1059
Detailed Contents
List of Abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXVII
Part A Solid Mechanics Topics
3
4
4
6
7
9
11
11
12
12
12
13
13
14
14
2 Materials Science for the Experimental Mechanist
Craig S. Hartley . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1
Structure of Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1
Atomic Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.2
Classification of Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.3
Atomic Order . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.4
Equilibrium and Kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.5
Observation and Characterization of Structure . . . . . . . . . . . . . .
2.2
Properties of Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1
The Continuum Approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.2
Equilibrium Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.3
Dissipative Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.4
Transport Properties of Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.5
Measurement Principles for Material Properties . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
17
18
21
22
28
31
33
34
35
38
43
46
47
3 Mechanics of Polymers: Viscoelasticity
Wolfgang G. Knauss, Igor Emri, Hongbing Lu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1
Historical Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.1
The Building Blocks of the Theory of Viscoelasticity . . . . . . . .
49
49
50
Detailed Cont.
1 Analytical Mechanics of Solids
Albert S. Kobayashi, Satya N. Atluri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1
Elementary Theories of Material Responses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.1
Elasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.2
Viscoelasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.3
Plasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.4
Viscoplasticity and Creep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2
Boundary Value Problems in Elasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1
Basic Field Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.2
Plane Theory of Elasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.3
Basic Field Equations for the State of Plane Strain . . . . . . . . .
1.2.4
Basic Field Equations for the State of Plane Stress . . . . . . . . .
1.2.5
Infinite Plate with a Circular Hole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.6
Point Load on a Semi-Infinite Plate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1060
Detailed Contents
3.2
Detailed Cont.
Linear Viscoelasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1
A Simple Linear Concept:
Response to a Step-Function Input . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.2
Specific Constitutive Responses (Isotropic Solids) . . . . . . . . . . .
3.2.3
Mathematical Representation of the Relaxation
and Creep Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.4
General Constitutive Law for Linear and Isotropic Solid:
Poisson Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.5
Spectral and Functional Representations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.6
Special Stress or Strain Histories Related
to Material Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.7
Dissipation Under Cyclical Deformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.8
Temperature Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.9
The Effect of Pressure on Viscoelastic Behavior
of Rubbery Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.10 The Effect of Moisture and Solvents
on Viscoelastic Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3
Measurements and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.1
Laboratory Concerns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.2
Volumetric (Bulk) Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.3
The CEM Measuring System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.4
Nano/Microindentation for Measurements
of Viscoelastic Properties of Small Amounts of Material . . . .
3.3.5
Photoviscoelasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4
Nonlinearly Viscoelastic Material Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.1
Visual Assessment of Nonlinear Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.2
Characterization of Nonlinearly Viscoelastic Behavior
Under Biaxial Stress States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5
Closing Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6
Recognizing Viscoelastic Solutions if the Elastic Solution is Known . .
3.6.1
Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4 Composite Materials
Peter G. Ifju . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1
Strain Gage Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.1
Transverse Sensitivity Corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.2
Error Due to Gage Misalignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.3
Temperature Compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.4
Self-Heating Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.5
Additional Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2
Material Property Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1
Tension Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.2
Compression Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3
Shear Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.4
Single-Geometry Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51
51
53
53
55
55
56
63
63
68
69
69
70
71
74
76
84
84
85
86
89
90
91
92
97
98
98
99
100
101
101
102
103
103
105
106
Detailed Contents
4.3
5 Fracture Mechanics
Krishnaswamy Ravi-Chandar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1
Fracture Mechanics Based on Energy Balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2
Linearly Elastic Fracture Mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.1
Asymptotic Analysis of the Elastic Crack Tip Stress Field . . . .
5.2.2
Irwin’s Plastic Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.3
Relationship Between Stress Analysis and Energy Balance
– The J-Integral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.4
Fracture Criterion in LEFM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3
Elastic–Plastic Fracture Mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.1
Dugdale–Barenblatt Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.2
Elastic–Plastic Crack Tip Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.3
Fracture Criterion in EPFM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.4
General Cohesive Zone Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.5
Damage Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4
Dynamic Fracture Mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.1
Dynamic Crack Initiation Toughness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.2
Dynamic Crack Growth Toughness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.3
Dynamic Crack Arrest Toughness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5
Subcritical Crack Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6
Experimental Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6.1
Photoelasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6.2
Interferometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6.3
Lateral Shearing Interferometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6.4
Strain Gages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
107
107
108
109
111
111
111
113
114
114
114
116
117
117
118
118
119
120
120
121
121
125
126
128
128
129
130
131
132
132
134
135
136
136
137
138
139
139
140
140
141
143
147
151
Detailed Cont.
Micromechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.1
In Situ Strain Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.2
Fiber–Matrix Interface Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.3
Nanoscale Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.4
Self-Healing Composites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4
Interlaminar Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.1
Mode I Fracture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.2
Mode II Fracture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.3
Edge Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5
Textile Composite Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5.1
Documentation of Surface Strain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5.2
Strain Gage Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5.3
Edge Effects in Textile Composites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6
Residual Stresses in Composites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6.1
Composite Sectioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6.2
Hole-Drilling Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6.3
Strain Gage Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6.4
Laminate Warpage Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6.5
The Cure Reference Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.7
Future Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1061
1062
Detailed Contents
5.6.5
Method of Caustics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6.6
Measurement of Crack Opening Displacement . . . . . . . . . . . . . .
5.6.7
Measurement of Crack Position and Speed . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Detailed Cont.
6 Active Materials
Guruswami Ravichandran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1
Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1.1
Mechanisms of Active Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1.2
Mechanics in the Analysis, Design, and Testing
of Active Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2
Piezoelectrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3
Ferroelectrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3.1
Electrostriction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3.2
Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3.3
Domain Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3.4
Ceramics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4
Ferromagnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4.1
Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4.2
Magnetostriction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
152
153
155
156
159
159
160
160
161
162
162
163
163
165
166
166
167
167
7 Biological Soft Tissues
Jay D. Humphrey . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.1
Constitutive Formulations – Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2
Traditional Constitutive Relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2.1
Elasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2.2
Viscoelasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2.3
Poroelasticity and Mixture Descriptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2.4
Muscle Activation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2.5
Thermomechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3
Growth and Remodeling – A New Frontier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3.1
Early Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3.2
Kinematic Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3.3
Constrained Mixture Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4
Closure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.5
Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
169
171
172
172
176
176
177
177
178
178
179
180
182
182
183
8 Electrochemomechanics of Ionic Polymer–Metal Composites
Sia Nemat-Nasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.1
Microstructure and Actuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.1.1
Composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.1.2
Cluster Size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.1.3
Actuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
187
188
188
189
191
Detailed Contents
8.2
191
191
192
192
192
193
194
195
195
196
197
197
197
198
199
199
9 A Brief Introduction to MEMS and NEMS
Wendy C. Crone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.1
Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.2
MEMS/NEMS Fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3
Common MEMS/NEMS Materials and Their Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.1
Silicon-Based Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.2
Other Hard Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.3
Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.4
Polymeric Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.5
Active Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.6
Nanomaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.7
Micromachining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.8
Hard Fabrication Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.9
Deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.10 Lithography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.11 Etching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.4
Bulk Micromachining versus Surface Micromachining . . . . . . . . . . . . . . . .
9.5
Wafer Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.6
Soft Fabrication Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.6.1
Other NEMS Fabrication Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.6.2
Packaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.7
Experimental Mechanics Applied to MEMS/NEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.8
The Influence of Scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.8.1
Basic Device Characterization Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.8.2
Residual Stresses in Films . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.8.3
Wafer Bond Integrity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.8.4
Adhesion and Friction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.9
Mechanics Issues in MEMS/NEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.9.1
Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
203
203
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215
216
217
217
218
219
220
220
221
221
Detailed Cont.
Stiffness Versus Solvation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.1
The Stress Field in the Backbone Polymer . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.2
Pressure in Clusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.3
Membrane Stiffness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.4
IPMC Stiffness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3
Voltage-Induced Cation Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3.1
Equilibrium Cation Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.4
Nanomechanics of Actuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.4.1
Cluster Pressure Change Due to Cation Migration . . . . . . . . . . .
8.4.2
Cluster Solvent Uptake Due to Cation Migration . . . . . . . . . . . . .
8.4.3
Voltage-Induced Actuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.5
Experimental Verification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.5.1
Evaluation of Basic Physical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.5.2
Experimental Verification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.6
Potential Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1063
1064
Detailed Contents
Detailed Cont.
9.10 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
224
225
10 Hybrid Methods
James F. Doyle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.1 Basic Theory of Inverse Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.1.1 Partially Specified Problems and Experimental Mechanics
10.1.2 Origin of Ill-Conditioning in Inverse Problems . . . . . . . . . . . . . .
10.1.3 Minimizing Principle with Regularization . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2 Parameter Identification Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2.1 Sensitivity Response Method (SRM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2.2 Experimental Data Study I: Measuring Dynamic Properties
10.2.3 Experimental Data Study II: Measuring Effective BCs . . . . . . .
10.2.4 Synthetic Data Study I: Dynamic Crack Propagation . . . . . . . .
10.3 Force Identification Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.3.1 Sensitivity Response Method for Static Problems . . . . . . . . . . .
10.3.2 Generalization for Transient Loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.3.3 Experimental Data Study I: Double-Exposure Holography .
10.3.4 Experimental Data Study II: One-Sided Hopkinson Bar . . . .
10.4 Some Nonlinear Force Identification Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.4.1 Nonlinear Data Relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.4.2 Nonlinear Structural Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.4.3 Nonlinear Space–Time Deconvolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.4.4 Experimental Data Study I: Stress Analysis Around a Hole
10.4.5 Experimental Data Study II: Photoelastic Analysis of Cracks
10.4.6 Synthetic Data Study I: Elastic–Plastic Projectile Impact . . .
10.4.7 Synthetic Data Study II: Multiple Loads on a Truss Structure
10.4.8 Experimental Data Study III: Dynamic Photoelasticity . . . . . .
10.5 Discussion of Parameterizing the Unknowns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.5.1 Parameterized Loadings and Subdomains . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.5.2 Unknowns Parameterized Through a Second Model . . . . . . . .
