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内容简介：

2010年2月，第四卷，第2页（序列号27）美国，1934-8959中期，材料科学与工程学报。 一种新的垂直机器产生的疲劳磨损的评估吉列尔莫Urriolagoitia索萨，吉列尔莫Urriolagoitia卡尔德隆，埃克托尔路易斯埃尔南德斯戈麦斯和比阿特丽斯罗梅罗 - 洛杉矶阿道夫洛佩斯马特奥斯理工学院，工程和电气机械专业，5栋2楼部分研究生和研究研究生院，Lindavista，CP07738，古斯塔沃A.Madero，墨西哥，D F.Mexico收稿日期：2009年9月15，/修改日期：2009年11月25，/出版日期：2010年2月25摘要：水平配置的机器通常进行微动疲劳试验被记录在公开的文献。这种配置在驱动器和标本之间有错位的问题。这种错位会引起微动疲劳，通常发生在驱动器的支座上，这支座是由悬臂梁结构的实心型钢构成。目前的工作描述一个新的垂直微动疲劳试验机的设计和施工。这项工作的目的是解决在横向配置观察到错位的问题以及探索垂直配置的优缺点。这这项工作中进行单轴和微动疲劳试验是为了评估新装置的性能以及完成了部分滑移状态的所有微动疲劳测试，此外，在这项研究中，对相对微动滑移造成的损害进行了研究以及评估了新的垂直式同轴微动疲劳试验机的性能。对这些在水平配置的机器获得的结果进行了比较，并为新的机器设计提供更有力的保障。关键词：微动疲劳，赫兹接触，偏滑，垂直配置。1. 绪论在过去一个世纪，没有机械设计学科的支持疲劳测试作为一个研究学科发展几乎是不可能的。没有机器测试材料和部件，以提高研究水平，也是不可能的。伊甸园1是第一个在此条件下进行微动疲劳试验的，事实说明，这个现象的存会降低疲劳强度。后来，吉列和马克2报道了类似的结果，即使在应力水平非常低的情况下，试样的拉伸强度是独立的。此后，许多学者都进行了微动疲劳强度的影响的研究。 通讯作者：吉列尔莫Urriolagoitia-Sosa（1963年），男，博士，研究领域：残余应力和生物力学。电子邮件：guiurri的。在1960年，评估微动疲劳的最流行的方法是使用标准的旋转弯曲疲劳试验装置。这些类型的测试容易进行，但它们在代表在实际情况观察到的真实的微动疲劳情况，不是那么让人满意3。 在1960年年底，西冈和平川提出作为悬臂梁安装在微动疲劳机器末端的设计和建设4。样品的自由端是受到一连杆交变倾斜，这连杆由带有变量偏心销的回转轮驱动的。微动鞋都压贴着样品平坦的顶部和底部表面，通过一弹簧给予压力，对表面造成损害，这将降低疲劳强度。 Bramhall5用一个夹紧接头承受振荡弯矩。他用两个整体形状本质上相同的配置。由矩形块组成的组件对疲劳样品进行夹紧。若干年后，奥康纳6运用同样的想法设计了一个微动疲劳试验机。 丘陵和诺埃尔7对这类测试生产了一台设备。一个标准的拉伸样品，很大的浪费部分，被安装在常规的液压伺服试验机以及承受一个完全颠倒的拉伸压缩周期诱导正弦均匀应力振幅。两大块通过柔性弹簧压到这个标本，一边一个。给正常的接触力，测试的开始端就会紧绷。使用柔性弹簧意味着一个很微小的载荷都能发生变化。剪切力在大部分载荷作用在主要的样品阶段上会产生，并且作为垫块在试样轴的方向与表面上的对应点移动的趋势的结果。几年以后，来自英国牛津大学工程科学系的卡洛斯鲁伊斯教授设计了一台水平的微动疲劳试验机8。该机能够进行非常准确的结果和各种不同形状的垫微动疲劳试验。标本由钳口夹紧，连接到液压驱动器和加载到一个完全颠倒的拉伸/压缩周期。垫快通过使用一个连接着小液压活塞的钻机被压在试样表面，这钻机与主要执行机构的运动是相对独立。两个驱动器同步，以确保在同一时间，样品受拉或受压达到损坏表面。然而，错位的问题仍然存在在接触的位置上。这是由于在微动驱动器在被支撑这（在悬臂的方式，图1）。 本文的主要目的是提出一个被设计和建造的新微动疲劳试验机在一个垂直的方式进行测试。人们希望新的微动机的垂直配置能 够（a）有助于防止微动垫快和样品之间的错位（b），节约测试配置的时间（c）以及避免因为疲劳而导致的微动执行机构水平配置的中心作用。图1：水平微动疲劳试验机2. 微动疲劳试验机 垂直微动疲劳试验机设计的基本思想是利用单轴拉伸试验机概念上的优势和简单。新的微动疲劳试验机的设计完成直线机械方面考虑，以及梁和柱的理论9。 微动疲劳试验机的在线形式已经被几个研究小组所接受，包括麻省理工学院11和WPAFB12.这些都被最初是由英国牛津大学吉列尔莫Urriolagoitia-Sosa13和大卫山14进行修改，其中液压伺服拉力试验机通过引入了马车，紧贴主样品的携带垫进行了修改。剪切力的产生，目前无论是由硬的弹簧，使马车固定到一个固定的参考15-17，还是更大的灵活性，第二个驱动器在马车装配可能会被用于发展成一个剪切力18-19。 所有的设计计算，是为了遵循材料的屈服应力而设置了四个安全系数。图2展示了一个新的垂直微动疲劳试验机的示意图。通过梁理论对板单元进行了评估，确定允许的最大挠度为0.2毫米9。根据最大挠度对板截面和几何计算进行调整。通过柱理论对棒和矩形管状组件设计，它们的屈曲被视为最大的危险。最后，驱动器的选择（150KN的主要驱动器和50 KN的磨损驱动器）。 新的微动疲劳试验机的设计如图2所示。在这个图形中，2,4,5和8支持不同组件板；3是带有螺母和危险因素实心圆条（他们允许上下调动，为了解决不同大小的组件的问题）; 1和9是执行机构，对第一个进入试样产生微动效应，第二个是驱动器加载在单轴方向的标本;7是微动磨损钻机以及10是机器的支撑支座。机器腿是由管状钢筋所构成和主要的板块是由直角钢筋支撑，主要板块的所有部件都是焊接在一起的：应当指出的是8，它是厚的钢板，它支持着驱动器及相关部件。杆件3允许两个驱动器的支持板（件2）垂直调整。上颚（件6）连接到上层板（5件），并通过降低驱动器的行动（件9）使机器能够执行单轴测试（拉伸或压缩）。微动是由件2和件3支撑的上部驱动器（件1）所实现的。重要的是表明了垂直配置将能解决在样品接触面发现的错位问题，因为悬臂梁配置所引起的疲劳效应将不会在这配置变的明显，而这效应在水平配置是有害的。单轴驱动器是由悬臂梁方式所支撑的。这机器提供的设施来安装不同大小和形状的样品。试样几何形状的正确选择，是一个非常重要的事情，因为它可以节省制造工作小时。垂直配置的机器的主要思路是，防止像水平配置，通常出现的偏差。水平配置实际工作中所产生的偏差是很难纠正的。图3中，展示了主要横梁空间（工作区和试验区）和微动钻机。这种垂直机主要目的是在一个狭小的空间内进行大范围的测试。列出本机的主要优点如下： 在随便的环境里都能进行测试，横梁的位置可以调整（图2的件5）。 不同长度的样品都能进行试验（图2和3图）。 微动驱动器（图2的件1）的位置可以调整，以减少加工标本的工作量（在平坦的易损表面，压垫到表面的任何地方）。 可以使用各种可互换的微动钻机（图2的件7）不会产生不合理的疲劳载荷加载到标本。当设计这种新的垂直机20-21，还有其他一些因素。机器的设计特点包括：（1）磨损垫更容易定位和调整，（2）采用平圆形，球形或桶垫，可以进行不同类型的微动疲劳试验（3）微动钻机可以互换，这使得有不同的微动配置。而且在接触片上，压力分布可以通过压力敏感膜很容易地检查出来，在几秒钟之内，而不是 几分钟或几小时。此外，这机器可以在一个较小的空间很容易地安装和维修卸除20-21。 1微动执行器3实心圆杆或棒5可调板支持2小驱动器板4可调的微动板7微动钻机 6液压颚9轴驱动器 8底板 9支撑板不可调 10支撑底部图2垂直安装同轴机 试样通过上，下颌骨（件6）夹紧在机器如图2所示。夹紧结构的展开图如图3所示。下颚连接到驱动器，而上颚固定在铸铁板，。样品受到由大驱动器产生交替体积应力，这是由大的执行机构。但是，在样品受到体积应力作用之前，微动垫被压在样品的平坦表面。接触片的性能是独立的主要驱动器，适用于拉伸加载的标本。在测试执行之前，正确的路线接触被检查通过使用胶片感光纸，它能提供实际接触压力分布的准确数据。驱动器之间的同步运动是由计算机程序控制的，以及它是可以修改的，如果实验需要。图3：微动疲劳钻机示意图3.测试样品和垫 在此所用的标本的大小和形状工作如图4a所示。此外，原理测试安排也展示了。一个长30毫米的标准狗骨拉伸标本被使用22-23。试样的宽度和厚度分别为10毫米和11毫米。标本总长度230毫米。表面横向方向接地给予样品所需的大小。 测试样品没有进一步的抛光表面（图4a）。在这项工作中分为三组进行了测试;圆柱垫22，桶垫24和球垫25，如图4c所示。在这些类型测试中，主要使用了形状为圆柱型的微动垫。他们制造成170毫米的曲率半径且接触样品的表面，如图4b（1）所示。然而，过去两年对桶垫和球形垫进行了一系列的测试（图4b（2）和（3）。在第二种情况下，球形垫主要的曲率半径是300 毫米，试图在圆柱垫上保持相同的接触压力。而对于桶垫，半径分别为170毫米和900毫米，以这样一种方式，保持相同的接触压力21-25。垫是由相同材料的样品所制成，但没有任何表面处理。垫的形状发生了变化，是为了使疲劳强度变化的减少与样品表面的损害面积联系起来，当保持恒定的接触压力，并减少或消除样品表面的边缘损坏26。图4：尺寸和安排。（a）试样尺寸（b）垫尺寸（c）测试安排图5a展示了一个破碎的标本的例子和在实验中使用变的磨损的垫.滑移区的相对位置遵循如图5b所显示断口的疲劳裂纹。在图5b可以看出，这种情况下，失败的原因是由于成核作用和裂缝传播所造成的。微动疲劳的影响是极其严重的。图5.试样在垂直配置进行微动疲劳试验。(a) 样品的总貌。（b）样品的横截面的疲劳效应很严重4. 测试条件 最初，该机器进行的是轴向拉伸试验27。与单轴拉伸装置上获得的结果非常相不似。这些结果验证了垂直机器的单轴性能，也增加了我们对机器可靠性的信心。 在第二阶段，进行了微动疲劳试验，用于评估新的垂直微动装置。没有考虑特殊的因素，如空气质量，湿度和实验室的温度28，进行了所有的测试。在体积应力载荷和相对滑移之间测试运行在10赫兹和180度相位，使样品的损害是最大29。 微动疲劳试验应用了两个最常用的微动配置，圆柱和球的接触这两种测试。选择这些配置的背后原因是，这些配置使用水平的微动疲劳试验机的数据的实用性，这些将是新机器的宝贵评价。此外，理论分析在公开文献中是有据可查的，是对新的垂直机的额外评估。对170毫米的曲率半径的圆柱垫的测试中接触压力是恒定的。这可能被视为平面与圆柱之间的联系，如图6所示。它也表明，裂纹产生的地方不在最大正常的压力的点上，也不在最大剪压力的点上12,20，而是在滑移带上。所有使用的垫可以垂直移动到样品的所在轴上，但不能旋转26。桶和球垫的宽度与圆柱形垫相同的，也跟样品的宽度一样。如果假定赫兹理论适用，压力接触是一个椭圆形分布，并在粘滑地区的边缘变的最大。在这些接触的条件下，对正常负载，体积应力和相对滑移26,29的各种组合进行了测试。 圆柱垫是一个二维几何，所以很容易进行所有后续分析。比三维问题可以得到更准确的结果，而且它可以对形状影响得到一个更好的分析30-32。5 .计算在进行测试之前，进行一些基本的接触计算是必要的。完成这些测试的接触计算要考虑选择一对垫（圆柱形或球形）及样品的形状，飞机赫兹接触产生峰值接触压力P0，剪切压力q0，正常牵引力P(X)和剪切牵引力q（X），剪切牵引力q(X)分布在棒带，接触尺寸a和c棒区，这计算如33所示。 从中可以看出，对于一个给定的几何形状（平面），接触应力，因此在粘滑界面的剪切应力，是独立的接触力。证明如下34：其中k =1/半径，A是综合遵守。上式不适用于球和桶垫。 这些测试的一个重要特点是，他们在部分滑移状态进行（即总滑动没有一次达到稳态）。可以看出这计算是一个经典的明德林郭居静的解决方案30-31，其中一个赫兹接触的接触面受到振荡剪切力。在这些测试主要对比的是，剪切载荷Q的应用，在其中的一个表面拉伸显著，而且这个修改的经典理论有明显提高。体积应力的影响仅仅是转移e棒区的位置7。其中：6.测试结果 由于微动周期增加，垫和样品的表面的磨损会逐步增长。根据材料的颗粒观察磨损地方的流向。很明显，随着磨损的推移，接触面积也从最初的宽度慢慢增加。因此，这将会变成一个更大的磨损区和一个较大微裂纹的发展区域。这会降低材料的疲劳强度，因此会增加故障发生的可能性。结果如表1所示。 图6图表显示裂纹产生点和滑棒区的分布。它表明，裂纹不是从接触压力最大的棒区边缘开始的，而是从滑动区域开始的。这是在每一个样品中观察到的事实（图5b）。 在部分滑移进行的所有测试以及假定三个重要的数量来确定微动磨损和疲劳状况的严重程度：潜在压力（最大）;粘滑地区（p0）的接触压力; .在粘滑接口的剪切牵引力（q0）。 在测试过程中，界面的摩擦系数，显然是一个在材料的行为的重要变量，因为它控制应用剪切力19的本地化程度。此外，接触尺寸是一个重要量，因为它建立所有有关的塑性区进程的大小和最大滑动振幅33。应当指出，如果接触缸的半径和最大剪切力的大小是恒定的，pc和qc的值对于正常负载是独立的，P.人们认识到，在实践中，裂缝是从滑带区的一个点开始和传播的，因此，pc和qc将代表微动疲劳位置的唯一代表值。表格1 测试结果图6.图的裂纹萌生的地方，正常和剪切牵引。 A至D系列（见表1）在所需的范围内提供了疲劳寿命的一个背景设置和几乎相同的测试条件在一个水平微动疲劳试验机上。结果很相似，在意料之中，验证了垂直微动机。此外，进行的测试对于明确的趋势提供足够的证据，但增加的剪切力似乎减少寿命并且底层应力会增加。如果剪切力保持不变，接触压力的增加，也可以减少寿命，但这些趋势应看着为指示而不是决定性的。据观察，所有样品遭受裂纹的产生都是从样品的角落开始的。通过使用压力感光纸来检查对齐，从而确保非常均匀的横向接触压力分布（图7）。垫和样品是名义上相同宽度，作为源来降低应力集中的风险，这风险可能会出现在接触结束的时候。这也许只是部分成功，作为一个绝对完美的横向对齐将需要完全消除边缘效应。对球形垫进行了进一步测试，为了研究边缘应力集中对疲劳寿命的影响（E系列和G）。似乎总寿命会缩短。这可能会导致边缘效应，因为做这些测试会给明显短的寿命。另一方面，球面垫的结果表明，疲劳寿命的趋势，一般会增加，当边缘效应几乎不存在的时候。应当明白，虽然接触垫在这些测试中更大，它没有扩展到整个样品的宽度，因此一旦开始后，它会产生更多的局部裂纹驱动力。唯一的方式是跟桶垫进行更严格的测试。这些测试作为生产桶垫的初始设置已被推迟被证明有一个非常大的接触半径。注意到，有悬垂接触的至少会有圆柱型垫不完全地横向对齐的坏处。 筒装垫的表面光洁度对结果没有影响。用最大的负荷进行单一的测试，同时可应用于整个样品宽度内保持接触。这个测试在150万周期内都没有失败，这至少表明，微动损坏对于其他样品在总的寿命上有深刻影响。重复性，相似（同一个水平配置）和弹性评价理论35-36的结果对设备的设计的可靠性增加了信心。图7.压力敏感膜纸用于检查正常压力应用的机械组件和对称之间的对齐7.结论和进一步的工作 在这项研究中，垂直配置的微动疲劳试验机已经被设计出来和启用。一系列初步测试，分别为开展评估机器的可靠性和验证全部测试的设计（图8）。通过所设计的机器，可以得出以下结论： （1）本机器是利用初等非线性力学概念所设计的。执行方式是在板，梁和柱的理论分析的基础上简化设计并没有造成额外的风险。 （2）观察到驱动器和样品之间是没有不对称的（机器已经工作了8年）。将来新机器配置的生产保证不会因为疲劳的影响而不对称。（3）新机非常灵活。各个微动疲劳的配置可以在这台机器此进行，对于短期和长期这都会会节省时间和资源。（4）新机器可以扩大或缩短不同类型样品的几何空间。（5） 本机在受控环境下有能力执行测试。（6）在新的垂直配置机器里，接触压力的评估与水平配置的机器相比，是一个相对简单的操作。（7）新机允许交换微动钻机进行几种不同的微动试验，仅仅需要改变触点配置。本机也可以通过取出微动疲劳钻机进行单轴测试。 （a）总图（b）微动疲劳钻机关于在新机器上执行的测试，可以得出以下结论：（1）与F系列的测试中，分散和相对较短的疲劳是由于边缘效应产生，尤其在桶垫更加有害。（2）比较系列C和D，似乎增加剪切力的作用，减少疲劳寿命。（3）球垫提供的两个结果似乎是不一致的，因为执行的测试15低于16测试的体积应力和第一比第二短的疲劳寿命。在此不能对这种情况找到解释。 同样适用于测试21和22除了样品21重新使用的事实，它可能已被损坏之前重新测试。此外，剪切应力的重要性超过正常压力的重要性的结果突出。避免样品的边缘损坏也是很重要的。、将来，它计划进行研究，考虑各种垫的一系列测试，例如：（1） 桶垫。具有600毫米的横向半径，170毫米的半径基地（相当于圆柱垫）。 意图是减少边缘损坏。（2）球垫。其中半径将减少到13毫米。为了扩大边缘损坏。（3）平垫。目的是增加表面损害。po的价值将取决于被视为主要变量的剪切力Q。测试将在范围为0.36至0.40N/mm2进行而且到20000次后才发生失败。