Required Fatigue Strength (RFS) for evaluating of spectrum loaded components by the example of cast-aluminium passenger car wheels

Dans l’industrie automobile, les aciers lamines sont largement utilises pour realiser les pieces constitutives d’un vehicule. Les proprietes en fatigue a grand nombre de cycles de ces produits plats sont generalement determinees sur le materiau dans son etat tel que sortie d’usine (i.e., vierge de toute sollicitation) sous chargements cycliques uniaxiaux a amplitude constante. Cependant, la fabrication de piece structurelle fait generalement intervenir des etapes de mise en forme qui ont pour consequence de modifier l’etat du materiau et donc d’impacter les proprietes en fatigue. D’autre part, les chargements en service reellement subi par une telle piece sont souvent multiaxiaux et d’amplitude variable dans le temps. Cette etude a pour but de prendre compte les notions de multiaxialite et d’effets d’histoire de chargement lors de la caracterisation en fatigue par le biais de mesures d’auto-echauffement sous chargements cycliques. La caracterisation en fatigue multiaxiale fait generalement intervenir un critere de fatigue necessitant la connaissance de la limite d’endurance du materiau sous sollicitation de cisaillement. Comme cette grandeur est difficile a obtenir pour le cas des produits plats, un nouvel essai de cisaillement et deux geometries d’eprouvette en forme de disque sont proposes, permettant d’utiliser des mesures d’auto-echauffement. Ainsi, la limite d’endurance sous sollicitation de cisaillement a pu etre determinee. Dans le but d’etudier l’impact des effets d’histoire sur les proprietes en fatigue, differents essais d’auto-echauffement ont ete realises en considerant differents niveaux de pre-deformation plastique initial, differents pre-chargements cycliques et differents rapports de charge. Les resultats obtenus ont permis de proposer un modele probabiliste a deux echelles permettant d’une part de decrire l’evolution des courbes d’auto-echauffement quel que soit l’effet d’histoire etudie et, d’autre part, de donner une bonne estimation de l’influence de ces effets sur les courbes S-N-P.

Apports des mesures d’auto-échauffement pour l’étude de la fatigue des aciers : effets d’histoire et cisaillement pur

High cycle fatigue properties of steels are usually characterized in the as-delivered state of the material. However, forming process, variable amplitude and accidental loading, called load history, could affect HCF properties. Given that investigating those history effect of fatigue properties by means of regular fatigue test would be very time consuming, self-heating measurements under cyclic loading were considered. Two load history effects were studied, a macroscopic plastic pre-strain and a cyclic pre-loading, by means of self-heating measurements under cyclic loading. All of the findings were used to propose a modification of a probabilistic two-scale model, which links self-heating measurements to HCF properties, given in the accompanying paper. 

Self‐heating measurements under cyclic loading to identify history effects on HCF properties of high‐strength low‐alloy steel: Part I—Experimental investigations

Load controlled fatigue tests were performed up to 107 cycles on flat notched specimens (Kt = 2.5) under constant amplitude and variable amplitude loadings with and without periodical overloads. Two materials are studied: a ferritic-bainitic steel and a cast aluminium alloy. These materials have a very different cyclic behaviour: the steel exhibits cyclic strain softening whereas the Al alloy shows cyclic strain hardening. The fatigue tests show that, for the steel, periodical overload applications reduce significantly the fatigue life for fully reversed load ratio (Rσ = –1), while they have no influence under pulsating loading (Rσ = 0). For the Al alloy overloads have an effect (fatigue life decreasing) only for variable amplitude loadings. The detrimental effect of overloads on the steel is due to ratcheting at the notch root which evolution is overload's dependent.



An gekerbten Flachproben (Kt = 2,5) wurden Schwingfestigkeitsversuche bis 107 Schwingspiele unter konstanten und variablen Amplituden mit und ohne periodische Uberlasten durchgefuhrt. Die beiden untersuchten Werkstoffe waren ein zyklisch entfestigender ferritisch-bainitischer Stahl und eine zyklische verfestigende Aluminiumgusslegierung. Die Schwingfestigkeitsversuche zeigten fur den Stahl, dass die periodischen Uberlasten die Lebensdauer des Stahls unter Wechselbelastung (Rσ = –1) signifikant verkurzten, wahrend unter Schwellbelastung (Rσ = 0) kein Einfluss zu beobachten war. Fur die Aluminiumgusslegierung war nur unter variablen Amplituden ein lebensdauerverkurzender Effekt zu beobachten. Der nachteilige Einfluss der Uberlasten auf die Lebensdauer des Stahls ist auf uberlastenabhangiges, zyklische Kriechen im Kerbgrund zuruckzufuhren.

/pdf/overload-effects-on-a-ferritic-baintic-steel-and-a-cast-2pi4u6vqb0.pdf

H. Bidonard

Papers

Overload effects on a ferritic-baintic steel and a cast aluminium alloy: two very different behaviours