The thermal shock and thermal fatigue test has been carried out to analyze the thermal characteristics of tool steels for hot forging and the effects of mechanical properties on this study have been investigated. The resistance to thermal shock is first of all a matter of good toughness and ductility. Therefore, a proper hot-work tool steel should be characterized by high fracture strength and high temperature toughness. Based on these results, some critical temperature($T_{fracture}$) at which fracture occur can be measured to characterize the thermal resistance of the materials. During thermal fatigue tests, the thermal fatigue cracks occur because of the repetitive heating and cooling of the die surface and the thermal fatigue damage was evaluated by analyzing different number of cycles to failure. The results showed that the resistance to thermal shock and thermal fatigue were found to be favoured by high hot tensile strength and high hot hardness, and thermal resistance of SKD61 was superior to that of ESC, SKT4 and this was caused by higher mechanical properties of SKD61.
This paper describes the numerical prediction of the thermal fatigue life of a $\mu$BGA(Micro Ball Grid Array) solder joint. Finite element analysis(FEA) was employed to simulate thermal cycling loading for solder joint reliability. Strain values, along with the result of mechanical fatigue tests for solder alloys were then used to predict the solder joint fatigue life using the Coffin-Manson equation. The results show that Sn-3.5mass%Ag solder had the longest thermal fatigue life in low cycle fatigue. Also a practical correlation for the prediction of the thermal fatigue life was suggested by using the dimensionless variable ${\gamma}$, which was possible to use several lead free solder alloys for prediction of thermal fatigue life. Furthermore, when the contact angle of the ball and chip has 50 degrees, solder joint has longest fatigue life.
Adhesive joints have been widely used for fastening thin adherends because they can distribute the load over a larger area than mechanical joints, require no hole, add very little weight to the structure and have superior fatigue resistance. However, the fatigue characteristics of adhesive joints are much affected by applied pressure during curing operation because actual curing temperature is changed by applied pressure and the adhesion characteristics of adhesives are very sensitive to manufacturing conditions. In this study, cure monitoring and torsional fatigue tests of adhesive joints with an epoxy adhesive were performed in order to investigate the effects of the applied pressure during curing operation. From the experiments, it was found that the actual curing temperature increased as the applied pressure increased, which increased residual thermal stress in the adhesive layer. Therefore, the fatigue life decreased as the applied pressure increased because the mean stress during fatigue tests increased due to the residual thermal stress.
In this study, two types of fatigue tests were conducted. First, cyclic bending tests were performed using the micro-bending tester. A four-point bending test method was adopted, because it induces uniform stress fields within a loading span. Second, thermal fatigue tests were conducted using a pseudo power cycling machine which was newly developed for a realistic testing condition. The pseudo-power cycling method makes up for the weak points in a power cycling and a chamber cycling method. Two compositions of solder are tested in all test condition, one is lead-free solder (95.5Sn4.0Ag0.5Cu) and the other is eutectic lead-contained solder (63Sn37Pb). In the cyclic bending test, the solder that exhibits a good reliability can be reversed depending on the load conditions. The lead-contained solders have a longer fatigue life in the region where the applied load is high. On the contrary, the lead-free solder sustained more cyclic loads in the small load region. A similar trend was detected at the thermal cycling test. A three-dimensional finite element analysis model was constructed. A finite element analysis using ABAQUS was performed to extract the applied stress and strain in the solder joints. A constitutive model which includes both creep and plasticity was employed. Thermal fatigue was occurred due to the creep. And plastic deformation is main damage for bending failure. From the inelastic energy dissipation per cycle versus fatigue life curve, it can be found that the bending fatigue life is longer than the thermal fatigue life.
During braking of railway vehicles the repetitive thermal shock leads to thermal cracks on disc surface, and the lifetime of brake disc is dependent on the number of trimming works for removing these thermal cracks. Many tries for development of high heat resistant brake disc to extend the disc life and to warrant reliable braking performance has been continued. In present study, we carry out the computational fatigue analysis for thermal fatigue test in three candidate materials which were made to develop new high heat resistant material. Using FEM, we simulate thermal fatigue test in three candidate materials and conventional disc material. We then estimate the number of cycle to thermal crack initiation based on data from mechanical fatigue tests, and the results are compared with each material. For each material, the correction factor for $N_{f-40}$ which is the number of cycles when crack over $40{\mu}m$ was observed in thermal fatigue test is decided. From this study, we can verify the performance of thermal fatigue test system and suggest a qualitatively comparative method for heat resistance by FEM analysis of thermal shocking phenomenon.