体积应力N的值大约为800N/mm2鸣谢作者非常感谢墨西哥政府国家科技部评议会和国立理工学院研究所的资金支持。参考1:E.M伊甸园，W.N.Rose，F.L.坎宁安，耐力金属，Proc.Inst.Mech.Eng.875（1911）,68-76。2:HMGillet，ELMack，注意到一些耐力测试金属，Proc.ASTM，24（1924）,476-481。3:A.J.芬纳，J.E.Field ,因为微动产生疲劳磨损的研究，北东海岸因工程学院和造船工程师76人（1960年）183-187。4:K.Nishoka，K.平川，微动疲劳基本调查，第2部分，微动疲劳试验机和一些测试结果，JSME的公告（1968年）L80-L86。5:R.Bramhall，微动疲劳的研究，哲学博士论文，英国牛津大学，1973，pp.25-34。6:JJOConnor，弹性应力分析在解释微动疲劳的作用，RBWaterhouse（主编），微动疲劳，应用科学出版社，伦敦，l981，pp.23-317:D.A.D.诺埃尔，丘陵，具有良好定义的特征的微动疲劳试验的发展，微动疲劳试验方法的标准化和设备，ASTM STP 1159，M.Helmi Atia和RB。罗兵咸会计师事务所（Eds），美国测试协会和材料，费城，1992年，pp.162-169。8:C.Ruiz，在超级CMV钢的微动疲劳测试，UTC报告102，牛津大学，1995年,pp.1-54。9:J.D.Todd，结构的理论分析（2版）,Mac米伦出版有限公司，1981年，pp.73-118和311-336。10:MPSzolwinski TN，里斯，裂纹的形成的微动疲劳力学，Wear 198（1996）93-107。11:B.U.Wittkowsky，P.R.Birch，J.Dominguez，S.Suresh定量微动疲劳试验仪器，疲劳断裂工程。母校.街道.22（1999）307-32012:R.Cortez，S.Mall，J.R.Calcaterra，相互作用高周期和低周疲劳微动行为TI-6-V：Hoeppner，D.W.，Chandrasekaran，V.and Elliots，CB（EDS），微动疲劳：目前的技术和做法，协会，美国ASTM STP的l367测试和材料，West Conshohocken，Pa，2000，pp.125-135。13:G.Urriolagoitia索萨，微动疲劳研究，硕士论文，英国牛津大学，2000，pp.55-80。14:A.Mugadu，D.A.Hills，D.Nowell，根据完整接触应力和近乎完整的接触应力分析，修改到微动疲劳测试仪器，Wear 252（2002）475-483。15:D.A.Hils，D.Nowell，J.J.O奥康纳,微动疲劳的机制，Wear 125（1988）129-146。16：D.A.Hills，D.Nowel，微动疲劳力学，Kluwer学术出版社，多德雷赫特，荷兰，1994年，pp.9-36。17:O.Jin，S.Mall，在独立垫位移条件下，Ti-6AL-V材料的微动疲劳行为接触配置的影响。疲劳国际杂志24（2002）1243年至1253年。18:L.H.Favrow，D.Wemer，D.D.Pearson，K.W.Brown，兆焦耳吕田镇，BS.Annigeri，DLAnton，Freting疲劳试验的方法纳入独立的滑移和疲劳应力控制，Hoeppner，D.W.，Chandrasekaran，V和Elliots，C.B.（Eds），微动疲劳：当前技术和做法，ASTM STP 1367，美国，测试和材料，West Conshohocken，Pa，2000，pp.391-403。19 C.Cattaneo，Sul contatto di 由于corpi elasici：distribuzion语言环境degli sforzi，Reconditi Accad.Naz.Lincei，27（1938）342-348。20:G.Urriolagoitia-索萨，D.A.丘陵，在氮化超级CMV钢进行微动疲劳试验。 UTC报告137号，牛津大学，1999年，pp.1-17页。21:G.Urriolagoitia-索萨，D.A.丘陵，在氮化超级CMV钢进行微动疲劳试验（第二部分），UTC报告152,英国牛津大学。 2000.pp.1-27。22:K.Nishioka，K.Hirakawa，微动疲劳基本调查（第二部分），JSME12公告（1969年）180-187。23:C.Petiot，L.Vincent，V.K.Dang，N.Maouche，B，foulquier B. 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Urriolagoitia-Sosa，简要说明：赫兹微动疲劳试验的参数关系的一些意见，应变分析杂志35（2000）441-443。35:D.Nowell，D.A.Hills , 微动疲劳分析，英国机械工程师协会C131（1987）965-973。36:K.Endo，H.Goto，微动疲劳裂纹的开始和传播，Wear 38（1976）311-324。F e b 2 0 1 0 ， Vo l u me 4 ， No 2( S e r i a l N o 2 7 ) J o u r n a l o f Ma t e ria l s S c i e n c e a n d E n g i n e e rin g ， I S S N 1 9 3 4 8 9 5 9 ， US A 瓣L I 嚣辩 争 瞄 F r e t t i n g Fa t i gu e Ev al ua t i on Pr odu c e d b y A Ne w Ve r t i c al Ma chi n e Gu i U e r mo Ur r i o l a g o i t i a S o s a ， Gu i l l e r mo Ur r i o l a g o i t i a Ca l d e r 6 n ， L u i s H& t o r He r n fi n d e z G6 me z a n d Be a t r i z R o me r o A n g e l e s S e c c i d n d e E s t u d i o s de Po s g r a d o e I m e s t i g a c i r n ， E s c u e l a S u pe r i o r d e l n g e n i e r i a Me c d n i c a y El d c t r i c a ， l n s t i t u t o Po l i t d c n i c o N a c i o n a l , U n i d a dP r o f e s i o n a l A d o lf o L 6 p e z Ma t e o s ， 5 t h B u i l d i n g , 2 n dF l o o r , L i n d m， i s t a , C P 0 7 7 3 8 , G u s t a v o A Ma d e r o ， Me x i c o ， D F M e xi c o R e c e i v e d ： S e p t e mb e r 1 5 ， 2 0 0 9 Ac c e p t e d ： No v e mb e r 2 5 ， 2 0 0 9 P u b l i s h e d ： F e b r u a r y 2 5 ， 2 0 1 0 Ab s t r a c t ：I t h a s b e e n we l l d o c u me n t e d i n t h e o p e n l i t e r a t u r e t h a t f r e t t i n g f a t i g u e t e s t s a r e g e n e r a l l y p e r f o r me d o n ma c h i n e s w1 t h h o r i z o n t a l c o n fi g u r a t i o n T h i s k i n d o f c o n fig u r a t i o n h a s t h e p r o b l e m o f mi s a l i g n me n t b e t we e n t h e a c t u a t o r a n d t h e s p e c i me n T h e mi s a l i g n me n t g e n e r a l l y o c c u r s o n t h e s u p p o r t o f t h e a c t u a t o r ， wh i c h i s h e l d b y a s o l i d b a r i n a c a n t i l e v e r b e a m c o n fi g u r a t i o n ， c a u s e d b y t h e f r e t t i n 2 f a t i g u e e f f e c t T h e p r e s e n t wo r k d e s c r i b e s t h e d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o n o f a n e w v e r t i c a l fre tt i n g f a t i g u e ma c h i n e T h e i n t e n t i o n o f t h i s wo r k i s t o s o l v e t h e mi s a l i g n me n t p r o b l e m o b s e r v e d i n t h e h o r i z o n t a 】 c o n fi g u r a t i o n a n d t o e x p l o r e t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f f e r e d b y t h e v e rt i c a l c o n fig u r a t i o n I n t h i s wo r k u n i a x i a l a n d fr e t t i n g f a t i g u e e x p e rime n t s we r e r u n t o e v a l u a t e t h e p e rfo r m a n c e o f t h e n e w a p p a r a tus a n d a l l t h e fr e t t i n g t e s t s we r e d o n e i n a p a r t i a l s l i p r e g i me ， s o t h a t t h e r e l a t i v e d i s p l a c e me n t wi t h i n t h e c o n t a c t c o u l d b e c a l c u l a t e d F u r t h e rm o r e ，i n t h i s r e s e a r c h t h e d a ma g e c a u s e d b y t h e r e l a t i v e s l i p fre t t i n g wa s i n v e s t i g a t e d a n d t h e p e r f o r ma n c e o f t h e n e w v e r t i c a l l y mo u n t e d c o a x i a I fre t t i n g f a t i g u e ma c h i n e wa s a s s e s s e d Th e r e s u l t s wi t h c o mp a r e d we r e t h o s e o b t a i n e d i n a h o r i z o n t a l c o n fig u r a t i o n ma c h i n e a n d h a v e p r o v i d e d c o mp l e t e c o n fi d e n c e o n t h e n e w d e s i g n Ke y wo r d s ： F r e t t i n gt i g u e ， He rt z i a n c o n t a c t ， p a rt i a l s l i p ， v e rti c a l c o n fig u r a t i o n 1 I n t r O du c t i O n F o r t h e p a s t c e n t u r y ， t h e d e v e l o p me n t o f f a t i g u e a s a di s c i p l i n e o f s t u d y c o ul d n ot ha v e be e n p o s s i b l e wi t ho u t t h e s u p po r t o f t he m e c h a n i c a l d e s i g n d i s c i p l i n e W i t h o u t ma c h i n e s t o t e s t ma t e r i a l s a n d c o mp o n e n t s ， i n o r d e r t o i mp r o v e t he l e ve l s o f r e s e a r c h wo u l d n ot ha v e b e e n p o s s i b l e E d e n 1 】 w a s t h e fi r s t o n e t o p e r f o r m t e s t s u n de r fre t t i ng f a t i g u e c o nd i t i o ns ，s t a t i ng t h e f a c t t ha t f a t i g u e s t r e n gt h d e c r e a s e s by t he pr e s e n c e o f t h i s p h e n o me n o n L a t e r Gi l l e t a n d Ma c k 【 2 r e p o rt e d s i m i l a r r e s u l t s e v e n a t v e r y l o w s t r e s s 1 e ve l s ， whi c h a r e i nd e pe n d e n t o f t h e t e n s i l e s t r e ng t h o f t he s pe c i me n S i n c e t h e n ，ma n y r e s e a r c h e r s h a v e c a i e d o u t i n v e s t i ga t i o n s o n t h e e f f e c t o f fre t t i n g o n f a t i g ue Co r r e s p o n d i n g a u t h o r ：Gu i l l e r mo Ur r i o l a g o i t i a S o s a ( 1 9 6 3 ) ， ma l e ，P h D ，r e s e a r c h fi e l d ： r e s i d u a l s t r e s s e s a n d b i o me c h a n i c s E - ma i l ： g u i u r r i h o t ma i l c o m s t r e ng t hI n 1 9 60 s t h e m o s t po pu l a r me t h od f o r a s s e s s i n g fre t t i n g f a t i g u e wa s t o us e s t a n d a r d r o t a t i ng b e n di ng f a t i g ue t e s t i ng a p p a r a tus The s e t y p e s o f t e s t s we r e e a s y t o c o n du c t ， b u t t he y di d n o t s a t i s f a c t o r i l y r e pr e s e n