10.5.3 Final Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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257
11 Statistical Analysis of Experimental Data
James W. Dally . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.1 Characterizing Statistical Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.1.1 Graphical Representations of the Distribution . . . . . . . . . . . . . .
11.1.2 Measures of Central Tendency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.1.3 Measures of Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.2 Statistical Distribution Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.2.1 Gaussian Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.2.2 Weibull Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.3 Confidence Intervals for Predictions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.4 Comparison of Means . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.5 Statistical Safety Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.6 Statistical Conditioning of Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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260
261
262
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270
271
272
Detailed Contents
11.7
Regression Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.7.1 Linear Regression Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.7.2 Multivariate Regression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.7.3 Field Applications of Least-Square Methods . . . . . . . . . . . . . . . .
11.8 Chi-Square Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.9 Error Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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272
272
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279
Part B Contact Methods
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312
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325
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331
332
332
13 Extensometers
Ian McEnteggart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.1 General Characteristics of Extensometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.1.1 Accuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.1.2 Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.1.3 Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.1.4 Temperature Coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.1.5 Operating Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
335
336
336
336
336
336
337
Detailed Cont.
12 Bonded Electrical Resistance Strain Gages
Robert B. Watson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.1 Standardized Strain-Gage Test Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.2 Strain and Its Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.3 Strain-Gage Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.3.1 Elementary Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.3.2 The Potentiometer Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.3.3 The Wheatstone Bridge Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.4 The Bonded Foil Strain Gage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.4.1 Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.4.2 Gage Factor – A Practical Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.4.3 Strains from Every Direction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.4.4 Gage Factor – The Manufacturer’s Value . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.4.5 Transverse Sensitivity Error – Numerical Examples . . . . . . . . .
12.4.6 The Influence of Temperature Changes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.4.7 Control of Foil Strain Gage Thermal Output . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.4.8 Foil Strain Gages and the Wheatstone Bridge . . . . . . . . . . . . . . .
12.4.9 Performance Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.4.10 Gage Selection Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.4.11 Specific Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.5 Semiconductor Strain Gages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.5.1 Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.5.2 Strain Sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.5.3 Temperature Sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.5.4 Special Circuit Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.5.5 Installation Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1066
Detailed Contents
Detailed Cont.
13.1.6 Contact Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.1.7 Weight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.1.8 Response Time/Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.1.9 Kinematics and Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.2 Transducer Types and Signal Conditioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.2.1 Strain-Gaged Flexures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.2.2 LVDTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.2.3 Potentiometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.2.4 Capacitance Transducers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.2.5 Linear Incremental Encoders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.2.6 Electronics and Signal Conditioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.3 Ambient-Temperature Contacting Extensometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.3.1 Clip-On Axial Extensometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.3.2 Other Types of Clip-On Extensometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.3.3 Long-Travel (Elastomeric) Extensometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.3.4 Automatic Extensometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.4 High-Temperature Contacting Extensometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.4.1 Longitudinal-Type High-Temperature Extensometers . . . . . .
13.4.2 Side-Loading High-Temperature Extensometers . . . . . . . . . . .
13.5 Noncontact Extensometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.5.1 Optical Targets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.5.2 Servo Follower Type Optical Extensometers . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.5.3 Scanning Laser Extensometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.5.4 Video Extensometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.5.5 Other Noncontact Optical Extensometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.5.6 Noncontact Extensometers for High-Temperature Testing .
13.6 Contacting versus Noncontacting Extensometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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14 Optical Fiber Strain Gages
Chris S. Baldwin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.1 Optical Fiber Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.1.1 Guiding Principals for Optical Fiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.1.2 Types of Optical Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.2 General Fiber Optic Sensing Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.2.1 Strain Sensing System Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.2.2 Basic Fiber Optic Sensing Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.2.3 Advantages of Fiber Optic Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.2.4 Limitations of Fiber Optic Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.2.5 Thermal Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.2.6 Introduction to Strain–Optic Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.3 Interferometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.3.1 Two-Beam Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.3.2 Strain–Optic Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.3.3 Optical Coherence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.3.4 Mach–Zehnder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Detailed Contents
15 Residual Stress
Yuri F. Kudryavtsev . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.1 Importance of Residual Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.1.1 Definition of Residual Stresses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.1.2 Origin of Residual Stresses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.1.3 Residual Stress Management: Measurement,
Fatigue Analysis, and Beneficial Redistribution . . . . . . . . . . . .
15.2 Residual Stress Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.2.1 Destructive Techniques for Residual Stress Measurement . .
15.2.2 Nondestructive Techniques
for Residual Stress Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.2.3 Ultrasonic Method for Residual Stress Measurement . . . . . . .
