Entropy as a material response to fatigue in metals and related thermographic assessment

Abstract

The dissertation comprehensively proposes multi non-destructive testing methods investigation in mechanical degradation of metallic materials. First, high cycle fatigue of an unalloyed medium carbon steel SAE1045 is quantified investigated through thermographic measurement; a short-term evaluation procedure is proposed based on the intrinsic thermal dissipation model to determine the S-N curves by performing two constant amplitude tests and one load increase test. Second, a unified approach is developed by evaluating the evolution of intrinsic dissipation and microplasticity. This plasticity is derived from temperature and is correlated to the fatigue process and related to fatigue life. Furthermore, a modified fracture fatigue entropy (FFE) method is modeled to evaluate the fatigue damage. It is shown that the FFE can be better used as an index to trace the fatigue damage as an irreversible degradation of a metallic material of its non-linearity. Finally, the mechanical and magnetic behavior of an ultrafine-grained medium manganese transformation-induced plasticity steel is investigated in its plastic instability. Lüders bands are characterized by digital image correlation and magnetic Barkhausen noise (MBN), and the final results show that MBN can be used as a potential means for the non-destructive evaluation for the strengthening of this steel.

In der Dissertation werden mehrere zerstörungsfreie Prüfverfahren zur Untersuchung der mechanischen Degradation metallischer Werkstoffe vorgeschlagen. Erstens wird das Ermüdungsverhalten in dem Zeitfestigkeitsbereich (engl. high cycle fatigue) eines unlegierten Kohlenstoffstahls (SAE1045/C45E) durch thermografische Messungen quantifiziert ermittelt, wobei ein Kurzzeitverfahren zur Lebensdauerberechnung abgeleitet wird, das auf dem Modell der intrinsischen Wärmedissipation basiert, sodass die Bestimmung der Wöhlerkurven mit zwei Einstufenversuchen und einem Laststeigerungsversuch ermöglicht wird. Darüber hinaus wird ein einheitlicher Ansatz entwickelt, indem die Entwicklung der intrinsischen Dissipation und der Mikroplastizität bewertet wird. Diese Plastizität wird hierbei von der Temperatur abgeleitet, mit dem Ermüdungsprozess korreliert und auf die Ermüdungslebensdauer bezogen. Zudem wird eine modifizierte Fracture Fatigue Entropy-Methode (FFE) modelliert, um die Ermüdungsschädigung zu evaluieren. Schließlich wird das mechanische und magnetische Verhalten in der plastischen Instabilität eines ultrafeinkörnigen TRIP-Stahls mit mittlerem Mangangehalt untersucht. Lüders-Bänder werden durch digitale Bildkorrelation (DIC) und magnetisches Barkhausenrauschen (MBN) charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass MBN als potenzielles Mittel für die zerstörungsfreie Bewertung der Festigkeit dieses Stahls verwendet werden kann.