t t he a c tua l fre t t i ng c o nd i t i o ns o b s e r v e d i n r e a l s i tua t i o n s 【 3 】 At t h e e nd o f t h e 1 9 6 0 s ，Ni s h i o k a a n d Hi r a k a wa pr e s e n t e d t h e d e s i g n a nd c o ns t r u c t i o n o f a fre t t i n g f a t i g u e ma c h i n e i n wh i c h t h e s pe c i me n i s l o c a t e d a s a c a n t i l e ve r b e a m ，c l a mpe d r i g i d l y a t o n e e n d of t h e ma c h i n e 4 T h e fr e e e n d o f t h e s p e c i me n i s s u b j e c t e d t o a l t e r na t i n g d e f l e c t i o n b y a c o n ne c t i n g r o d t h a t i s d r i v e n b y a r ot a t i n g whe e l wi t h a v a r i a bl e e c c e n t r i c pi n T h e fre t t i n g s h o e s a r e p r e s s e d a g a i n s t t h e fl a t s p e c i me n t o p a n d b o t t o m s u r f a c e s wi t h a g i v e n p r e s s u r e b y a c o i l s p r i n g ，c a u s i n g d a ma g e t o t h e s u r f a c e ， wh i c h wo u l d d e c r e a s e t h e f a t i g u e s t r e n g t h F r e t t i n g Fa t i gu e E v a l u a t i on Pr odu c e d b y A Ne w Ver t i c al Ma c h i n e B r a mh a l l 【 5 】 u s e d a c l a m p e d j o i n t s u b j e c t e d t o a n o s c i l l a t i ng be nd i ng mo me n t He u s e d t wo c o n figu r a t i o n s wi t h e s s e nt i a l l y t h e s a me o ve r a l l s h a p e Th e a s s e mbl i e s c o ns i s t e d o f r e c t a n g ul a r b l o c k s c l a mp e d a g a i n s t f a t i g u e s p e c i me n s S o me y e a r s l a t e r ， O C o n n o r 6 】u s e d t h e s a me i d e a f o r a d e s i g n o f a fre t t i n g f a t i g u e ma c h i n e Hi l l s a n d No w e l l 7 b u i l t a d e v i c e for t h i s k i n d o f t e s t s A s t a nd a r d t e ns i l e t e s t s p e c i me n ，wi t h a l o n g wa s t e d s e c t i o n ， wa s mo u nt e d i n a c o n v e nt i o n a l s e r v o h y d r a u l i c t e s t ma c h i n e a n d s u b j e c t e d t o a f u l l y r e v e r s e d t e n s i l e c o mp r e s s i v e c y c l e i n d u c i n g s i n us o i d a l u ni f o r m s t r e s s a mp l i t ud e s Two b l o c ks a r e pr e s s e d o n t o t hi s s p e c i me n ，o ne o n e i t he r s i d e ，b y c o mp l i a n t s p ri n g s T h e s e a r c t i g h t e n e d a t t h e b e g i n n i n g o f t h e t e s t t o g i v e t h e n o r ma l c o n t a c t f o r c e n e e d e d T h e us e o f c o mp l i a n t s p r i n g s me a ns t h a t a n e g l i gi bl e f a l l i n l o a d s h o u l d o c c u r A s h e a r f o r c e i s d e v e l o p e d i n p h a s e wi t h t h e b ul k l o a di n g a c t i n g o n t he m a i n s pe c i me n， a s a c o n s e q u e n c e o f t he t e nd e n c y o f t he pa ds t o mo ve i n t h e d i r e c t i o n o f t h e s pe c i me n s a x i s t o g e t h e r wi t h t h e c or r e s p on d i n g p o i n t s o n t h e s u r f a c e S o me y e a r s l a t e r ， P r o f Ca r l os Ru i z from t h e De p a r t me n t of En g i n e e rin g Sc i e n c e a t Un i v e r s i t y o f Ox f o r d d e s i g n e d a h o r i z o n t a l fr e t t i n g f a t i g u e ma c h i n e 8 T h e ma c h i n e wa s c a p a b l e o f c a r r y i n g o u t fr e t t i n g f a t i g ue t e s t s wi t h ve r y a c c ur a t e r e s ul t s a n d a v a r i e t y o f d i f f e r e n t p a d s h a p e s T h e s p e c i me n i s c l a m p e d b y j a ws ， c o n ne c t e d t o a hy d r a ul i c a c t u a t o r a n d l o a de d t o a ful l y r e v e r s e d t e ns i l e c ompr e s s i v e c y c l e The p a d s a r e p r e s s e d o nt o t h e s u r f a c e o f t he s p e c i me n us i ng a r i g c o n n e c t e d t o a s ma l l h y dr a u l i c p i s t o n ，whi c h mo v e s i n d e pe nd e n t l y o f t he ma i n a c t ua t o r Th e t wo a c tua t o r s a r e s y nc h r o n i s e d t o e ns u r e d a ma g e t o t he s u r f a c e a t t h e s a me t i me t he s p e c i me n i s e i t he r pu l l e d o r p u s he d Ne v e r t h e l e s s ，t he mi s a l i g n me n t pr o bl e m r e ma i n e d on t h e c o n t a c t l o c a t i o n I t i s c a u s e d b y t h e wa y i n wh i c h t h e fr e t t i n g a c t u a t o r i s s u p p o rt e d ( i n a c a n t i l e v e r ma n n e r ， F i g 1 ) T h e ma i n o b j e c t i v e o f t h i s p a p e r i s t o p r e s e n t a D e w fre t t i ng f a t i g ue ma c hi ne t h a t wa s d e s i g n e d a n d b u i l t t o 2 7 F i g 1 Ho r i z o n t a l f r e t t i n g f a t i g u e m a c h i n e pe r f o rm t e s t s i n a v e r t i c a l m a n ne r I t wa s h o p e d t h a t t h e ve rti c a l c o nfig u r a t i o n o f t he ne w fre t t i ng ma c h i n e wo u l d( a ) h e l p t o p r e v e n t mi s a l i gnme n t b e t we e n t h e fr e t t i n g p a d s a n d t h e s p e c i me n ， ( b )s a v e t i me a t t h e mo me n t o f p l a c i n g t h e t e s t c o n fi g u r a t i o n a n d( c ) a v o i d t h e o u t c e n t r e e f f e c t t h a t t h e fre t t i n g a c t u a t o r i n t h e h o riz o n t a l c o n fig u r a t i o n s uf f e r s be c a u s e o f f a t i g ue 2 Fr e t t i ng Fa t i g ue Te s t i ng M a c hi ne Th e b a s i c i de a o n t h e d e s i gn of t h e ve r t i c a l fre t t i n g f a t i g u e ma c h i n e i s t o u s e t h e a d v a n t a g e s a n d s i mp l i c i t y o n c o n c e p t s of t he u ni a x i a l t e ns i l e t e s t i n g ma c h i n e s T h e d e s i g n o f t h e n e w f r e tt i n g f a t i g u e ma c h i n e wa s d o n e wi t h b a s i c l i n e a r me c h a n i c c o n s i d e r a t i o n s a s we l l a s b e a m a n d c o l u mn t h e o ry 9 T h e“ i n l i n e ” form o f t he fre t t i ng f a t i g u e t e s t a pp a r a tus h a s n o w b e e n a do p t e d by s e v e r a l r e s e a r c h g r ou ps ，i n c l u d i n g t h o s e a t Pu r d u e 1 O ， MI T 1 1 a n d WP AF B 1 2 T h e s e h a v e a l l b e e n v a r i a t i o n s of t he e q ui p me n t o r i g i n a l l y d e v e l o p e d a t Un i v e r s i t y o f Oxf o r d b y Gu i l l e r mo Ur r i o l a g o i t i a S os a 【 1 3 a n d Da v i d Hi l l s 1 4 ， i n wh i c h a s e r v o h y d r a u l i c t e ns i l e t e s t i ng ma c hi ne wa s mod i fie d b y i nt r o d uc i n g a c a rri a g e ，c a r r y i n g pa d s ，whi c h a r e p r e s s e d a g a i n s t t he ma i n s pe c i me nA s h e a r i n g f o r c e i s d e v e l op e d ，e i t h e r b y ha vi ng s t i f f s p r i n g s p r e s e n t ，wh i c h a n c ho r t he c a r r i a g e t o a fi x e d r e f e r e n c e 1 5 1 7 】 ， o r ， for g r e a t e r v e r s a t i l i t y ，a s e c o n d a c tua t o r ma y b e u s e d t o e x e rt a s h e a r i n g f o r c e o n t h e c a rr i a g e a s s e mb l y 1 8 1 9 Al l t h e de s i g n c a l c u l a t i on s we r e s e t t o a s e c ur i t y f a c t o r o f f o ur ， wi t h r e s p e c t o f t h e ma t e r i a l s yi e l d s t r e s s 2 8 F r e t t i n g F a t i g ue Ev a l ua t i on Pr o du c e d b y A Ne w Ve r t i c al Ma c h i n e u s e d f o r t h e d e s i g n F i g 2 s h o ws a s c h e ma t i c d r a wi n g o f t h e n e w v e r t i c a l fre t t i n g f a t i g u e ma c h i n e P l a t e e l e me n t s we r e e v a l u a t e d b y b e a m t h e o r y a n d t h e ma x i mu m d e fle c t i o n p e r mi s s i b l e wa s s e t t o b e 0 2 ml n 9 】 C a l c u l a t i