Determinação numérica do limiar de fadiga

Abstract

O estudo da fadiga é amplamente reconhecido como uma área de grande importância na investigação do comportamento mecânico dos materiais. O seu estudo é, geralmente, efetuado com casos onde se aplicam carregamentos simples, com amplitude constante ou espectros de amplitude variável. No estudo do fenómeno de propagação de fenda por fadiga é utilizada a relação da/dN –ΔK como padrão para a maioria dos casos analisados. No entanto o parâmetro de deslocamento de abertura de extremidade de fenda, CTOD, demonstra resultados interessantes, tornando este parâmetro potencialmente importante para a análise da fadiga. O limiar de fadiga, Klf, é geralmente determinado experimentalmente, através de uma técnica que consiste em reduzir progressivamente a gama de carga até que não exista propagação de fenda mensurável. O processo é bastante moroso, e os valores obtidos são afetados pelo fenómeno de fecho de fenda. Neste trabalho faz-se a determinação numérica de Klf com base na análise do CTOD plástico, CTODp. Esta abordagem tem duas hipóteses de base: o limiar de fadiga está ligado com a ocorrência de deformação plástica na extremidade da fenda e a deformação pode ser quantificada por CTODp. O objetivo deste trabalho é, pois, investigar o limiar de fadiga, e a sua variação com as gamas de carga aplicadas, com as propriedades do material e com o estado de tensão. A tensão de cedência é o parâmetro de material mais relevante, tendo o módulo de Young um efeito bastante menor. O aumento de K provoca uma pequena redução de Klf. Além disso, faz-se a comparação com resultados experimentais da literatura tendo-se observado uma concordância razoável.

The study of fatigue is widely recognized as an area of great importance in the investigation of the mechanical behavior of materials. It’s study is made with cases where they apply simple loading with constant amplitude or variable amplitude. In fatigue cracks is used the ratio da/dN-ΔK as standard for most of the cases. However, the crack tip opening displacement, CTOD, shows interesting results, making this parameter potentially important for fatigue analysis. The fatigue threshold, ΔKth is experimental determined progressively reducing the load range until there is no measurable crack propagation. The process is rather cumbersome, and the values are affected by the crack closure phenomenon. In this work, the numerical determination of ΔKth is based on the analysis of CTOD plastic, CTODp. This approach has two basic assumptions: fatigue threshold is linked with the occurrence of plastic deformation at the crack tip and this deformation may be quantified by CTODp. The objective of this study is therefore to investigate the fatigue threshold, and its variation with load ranges, material properties, and the stress state. The yield stress is the most relevant material parameter, while the Young's modulus presents smaller effect. The increase of ΔK causes a small reduction of ΔKth. Furthermore, numerical predictions compared with experimental results available in the literature and a good agreement wsas observed.