15.3 Residual Stress in Fatigue Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.4 Residual Stress Modification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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16 Nanoindentation: Localized Probes of Mechanical Behavior
of Materials
David F. Bahr, Dylan J. Morris . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.1 Hardness Testing: Macroscopic Beginnings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.1.1 Spherical Impression Tests: Brinell and Meyers . . . . . . . . . . . . .
16.1.2 Measurements of Depth to Extract Rockwell Hardness . . . . .
16.1.3 Pyramidal Geometries for Smaller Scales: Vickers Hardness
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Detailed Cont.
14.3.5 Michelson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.3.6 Fabry–Pérot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.3.7 Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.3.8 Interrogation of Interferometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.4 Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.4.1 Brillouin Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.4.2 Strain Sensing Using Brillouin Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.5 Fiber Bragg Grating Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.5.1 Fabrication Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.5.2 Fiber Bragg Grating Optical Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.5.3 Strain Sensing Using FBG Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.5.4 Serial Multiplexing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.5.5 Interrogation of FBG Sensors, Wavelength Detection . . . . . . .
14.5.6 Other Grating Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.6 Applications of Fiber Optic Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.6.1 Marine Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.6.2 Oil and Gas Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.6.3 Wind Power Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.6.4 Civil Structural Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Detailed Contents
16.2
Detailed Cont.
Extraction of Basic Materials Properties
from Instrumented Indentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.2.1 General Behavior of Depth Sensing Indentation . . . . . . . . . . . .
16.2.2 Area Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.2.3 Assessment of Properties
During the Entire Loading Sequence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.3 Plastic Deformation at Indentations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.3.1 The Spherical Cavity Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.3.2 Analysis of Slip Around Indentations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.4 Measurement of Fracture Using Indentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.4.1 Fracture Around Vickers Impressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.4.2 Fracture Observations During Instrumented Indentation . .
16.5 Probing Small Volumes
to Determine Fundamental Deformation Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . .
16.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17 Atomic Force Microscopy in Solid Mechanics
Ioannis Chasiotis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.1 Tip–Sample Force Interactions in Scanning Force Microscopy . . . . . . . .
17.2 Instrumentation for Atomic Force Microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.2.1 AFM Cantilever and Tip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.2.2 Calibration of Cantilever Stiffness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.2.3 Tip Imaging Artifacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.2.4 Piezoelectric Actuator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.2.5 PZT Actuator Nonlinearities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.3 Imaging Modes by an Atomic Force Microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.3.1 Contact AFM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.3.2 Non-Contact and Intermittent Contact AFM . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.3.3 Phase Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.3.4 Atomic Resolution by an AFM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.4 Quantitative Measurements in Solid Mechanics with an AFM . . . . . . . .
17.4.1 Force-Displacement Curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.4.2 Full Field Strain Measurements by an AFM . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.5 Closing Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.6 Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Part C Noncontact Methods
18 Basics of Optics
Gary Cloud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.1 Nature and Description of Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.1.1 What Is Light? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.1.2 How Is Light Described? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.1.3 The Quantum Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Detailed Cont.
18.1.4 Electromagnetic Wave Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.1.5 Maxwell’s Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.1.6 The Wave Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.1.7 The Harmonic Plane Wave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.2 Interference of Light Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.2.1 The Problem and the Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.2.2 Collinear Interference of Two Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.2.3 Assumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.3 Path Length and the Generic Interferometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.3.1 Index of Refraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.3.2 Optical Path Length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.3.3 Path Length Difference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.3.4 A Generic Interferometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.3.5 A Few Important Points . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.3.6 Whole-Field Observation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.3.7 Assumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.4 Oblique Interference and Fringe Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.4.1 Oblique Interference of Two Beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.4.2 Fringes, Fringe Orders, and Fringe Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.5 Classical Interferometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.5.1 Lloyd’s Mirror . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.5.2 Newton’s Fringes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.5.3 Young’s Fringes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.5.4 Michelson Interferometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.6 Colored Interferometry Fringes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.6.1 A Thought Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.7 Optical Doppler Interferometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.7.1 The Doppler Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.7.2 Theory of the Doppler Frequency Shift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.7.3 Measurement of Doppler Frequency Shift . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.7.4 The Moving Fringe Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.7.5 Bias Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.7.6 Doppler Shift for Reflected Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.7.7 Application Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.8 The Diffraction Problem and Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.8.1 Examples of Diffraction of Light Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.8.2 The Diffraction Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.8.3 History of the Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.9 Complex Amplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.9.1 Wave Number . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.9.2 Scalar Complex Amplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.9.3 Intensity or Irradiance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.10 Fraunhofer Solution of the Diffraction Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.10.1 Solution of the Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.10.2 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1070
Detailed Contents
18.11 Diffraction at a Clear Aperture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.11.1 Problem and Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.11.2 Demonstrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.11.3 Numerical Examples and Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.12 Fourier Optical Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.12.1 The Transform Lens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.12.2 Optical Fourier Processing or Spatial Filtering . . . . . . . . . . . . . . .