o n s w e r e p e r f o r me d a d j u s t i n g t h e c r o s s s e c t i o n a n d g e o me t r y o f t h e p l a t e s t o b e u n d e r t h i s ma x i mu m d e fle c t i o n Th e r o d s a n d r e c t a n g u l a r t u b u l a r c o mp o n e n t s we r e d e s i g n e d b y c o l u mn t h e o ry， wh e r e b u c k l i n g wa s t a k e n a s t h e mo s t s e r i o u s ri s k F i n a l l y ， t h e a c tua t o r s w e r e s e l e c t e d( t h e ma i n a c t u a t o r o f 1 5 0 k N a n d t h e fre t a c t ua t o r of 5 0 k N1 Th e d e s i g n of t h e ne w f r e t t i n g f a t i g u e ma c h i ne i s s h o wn i n Fi g 2 I n t h i s fig u r e ， Pi e c e s 2， 4 ，5 a n d 8 a r e s u p p o rti n g p l a t e s o f d i f f e r e n t c o mp o n e n t s ； P i e c e s 3 a r e s o l i d c i r c u l a r b a r s wi t h n u t s a n d t h r e a t s( t h e y a l l o w a d j u s t a b l e u p a n d d o wn mo v e me n t i n o r d e r t o fi x c o mp o n e n t s wi t h d i f f e r e n t s i z e s ) ； P i e c e s 1 a n d 9 a r e t h e a c tua t o r s ， t h e fi r s t o n e p r o d u c e s t h e f r e t t i n g e f f e c t i n t o t he s pe c i me n a nd t h e s e c o n d on e i s t h e a c tua t o r t h a t l o a d s t h e s pe c i me n i n un i a x i a l d i r e c t i on ； Pi e c e 7 i s t h e fre t t i ng r i g a nd Pi e c e 1 0 i s t he s u pp o r t i ng b a s e o f t h e ma c hi ne Th e l e gs o f t h e m a c h i n e we r e ma de wi t h s q u a r e t u b ul a r b a r s a nd a n g l e d b a r s t o s u p po r t t he ma i n pl a t e ， wh e r e a l l t he c o mp o ne n t s we r e we l d e d t o g e t he r ： I t s ho ul d b e n o t e d t h a t Pi e c e 8 ，i s a t hi c k pl a t e ， whi c h s u p po rts t he a c tua t o r s a n d a s s oc i a t e d c o mpo n e n t s The r o ds ， r e p r e s e n t e d by Pi e c e s 3 ， a l l o w t he v e r t i c a l a d j u s t m e n t o f t h e s u p p o rt i n g p l a t e s o f b o t h a c tua t o r s ( P i e c e 2 ) T h e u p p e r j a w( P i e c e 6 ) i s a t t a c h e d t o u p p e r p l a t e( P i e c e 5 ) a n d b y t h e a c t i o n o f t h e l o w e r a c t u a t o r ( P i e c e 9 ) t h e ma c h i n e i s a b l e t o p e r f o r m u n i a x i a l t e s t s ( t e n s i l e o r c o mp r e s s i v e ) T h e fr e t t i n g mo t i o n i s a c h i e v e d b y t h e u p p e r a c tua t o r( P i e c e 1 ) ，w h i c h i s s up p o rte d b y P i e c e s 2 a n d 3 I t i s i mp o rta nt t o s t a t e t h a t t h e v e r t i c a l c o n fig u r a t i o n wi l l s o l v e t h e mi s a l i g n me n t p r o b l e m f o u n d i n t h e c o n t a c t a r e a o f t h e s p e c i me n ， b e c a us e t he f a t i g ue e f f e c t c a u s e d b y t he c a n t i l e v e r s e t u p wo u l d s h o ul d n o t b e c o m e a p pa r e n t i n t h i s c o nfig u r a t i o n， wi t h a n e f f e c t a s de t r i me n t a l a s t h e o n e o n t h e h o r i z o n t a l c o n fi g u r a t i o n ， i n wh i c h t h e u n i - a x i a l a c t ua t o r i s s u p po rte d i n a c a n t i l e v e r ma n ne r The ma c h i n e pr o vi de s t h e f a c i l i t y t o mo u n t t e s t s p e c i me n s o f d i f f e r e n t s i z e s a n d s h a p e s T h e r i g h t s e l e c t i o n o f t h e s p e c i me n g e o me t ry i s a v e ry i mp o r t a n t ma t t e r ， a s i t c o ul d s a v e ho u r s o f ma n u f a c t ur i ng wo r k Th e ma i n i d e a of the v e rti c a l c o n fig u r a t i o n of t h e ma c hi ne i s t o p r e v e n t t h e mi s a l i g n m e n t s t h a t u s u a l l y a pp e a r o n t h e h o r i z o n t a l c o n figu r a t i on Th e s e mi s a l i g mne n t s a r e p r o d u c e d b y t h e a c tua l wo r k o f t h e h o riz o n t a l ma c h i n e a n d t h e i r c o r r e c t i o n i s d i ffic u l t I n F i g 3 ， t h e ma i n c r o s s h e a d s p a c e ( z o n e o f wo r k a n d t e s t ) a n d t h e fr e t t i n g ri g( o n e o f ma n y )a r e s h o w n T h i s v e rti c a l ma c h i n e wa s p rima r i l y d e s i gn e d t o p e r f o rm a l a r g e r a n ge o f t e s t s i n a s ma l l s pa c e The ma i n a d va n t a g e s o f t h i s ma c h i n e ma y be l i s t e d a s f o l l o ws ： Te s t s wi t h o r wi t h o u t a c o nt r o l l i n g e n vi r o n me n t c a n be pe r f or me d ，a s t he p os i t i on o f t h e c r os s he a d c a n b e a d j u s t e d( P i e c e 5 i n F i g 2 ) Ex pe r i me nt s wi t h s pe c i me ns o f d i f f e r e nt l e n g t h s mi g h t b e p e r f o rm e d( F i g s 2 a n d 3 ) T h e p o s i t i o n o f t h e fr e tt i n g a c tua t o r ( P i e c e 1 i n F i g 2 ) c a n b e a d j u s t e d t o r e d u c e t h e s i z e s o f t h e ma c h i n i n g wo r k d o n e t o ma n u f a c t u r e t h e s p e c i me n s( a t t h e fi a t d a ma g e a b l e s u r f a c e a n d t o p r e s s t h e p a d s a n y wh e r e i n t h e s u r f a c e ) Va r i o us i n t e r c ha n ge a b l e fre t t i ng r i gs c a n be u s e d ( P i e c e 7 i n F i g 2 ) Fa t i g u e l o a d s p r o d u c e n o mi s a l i g nme nt of t h e a p p l i e d l oa d i n t o t h e s p e c i m e n Th e r e we r e s o me o t he r f a c t o r s c o ns i d e r e d wh e n t h i s n e w v e rt i c a l ma c h i n e wa s d e s i g n e d 2 0 2 1 T h e d e s i g n f e a tur e s o f t h e ma c h i n e i n c l u d e ：( 1 )T h e fr e t p a d s a r e e a s i e r t o l o c a t e a n d a l i g n ， ( 2 ) Di f f e r e n t k i n d o f Fr e t t i n g Fa t i g ue t e s t s c a n b e p e r fo rm e d us i n g f l a t ， c i r c u l a r ， s p h e r i c a l o r b a r r e l p a d s a n d ( 3 ) T h e f r e t t i n g r i g i s i n t e r c h a n g e a b l e ， t h i s a l l o ws d i f f e r e n t fr e t t i n g c o n fig u r a t i o n s Al s o ， t h e p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n s e l e c t e d o n t h e c o nt a c t p a d s c a n b e e a s i l y c h e c k e d wi t h a p r e s s u r e s e n s i t i v e fil m wi t h i n f e w s e c o n d s ， r a t h e r t h a n mi n u t e s o r h o u r s Ad d i t i o n a l l y，t hi s ma c h i ne c a n b e e a s i l y mou n t e d a n d di s mou n t e d for ma i n t e na n c e i n a s ma l l e r s p a c e 【 2 0 - 2 1 Fr e t t i n g Fa t i gu e E v a l u a t i o n Pr od uc e d b y A Ne w Ve r t i c a l Ma c hi ne 1 Fr e t t i ng a c t u a t o r 3 S o l i d c i r c u l a r b a r s o r r o d s 5 A d j u s t a b l e p l a t e s u p p o r t 7 Fr e t t i ng r i g 9 Axi a I a c t ua t o r 9 P l a t e s u p p o rt n o t a d j u s t a b l e Fi g 2 Ve r t i c a l l y moun t e d c oa xi al mac h i ne Th e s pe c i me n i s c l a mp e d i n t h e ma c h i ne us i n g u pp e r a n d l o w e r j a W S( P i e c e 6 ) i n F i g 2 A n e x p a n d e d v i e w o f t he c l a mpi n g c o nfig u r a t i o n i s s h o wn i n Fi g 3 Th e 2 S ma l l a c t u a t o r pl a t e 4 Ad j u s t a b l e f r e t t i n g p l a t e 6 H y d r a u l i c j a w s 8 Ba s e p l a t e 1 0 Ba s e S UO Oo r t 2 9 l o we r j a w i s c o n n e c t e d t o t h e a c t u a t o r wh e r e a s t h e u p p e r j a w i s s e c u r e d o n t h e i r o n c a s t p l a t e T h e s p e c i me n i s s u b j e c t e d t o t h e a l t e rna t i n g b u l k s t r e s s ， 3 0 F r e t t i n g Fa t i gu e Ev a l u a t i on Pr od uc e d b y A Ne w Ve r t i c a l Ma c hi n e S ma U a c t u a t o r | I l 厂 。 