Characterisation of fatigue crack extension by quantitative acoustic emission

Abstract

A calibrated four-channel elastic wave recording system has been used to detect and characterise acoustic emission events associated with the growth of a fatigue crack in a compact tension specimen of 7010 aluminium alloy. The transducers sampled the elastic wave field in four independent directions in a plane perpendicular to the crack. The 2-D force dipole representation of each event, assumed to be a point source, was deduced by inversion of the Green's tensor. Each emission event was then characterised in terms of source type (e.g. microfracture, slip), orientation relative to fatigue crack and size (e.g. crack volume).

All of the events (other than clearly distinguishable signals due to fretting at the loading pins) were located within 0.5 mm of the crack tip. 80% of the recorded events had the character of fracture, and were mostly oriented approximately parallel to the fatigue crack. The typical event size was ∼ 2,000 μm³. It is believed that the principal source of emission was brittle inclusion fracture at, or close to, the crack tip. The largest inclusions ( ∼ 10 μm) were much smaller than the deduced emission sources, implying that the fatigue crack modifies the elastic wave radiation from the inclusions and amplifies the apparent source strengths. Nevertheless the point-source model fitted most of the data reasonably well, with residual errors < 10%.

Résumé

On a utilisé un système étalonné d'enregistrement à quatre canaux d'ondes élastiques pour détecter et caractériser les zones d'émission acoustiques associées à la croissance d'une fissure de fatigue dans une éprouvette compacte de traction d'un alliage d'aluminium 7010. Les transducteurs captent le champ d'onde élastique dans quatre directions indépendantes d'un plan perpendiculaire à la fissure. Par une inversion du tenseur de Green, on déduit une représentation de chaque émission supposée être ponctuelle par un dipole de forces à deux dimensions. On caractérise ensuite chaque émission par le type de source d'émission (micro-rupture, glissement, etc.), par son orientation par rapport à la fissure de fatigue, et par son importance (par ex. volume de la fissure).

On a pu établir que toutes les émissions-à l'exception de celles dont il était clair qu'elles provenaient des efforts dus aux tenons de mise en charge-étaient localisées dans une zone de 0,5 mm en avant de la pointe de la fissure. On a constaté également que 80% des zones d'émission détectées étaient caractéristiques d'une rupture, et se trouvaient le plus souvent orientées parallèlement à la fissure de fatigue. La taille typique de ces zones est de 2000· microns cubes. On pense que la principale émission d'onde est la rupture fragile d'une inclusion à l'extrémité d'une fissure ou en son voisinnage immédiat.

Let inclusions les plus grandes ( ∼ 10 microns) se sont révélées beaucoup plus petites que la taille des sources d'émission telle que déduite des mesures, ce qui implique que la fissure de fatigue modifie l'irradiation d'onde élastique en provenance des inclusions, et accroit la puissance apparente d'émission.

Toutefois, le modèle de source ponctuelle s'est révélé le mieux correspondre à la plupart des résultats, avec des erreurs résiduelles de moins de 10%.