Mechanoluminescent Visualization of Crack Propagation for Joint Evaluation

Nao Terasaki; Yuki Fujio

doi:10.3791/64118

التصور الميكانيكي لانتشار الكراك لتقييم المفاصل

JoVE Journal
Engineering

This content is Free Access.

JoVE Journal Engineering

Mechanoluminescent Visualization of Crack Propagation for Joint Evaluation

التصور الميكانيكي لانتشار الكراك لتقييم المفاصل

Full Text

6,057 Views

04:58 min

January 6, 2023

DOI: 10.3791/64118-v

Nao Terasaki¹, Yuki Fujio¹

¹Sensing System Research Center (SSRC),National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)

Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.

Overview

This study presents a protocol for utilizing mechanoluminescent (ML) visualization to monitor crack propagation and mechanical behavior during adhesive joint evaluation testing. The method allows for direct visualization of mechanical information that is typically challenging to quantify.

Key Study Components

Area of Science

Mechanical Engineering
Materials Science
Structural Health Monitoring

Background

Mechanoluminescent sensors provide real-time visualization of mechanical stimuli.
Traditional methods of assessing adhesive joints often lack direct measurement techniques.
Understanding crack propagation is crucial for evaluating material integrity.
This protocol aims to enhance the accuracy of mechanical testing through innovative visualization.

Purpose of Study

To demonstrate a protocol for ML visualization in adhesive joint testing.
To improve the understanding of crack behavior and stress distribution.
To facilitate structural health monitoring and design improvements.

Methods Used

Preparation of mechanoluminescent sensors and test specimens.
Use of cameras to record crack propagation during mechanical testing.
Application of blue light for excitation of the mechanoluminescent paint.
Analysis of mechanoluminescent images to calculate fracture toughness.

Main Results

Intense mechanoluminescence observed at crack tips during testing.
Successful visualization of stress distribution in adhesive joints.
Demonstrated repeatability of results under controlled conditions.
Provided insights into the mechanical behavior of composite materials.

Conclusions

The mechanoluminescent visualization method offers a novel approach to monitor mechanical behavior.
This technique can enhance the design and prediction of structural materials.
Future applications may include broader structural health monitoring strategies.

Frequently Asked Questions

What is mechanoluminescence?

Mechanoluminescence is the emission of light from a material when it is mechanically stressed.

How does this method improve adhesive joint testing?

It allows for direct visualization of crack propagation and stress distribution, enhancing measurement accuracy.

What materials can be tested using this protocol?

The protocol is applicable to various adhesive joints and composite materials.

Who conducted the experiments in this study?

The experiments were conducted by Yumi Nogami and technical staff including Wakana Sugawa, Chieko Hirakawa, Maiko Iseki, and Yoko Sakamoto.

What are the key advantages of using mechanoluminescent sensors?

They provide real-time visualization of mechanical behavior, which is difficult to quantify using traditional methods.

Can this method be used for other applications?

Yes, it can also be utilized for structural health monitoring and mechanical stimulation of materials.

في هذه الدراسة ، تم تقديم بروتوكول يصف استخدام التصور الميكانيكي (ML) لمراقبة انتشار الكراك والسلوك الميكانيكي أثناء اختبار تقييم المفصل اللاصق.

للاستفادة من أخطاء نتائج الاستشعار الميكانيكي ، يوضح هذا البروتوكول إعداد مستشعر الإضاءة الميكانيكية ، وأنواع بيئة القياس ، وظروف التسجيل التي يجب اعتمادها للتكرار. ميزة هذه الطريقة هي التصور المباشر لطرف الكراك وقوته ، وتوزيع الإجهاد ، والتركيز في المحفزات الميكانيكية التي يصعب تحديدها بشكل مباشر في الأصل. يركز هذا البروتوكول على تصور المعلومات الميكانيكية أثناء اختبار تقييم المواد اللاصقة.

يمكن استخدامه أيضا لمراقبة الصحة الهيكلية والتصميم والتحفيز الميكانيكي للهيكل والمواد الهيكلية والمفاصل. توضيح الإجراء الخاص برش طلاء ML سيكون Yumi Nogami. وبالنسبة لاختبار DCB و Lap-Shear ، سيكون واكانا سوغاوا ، تشيكو هيراكاوا ، مايكو إيسيكي ، ويوكو ساكاموتو ، الأشياء التقنية في مختبري.