厂 I I I 。 I I HY d r a u l i c j a w 豳 o o F r e t t i r g Cn n t a t 1 Hy d r a u l C a W 、 a p e c l me n - I I I I l l I I L a r g e a c t u a t o r F i g 3 S c h e ma tic d i a g r a m o f t h e f r e t t i n g f a tig u e r i g wh i c h i s p r o d u c e d b y t h e l a r g e a c t u a t o r Bu t ， b e f o r e t h e s p e c i me n i s u n de r t he a c t i o n of t h e bu l k s t r e s s ，t h e fre t t i n g p a ds a r e p r e s s e d o n t o t he fla t s u r f a c e of t h e s p e c i me n Th e pe r f o r m a n c e o f t h e c o n t a c t p a d s i s i n d e pe nd e nt o f t he ma i n a c t u a t o r t ha t a pp l i e s fl t e n s i l e l o a d o n t h e s p e c i me n Be f o r e t he t e s t s a r e c a r r i e d o u t ， t h e c or r e c t a l i g n m e nt c o nt a c t i s c h e c k e d u s i ng a fil m s e ns i t i v e p a p e r t ha t gi ve s a s s u r a nc e o f t he a c t ua l c o n t a c t p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n T h e s y n c h r o n i s a t i o n o f t h e mo v e me n t be t we e n a c t u a t o r s i s c o nt r o l l e d b y a c o mp u t e r p r o g r a m a n d c o u l d b e mo d i fie d i f t h e e x p e r i me n t r e q u i r e s i t 3 Te s t S pe c i me ns a nd Pa ds Th e s i z e a n d s h a p e o f t h e s p e c i me n s u s e d i n t h i s wo r k a r e s h o wn i n Fi g 4 a Al s o ，a s c he ma t i c t e s t a r r a n g e me n t i s s h o wn A s t a n d a r d d o g b o n e t e n s i l e s p e c i me n w i t h a 3 0 I I n T I l o n g s e c t i o n i s u s e d 2 2 2 3 T h e wi d t h a n d t h i c k n e s s o f t h e s p e c i me n a r e 1 0 mm a n d 1 1 n l n q r e s p e c t i v e l y Th e t o t a l s p e c i me n l e ng t h wa s 23 0 mm Th e s u r f a c e s we r e g r o u nd e d i n t h e t r a ns v e r s e d i r e c t i o n t o g i ve t he r e q u i r e d s i z e o f t h e s p e c i me n Th e s p e c i me n wa s t e s t e d wi t h n o f u r t h e r p o l i s h i n g o f t h e s u r f a c e ( F i g 4 a ) T h e t e s t s p e r f o rm e d i n t h i s w o r k we r e d i v i d e d i n t h r e e g r o u p s ； c y l i n d r i c a l p a d s 2 2 1 ， b a r r e l p a d s 2 4 a n d s p h e r i c a l p a d s 2 5 a s s h o w n i n F i g u r e 4 c Th e ma i n s h a pe o f fre t t i n g p a d s u s e d i n t he s e t y pe of t e s t s we r e c y l i nd r i c a l p a ds Th e y we r e ma n u f a c t u r e d a s s h o wn i n F i g 4 b( 1 ) wi t h 1 7 0 mm r a d i u s o f c u r v a t u r e ， whi c h c o n t a c t s t he s u r f a c e o f t he s pe c i me n Ho we v e r ， t h e 1 a s t t wo s e r i e s o f t e s t s we r e d o ne wi t h b a r r e l a n d s p h e r i c a l p a d s ( F i g s 4 b ( 2 ) a n d( 3 ) ) I n t h e s e c o n d c a s e ， t h e ma i n r a d i u s o f c u rva tur e f o r t h e s p h e r i c a l p a d s we r e 3 0 0 ran 1 ，t r y i n g t o k e e p t h e c o n t a c t p r e s s ur e e q ua l t o t h a t o f t he c yl i n dr i c a l pa ds F o r t he ba r r e l p a d s ，t h e r a d i u s e s we r e 1 7 0 mm a n d 9 0 0 mm， i n s u c h a wa y t h a t t h e s a me c o n t a c t p r e s s u r e w a s ma i n t a i n e d 2 1 2 5 Th e p a d s we r e ma d e f r o m t h e s a me ma t e r i a l o f t h e ( b ) Fr e t t i n g F a t i g ue Ev a l ua t i on Pr o duc e d b y A Ne w Ve r t i c a l Ma ch i ne ( a ) 2 30 Ac o t ； nr lq ，r l I f J f f L 1 | 1 一 Cy l i n d r i c a l ( C ) Ac ot ； mm 厂 I _ - J n 1 L 1 2 一Sph e r i c a l 一趿 l l I卜一 1 J Fi g 4 Di me ns i ons and ar ra ng eme nt ( a ) S p e c i me n d i me n s i o n s ( b ) P a d s d i me n s i o n s ( C ) T e s t a r r a n g e me n t s p e c i me n ， b u t wi t ho u t a n y s u r f a c e t r e a t me n t The s h a p e o f t h e pa ds we r e c ha ng e d i n o r d e r t o r e l a t e t h e d e c r e a s e o f t h e f a t i g u e s t r e n g t h c h a n g e wi t h t h e a r e a s of d a ma ge o n t h e s u r f a c e of t h e s p e c i me n ，wh i l e k e e pi ng t he c o n t a c t p r e s s u r e c o n s t a n t ， a n d t o r e du c e o r e l i mi na t e t h e e d g e d a ma ge o n t he s u r f a c e o f t h e s p e c i me n 2 6 3 Ba r r e l l 0 3l F i g 5 a s h o ws a n e x a mp l e o f a b r o k e n s p e c i me n ， t o g e t h e r wi t h t h e f r e t pa d s u s e d i n t h e e x p e r i me nt The r e l a t i v e p os i t i o n o f s l i p z o n e s wi t h r e s p e c t t o t h e f a t i g u e c r a c ks a r e i nd i c a t e d o n t h e fra c t u r e s u r f a c e of t h e s p e c i me n g i v e n i n F i g 5 b As i t c a n b e s e e r i n F i g 5 b ，i n t he s e c a s e s ，t he f a i l u r e wa s c a u s e d by t h e n u c l e a t i o n a n d p r o p a g a t i o n o f t wo c r a c k s Th e f r e t t i n g 3 2 Fr e t t i n g F a t i g u e Ev a l u a t i o n Pr o du c e d b y A Ne w Ve r t i c a l Ma c hi n e S p e c i me n Fi g 5 S p e c i me n u s e d i n a v e r t i c a l c o n fig u r a ti o n f r e t t i n g f a t i g u e t e s t ( a ) Ge n e r a l v i e w o f t h e s p e c i me n ( b ) C r o s s s e c t i o n a l v i e w o f t h e s p e c i me n f a t i g u e e f f e c t wa s e x t r e me l y s e v e r e 4 Te s t Co n di t i o n I n i t i a l l y ，t h e ma c h i n e wa s u n i - a x i a l t e n s i l e t e s t s 2 7 s i mi l a r t o t h o s e o b t a i ne d a p p a r a t u s Th e s e r e s u l t s a s s e s s e d b y p e r f o r mi n g Th e r e s ul t s we r e v e r y o n a u n i a x i a l t e ns i l e v a l i d a t e t h e u n i a x i a l pe r f o rm a n c e o f t he v e r t i c a l ma c h i ne ，wh i c h i n c r e a s e s o u r c on fid e n c e o n t h e r e l i a bi l i t y o f t he ma c h i n e I n a s e c o n d s t a g e ， fre t t i n g f a t i g u e t e s t s we r e p e r f o rm e d t o e v a l u a t e t h e n e w v e r t i c a l fr e t t i n g a p p a r a t u s Al l t he t e s t s we r e c a r r i e d o u t wi t ho u t s pe c i a l c o n s i d e r a t i o n s o f f a c t o r s s u c h a s t h e q u a l i t y o f a i r ， h u mi d i t y a n d t e mp e r a t u r e o f t h e l a b o r a t o r y r o o m 2 8 T h e t e s t s we r e r u n a t 1 0 Hz a n d 1 8 0 。 