18.12.3 Illustrative Thought Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.12.4 Some Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.13 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Detailed Cont.
19 Digital Image Processing for Optical Metrology
Wolfgang Osten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.1 Basics of Digital Image Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.1.1 Components and Processing Steps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.1.2 Basic Methods of Digital Image Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.2 Techniques for the Quantitative Evaluation of Image Data
in Optical Metrology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.2.1 Intensity Models in Optical Metrology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.2.2 Modeling of the Image Formation Process
in Holographic Interferometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.2.3 Computer Simulation of Holographic Fringe Patterns . . . . . .
19.2.4 Techniques for the Digital Reconstruction
of Phase Distributions from Fringe Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.3 Techniques for the Qualitative Evaluation of Image Data
in Optical Metrology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.3.1 The Technology of Optical Nondestructive Testing (ONDT) . .
19.3.2 Direct and Indirect Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.3.3 Fault Detection in HNDT
Using an Active Recognition Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
474
474
475
476
476
476
477
478
478
479
479
481
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484
485
485
487
491
492
545
547
549
551
557
20 Digital Image Correlation for Shape
and Deformation Measurements
Michael A. Sutton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.1
20.2
20.3
20.4
Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.1.1 Two-Dimensional Digital Image Correlation (2-D DIC) . . . . . .
20.1.2 Three-Dimensional Digital Image Correlation (3-D DIC) . . . .
Essential Concepts in Digital Image Correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Pinhole Projection Imaging Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.3.1 Image Distortion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.3.2 Camera Calibration
for Pinhole Model Parameter Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.3.3 Image-Based Objective Function for Camera Calibration . .
Image Digitization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.4.1 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
565
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568
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572
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573
Detailed Contents
20.5
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580
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Detailed Cont.
Intensity Interpolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.5.1 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.6 Subset-Based Image Displacements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.6.1 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.7 Pattern Development and Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.7.1 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.8 Two-Dimensional Image Correlation (2-D DIC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.8.1 2-D Camera Calibration with Image-Based Optimization . .
20.8.2 Object Displacement and Strain Measurements . . . . . . . . . . . . .
20.8.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.9 Three-Dimensional Digital Image Correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.9.1 Camera Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.9.2 Image Correlation for Cross-Camera Matching . . . . . . . . . . . . . .
20.9.3 3-D Position Measurement
with Unconstrained Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.9.4 3-D Position Measurement with Constrained
Cross-Camera Image Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.9.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.10 Two-Dimensional Application:
Heterogeneous Material Property Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.10.1 Experimental Setup and Specimen Geometry . . . . . . . . . . . . . . .
20.10.2 Single-Camera Imaging System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.10.3 Camera Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.10.4 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.10.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.11 Three-Dimensional Application:
Tension Torsion Loading of Flawed Specimen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.11.1 Experimental Setup with 3-D Imaging System . . . . . . . . . . . . . .
20.11.2 Experimental Procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.11.3 Calibration of Camera System
for Tension–Torsion Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.11.4 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.11.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.12 Three-Dimensional Measurements – Impact Tension Torsion
Loading of Single-Edge-Cracked Specimen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.12.1 Experimental Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.12.2 3-D High-Speed Imaging System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.12.3 Camera Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.12.4 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.12.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.13 Closing Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.14 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1072
Detailed Contents
Detailed Cont.
21 Geometric Moiré
Bongtae Han, Daniel Post . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.1 Basic Features of Moiré . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.1.1 Gratings, Fringes, and Visibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.1.2 Intensity Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.1.3 Multiplicative and Additive Intensities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.1.4 Moiré Fringes as Parametric Curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.2 In-Plane Displacements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.2.1 Fringe Formation by Pure Rotation and Extension . . . . . . . . .
21.2.2 Physical Concepts: Absolute Displacements . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.2.3 Experimental Demonstration: Relative Displacements . . . . .
21.2.4 Fringe Shifting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.3 Out-Of-Plane Displacements: Shadow Moiré . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.3.1 Shadow Moiré . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.3.2 Projection Moiré . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.3.3 Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.4 Shadow Moiré Using the Nonzero Talbot Distance (SM-NT) . . . . . . . . . . .
21.4.1 The Talbot Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.4.2 Fringe Contrast Versus Gap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.4.3 Dynamic Range and Talbot Distance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.4.4 Parameters for High-Sensitivity Measurements . . . . . . . . . . . . .
21.4.5 Implementation of SM-NT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.5 Increased Sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.5.1 Optical/Digital Fringe Multiplication (O/DFM) . . . . . . . . . . . . . . . .