للبدء ، قم بإعداد عينة الاختبار عن طريق تطبيق الطلاء الميكانيكي على السطح المعالج مسبقا لشعاع الكابولي المزدوج ، أو DCB ، باستخدام رذاذ الهواء أو علبة الرش. بعد ذلك ، قم بإجراء الإعداد التجريبي لقياس الإضاءة الميكانيكية عن طريق تركيب عينة رش الطلاء الميكانيكي على آلة الاختبار الميكانيكية باستخدام متعرج خاص. ضع الكاميرات أمام كل سطح عينة اختبار في مواجهة موضع طرف الكراك المراد مراقبته.

ثم تحقق من ظروف الكاميرا للتأكد من قدرتها على تسجيل الشفق أثناء وقت القياس المقدر للاختبار الميكانيكي. لإجراء مراقبة ميكانيكية في اختبار DCB ، اضبط معدل تسجيل الكاميرا على إطار واحد أو إطارين في الثانية ، ووقت التعرض إلى 0.5 أو ثانية واحدة ، وكسب إلى الحد الأقصى. بعد ذلك ، قم بإشعاع عينة DCB التي تم رشها بالطلاء الميكانيكي بضوء أزرق 470 نانومتر للإثارة باستخدام LED أزرق من كل اتجاه للكاميرا لمدة دقيقة واحدة.

ابدأ تسجيل الكاميرا قبل خمس ثوان من الانتهاء من تشعيع الضوء الأزرق. دع العينة تبقى في الظلام لمدة دقيقة واحدة لضمان استقرار الشفق. ثم قم بتطبيق حمل ميكانيكي باستخدام آلة اختبار ميكانيكية بمعدل تحميل يبلغ ملليمتر واحد في الدقيقة للحصول على صورة ميكانيكية.

احسب طول الشق باستخدام المعلومات الموجودة على موضع طرف الشق والتي يتم تحديدها من نقطة التلألؤ الميكانيكي أثناء انتشار الشقوق في عينة رش الطلاء الميكانيكي للحصول على صلابة الكسر G1C معبرا عنها بالكيلوجول لكل متر مربع باستخدام المعادلة. لإجراء المراقبة الميكانيكية في اختبار Lap-Shear ، اضبط معدل تسجيل الكاميرا على 10 إلى 50 إطارا في الثانية ، ووقت التعرض إلى 0.02 أو 0.1 ثانية ، وكسب إلى الحد الأقصى. ثم قم بتشعيع الطلاء الميكانيكي الذي تم رش عينة DCB بضوء أزرق 470 نانومتر ، وابدأ تسجيل الكاميرا ، وانتظر في حالة مظلمة كما هو موضح سابقا.

قم بتطبيق حمل ميكانيكي بمعدل تحميل من واحد إلى خمسة ملليمترات في الدقيقة للحصول على صورة ميكانيكية. أظهر سلوك التلألؤ الميكانيكي المسجل أثناء اختبار DCB تلألؤا ميكانيكيا مكثفا في موضع الكراك الأولي بسبب تركيز الإجهاد. أظهر سلوك التلألؤ الميكانيكي المسجل أثناء اختبار Lap-Shear تلألؤا ميكانيكيا شديدا أولا عند حواف اللصوص اللاصقة في المناطق الملتفة ثم انتقلت نقاط الإضاءة الميكانيكية من الحواف اللاصقة إلى المركز مع تلألؤ ميكانيكي مكثف شوهد في نقطة المركز.

يجب أن تكون أهم الأشياء التي يجب تذكرها هي توازن أداء فيلم الاستشعار الميكانيكي. وقت الانتظار حتى التآكل الميكانيكي وظروف التسجيل. تعرف المواد المشتركة والمركبة في هيكل الترجيح الخفيف بأنها جزء صعب لمحاكاة السلوك الميكانيكي.

توفر طريقة الاستشعار البصري الميكانيكي إجابة حقيقية وصحيحة لقراءة التصميم والتنبؤ المناسبين.

Explore More Videos

الهندسة العدد 191