Fatigue Performance Investigations for 40Cr Steel via Traditional Frequency Loading, Ultrasonic Frequency Loading, and Infrared Thermography Method

超声波传感器 热成像 材料科学 消散 疲劳极限 复合材料 压力(语言学) 红外线的 结构工程 声学 光学 物理 语言学 哲学 热力学 工程类
作者
Bing Liu,Jiafeng Wu,Bin Chen,Junchen Zhu,Aiguo Zhao,Hao Zhang,Shiyang Zhu
出处
期刊:Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures [Wiley]
标识
DOI:10.1111/ffe.70064
摘要

ABSTRACT This study compares the fatigue behavior of 40Cr steel under traditional (80 Hz) and ultrasonic (20 kHz) loading frequencies, indicating a 29% increase in fatigue limit under ultrasonic loading (876 MPa vs. 677 MPa). Infrared thermography revealed abrupt temperature rises at critical stresses, yielding fatigue limits of 662 and 675 MPa under 80 Hz, contrasting to 858 and 861 MPa under 20 kHz, closely matching with S‐N curve data. Intrinsic dissipation analysis demonstrated that under stress loading of 700 MPa, the intrinsic dissipation per cycle at 80 Hz was 5000 (J/m 3 )/cycle, while at 20 kHz, it was about only 250 (J/m 3 )/cycle, indicating that more fatigue damage would be generated at traditional frequency than that at ultrasonic frequency. Thus, it is adopted to explain much higher fatigue strength under ultrasonic frequency. A dislocation gliding model attributes this improvement to increased pinning defect resistance during ultrasonic excitation. The combined thermographic and energy dissipation approaches validate ultrasonic frequency's significant strengthening effect, providing mechanistic insights for fatigue‐resistant material design.
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