Propagação de fendas por fadiga: efeito de subcargas

Abstract

A rotura por fadiga é um modo de falha que surge frequentemente nas peças em serviço, submetidas a cargas cíclicas. Os componentes são muitas vezes sujeitos a espetros de carga variáveis e aleatórios, sendo porém importante começar por compreender inteiramente o efeito de solicitações mais simples como sobrecargas, subcargas e blocos de carga. O fenómeno de fecho de fenda apresenta atualmente um papel bastante relevante no estudo do efeito da razão de tensões e da história de carregamento na velocidade de propagação de fendas por fadiga. Este fenómeno consiste no contacto entre as faces de fenda numa porção do ciclo de carregamento. O principal objetivo desta dissertação é o estudo do efeito de variações de carga, nomeadamente subcargas, no fenómeno de fecho de fenda induzido por plasticidade (PICC). Foram realizadas diversas simulações numéricas, em condições de estado plano de tensão e em estado plano de deformação, com recurso ao software de elementos finitos DD3IMP. O tratamento de resultados incidiu essencialmente na determinação de perfis de fenda, forças de contacto, níveis de fecho de fenda e alongamentos plásticos (yp). A aplicação de uma subcarga provoca uma depressão no perfil e uma redução das forças de contacto no local da solicitação, reduzindo os níveis de fecho de fenda. O esmagamento associado à força de compressão acontece principalmente atrás da extremidade da fenda na posição da solicitação. O aumento de ΔF1=Fmín-FUL aumenta o decréscimo dos valores mínimos de fecho no instante em que é aplicada a subcarga e o aumento de ΔF2=Fmáx-FUL aumenta as distâncias de propagação necessárias para a ocorrência da estabilização do fecho de fenda. O efeito de uma subcarga está intimamente ligado à deformação plástica inversa e isso explica o aumento do efeito que ocorre com encruamento cinemático. A aplicação de subcargas periódicas prolonga o efeito de uma subcarga, e os valores de fecho aproximam-se dos correspondentes a um ciclo de amplitude constante com Fmin=FUL. A aplicação de uma subcarga após uma sobrecarga reduz parcialmente o efeito da sobrecarga, reduzindo e alterando a posição do pico.

Fatigue crack propagation is a failure mode that usually happens in working parts ruled by cyclical loads. The components are commonly subjected to variable and random load spectrums, therefore, as a first approach it is important to understand the effect of different simple kinds of loading such as underloads, overloads and load blocks variations. The crack closure phenomenon has a very important role when studying the effect of stress ratio and loading history on fatigue crack growth rate. This phenomenon is the contact of the crack faces during a portion of the loading cycle. The main objective of this dissertation is the study of the effect of loading variations, namely underloads, on plasticity induced crack closure. Several numeric simulations were made under plane strain and plane stress conditions using to the finite element software DD3IMP. The analysis of the results essentially focused on the determination of crack profiles, contact forces, and on the quantification of the crack closure and plastic elongation (yp). Enforcing an underload produces a depression of the crack profile and a decrease of the contact forces in the solicitation zone, reducing the crack closure levels. The smashing related to the compression force mainly happens behind crack tip. The increment of ΔF1=Fmin-FUL increases the reduction of the minimum values of closure on the instant that the underload is applied and the increase of ΔF2=Fmax-FUL increases the crack propagation distance needed to stabilize the closure level. The effect of the underload is directly connected to the reversed plastic deformation which explains the increment of the effect that occurs with cinematic hardening. Periodic underloads prolongs the effect of underload and the closure values are close to the level corresponding to a constant amplitude cycle with Fmin=FUL. The application of an underload right after an overload partially reduces the effect of the overload, reducing and changing the position of the peak.