Estimation of service life through thermographic methods

Abstract

This study explores the phenomenon of self-heating as a tool to estimate fatigue life parameters, focusing on additively manufactured aluminum (AlSi10Mg) and nickel-based alloy specimens (Inconel 718), with a special case that does not exhibit conventional self-heating during the cyclic loading of 42CrMo4+QT steel. The primary goal was to develop a method for quickly determining a theoretical amplitude of stress that does not lead to failure of the component called the fatigue limit, which was achieved by proposing and validating the new LinExp approach. This approach delineates the self-heating step tests into linear and exponential regions, facilitating reliable fatigue limit estimates. Experimental validation involved samples from multiple additively manufactured platforms, comparing the estimates of the LinExp method with experimentally obtained fatigue limits. The results showed high accuracy, particularly in series focused on additively manufactured aluminum, with reliable stress-temperature difference relationships established through self-heating step tests. The study also demonstrated the adaptability of the LinExp method to Inconel 718, although with conservative results. A secondary objective was to establish the lower limit of Fargiones approach for estimating fatigue curves, integrating limiting energy of self-heating step-tests with the LinExp estimate. This method proved effective for nearly all series using additively manufactured AlSi10Mg, and a comprehensive assessment for Inconel 718 confirmed the robustness of summation of partial limiting energy during the self-heating step test rather than focusing on the non-constant nature of limiting energy. Furthermore, the study addressed adapting Fargiones approach for materials lacking a stabilization Phase in the evolution of the self-heating temperature, using 42CrMo4+QT high-strength steel as a case study. Although promising, this approach requires further investigation to establish lower limitations. In general, the LinExp and modified Fargione approaches offer valuable frameworks for fatigue life analysis, especially with limited sample sizes, emphasizing the need for continued research to refine these methodologies for additively and conventionally manufactured materials. The findings suggest that these methods hold significant promise for fatigue life predictions, mitigating the risks associated with relying on potentially inaccurate S-N curves when only three or fewer samples are used for the construction of S-N curves.

Tato studie zkoumá fenomén self-heating pro odhad parametrů únavové životnosti, zaměřuje se na aditivně vyráběné vzorky z hliníku (AlSi10Mg) a niklové slitiny (Inconel 718) a na speciální případ, kdy se během cyklického zatěžování oceli 42CrMo4+QT neprojevuje běžný self-heating. Primárním cílem bylo vyvinout metodu pro rychlé stanovení teoretické amplitudy napětí, která nezpůsobí poruchu součásti, známou jako mez únavy. Tento cíl byl splněn navržením a ověřením nové metody LinExp, která rozděluje self-heating step-test na lineární a exponenciální oblasti, čímž usnadňuje odhad meze únavy. Experimentální validace zahrnovala vzorky z různých 3D tištěných platforem, přičemž byly porovnávány odhady metody LinExp s experimentálně získanými mezemi únavy. Výsledky ukázaly vysokou přesnost, zejména v sériích zaměřených na aditivně vyráběný hliník, kdy byly spolehlivě stanoveny závislosti mezi napětím a teplotním rozdílem jako reakcí na zatěžování pomocí self-heating step-testu. Studie rovněž prokázala přizpůsobivost metody LinExp pro Inconel 718, ačkoli s mírně konzervativními výsledky. Sekundárním cílem bylo stanovit spodní hranici Fargioneho přístupu k odhadu únavových křivek, integrující limitní energii self-heating step-testu s odhadem meze únavy pomocí metody LinExp. Tato kombinace metod se ukázala být účinnou pro téměř všechny série s použitím aditivně vyráběného AlSi10Mg a pro Inconel 718 potvrdilo robustnost sumace parciální limitních energií během self-heating step-testu, spíše než se zaměřovat na nekonstantnost limitní energie. Dále se studie věnovala adaptaci Fargioneho přístupu pro materiály, které postrádají stabilizační fázi ve vývoji teploty self-heating, přičemž jako případová studie byla použita vysokopevnostní ocel 42CrMo4+QT. Tento přístup, ačkoli slibný, vyžaduje další výzkum k určení jeho prahové hodnoty, tedy meze únavy. Obecně nabízejí přístupy LinExp a modifikovaný Fargione hodnotné přístupy pro analýzu únavové životnosti, zejména při omezeném množství vzorků, a zdůrazňují potřebu pokračujícího výzkumu pro zpřesnění těchto metodik pro aditivně i konvenčně vyráběné materiály. Výsledky naznačují, že tyto metody mají významný potenciál pro predikce únavové životnosti, což snižuje rizika spojená se spoléháním na potenciálně nepřesné S N křivky, pokud jsou použity pouze tři nebo méně vzorků pro konstrukci S-N křivek.