In the disk braking of the railway trains, kinetic energy of the vehicles is converted into thermal energy by friction between a brake disk and the pad materials. This can be cause of the iterative thermal shock and generates thermal cracks on the brake disk surface. In this study, we show the comparative thermal fatigue test procedures and thermal crack analysis process to evaluate the thermal fatigue characteristics of candidate materials designed for development of heat-resistant brake disk material. We carried out tests on the conventional brake disk materials used for Saemaul and Mugunghwa trains, then we comparatively analyzed the thermal crack initiation and propagation on the surface of a specimen. A thermal fatigue test procedure and a crack analysis process were suggested to evaluate the heat resistance of the developed materials at later studies.
This study investigates changes in the mechanical behavior, such as changes in indentation load-displacement curve, wear resistance and contact fatigue resistance of thermal barrier coatings (TBCs) by thermal cycling test and thermal shock test. Relatively dense and porous TBCs on nickel-based bondcoat/superalloy are prepared; the highest temperature applied during thermal durability test is $1350^{\circ}C$. The results indicate that the porous TBCs have relatively longer lifetime during thermal cycling and thermal shock tests, while denser TBCs have relatively higher wear and contact fatigue resistance. The mechanical behavior is influenced by sintering of the TBCs by exposure to high temperature during tests.
Fatigue behavior and life prediction method were presented for themal-mechanical and isothermal low cycle fatigue of 12 Cr forged steel used for high temperature applications. In-phase and out-of-phase thermal-mechanical fatigue test from 350 .deg. C to 600 .deg. C and isothermal low cycle fatigue test at 600 .deg. C, 475 .deg. C, 350 .deg. C were conducted using smooth cylindrical hollow specimen under strain-control with total strain ranges from 0.006 to 0.015. The phase difference between temperature and strain in thermal-mechanical fatigue resulted in significantly shorter fatigue life for out-of-phase than for in-phase. Thermal-mechanical fatigue life predication was made by partitioning the strain ranges of the hysteresis loops and the results of isothermal low cycle fatigue tests which were performed under the combination of slow and fast strain rates. Predicted fatigue lives for out-of-phase using the strain range partitioning method showed an excellent agreement with the actual out-of-phase thermal-mechanical fatigue lives within a factor of 1.5. Conventional strain range partitioning method exhibited a poor accuracy in the prediction of in-phase range partitioning method in a conservative way. By the way life prediction of thermal-mechanical fatigue by Taira's equivalent temperature method and spanning fartor method showed good agreement within out-of-phase thermal-mechanical fatigue.
Effects of top coat morphology and thickness on thermal fatigue behavior of thermal barrier coatings (TBC) were investigated in this study. Thermal fatigue tests were conducted on three coating specimens with different top coat morphology and thickness, and then the test data were compared via microstructures, cycles to failure, and fracture surfaces. In the air plasma spray specimens (APS1, APS2), top coat were 200 and $300{\mu}m$ respectively. The thickness of top coat was about $700{\mu}m$ in the perpendicular cracked specimen (PCS). Under thermal fatigue condition at $1,100^{\circ}C$, the cycles to top coat failure of APS1, APS2, and PCS were 350, 560 and 480 cycles, respectively. The cracks were initiated at the interface of top coat and thermally grown oxide (TGO) and propagated into TGO or top coat as the number of thermal fatigue cycles increased. For the PCS specimen, additive cracks were initiated and propagated at the starting points of perpendicular cracks in the top coat. Also, the thickness of TGO and the decrease of aluminium concentration in bond coat do not affect the cycles to failure.
The high temperature fatigue tests were performed using the specimens taken from Cr-Mo-V steel, widely used as thermal power plant turbine materials for examination fatigue behavior of materials in power plants which have been operated for long periods. The fatigue tests at high temperature were performed at the various temperature and applied stress. The results obtained are summarized as follows : The fatigue crack length increases and the fatigue life decreases with temperature and applied stress according to the same number of stress cycle. The fatigue crack propagation and the fatigue life were much influenced by temperature and applied stress.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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