Effect of crack flank holes on fatigue crack growth

Abstract

A maioria dos componentes mecânicos estão sujeitos a cargas cíclicas que são responsáveis pelas suas falhas por fadiga. Estima-se que entre 80 e 90% das falhas em componentes mecânicos em serviço à temperatura ambiente sejam originadas por fadiga. Assim, é de extrema importância o rigoroso dimensionamento dos componentes de acordo com uma determinada vida útil. Esta vida irá ser altamente influenciada pelo material constituinte do componente, a sua geometria, o carregamento e as condições do ambiente e de temperatura. É, portanto, importante encontrar um modo de determinar parâmetros como a velocidade de propagação da fenda e o CTOD (crack tip opening displacement). Ambos estes parâmetros podem ser estimados por via experimental, mas este é um processo que requer bastante tempo e esforço, bem como equipamentos adequados. Porque a fadiga depende de vários fatores, a abordagem experimental debruça-se maioritariamente sobre as propriedades mecânicas dos materiais. Ainda assim, os resultados experimentais são a principal fonte de informação sobre fadiga porque são altamente confiáveis. Para mitigar todos estes constrangimentos, uma segunda abordagem através de modelação numérica facilita imenso a previsão da vida à fadiga, fazendo-o de forma mais rápida e cómoda.O objetivo principal desta tese é comparar os resultados numéricos com os resultados experimentais, usando diferentes diâmetros e posicionamentos através da deformação plástica acumulada na extremidade da fenda. Um estudo do CTOD foi efetuado para que possamos compreender melhor os mecanismos por detrás da propagação de fendas por fadiga. Provetes CT foram modelados com recurso a duas ligas de alumínio, nomeadamente a 2024-T351 e a 2050-T8. Para a liga 2024, foram consideradas cinco geometrias de modo a estudar o efeito do diâmetro e posicionamento dos furos nos flancos da fenda. A comparação de resultados numéricos com experimentais, por motivos de disponibilidade de materiais no laboratório, foi realizada para a liga 2050, onde apenas uma geometria com dois pares de furos foi considerada.Os resultados mostram que a presença de furos atrás da extremidade da fenda promove uma redução nas velocidades de propagação da fenda, sendo que furos de tamanho superior mais próximos da fenda são uma boa solução, no entanto, o número total de ciclos de carga necessários para atingir o comprimento de fenda final estudado é superior quando nenhum furo está presente, indicando que a furação desde o início não é benéfica. É importante salientar que o efeito do fecho de fenda em provetes com furo não mostrou efeito significativo na velocidade de propagação, não explicando o efeito da geometria neste parâmetro, sendo que provetes sem furos apresentavam valores de fecho de fenda superiores.

Most mechanical components are subjected to cyclic loads, which may induce fatigue failure. It is estimated that 80 to 90% of failures in components working at environment temperature are connected to fatigue. This way, it is of utter importance to accurately design components and machines according to a given useful life. This life will be highly influenced by material, geometry, loading, environment, and temperature conditions. Therefore, it is important to find a way of determining parameters such as fatigue crack growth rate (FCG) and crack tip opening displacement (CTOD). Both these parameters can be estimated through experimental testing, but it requires a lot of time and effort, as well as proper equipment. Anyway, the experimental results are a main source of fatigue data because they are extremely reliable. Numerical modelling appears as an alternative approach, mitigating some of the experimental constraints and allowing to predict the fatigue life in a faster and easier way.The main objective of this thesis is to evaluate the effect of crack flank holes on FCG. A numerical approach, based on the cumulative plastic deformation at the crack tip, was employed to study the effects of lateral holes to the crack flanks. Accordingly, distinct diameters and hole positionings were addressed. A CTOD study was performed so that the mechanisms behind FCG can be better understood. CT specimens were modelled using the 2024-T351 aluminium alloy. Five geometries were considered to study the effect of the diameter and positioning of crack flank holes. The comparison between numerical and experimental results, due to material availability at the laboratory, was performed for the 2050 alloy, where only one geometry with two pairs of holes drilled was considered.The results show that drilled holes behind the crack tip are beneficial, reducing fatigue crack growth rates. In fact, larger holes, closer to the crack, shown to be the best solution. However, the overall number of cycles needed to achieve the final studied crack length is higher when no hole is drilled, indicating that having the hole from the start is not beneficial. It is important to note that crack closure in drilled specimens has shown no significant effect on FCG rates, therefore not explaining the effect of geometry in this parameter, since non-drilled specimens presented higher crack closure levels. Experimental work is now underway. Accordingly, this will allow to compare numerical and experimental results in the case of a 2050-T8 aluminium alloy with pairs of drilled holes.