tests are performed under constant-amplitude loading, which is significant for fatigue loading of aircraft pressurized fuselages. Experimental tests regard “off-axis” Glare specimens, hence the loading direction is neither parallel nor perpendicular to the principal glass fibres directions. The initial milled pre-crack, perpendicular to the loading direction, will propagate with an angle between the “off-axis”angle and the direction perpendicular to the load. The first chapter provides an overview of the laminate materials, strengths and weaknesses, usage and manufacturing techniques. Furthermore this chapter presents a description of Glare classification based on the prepreg glass fibres and aluminium layers lay-up. Chapter 2 investigates the physical phenomenon of fatigue in Glare, the role of the glass fibres in crack restraining, the “fibre-bridging” and the “delamination”. Several crack growth prediction models proposed in the literature and their limitations are discussed at the end of the chapter. The experimental programme is presented in chapter 3. The programme explains how the fatigue tests are carried out on the hydraulic machine, the measurement techniques of the crack length and crack angle and the chemical etching of the specimen at the end of the experimentation. Experimental results are reported in chapter 4; these results are compared with “in-axis” surface-crack and “off-axis” through-crack data to search for a correlation between them. At the end the aluminium surface layers of every specimen are etched away to see the actual “delamination” in the sub-surface prepreg layers. Finally, an analysis of the collected data is performed and an empirical equation is proposed to predict crack growth rate. The equation is a fitted curve that links known values (fibre “off-axis” angle, Glare properties and nominal load) with the crack results. All experiments are carried out at the aerospace laboratory of TU Delft.

Lo scopo del presente lavoro è lo studio del comportamento a fatica di una cricca superficiale nel materiale laminato ibrido Glare. Il Glare è un materiale composto da laminati di alluminio e fibra di vetro intervallati e legati tra loro tramite adesivo; questo materiale è nato principalmente per scopi aeronautici data la sua ottima resistenza a fatica unita ad un basso peso specifico. I test sono stati condotti tutti quanti ad ampiezza costante, una condizione di carico quindi analoga a quella della fusoliera pressurizzata negli aerei. Le prove sperimentali sono state condotte con campioni di Glare nei quali le fibre di vetro sono disposte “off-axis” rispetto alla direzione del carico, ciò significa che la direzione del carico non è nè parallela nè ortogonale alle due direzioni principali. Il difetto iniziale, ortogonale alla direzione del carico, propagherà quindi con un certo angolo differente, intermedio tra l’angolo di “off-axis” e la direzione ortogonale al carico. Nel primo capitolo viene proposta un’introduzione ai laminati ibridi ed in particolare al Glare, i pregi i difetti, gli utilizzi ed i metodi di produzione; viene inoltre fornita una descrizione di come attualmente il Glare viene classificato a seconda del lay-up delle fibre di vetro e dell’alluminio. Successivamente viene spiegato il fenomeno fisico della fatica nel Glare, il ruolo delle fibre di vetro nella chiusura della cricca, il “fibre-bridging” e la “delaminazione”. Vari modelli matematici presenti in letteratura, numerici e analitici, vengono illustrati e discussi nel capitolo 2. La metodologia di test è esposta nel capitolo 3, in particolare verr`a illustrato come sono stati eseguiti i test a fatica sulle macchine idrauliche per prove di trazione-compressione, i metodi di misura della lunghezza della cricca e del suo angolo di propagazione e l’ispezione del campione a prova terminata. I risultati sono riportati nel capitolo 4 e vengono comparati con i casi di cricca superficiale ”in-axis” e cricca passante ”off-axis” per vedere se è possibile stabilire una relazione con essi. Infine gli strati esterni di alluminio vengono distrutti chimicamente per vedere la reale ”delaminazione” della fibra di vetro sottostante. Infine viene eseguita un’analisi dei dati raccolti e proposta un’equazione empirica per predire la velocità di propagazione della cricca. L’equazione è una curva fittata con i dati raccolti in modo da poter legare i valori conosciuti (angolo di “off-axis”, propriet`a del Glare e carico nominale) con il comportamento reale della cricca. Tutti i test sono stati svolti nel laboratorio di aerospazio dell’università di Delft.