Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/92527
Title: Previsão da velocidade de propagação de fendas por fadiga na liga Ti-6Al-4V
Other Titles: Numerical prediction of fatigue crack growth rate in Ti-6Al-4V
Authors: Ferreira, Fábio Rafael Pinheiro Castelo
Orientador: Neto, Diogo Mariano Simoes
Antunes, Fernando Jorge Ventura
Keywords: Propagação de fendas por fadiga; Simulação numérica; Sobrecargas; Deformação plástica; Ti-6Al-4V; Fatigue crack growth; Numerical simulation; Overloads; Plastic deformation; Ti-6Al-4V
Issue Date: 22-Jul-2020
Serial title, monograph or event: Previsão da velocidade de propagação de fendas por fadiga na liga Ti-6Al-4V
Place of publication or event: Departamento de Engenharia Mecânica
Abstract: A maioria dos componentes mecânicos em serviço está sujeita a carregamentos cíclicos. Portanto, a ruína por fadiga é muito recorrente nestes componentes, sendo necessário fazer uma previsão da vida útil dos mesmos com base no pressuposto da existência de defeitos inicias. A propagação de fendas por fadiga (PFF) é habitualmente estudada usando curvas da⁄dN-ΔK, obtidas experimentalmente. No entanto, apesar da irreversibilidade dos fenómenos que ocorrem na extremidade da fenda, o fator de intensidade de tensão é um parâmetro elástico. O objetivo principal deste estudo é modelar e simular numericamente o processo de propagação de fendas por fadiga em provetes CT. Para isso vai ser utilizado o programa de elementos finitos DD3IMP, sendo que a propagação da fenda é controlada pelo valor da deformação plástica na extremidade da fenda. Com isto, é possível avaliar a propagação de fendas tendo em conta vários fatores, nomeadamente o material e o carregamento aplicado. O material utilizado é o Ti-6Al-4V, sendo que os provetes foram obtidos pelo processo de fabricação fusão seletiva por laser. Para melhorar as propriedades mecânicas do material, estes foram sujeitos a um pós-tratamento: (i) tratamento térmico para alívio de tensões ou (ii) prensagem isostática a quente para reduzir a porosidade. Relativamente aos espectros de carga estudados, para além da força com amplitude constante, foram estudados os casos de sobrecargas e blocos de carga (crescente e decrescente). A comparação entre resultados numéricos e experimentais permite fazer a validação do modelo de elementos finitos, nomeadamente os critérios de propagação propostos. O efeito das condições de fronteira adotadas no modelo numérico tem um impacto significativo no comportamento da velocidade de propagação, sendo que os resultados obtidos em estado plano de tensão se aproximam mais dos valores experimentais. Os resultados numéricos mostram que o aumento da razão de tensões conduz a uma subida da curva da/dN-ΔK. Fez-se o estudo do limiar de propagação, permitindo avaliar o valor mínimo de ΔK para o qual não existe um aumento da deformação plástica na frente de fenda e por conseguinte não existe propagação da fenda. A aplicação de sobrecargas permite avaliar o comportamento transiente da fenda, nomeadamente a diminuição brusca da velocidade de propagação e subsequente convergência para a velocidade de propagação base. A velocidade de propagação tem também um comportamento transiente no caso de aplicação de dois blocos de carga (crescente ou decrescente). Em ambos os casos, o atraso no regresso ao regime permanente da velocidade de propagação é mais pronunciado considerando o estado plano de tensão em comparação com o estado plano de deformação.
Most mechanical components in service are under cycle loading. Thus, the failure of these components by fatigue is very usual, requiring the prediction of their useful life based on the assumption of existence of initial defects. The prediction of crack propagation is usually studied using da⁄dN-ΔK curves, obtained experimentally. However, despite the irreversibility of the phenomena that occur at the tip of the crack, the parameter ΔK is an elastic parameter.The main goal of this study is to model and numerically simulate the process of fatigue crack propagation in CT specimens. The finite elements software DD3IMP will be used, where the crack propagation is controlled by the value of plastic deformation at the crack tip. This allows evaluate the fatigue crack propagation considering different factors, such as material and applied loading. The used material is Ti-6Al-4V, where the specimens were obtained by a additive manufacturing process called SLM (Selective Laser Melting). In order to improve the mechanical properties of the material, the specimens were subjected to a post-treatment: (i) heat treatment for stress relief or (ii) HIP (Hot Isostatic Pressing) to reduce porosity. Regarding the load spectra studied, in addition to the force with constant amplitude, the cases of overloads and load blocks (increasing and decreasing) were studied.The comparison between numerical and experimental results allows the validation of finite element model, namely the proposed crack growth criteria. The effect of boundary conditions adopted in the numerical model has a significant impact on the behavior of the fatigue crack growth rate, where results obtained under plane stress state are closer to the experimental values. The numerical results show that the increase in stress ratio (R) leads to the rise of the da/dN-ΔK curve. The propagation threshold study was carried out, allowing the evaluation of the minimum value of ΔK for which there is no increase in plastic deformation at the crack tip and therefore there is no propagation. The transient behavior of the fatigue crack growth rate resulting from the application of overloads was numerically evaluated, namely the sudden decrease in the propagation rate and subsequent convergence to the base line. The application of two load blocks (increasing or decreasing) leads also a transient behavior in the fatigue crack growth rate. In both cases, the delay in returning to the steady state of propagation speed is more pronounced considering the plane stress compared to plane strain.
Description: Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia
URI: http://hdl.handle.net/10316/92527
Rights: openAccess
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