21.5.2 The Phase-Stepping (or Quasiheterodyne) Method . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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624
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22 Moiré Interferometry
Daniel Post, Bongtae Han . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.1 Current Practice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.1.1 Specimen Gratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.1.2 Optical Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.1.3 The Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.1.4 Fringe Counting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.1.5 Strain Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.2 Important Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.2.1 Physical Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.2.2 Theoretical Limit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.2.3 Black Holes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.2.4 Insensitivity to Out-of-Plane Deformation . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.2.5 Accidental Rigid-Body Rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.2.6 Carrier Fringes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.2.7 Loading: Mechanical, Thermal, etc. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.2.8 Bithermal Loading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.2.9 Curved Surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.2.10 Data Enhancement/Phase Stepping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.2.11 Microscopic Moiré Interferometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Detailed Contents
22.3
Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.3.1 Strain Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.3.2 Replication of Deformed Gratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.4 Characterization of Moiré Interferometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.5 Moiré Interferometry in the Microelectronics Industry . . . . . . . . . . . . . . . .
22.5.1 Temperature-Dependent Deformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.5.2 Hygroscopic Deformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.5.3 Standard Qualification Test of Optoelectronics Package . . . .
22.5.4 Micromechanics Studies
by Microscopic Moiré Interferometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24 Holography
Ryszard J. Pryputniewicz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24.1 Historical Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24.1.1 Hologram Interferometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24.2 Fundamentals of Holography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24.2.1 Recording of Holograms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24.2.2 Reconstructing a Hologram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24.2.3 Properties of Holograms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24.3 Techniques of Hologram Interferometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24.3.1 Optoelectronic Holography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24.3.2 Quantitative Interpretation of Holograms . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24.4 Representative Applications of Holography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24.4.1 Determination of the Absolute Shape of Objects . . . . . . . . . . . .
24.4.2 Determination of Time-Dependent Thermomechanical
Deformation Due to Operational Loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24.4.3 Determination of the Operational Characteristics of MEMS
24.5 Conclusions and Future Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Detailed Cont.
23 Speckle Methods
Yimin Gan, Wolfgang Steinchen (deceased) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.1 Laser Speckle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.1.1 Laser Speckle Phenomenon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.1.2 Some Properties of Speckles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.2 Speckle Metrology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.2.1 Speckle Correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.2.2 Speckle Interferometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.2.3 Shearography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.2.4 Quantitative Evaluation (SI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.3 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.3.1 NDT/NDE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.3.2 Strain Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.4 Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Detailed Contents
Detailed Cont.
25 Photoelasticity
Krishnamurthi Ramesh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.1 Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.1.1 Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.1.2 Birefringence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.1.3 Retardation Plates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.2 Transmission Photoelasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.2.1 Physical Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.2.2 Stress–Optic Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.2.3 Fringe Contours in a Plane Polariscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.2.4 Jones Calculus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.2.5 Ordering of Isoclinics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.2.6 Ordering of Isochromatics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.2.7 Calibration of Model Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.3 Variants of Photoelasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.3.1 Three-Dimensional Photoelasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.3.2 Dynamic Photoelasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.3.3 Reflection Photoelasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.3.4 Photo-orthotropic Elasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.3.5 Photoplasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.4 Digital Photoelasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.4.1 Fringe Multiplication and Fringe Thinning . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.4.2 Phase Shifting in Photoelasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.4.3 Ambiguity in Phase Maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.4.4 Evaluation of Isoclinics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.4.5 Unwrapping Methodologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.4.6 Color Image Processing Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.4.7 Digital Polariscopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.5 Fusion of Digital Photoelasticity Rapid Prototyping
and Finite Element Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.6 Interpretation of Photoelasticity Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.7 Stress Separation Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.7.1 Shear Difference Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.7.2 Three-Dimensional Photoelasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.7.3 Reflection Photoelasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.8 Closure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.9 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.A Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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26 Thermoelastic Stress Analysis
Richard J. Greene, Eann A. Patterson, Robert E. Rowlands . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.1 History and Theoretical Foundations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.2 Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.3 Test Materials and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.4 Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Detailed Contents
26.5
27 Photoacoustic Characterization of Materials
Sridhar Krishnaswamy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27.1 Elastic Wave Propagation in Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27.1.1 Plane Waves in Unbounded Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27.1.2 Elastic Waves on Surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27.1.3 Guided Elastic Waves in Layered Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27.1.4 Material Parameters Characterizable Using Elastic Waves . .
27.2 Photoacoustic Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27.2.1 Photoacoustic Generation: Some Experimental Results . . . .
27.2.2 Photoacoustic Generation: Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27.2.3 Practical Considerations:
Lasers for Photoacoustic Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27.3 Optical Detection of Ultrasound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27.3.1 Ultrasonic Modulation of Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27.3.2 Optical Interferometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27.3.3 Practical Considerations: Systems for Optical Detection
of Ultrasound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27.4 Applications of Photoacoustics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27.4.1 Photoacoustic Methods for Nondestructive Imaging
of Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27.4.2 Photoacoustic Methods for Materials Characterization . . . . .
