Advanced methods for experimental analysis of adhesively bonded joints under mode I crack propagation

The use of adhesively bonded joints as a replacement for the traditional bolted and welded joints in the aeronautical and automotive industries has increased in recent decades, mainly due to their high mechanical strength associated with low weight and no negative impact on the adherends’ mechanical properties. Moreover, adhesives are particularly suitable for joining dissimilar materials. Nevertheless, these joints are more susceptible to environmental conditions and present a relevant variation of their mechanical behaviour as a function of defect occurrences. It is challenging to ensure their reliability and safety during the joint’s in-service life. In primary structural applications, it is crucial to know the typical behaviour of components and accurately predict their failure. So, it is essential to adopt intensive periodic inspections to operate non-destructive testing techniques and implement advanced methods for in-service structural health monitoring of materials and components, especially considering adhesively bonded joints. Structural health monitoring methods present the main advantage of real-time or on-demand components’ structural integrity assessment. It requires the diagnosis of the structure by identifying, locating and quantifying damaged areas and the prognosis of its remaining useful life. Moreover, a conditionbased maintenance plan can be implemented instead of preventive service interruptions, thus saving operational costs. Several methods have been strongly encouraged for assessing the structural integrity of adhesively bonded joints, such as strain measurement, dynamic responses, scattering of guided waves, impedance variations and acoustic emission. Even so, there are still open points regarding understanding the relationship between the essential features for crack development and damage propagation within adhesive joints’ bondline. Therefore, this research aimed to study the link between different sensing solutions and the damage initiation and propagation within the joint’s bondline. For that, quasi-static and fatigue mode I crack propagation tests were performed. Two different ductile adhesives were used to bond metallic double cantilever beam specimens. It is worth mentioning that high-strength steel was chosen as the adherend material to avoid any crack competition, as it happens, for example, in the case of composite materials. The backface strain approach was adopted, using Optical Backscatter Reflectometry distributed sensing. Acoustic emission methods were applied to monitor the adhesively bonded double cantilever beam specimens during the tests. Digital image correlation and visual evaluation were also used as complementary techniques to track the crack propagation and correlate the crack positions with the acoustic emission and optical fibre responses. Since the acoustic emission method is also very sensitive to background noise, artificial neural networks associated with unsupervised pattern recognition algorithms were used to cluster and classify the acquired data. After that, the acoustic emission sources associated with damage propagation were then localised and further filtered in base energy levels. Specimen’s backface strain profiles were obtained from the optical fibre-based strain measurements, and it was observed that their peak positions had been shifted while cracks within the bondline propagated. Digital image correlation and visual evaluations could give information about the onset of plasticisation and the crack-tip positions, respectively. Finally, the peak positions obtained from the optical fibre’s strain profile and the located acoustic emission sources were compared with the results obtained from digital image correlation and visual evaluation. The results showed the feasibility of both methods in monitoring crack propagation in quasi-static and mode I fatigue crack propagation tests. The studied adhesives presented a non-negligible process zone length ahead of the crack-tip, estimated by digital image correlation and visual evaluation. For the quasi-static tests, the backface strain sensing could identify the onset of the plasticisation ahead of the crack-tip within the bondline, thus detecting the damage onset before the adhesive's complete failure. The same was observed for the high-energetic group of the localised acoustic emission sources. It is worth mentioning that the acoustic emission method required a more complex post-processing analysis due to the big data, and the final data was considerably scattered. The fracture zone length was shorter for the fatigue tests, and by processing the optical fibre results by the same method applied to static tests, it was possible to identify the crack-tip position. Moreover, the strain peak values obtained during the tests were a promising indicator of the crack propagation stage (stable or high-speed) within the adhesive.

