Propagação de fendas por fadiga: estudo numérico de CTOD

Abstract

A importância do estudo da fadiga em componentes e/ou estruturas sujeitos a esforços dinâmicos complexos tem sido amplamente reconhecida. A sua compreensão passa pela exploração de carregamentos mais simples, seja através de espetros de amplitude constante ou de amplitude variável contendo sobrecargas, subcargas e blocos de carga. No contexto da análise de fendas por fadiga utiliza-se, geralmente, a relação entre a velocidade de propagação de fendas por fadiga e a gama do fator de intensidade de tensões, da/dN -ΔK. No entanto, o parâmetro de deslocamento de abertura de extremidade de fenda, CTOD, possui um elevado potencial. Na presente dissertação procura-se compreender o efeito dos parâmetros de carga, do material e do contacto das faces de fenda na deformação que ocorre na extremidade desta através da análise de CTOD e das suas componentes elástica, CTODe, e plástica CTODp Adicionalmente, pretende-se aprofundar o conhecimento dos fenómenos de fecho de fenda e de encruamento e, ainda, obter uma relação entre CTOD, ΔK e resultados de da/dN já existentes. Para tal, recorreu-se a um programa de simulação numérica de elementos finitos (DD3IMP). Desenvolveu-se uma abordagem a carregamentos de amplitude constante para as ligas de alumínio 6016-T4 e 6082-T6 e carregamentos de amplitude variável com a aplicação pontual e periódica de sobrecargas para a liga de alumínio 6016-T4. Constatou-se que o conceito de gama efetiva do fator de intensidade de tensões, ΔKeff, permite explicar as variações de parâmetros de extremidade de fenda devidas à ocorrência de contacto entre as faces de fenda, prevendo o colapso dos diferentes valores obtidos para diferentes razões de tensão sobre uma curva mestra. Observou-se uma relação de tendência definida entre ΔK e CTODp. Estabeleceu-se uma ligação entre CTODp e da/dN para a liga de alumínio 6082-T6. Além disto, comprovou-se a importância do fenómeno de encruamento, que ocorre em sobrecargas periódicas, sobre os parâmetros de extremidade de fenda e, por isso, na propagação de fendas por fadiga.

The importance behind fatigue studies of components and/or structures submitted to complex dynamic loading has been widely recognized. Its understanding is based on the exploitation of less complex loadings, whether it is through the analysis of constant amplitude or variable amplitude spectrums containing overloads, underloads or load blocks. The relation between the crack growth rate and the stress intensity factor range, da/dN-ΔK, is usually performed in the context of fatigue crack growth analysis. However, the crack tip opening displacement parameter, CTOD, has a huge potential. The main objective of the thesis presented is the understanding of load parameters, material and crack flanks contact effects on the crack tip strain through CTOD and its elastic, CTODe, and plastic, CTODp, components analysis. Additionally, it is intended to deepen the knowledge about crack closure and hardening phenomenon’s and also obtain a connection between CTOD, ΔK and the existent results for da/dN. For such, a finite element numerical simulation program was used (DD3IMP). An approach was developed on constant amplitude loadings for the 6016-T4 and 6082-T6 aluminium alloys and on variable amplitude loadings containing single and periodic overloads for the 6016-T4. It was found that the effective stress intensity factor range ΔKeff, concept is able to explain the crack tip parameters variations produced by crack flanks contact, predicting the collapse of the different values obtained for different stress ratios on a master curve. It was noticed a defined relation between ΔK and CTODp. A connection between CTODp and da/dN for the 6082-T6 alumininum alloy was also established. Besides that, it was proven the importance of the hardening phenomenon, that occurs in periodic overloads, over the crack tip parameters and, consequently, in fatigue crack growth.