27.5 Closing Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Detailed Cont.
Experimental Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.5.1 Background Infrared Radiation Shielding . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.5.2 Edge Effects and Motion Compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.5.3 Specimen Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.5.4 Reference Signal Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.5.5 Infrared Image Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.5.6 Adiabaticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.5.7 Thermoelastic Data Format . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.5.8 Data Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.6 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.6.1 Isotropic Structural Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.6.2 Orthotropic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.6.3 Fracture Mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.6.4 Experimental Stress Separation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.6.5 Residual Stress Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.6.6 Vibration Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.6.7 Elevated Temperature Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.6.8 Variable-Amplitude Loading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.A Analytical Foundation of Thermoelastic Stress Analysis . . . . . . . . . . . . . . .
26.B List of Symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Detailed Contents
Detailed Cont.
28 X-Ray Stress Analysis
Jonathan D. Almer, Robert A. Winholtz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.1 Relevant Properties of X-Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.1.1 X-Ray Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.1.2 X-Ray Attenuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.1.3 Fluorescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.2 Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.2.1 Measurement Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.2.2 Biaxial Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.2.3 Triaxial Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.2.4 Determination of Diffraction Peak Positions . . . . . . . . . . . . . . . .
28.3 Micromechanics of Multiphase Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.3.1 Macrostresses and Microstresses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.3.2 Equilibrium Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.3.3 Diffraction Elastic Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.4 Instrumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.4.1 Conventional X-Ray Diffractometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.4.2 Special-Purpose Stress Diffractometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.4.3 X-Ray Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.4.4 Synchrotron and Neutron Facilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.5 Experimental Uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.5.1 Random Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.5.2 Systematic Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.5.3 Sample-Related Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.6 Case Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.6.1 Biaxial Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.6.2 Triaxial Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.6.3 Oscillatory Data Not Applicable to the Classic Model . . . . . . . .
28.6.4 Synchrotron Example:
Nondestructive, Depth-Resolved Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.6.5 Emerging Techniques and Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.8 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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818
Part D Applications
29 Optical Methods
Archie A.T. Andonian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29.1 Photoelasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29.1.1 Transmission Photoelasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29.1.2 Reflection Photoelasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29.2 Electronic Speckle Pattern Interferometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29.2.1 Calculation of Hole-Drilling Residual Stresses . . . . . . . . . . . . . . .
29.2.2 Quantification of Dynamic 3-D Deformations
and Brake Squeal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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829
Detailed Contents
29.3
29.4
29.5
30 Mechanical Testing at the Micro/Nanoscale
M. Amanul Haque, Taher Saif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.1 Evolution of Micro/Nanomechanical Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.2 Novel Materials and Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.3 Micro/Nanomechanical Testing Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.3.1 Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.3.2 Challenges in Micro/Nanomechanical Testing . . . . . . . . . . . . . . .
30.3.3 Micro/Nanomechanical Testing Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.3.4 Nontraditional (MEMS) Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.3.5 AFM-Based Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.3.6 Nanoindentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.3.7 Other Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.4 Biomaterial Testing Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.5 Discussions and Future Directions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.6 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31 Experimental Methods in Biological Tissue Testing
Stephen M. Belkoff, Roger C. Haut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.1 General Precautions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.2 Connective Tissue Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.3 Experimental Methods on Ligaments and Tendons . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.3.1 Measurement of Cross-Sectional Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.3.2 Determination of Initial Lengths
and Strain Measurement Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.3.3 Gripping Issues in the Mechanical Testing
of Ligaments and Tendons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.3.4 Preconditioning of Ligaments and Tendons . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.3.5 Temperature and Hydration Effects on the Mechanical
Properties of Ligaments and Tendons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.3.6 Rate of Loading and Viscoelastic Considerations . . . . . . . . . . . .
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875
Detailed Cont.
Shearography and Digital Shearography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Point Laser Triangulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Digital Image Correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29.5.1 Measurement of Strains at High Temperature . . . . . . . . . . . . . . .
29.5.2 High-Speed Spin Pit Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29.5.3 Measurement of Deformations
in Microelectronics Packaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29.6 Laser Doppler Vibrometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29.6.1 Laser Doppler Vibrometry in the Automotive Industry . . . . . .
29.6.2 Vibration Analysis
of Electron Projection Lithography Masks . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29.7 Closing Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29.8 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1077
1078
Detailed Contents
31.4
Experimental Methods in the Mechanical Testing
of Articular Cartilage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.4.1 Articular Cartilage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.4.2 Tensile Testing of Articular Cartilage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.4.3 Confined Compression Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.4.4 Unconfined Compression Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.4.5 Indentation Tests of Articular Cartilage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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876
876
876
877
877
Bone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.5.1 Bone Specimen Preparation and Testing Considerations . . .
31.5.2 Whole Bone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.5.3 Constructs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.5.4 Testing Surrogates for Bone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.5.5 Outcome Measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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880
880
Skin Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.6.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.6.2 In Vivo Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.6.3 In Vitro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
883
883
883
883
884
31.5
Detailed Cont.