p h a s e b e t we e n t h e b u l k t e n s i o n l o a d a n d t h e r e l a t i v e s l i p ， s o t h e d a ma g e t o t h e s p e c i me n s h o u l d b e a ma x i mu m 2 9 F r e t t i n g f a t i g u e t e s t s we r e p e r f o r me d a p p l y i n g t h e t wo mo s t e mp l o y e d fr e t t i n g c o n fi g u r a t i o n s ， wh i c h a r e c yl i nd r i c a l a nd s ph e r i c a l c o n t a c t ，f o r t h e s e ki n d s o f t e s t s Th e r e a s on b e h i n d t h e s e l e c t i o n o f t h e s e c o nfig u r a t i o ns i s t h e a v a i l a b i l i t y of da t a fro m t e s t s wi t h t h e s e c o nfig u r a t i on s u s i n g a h o r i z on t a l fre t t i n g f a t i g u e ma c h i n e wh i c h wi l l b e i n v a l u a b l e i n t h e e v a l u a t i o n o f t h e n e w ma c h i ne Ad di t i o na l l y ， t h e o r e t i c a I a n a l ys e s a r e Z0ne ZOne ZOne we l l d o c u me n t e d i n t h e o p e n l i t e r a t u r e a n d c a n b e u s e d f o r a d d i t i o n a l e v a l u a t i o n of t h e n e w v e r t i c a l ma c hi ne Th e c o n t a c t p r e s s u r e wa s c o ns t a n t f o r t e s t s wi t h c y l ind r i c a l pa d s a n d wi t h r a d i u s o f c u r v a t ur e o f 1 7 0 mn 1 Co n t a c t ma y b e r e g a r d e d a s t h a t b e tw e e n t h e p l a n e a n d c yl i n d e r a s i l l us t r a t e d i n Fi g u r e 6 I t i s a l s o s ho wn t h a t t h e pl a c e o f c r a c k i n i t i a t i on i s n o t a t t he po i n t o f ma xi mu m n or ma l pr e s s ur e ， no r a t t h e p o i n t o f ma x i mu m s h e a r p r e s s u r e 1 2 ， 2 0 ， b u t wi t h i n t h e s l i p z o n e Al l t h e p a d s u s e d c a n mo v e v e r t i c a l l y t o t h e a x i s o f t h e s p e c i me n ， b u t a r e i n h i b i t e d fr o m r o t a t i n g 2 6 T h e wi d t h s for t h e b a rre l a n d s p h e r i c a l p a d s we r e c h o s e n s o a s t o b e t he s a me a s t h o s e o f t h e c y l i n d e r p a d s ， a s we l l a s be i n g t h e s a me wi d t h o f t he s p e c i me n The p r e s s u r e c o nt a c t h a s a n e l l i p t i c a l d i s t r i b u t i o n a nd b e c o me s ma xi mu m a t t he e d ge o f t h e s l i p s t i c k r e g i o n i f i t i s a s s ume d t h a t t h e He rtz t h e o ry a p pl i e s Un d e r t h e s e c o n t a c t c o n d i t i o n s ， t e s t s we r e ma d e wi t h v a r i o u s c o mbi n a t i o ns of n o rm a l l o a d ，b ul k s t r e s s a nd r e l a t i v e s l i p 2 6 ， 2 9 Th e c y l i n d r i c a l p a ds we r e c h os e n t o ha v e a t wo d i m e n s i o na l g e o me t r y，s o a l l s u b s e q u e n t a n a l ys i s a r e e a s y b y p e r f o r me dM o r e a c c u r a t e r e s ul t s c a n b e ob t a i n e d t ha n t h os e for t hr e e d i me n s i o n a l p r o b l e m s ， a n d i t a l l o ws a b e t t e r a n a l y s i s o f s i z e e f f e c t 3 0 3 2 5 Ca l c ul a t i o ns Fr e t t i ng F a t i gu e Ev al u a t i on Pr od uc e d b y A Ne w Ve r t i c a l Ma c h i n e Be for e t h e t e s t s c a n b e c a m e d o u t ，s o me b a s i c c o n t a c t c a l c u l a t i o ns a r e n e c e s s a r y t o be pe r f o r me d The c o n t a c t c a l c u l a t i o n s f o r t h e s e t e s t s a r e d o n e wi t h r e s p e c t t o a c h o s e n p a i r o f p a d s ( c y l i n d r i c a l o r s p h e r i c a 1 ) a nd s p e c i m e n s ha p e ，wh e r e a p l a n e He r t z i a n c o nt a c t g i v e s r i s e t o a p e a k c o n t a c t p r e s s u r e PD ， s h e a r p r e s s ur e q 。 ， n o rma l a n d s h e a r t r a c t i o n d i s t r i b u t i o n p ( x )a n d q ， s h e a r t r a c t i o n d i s t r i b u t i o n i n t h e s t i c k z o n e q ( x ) c o n t a c t s i z e a a n d t h e s t i c k z o n e t h i s c a l c u l a t i o n a r e p e rf o rm e d a s i n 3 3 I t c a n a l s o b e s e e n t h a t ， for a g i v e n g e o me t r y( p l a n e ) ， t h e c o nt a c t s t r e s s a nd h e nc e t h e s h e a r s tre s s a t t he s t i c k s l i p i n t e rfa c e ， a r e i n d e p e n d e n t o f t h e c o n t a c t f o r c e T h e p r o o f i s a s f o l l o ws 3 4 】 ： 2JD 七a p 。 一 A ( 1 ) Bu t fc ) 2 S o p r po The r e f o r e p ： Q 2P k a p = W h e r e 足 ， Ra d i u s a n d A 1 s t he c ompo s i t e c o mpl i a n c e Thi s r e l a t i o n wa s n o t a pp l i e d for t h e s ph e r i c a l a n d b a r r e l p a d s An i mp o r t a n t f e a t ur e of t h e s e t e s t s wa s t h a t t h e y we r e c a i e d o u t i n t h e p a rt i a l s l i p r e g i me( i e ， g r o s s s l i d i n g d i d n o t o c c u r o n c e a s t e a d y s t a t e wa s r e a c h e d ) I t c a n be s e e n t h a t t h i s c a l c ul a t i o n i s a c l a s s i c a l Mi n d l i n C a t t a n e o s o l u t i o n 3 0 3 1 】 i n w h i c h a He r t z i a n c o n t a c t i s s u b j e c t e d t o a n o s c i l l a t i n g s h e a ri n g f o r c e i n t h e c o nt a c t p l a n e The pr i n c i p a l c o n t r a s t i n t he s e ki nd o f t e s t s i s t h a t ，a s t h e s h e a r l o a d Q i s a p p l i e d ，a s i g n i fic a nt t e ns i l e ， ，i s r a i s e d i n o n e o f t h e s ur f a c e s a n d t hi s mo d i fie s t h e c l a s s i c a l t h e o ry s i g ni fic a n t l y Th e 3 3 e f f e c t o f t h e b u l k t e n s i o n h a s me r e l y b e e n t h a t o f s h i f t i n g t h e p o s i t i o n o f t h e s t i c k z o n e b y a n a mo u n t o f e 【 7 Wh e r e ： o - 口 ( 8 ) a n d q ： ( x ) b e c o me s ： ) 一 fp 。 a t h e s o l u t i o n i s o nl y va l i d i f e +c a i e 7 Z o 6 Te s t Re s u l t s (10 ) As t h e n u mb e r of f r e t t i n g c y c l e s i n c r e a s e s ， t he we a r g r o ws g r a d u a l l y o n b o t h s u rfa c e s o f t h e p a ds a nd t he s p e c i m e nTh e p a r t i c l e s o f ma t e r i a l a r e o b s e r ve d t o flo w ou t fro m t he fre e d r e gi on s I t i s o b v i o u s t ha t a s t h e we a r pr og r e s s e s ，t h e c o n t a c t a r e a a l s o i n c r e a s e s f r o m a n i ni t i a l wi d t h So t h i s wi l l g i v e a l a r ge r fre t t e d a r e a a n d a l a r g e r z o n e wh e r e mi c r o c r a c k s c o ul d d e v e l o pTh i s d e c r e a s e s t h e f a t i g u e s t r e n g t h o f t h e ma t e r i a l a n d h e n c e i n c r e a s e s t he l i k e l i ho o d o f f a i l u r e i ni t i a t i o n Th e r e s ul t s t he ms e l v e s a r e di s pl a y e d i n Ta bl e 1 Fi g6 s h o ws d i a g r a mma t i c a l l y t h e po i n t of c r a c k i n i t i a t i o n a nd t h e di s t r i b ut i on o ft h e s l i p a n d s t i c k z o n e s I t s h ows t h a t t he c r a c k d oe s n o t s t a rt a t t h e e d ge o f t h e s t i c k z o n e ， wh e r e t h e c o n t a c t p r e s s u r e i s ma xi mum， b u t wi t h i n t h e s l i p r e gi o n Th i s wa s a n o bs e rv e d f a c t i n e a c h o n e o f t h e t e s t e d s p e c i me n s ( F i g 5 b ) Al l t e s t s we r e c o n d u c t e d i n p a rti a l s l i p a n d i t i s a s s ume d t h a t t h e t h r e e s i gn i fic a nt q ua n t i t i e s d e t e r m i n i ng t h e s e v e r i t y o f f r e t t i n g a n d f a t i g ue c o n di t i on s a r e ： T h e u n d e r l y i n g s t r e s s( 0 MAX) ； T h e c o n t a c t p r e s s u r e a t t h e s t i c k s l i p r e g i o n( p o ) ； 。 T h e s h e a r t r a c t i o n a t t h e s t i c k - s l i p i n t e r f a c e f q o ) Th e i n t e r f a c i a l c o e ffi c i e n t of fri c t i o n i s c l e a r l y a n i mp o rta n t v a ria b l e i n t h e b e h a v i o u r o f t h e ma t e r i a l d u r i n g t he t e s t s ， a s i t c o nt r o l s t he d e g r e e of l o c a l i s a t i o n o f t h e a p p l i e d s h e a r i n g f o r c e 1 9 J Al s o ， t h e c o n t a c t d i me ns i o n i s a n i mp orta n t q u a n t i t y ，a s t h i s e s t a bl i s h e s t he s i z e o fa l l o ft h e r e l e v a nt pl a s t i c z o n e p r o c e s s e s a nd 巫 f ， Y Ta bl e 1 Te s t s r e s ul t s Fr e t t i n g F a t i g u e Ev a l u a t i o n P r o du c e d b y A Ne w Ver t i c a l Mac h i ne NO P 。 ( MN m ) P ( MN m ) q ( MN m ) A( mm) C( ram) N( c y c l e s ) S E RI ES A Cy l i n d r i c a l p a d s l 5 7 0 3 5 5 4 7 _ 3 8 1 0 9 4 7 1 6 9 7 0 4 7 7 2 4 4 9 9 2 5 7 0 3 5 5 4 7 3 8 l O 9 4 7 1 6 9 7 0 4 7 7 1 9 5 5 9 5 5 7 0 - 3 5 5 4 7 3 8 l 0 9 4 7 1 6 9 7 0 4 7 7 l 5 8 9 1 6 5 7 0 3 5 5 4 7 3 8 1 0 9 4 7 1 6 9 7 0 4 7 7 1 0 9 3 7 S E RI ES B Cy l i n d r i c a l p a d s ” 3 5 9 9 6 2 5 7 4 1 0 1 1 4 8 2 1 7 8 3 O 5 l 7 2 4 2 2 0 7 5 9 9 6 2 5 7 4 1 O l 1 4 8 2 1 7 8 3 0 5 1 7 l 6 2 3 3 8 5 9 9 6 2 5 7 4 1 0 l 1 4 8 2 1 7 8 3 O 5 1 7 l 5 3 3 1 1 3 6 3 0 4 2 5 7 4 1 0 l 】 4 8 2 1 8 7 5 0 7 7 4 l 1 3 0 0 S E RI ES C C y l i n d r i c a l p a d s ” 4 6 3042 6 0 0 5l I 2 0 1 O 1 87 5 0 57 0 2l 6 26 9 6 3 0 4 2 6 0 0 5 1 1 2 0 1 0 1 8 7 5 0 5 7 0 l 2 8 5 6 S E RI ES D “ C y l i n d r i c a l p a d s ” 1 0 6 3 0 4 2 5 4 7 _ 3 8 1 0 9 4 7 1 8 7 5 0 9 3 0 2 9 4 l 8 l 1 6 3 0 4 2 5 4 7 - 3 8 1 0 9 4 7 1 8 7 5 0 9 3 0 2 0 9 l 5 l 2 6 3 0 - 4 2 5 4 7 3 8 l 0 9 4 7 1 8 7 5 0 9 3 0 l 2 7 5 l SERI ES E Sph e r i c a l pa d s ” l 5 ll 01 42 8 4 9 5 2 l 6 9 9 0 2 55 0 1 03 3 3 3 9 20 l 6 l l 01 42 8 49 5 2 l 6 9 9 0 2 5 50 1 03 3 3 5 9 58 S E RI ES F“ C y l i n d r i c a l p a d s ” l 7 57 0 35 5 47 3 8 l O 9 4 7 1 6 97 0 4 77 l 7 8 8 4 I 8 57 0 35 5 4738 l 0947 1 6 97 0 4 77 20 66 4 l 9 57 0- 35 5 47 3 8 l 0 9 4 7 1 6 97 0 4 77 1 2 l 6 0 S E RI ES G S p h e r i c a l p a d s 20 ll 42-2 4 1 02 7 2 4 63 1 7 5 2 6 50 1 1 57 42 1l 9 2l l1 42 2 4 l 0 2724 6 3 1 7 5 2 6 50 1 1 57 1 7 l 6 0 22 l1 42l2 4 l 02 7 2 4 6 3 1 7 5 2 6 50 1 1 57 20 36 9 Ha l f pl a ne p ( x ， ， Fr e t t i ng t t l l 、 Te ns i l e 、 Sl i p z o n e St i c k zo n e Sl i p zo n e 1 r Cr a c k Co n t a c t z o n e Fi g 6 Di a g r a m o f t h e c r a c k i n i t i a tio n p l a c e a n d n o r ma l a n d s h e a r t r a c tio n s 。 ， 一 一 r F r e t t i n g F a t i gu e E v al u a t i o n Pr o du c e d b y A Ne w Ver t i c al Ma c h i n e t h e ma x i m u m s l i p a mp l i t u d e 3 3 1 I t s h o u l d b e n o t e d t h a t ，i f t h e r a di us o f t h e c o n t a c t i ng c y l i n d e r a n d t h e ma g n i tud e o f t h e ma x i mu m s h e a fin g f o r c e a r e c o n s t a n t ， t h e v a l u e s o f pf a n d q c a r e i n d e p e n d e n t o f t h e n o r ma l l o a d ， P I t i s r e c o g n i s e d t ha t ， i n p r a c t i c e ， c r a c k s i ni t i a t e a n d p r o p a g a t e from a po i n t wi t h i n t h e s l i p z o ne ， t h e r e f o r e P c a n d q c wi l l p r o v i d e o n l y r e p r e s e n t a t i v e v a l u e s f o r t h e fre t t i ng f a t i g ue s i t e S e r i e s A D ( T a b l e 1 ) p r o v i d e s a b a c k g r o u n d s e t o f f a t i g ue l i f e wi t hi n t he d e s i r e d r a ng e a n d t h e v e r y s a me t e s t c o n d i t i o n s we r e a l s o r e p r o d u c e d i n a h o r i z o n t a l fre t t i ng f a t i g u e ma c h i n e Re s ul t s we r e s i m i l a r ， a s wa s e x p e c t e d ， va l i d a t i n g t h e v e r t i c a l fre t t i n g ma c hi ne F u r t h e rm o r e ，t e s t s we r e c o n d uc t e d t o p r o vi d e e n o u g h e v i d e n c e for we l l d e fi n e d t r e n d s b u t a n i n c r e a s e d s h e a r i ng f o r c e s e e m s t o de c r e a s e l i f e a s t h e un d e r l yi n g s t r e s s i s i nc r e a s e d I f t he s h e a r f o r c e i s ke pt c o ns t a n t ， a n i n c r e a s e i n c o n t a c t p r e s s u r e ma y a l s o de c r e a s e t h e l i f e s p a m ， b ut t h e s e t r e n ds s h o ul d be r e g a r d e d a s i nd i c a t i v e r a t h e r t ha n c o nc l us i ve 1 t h a s b e e n o b s e r v e d t h a t a l l t h e s p e c i me n s s u f f e r e d c r a c k i n i t i a t i o n f r o m t he s pe c i me n c ome r s Thi s wa s d e s pi t e t h e c he c k i n g a l i g nme nt b y t he us e o f p r e s s ur e s e ns i t i v e p a pe r t o e ns u r e a v e r y u ni f o rm t r a n s v e r s e c o n t a c t p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n( F i g 7 ) T h e p a d s a n d s p e c i me ns we r e n o m i n a l l y t h e s a me wi d t h， a s a s o u r c e t o mi n i mi s e t h e r i s k o f s t r e s s c o nc e n t r a t i o n s ，wh i c h mi g ht a r i s e a t t he c o n t a c t e n d s Thi s ma y be o n l y p a rti a l l y s u c c e s s f ul ，a s a n a bs o l u t e p e r f e c t t r a n s v e r s e a l i g n me n t wo u l d b e n e e d e d t o e l i mi n a t e e d g e e f f e c t s e n t i r e l y F u rt h e r t e s t we r e c a r r i e d o u t wi t h s p h e r i c a l p a d s ， i n o r d e r t o i n v e s t i g a t e t he e f f e c t o f e dg e s t r e s s c o n c e n t r a t i o n o n f a t i g u e l i f e( S e r i e s E a n d G) I t wo u l d s e e m t h a t t h e t o t a l l i f e i s s h o rt e n e d T h i s ma y b e c a u s e d b y e d ge e f f e c t s ， a s t he s e t e s t s d o gi v e a n o t a b l y s h o r t e r l i f e On t h e o t h e r h a n d ， t h e r e s u l t s wi t h t h e s p h e r i c a l pa ds s ho w t h a t t h e f a t i g u e l i f e t e n ds ， i n ge ne r a l t e r ms ， t o i n c r e a s e ， a s t h e e d ge e f f e c t i s n o t c l e a n l y pr e s e n t I t s h o u l d b e a p p r e c i a t e d t h a t ， a l t h o u g h t h e c o n t a c t p a d i s l a r g e r i n t h e s e t e s t s ， i t d o e s no t e x t e n d a c r os s t h e 3 5 a l i g n me n t b e t we e n me c h a n i c a l c o m p o n e n t a n d s y m me t r y o n t h e a p p l i e d n o r ma l p r e s s u r e e n t i r e s p e c i me n wi d t h a n d h e n c e i t wo u l d p r o v i d e a mo r e l o c a l i s e d c r a c k d riv i n g f o r c e ， o n c e t h e i n i t i a t i o n p h a s e i s fin i s h e d The o nl y wa y t o t e s t t h i s mo r e rig o r o us l y wo ul d be wi t h b a r r e l l e d pa d s Th e s e t e s t s h a v e b e e n p o s t p o n e d a s t h e i n i t i a l s e t o f p r o d u c e d b a rre l l e d p a d s p r o v e d t o h a v e a v e ry l a r g e c o n t a c t r a d i u s I t wa s n o t i c e d t ha t h a v i n g a n o v e r ha n g i n g c o nt a c t ， wo ul d be a t l e a s t a s b a d a s h a v i n g c yl i n d ric a l pa ds i mpe r f e c t l y t r a n s ve r s e l y a l i g ne d T h e s u r f a c e fi n i s h o f t h e b a r r e l l e d p a d s h a d n o e f f e c t o n t h e r e s u l t s A s i n g l e t e s t wa s c a r ri e d o u t wi t h t h e ma x i mu m l o a d t h a t c o u l d b e a p p l i e d wh i l s t ma i n t a i n i n g t h e c o nt a c t wi t hi n t he o v e r a l l s pe c i me n wi d t h T h i s t e s t wa s s t o p p e d a t 1 5 mi l l i o n c y c l e s wi t h o u t f a i l u r e ，wh i c h a t l e a s t s h o ws t h a t fre tti n g d a m a g e h a s a p r o f o u nd e f f e c t o n t h e t o t a l l i f e o n t h e o t h e r s pe c i me n s T h e r e p r o d u c i b i l i t y s i mi l i tud e ( wi t h a h o r i z o n t a 1 c o n fi g u r a t i o n ) a n d t h e o r e t i c a l e l a s t i c e v a l u a t i o n 3 5 3 6 o f t he r e s u l t s g i v e c o n fide n c e a b o u t t h e r e l i a bi l i t y o f t h e d e s i g n o f t h e a p pa r a t u s 7 Co nc l us i o ns a nd Fur t he r W o r k I n t h i s s t u d y ， a fre tt i n g f a t i g u e t e s t i n g ma c h i n e wi t h v e rti c a l c o n fi g u r a t i o n h a s b e e n d e s i g n e d a n d c o mm i s s i on e d A s e r i e s o f p r e l i mi n a ry t e s t s we r e c a r r i e d o u t t o a s s e s s t h e ma c h i n e r e l i a b i l i