L' impiego di giunti incollati in sostituzione dei tradizionali giunti bullonati e saldati nell'industria aeronautica e automobilistica è in aumento negli ultimi decenni, soprattutto grazie alla loro elevata resistenza meccanica associata a un peso ridotto e al non peggioramento delle proprietà meccaniche dei materiali aderenti, anche quando si uniscono materiali dissimili. Tuttavia, questi giunti sono più suscettibili alle condizioni ambientali e presentano una variazione notevole del loro comportamento meccanico in funzione dell'insorgenza di difetti, il che rappresenta una sfida per garantirne l'affidabilità e la sicurezza durante la loro vita in servizio. Nelle applicazioni strutturali primarie, è fondamentale conoscere il comportamento tipico dei componenti e prevederne accuratamente il cedimento, per cui è essenziale adottare ispezioni periodiche intensive per utilizzare tecniche di controllo non distruttive e implementare metodi avanzati per il monitoraggio della salute strutturale di materiali e componenti, soprattutto se si considerano i giunti incollati. I metodi di monitoraggio della salute strutturale hanno il principale vantaggio di valutare l'integrità strutturale dei componenti in tempo reale o su richiesta, ovvero di effettuare la diagnosi attraverso l'identificazione, la localizzazione e la quantificazione delle aree danneggiate e la prognosi della loro vita utile residua. Inoltre, permettono di implementare un piano di manutenzione basato sulle condizioni, invece di effettuare interruzioni preventive del servizio, risparmiando cosi sui costi operativi. Diversi metodi sono stati fortemente incoraggiati per valutare l'integrità strutturale dei giunti incollati, come la misurazione delle deformazioni, le risposte dinamiche, la diffusione di onde guidate, le variazioni di impedenza e l'emissione acustica. Tuttavia, ci sono ancora punti aperti per quanto riguarda la comprensione della relazione tra le caratteristiche essenziali per lo sviluppo della fessura e la propagazione del danno all'interno dell’adesivo. Pertanto, la presente ricerca si propone di studiare il legame tra i diversi risultati ottenuti dai sensori per il monitoraggio e l'inizio e la propagazione del danno all'interno dell’adesivo. A tal fine, sono state eseguite prove quasi statiche e di propagazione di cricche in modo I a fatica. Per incollare i campioni metallici sono stati utilizzati due diversi adesivi duttili. è importante menzionareche ome materiale per gli aderenti è stato scelto un acciaio ad alta resistenza, al fine di evitare qualsiasi competizione per la propagazione di cricche tra aderenti e adesivi, ad esempio nel caso di un impiego di materiali compositi, cosi da avere un'influenza trascurabile dalla propagazione dei danni dell'aderente nei risultati del rilevamento. Inoltre, è stato impiegato un approccio alla deformazione della faccia posteriore utilizzando la riflettometria a retrodiffusione ottica a rilevamento distribuito e sono stati applicati sensori di emissione acustica per monitorare i campioni durante le prove. La correlazione digitale delle immagini e la valutazione visiva sono state utilizzate come tecniche complementari per tracciare la propagazione della cricca e correlare le posizioni della cricca con le risposte dell'emissione acustica e della fibra ottica. Poiché il metodo di emissione acustica è molto sensibile al rumore di fondo, sono state utilizzate reti neurali artificiali associate ad algoritmi di riconoscimento di pattern non supervisionati per raggruppare e classificare i dati acquisiti. Successivamente, le sorgenti di emissione acustica associate alla propagazione del danno sono state localizzate e ulteriormente filtrate in diversi livelli energetici. I profili di deformazione del retro del provino sono stati ottenuti dalle fibre ottiche e si è osservato che le loro posizioni di picco si sono spostate durante la propagazione delle cricche all'interno dell’adesivo. La correlazione digitale delle immagini e le valutazioni visive hanno fornito informazioni sull'inizio della plasticizzazione e sulla posizione dell’apice della criccha. Infine, le posizioni dei picchi ottenute dal profilo di deformazione della fibra ottica e dalle fonti di emissione acustica localizzate sono state confrontate con i risultati ottenuti dalla correlazione digitale delle immagini e dal metodo visiva. I risultati hanno messo in luce la capacità di entrambi i metodi nel monitoraggio della propagazione delle cricche in prove quasi statiche e di propagazione delle cricche a fatica in modo I di carico. Gli adesivi studiati hanno presentato una lunghezza non trascurabile della zona di processo davanti all’apice della cricca, stimata dai risultati della correlazione digitale delle immagini e dalla valutazione visiva. Per le prove quasi statiche, il rilevamento delle deformazioni sulla superficie posteriore è stato in grado di identificare l'inizio della plasticizzazione prima dell’apice della cricca nell’adesivo, un risultato di notevole interesse poiché il danno è stato identificato prima del cedimento completo dell'adesivo. Lo stesso è stato osservato per il gruppo ad alta energia delle sorgenti di emissione acustica localizzata. Vale la pena ricordare che il metodo delle emissioni acustiche ha richiesto un'analisi di post-elaborazione più complessa a causa dei dati di grandi dimensioni, e i dati finali erano notevolmente dispersi. Per le prove di fatica, la lunghezza della zona di frattura era inferiore e i risultati delle fibre ottiche indicavano invece la posizione dell’apice della cricca. Inoltre, i valori dei picchi di deformazione ottenuti durante i test erano un indicatore promettente dello stadio di propagazione della cricca (stabile o ad alta velocità) all'interno dell'adesivo.