Rapid estimation of fatigue limit in steel through thermography and DIC

Current methods used for the estimation of High Cycle Fatigue (HCF) limit in steels, Staircase and Dixon methods, are typically quite demanding in terms of testing time. In recent years various methodologies based on thermography have been developed with the aim to provide a rapid estimation of the fatigue limit. The AIAS group studying Energetic Methods for Experimental Analysis, MEAS, is performing round robin experimental tests for a quicker determination of fatigue endurance on steels by different thermographic techniques. The purpose of this project, in common with other Italian universities, is to verify data reproducibility to propose a standardized methodology. This thesis will describe experimental tests performed at Politecnico di Milano, and will discuss the application of different thermographic techniques for the estimation of the fatigue limit. Static and step-wise load increasing tests at three different load ratios (R = -1, R = 0.1 and R = 0.5) have been performed on flat dog-bone specimens made out of C45 steel. Two software have been used for the thermal data post processing, ALTAIR and ALTAIR LI, while an in house software and VIC-2D were used respectively for acquisition and post processing of DIC frames. Three methodologies based on thermal energy emissions (E-mode, D-mode, Q parameter), three based on temperature analysis (Risitano Methods and static method) and one on the total mechanical work (W parameter) have been studied. Thermograms acquired through a thermo-camera and images from a DIC microscope have been analyzed in terms of: 1) amplitude of the thermoelastic temperature change, 1st harmonic of temperature signal (E-mode); 2) amplitude of the temperature change associated to energy dissipation, anelastic analysis (D-mode); 3) slope of the thermal signal with respect to the number of cycles (Risitano Method 1); 4) stabilization temperature, the temperature level the specimen surface reached after a certain number of cycles (Risitano Method 2); 5) energy density cyclically released as heat (Q parameter); 6) cyclic plastic energy density (W parameter); 7) temperature signal trend during a static test (Static Method). The final results are summarized and discussed for each technique in relation to the load ratio considered.

I metodi impiegati per la determinazione del limite di fatica per alto numero di cicli, staircase e Dixon, risultano dispendiosi in termini di tempo e risorse. Negli ultimi anni, diverse metodologie basate sulla termografia sono state sviluppate per una stima rapida del limite di fatica. Il gruppo AIAS che studia i Metodi Energetici per Analisi Sperimentale, MEAS, sta conducendo dei test congiunti ("round robin tests") per verificare la riproducibilità dei risultati di tali tecniche, con lo scopo finale di proporre una normativa. Questa tesi descrive gli esperimenti effettuati al Politecnico di Milano, fornendo un'analisi dettagliata dei risultati. Sono stati effettuati test statici e di fatica a blocchi, con diversi rapporti di ciclo (R = -1, R = 0.1 e R = 0.5), su provini in acciaio C45. Sono stati impiegati due software per il post processing dei dati termici: ALTAIR e ALTAIR LI; per l'acquisizione e il post processing delle immagini per DIC si sono utilizzati un software interno e VIC-2D. Sono state applicate tre metodologie basate sull'energia termica emessa dai provini (E-mode, D-mode, parametro Q), tre basate sull'analisi della temperatura (Metodi di Risitano e metodo statico) ed una sul lavoro meccanico totale introdotto nel provino (parametro W). Le immagini termografiche e i frame acquisiti tramite un microscopio per DIC sono stati analizzati in termini di: 1) variazione della temperatura legata al fenomeno termoelastico, attraverso l'ampiezza della prima armonica del segnale termico (E-mode); 2) differenza di temperatura legata all'energia dissipata, attraverso l'ampiezza del segnale anelastico (D-mode); 3) pendenza del segnale di temperatura rispetto al numero di cicli di fatica (Metodo di Risitano 1) 4) temperatura di stabilizzazione, temperatura raggiunta dalla super cie del provino dopo un certo numero di cicli di fatica (Metodo Risitano 2); 5) densità di energia rilasciata in un ciclo di fatica sotto forma di calore (parametro Q) 6) densità di energia plastica per ciclo (parametro W) 7) trend del segnale di temperatura durante un test statico (Metodo Statico) I risultati finali sono stati riassunti e discussi per ogni metodologia, in relazione al rapporto di ciclo considerato.