31.6
32 Implantable Biomedical Devices
and Biologically Inspired Materials
Hugh Bruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
891
32.1
Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32.1.1 History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32.1.2 Experimental Mechanics Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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892
893
32.2
Implantable Biomedical Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32.2.1 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32.2.2 Brief Description of Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32.2.3 Prosthetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32.2.4 Biomechanical Fixation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32.2.5 Deployable Stents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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899
899
900
904
907
32.3
Biologically Inspired Materials and Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32.3.1 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32.3.2 Brief Description of Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32.3.3 Functionally Graded Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32.3.4 Self-Healing Polymers/ Polymer Composites . . . . . . . . . . . . . . . .
32.3.5 Active Materials and Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32.3.6 Biologically Inspired Ceramics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
909
909
910
911
915
917
921
32.4
Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32.4.1 State-of-the-Art for Experimental Mechanics . . . . . . . . . . . . . .
32.4.2 Future Experimental Mechanics Research Issues . . . . . . . . . . . .
923
923
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32.5 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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924
Detailed Contents
33 High Rates and Impact Experiments
Kaliat T. Ramesh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1079
929
High Strain Rate Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33.1.1 Split-Hopkinson or Kolsky Bars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33.1.2 Extensions and Modifications of Kolsky Bars . . . . . . . . . . . . . . . .
33.1.3 The Miniaturized Kolsky Bar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33.1.4 High Strain Rate Pressure-Shear Plate Impact . . . . . . . . . . . . . .
930
931
937
941
942
33.2
Wave Propagation Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33.2.1 Plate Impact Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
945
946
33.3
Taylor Impact Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
949
33.4
Dynamic Failure Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33.4.1 Void Growth and Spallation Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33.4.2 Shear Band Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33.4.3 Expanding Ring Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33.4.4 Dynamic Fracture Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33.4.5 Charpy Impact Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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950
952
952
953
953
33.5 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
953
954
34 Delamination Mechanics
Kenneth M. Liechti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
961
34.1
Theoretical Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34.1.1 Interface Cracks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34.1.2 Crack Growth Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34.1.3 Delamination in Sandwiched Layers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34.1.4 Crack Nucleation from Bimaterial Corners . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34.1.5 Nonlinear Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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34.2
Delamination Phenomena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34.2.1 Dynamic Interface Fractureand Coherent Gradient Sensing
34.2.2 Dynamic Interface Fracture and Photoelasticity . . . . . . . . . . . .
34.2.3 Dynamic Matrix Cracking and Coherent Gradient Sensing .
34.2.4 Quasistatic Interface Fracture and Photoelasticity . . . . . . . . . .
34.2.5 Quasistatic Interface Fracture
and Crack Opening Interferometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34.2.6 Quasistatic Interface Fracture and Moiré Interferometry . . .
34.2.7 Crack Nucleation from Bimaterial Corners
and Moiré Interferometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34.2.8 Bimaterial Corner Singularities and Photoelasticity . . . . . . . .
34.2.9 Crack Growth in Bonded Joints and Speckle . . . . . . . . . . . . . . . .
34.2.10 Thin-Film Delamination and Out-of-Plane Displacements
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34.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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33.1
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Detailed Contents
Detailed Cont.
35 Structural Testing Applications
Ashok Kumar Ghosh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35.1 Past, Present, and Future of Structural Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35.2 Management Approach to Structural Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35.2.1 Phase 1 – Planning and Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35.2.2 Phase 2 – Test Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35.2.3 Phase 3 – Execution and Documentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35.3 Case Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35.3.1 Models for High-Rate and High-Temperature Steel
Behavior in the NIST World Trade Center Investigation . . . . .
35.3.2 Testing of Concrete Highway Bridges –
A World Bank Project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35.3.3 A New Design for a Lightweight Automotive Airbag . . . . . . . .
35.4 Future Trends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36 Electronic Packaging Applications
Jeffrey C. Suhling, Pradeep Lall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.1 Electronic Packaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.1.1 Packaging of Electronic Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.1.2 Electronic Packaging Failure Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.2 Experimental Mechanics in the Field of Electronic Packaging . . . . . . . .
36.2.1 Role of Experimental Mechanics and Challenges
for the Experimentalist . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.2.2 Key Application Areas and Scope of Chapter . . . . . . . . . . . . . . . .
36.3 Detection of Delaminations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.3.1 Acoustic Microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.4 Stress Measurements in Silicon Chips and Wafers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.4.1 Piezoresistive Stress Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.4.2 Raman Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.4.3 Infrared Photoelasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.4.4 Coherent Gradient Sensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.5 Solder Joint Deformations and Strains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.5.1 Moiré Interferometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.5.2 Digital Image Correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.6 Warpage and Flatness Measurements
for Substrates, Components, and MEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.6.1 Holographic Interferometry
and Twyman–Green Interferometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.6.2 Shadow Moiré . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.6.3 Infrared Fizeau Interferometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.7 Transient Behavior of Electronics During Shock/Drop . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.7.1 Reference Points with High-Speed Video . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.7.2 Strain Gages and Digital Image Correlation . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.8 Mechanical Characterization of Packaging Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Detailed Contents
Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
About the Authors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Detailed Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Subject Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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