t y a n d t o v a l i d a t e t h e o v e r a l l d e s i g n ( F i g 8 ) T h e f o l l o wi n g c o nc l us i o ns c a n be d r a wn o n t h e d e s i g n of t he ma c hi n e ： ) F r e t t i n g F a t i gu e E v a l u a t i o n Pr od uc ed b y A Ne w Ve r t i c a l Ma c h i n e i g 8 Ve r t i c a l fre t t i n g m a c h i n e I ) G e n e r a l v i e w ( b ) F r e t t i n g f a t i g u e r i g ( 1 )T h e ma c h i n e w a s d e s i g n e d u s i n g e l e me n t a r y n e a r me c ha ni c s c o nc e p t s Th e wa y o f p e r f o r m i n g t he n a l y s i s ba s e d o n pl a t e ，b e a m a nd c o l u mn t he o r i e s i mp l i fi e d t h e d e s i g n a n d d i d n o t c a u s e a d d i t i o n a l ris k s ( 2 1 No mi s a l i g n me n t i S o b s e r v e d b e t we e n t h e c t u a t o r a n d t h e s p e c i me n( a n d t h e ma c h i n e h a s b e e n t o r k i n g f o r t h e I a s t 8 y e a r s ) T h i s n e w ma c h i n e c on fig u r a t i o n e n s u r e s t h a t no mi s a l i g nme nt i s t o b e p r o d u c e d ， b y f a t i g u e e f f e c t ， i n t h e f u t u r e ( 3 ) T h e n e w ma c h i n e i s e x t r e me l y v e r s a t i l e Va r i o u s f r e t t i n g f a t i g u e c o n fig ur a t i o ns c a n b e c a r r i e d o u t i n t hi s s i ng l e ma c h i n e ， whi c h i n t he s ho r t a n d l on g t e rm wo ul d s a ve t i m e a n d r e s o u r c e s ( 4 )T h e n e w ma c h i n e i s a b l e t o e n l a r g e o r a b r i d g e s p a c e s f o r d i f f e r e n t k i n d o f s p e c i me n g e o me t r i e s ( 5 ) T h e ma c h i n e i s c a p a b l e o f p e r f o r mi n g t e s t s u n d e r c o n t r o l l e d e n vi r o n me n t ( 6 ) T h e e v a l u a t i o n o f t h e c o n t a c t p r e s s u r e ， i n t h e n e w v e rti c a l ma c hi n e ， i s a r e l a t i ve l y s i mp l e o p e r a t i o n ， c o mpa r e d t o t h e ho r i z o n t a l ma c h i ne ( 7 )T h e n e w ma c h i n e a l l o ws i n t e r c h a n g i n g f r e t t i n g r i gs t o c a r r y o u t s e v e r a l d i f f e r e n t f r e t t i n g t e s t s ， by o n l y c h a n g i n g t h e c o n t a c t c o n fi g u r a t i o n T h e ma c h i n e i s a l s o a b l e t o p e r f o r m un i - a x i a l t e s t b y t a k i n g o u t t h e f r e t t i n g f a t i g u e r i g Th e f o l l o wi n g c o nc l u s i o ns r e g a r di ng t h e t e s t s pe r f o rm e d o n t h e ne w ma c hi ne c a n b e d r a wn： f 1 F o r t h e t e s t s l e v e l l e d wi t h F ，t h e s c a t t e r a n d r e l a t i v e l y s h o rte r f a t i g u e a r e d ue t o a n e d ge e f f e c t wh e r e b a r r e l p a d s s h o we d t o b e mo r e d e t r i me n t a 1 ( 2 ) C o m p a r i n g s e r i e s C a n d D， i t w o u l d s e e m t h a t t h e e f f e c t o f i n c r e a s i ng t h e s h e a r f o r c e r e d uc e s t h e f a t i g ue l i f e ( 3 ) T h e s p h e r i c a l p a d s p r o v i d e t wo r e s u l t s t h a t s e e m t O be i n c o n s i s t e n t s i nc e t e s t 1 5 wa s p e r f o rm e d a t a l o we r b u l k s t r e s s t h a n t e s t 1 6 a n d y e t t h e f a t i g u e l i f e o f t he fir s t wa s s h o r t e r t h a n t h a t o f t h e s e c o n dAt t hi s p o i n t no e x p l a na t i o n c a n be o f f e r e d f o r t h i s c a s e Th e s a me a pp l i e s t o t e s t s 2 l a n d 2 2 e x c e p t f 0 r t h e f a c t t h a t s p e c i me n 2 1 wa s r e us e d a n d i t m a y h a v e be e n d a ma g e d b e f o r e r e t e s t i n g Ad di t i o n a l l y ，t he r e s u l t s h i g hl i g ht t he i mp o rta nc e of t h e s h e a r f o r c e o v e r t h e n o rm a l p r e s s u r e I t i S a l s o i mp o r t a nt t o a v o i d e d g e d a m a ge o n t he s p e c i me nI n f u t u r e ， i t i s p l a n n e d t o c o n d u c t a r e s e a r c h c o n s i d e r i n g a s e r i e s o f t e s t s wi t h v a r i o u s p a d s ， s u c h a s ： f 1 ) Ba r r e l p a d s W i t h t r a n s v e r s e r a d i u s 6 0 0 mm a n d r a d i u s b a s e 1 7 0 mm( e q u a l t o t h e c y l i n d r i c a l p a d s ) T h e i n t e n t i o n b e i n g t o mi n i mi s e e d g e d a ma g e F r e t t i ng F a t i gu e E v a l u a t i o n Pr o du c e d b y A Ne w Ve r t i c a l Ma c hi n e ( 2 ) S p h e r i c a l p a d s Wh i c h r a d i u s wi l l b e d e c r e a s e d t 0 1 3 mm I n o r d e r t o e x t e n d e d g e d a ma g e f 3 1 F l a t p a d s T h e i n t e n t i o n b e i n g t o i n c r e a s e t h e d a ma g e t o t h e s ur f a c e T h e v a l u e o f p o wi l l d e p e n d o n t h e s h e a r f o r c e Q t h a t i s r e g a r d e d a s t he ma i n v a r i a bl e Te s t s wi l l b e c o n d u c t e d wi t h i n t h e a p p r o x i ma t e r a n g e 0 3 6 t o 0 4 0 N mm t o o b t a i n f a i l u r e a fte r 2 00 0 0 c y c l e s Th e v a l u e 0 f t h e b u l k s t r e s s a N s h o ul d b e a r ou n d 8 0 0 N mm2 Ac k no wl e dg m e nt Th e a u t ho r s g r a t e f ul l y a c k n o wl e dg e t he fin a nc i a l s u p p o r t f r o m t h e Me x i c a n g o v e r n me n t b y d e C o n s e j o Na c i o na l d e Ci e nc i a Y Te c no l o g i a a n d t he I ns t i t u t o Po l i t t c n i c o Na c i o n a 1 Re f e r e nc e 【 2 【 3 】 【 4 5 】 6 】 【 7 【 8 9 】 1 o E M Ed e n ， W N Ro s e ， F L Cu n n i n g h a m， T h e e n d u r a n c e o f me t a l s ， P r o c I n s t Me c h E n g 8 7 5 f l 9 1 1 1 ， 6 8 7 6 H M Gi l l e t E L Ma c k No t e s o n s o me e n d u r a n c e t e s t s o f me t a l s P r o c AS T M ， 2 4( 1 9 2 4 ) ， 4 7 6 4 8 1 A J F e n n e r J EF i e l d A s t u d y o f t h e o n s e t o f f a t i g u e d a ma g e d u e t o f r e t t i n g ，P r o c e e d i n g ，No r t h E a s t Co a s t I n s t i tut e o f E n g i n e e ri n g a n d S h i p b u i l d e r s 7 6 ( 1 9 6 0 ) l 83 1 8 7 K Ni s h o k a ，KHi r a k a wa ，F u n d a me n t a l i n v e s t i g a t i o n o f fre t t i n g f a t i g u e ， P a rt 2 ，F r e t t i n g f a t i g u e t e s t i n g ma c h i n e a n d s o me t e s t r e s u l t s ， Bu l l e t i n o f J S ME( 1 9 6 8 )l 8 0 l 8 6 R Br a mh a l l ，S tud i e s i n fre t t i n g f a t i gu e ， D P h i l Th e s i s ， Un i v e r s i t y of Ox for d，l 9 73 ，p p 25 3 4 J J 0 Co nn o r ，Th e r ol e o f e l a s t i c s t r e s s a na l ys i s i n t h e i n t e r p r e t a t i o n o f fr e t t i n g f a t i gue ， i n ： R B Wa t e r h o u s e ( E d ) ， F r e t t i n g F a t i gu e ，Ap p l i e d S c i e n c e P u b l i s h e r s ，L o n d o n ， l 98l ， pp 2 3- 31 D AHi l l s DNo we l 1 T h e d e v e l o p me n t o f a f r e t t i n g f a t i g u e e x p e ri me n t wi t h we l l d e fi n e d c h a r a c t e ri s t i c s ， S t a n d a r d i z a t i o n o f fre t t i n g f a t i g u e t e s t me t h o d s a n d e q u i p m e n t ， AS T M S TP 1 1 5 9 i n ： M 。 He l mi Att i a a n d R B W a t e r h o u s e ( Ed s ) ，Ame r i c a n S o c i e t y f o r Te s t i n g a n d Ma t e r i a l s ， P h i l a d e l p h i a ， 1 9 9 2 ， p p 1 6 2 1 6 9 CRui z，Fr e t t i ng f a t i gu e t e s t s on s u pe r CM V s t e e l UTC Re p o r t No 1 0 2 ， Un i v e r s i ty o f Ox f o r d ，l 9 9 5 ， p p 1 5 4 J D To d d ， S t r u c t u r a l T h e o r y a n d An a l y s i s f 2 e d 1 Ma c M i l l a n P u b l i s h e r s L TD，l 9 8 l