Análise de propagação de fendas por fadiga utilizando o CTOD

Abstract

O modo de falha mais comum de um componente sujeito a cargas dinâmicas é a falha por fadiga. O estudo deste tipo de falha é feito, classicamente, recorrendo a curvas da/dN – ΔK, que permitem prever a vida útil do componente. No entanto, a utilização de um parâmetro linear elástico, ΔK, na caracterização de um fenómeno não linear e irreversível como é a deformação plástica, apesar dos bons resultados já obtidos, apresenta algumas limitações. Essas limitações levam à procura de parâmetros capazes de quantificar a deformação plástica na extremidade de fenda. O CTOD é o deslocamento de abertura de extremidade de fenda, sendo capaz de quantificar tanto a deformação elástica, δe, como a deformação plástica, δp, observada na extremidade de fenda.Nesta dissertação procura-se estudar, de uma forma integrada, os resultados obtidos anteriormente pelo grupo de investigação recorrendo ao CTOD, procurando conclusões gerais para as diversas fases: fecho de fenda, regime elástico e regime elasto-plástico. Os resultados apresentados nesta dissertação foram obtidos recorrendo ao programa de simulação numérica de elementos finitos, DD3IMP. Em primeiro lugar é analisada a fase de fecho de fenda, onde é proposto um novo parâmetro para quantificar o fecho de fenda, U*, estudado o efeito do estado de tensão, comparando os valores obtidos na fase de carga e na fase de descarga, e efetuado um estudo onde é explicado o desacordo entre ensaios numérico e experimentais entre os valores de força de abertura e de fecho de fenda. Por fim, é proposto um novo modelo de fecho de fenda. Em segundo lugar, é analisado o regime elástico, onde é estudada a gama elástica de ΔK, ΔKelast, que conduz a uma nova definição de gama efetiva de carga, e o limiar de fadiga, ΔKth, determinado para sete materiais e válido em vácuo. Os últimos resultados apresentados nesta dissertação, encontram-se relacionados com o regime elasto-plástico. É estudado a relação da gama de deformação plástica, δp, com a gama de deformação elástica, δe, com a gama efetiva de ΔK, ΔKeff, e com a energia absorvida. São apresentadas algumas curvas de encruamento e uma curva onde é representada a taxa de deformação em função de CTOD. Por fim, é feito um estudo com o objetivo de delimitar o limite da fratura linear elástica.

The most common failure mode of a component subjected to dynamic loads is fatigue failure. The study of this type of failure is done, classically, using da/dN – ΔK curves, which allow to predict the useful life of the component. However, the use of a linear elastic parameter, ΔK, in the characterization of a non-linear and irreversible phenomenon such as plastic deformation, despite the good results already obtained, presents some limitations. Those limitations lead to the search for parameters capable of quantifying the plastic deformation at the crack tip. The CTOD is a crack tip displacement parameter capable of quantifying both the elastic deformation and the plastic deformation observed at the crack tip.In this thesis, it´s intended to study, in an integrated way, the results obtained previously by the research group using the CTOD, searching for general conclusions for the different phases: crack tip closure, elastic regime and elasto-plastic regime. The results presented in this thesis were obtained using the finite element numerical simulation program, DD3IMP. In the first place, it is analyzed the crack tip closure phenome, where a new parameter is proposed to quantify it, U*, studied the effect of the stress ratio, comparing the values obtained in the loading phase and in the unloading phase, and a study was carried out where the disagreement between numerical and experimental tests between the opening and closing force values is explained. Finally, a new model of closure is proposed. Second, the elastic regime is studied, where the elastic range of ΔK, ΔKelast is studied, which leads to a new definition of effective load range, and the fatigue threshold, ΔKth, determined for seven materials and valid in a vacuum. The last results presented in this thesis are related to the elasto-plastic regime. The relationship of the plastic strain range, δp, with the elastic deformation range, δe, with the effective range of ΔK, ΔKeff, and with the energy absorbed, is studied. Some strain hardening curves and a curve where the strain rate is plotted against CTOD are presented. Finally, a study is made with the objective of delimiting the limit of linear elastic fracture.