Determinação da extensão da camada superficial em geometrias planas

Abstract

A fadiga é um dos principais mecanismos de falha de componentes mecânicos sujeitos a cargas cíclicas. Este fenómeno é geralmente dividido em três fases principais: iniciação de fenda, propagação estável de fenda e rotura final. Esta dissertação centra-se na fase de propagação estável de fenda. A propagação de fendas por fadiga (FCG) é já um tema muito abordado na comunidade científica, levando a que este trabalho aponte numa direção mais específica e com menor incidência por parte de outros estudos. O objetivo geral deste estudo assenta na quantificação da extensão da camada superficial em geometrias planas sujeitas a Modo-I. Uma das principais aplicações deste estudo será o desenvolvimento mais preciso de malhas de elementos finitos para este tipo de geometrias. Para conseguir essa quantificação, desenvolveu-se um procedimento que consiste em três etapas principais: obtenção de formas estáveis de fenda utilizando uma técnica de remalhagem baseada no método dos elementos finitos; determinação da triaxialidade de tensão ao longo da frente de fenda; e por fim o cálculo da extensão da camada superficial a partir dos valores de triaxialidade de tensão obtidos na etapa anterior. Antes da quantificação da extensão da camada superficial foi desenvolvida e otimizada uma topologia de malha específica, caraterizada por um elevado nível de refinamento ao longo da espessura. Foram estudados os efeitos da espessura do provete, da dimensão da fenda, da forma da fenda, da tensão aplicada, e também o efeito de diferentes valores de sobrecargas. Neste estudo foram utilizados dois modelos distintos, um com comportamento elástico do material e outro com comportamento elasto-plástico. Ao longo do trabalho, verificou-se que a extensão da camada superficial é influenciada pelo valor da espessura do componente. Para espessuras inferiores a 1 mm, a extensão da camada superficial aumenta de forma acentuada à medida que a espessura diminui. Para espessuras superiores ao valor referido, a extensão da camada superficial tende a estabilizar, deixando de sofrer alterações significativas. A aplicação de sobrecargas tem também influência notória na extensão da camada superficial. Após aplicação da sobrecarga, há um aumento gradual da extensão da camada superficial que se dissipa à medida que a fenda propaga. Este efeito instável é mais acentuado e prolonga-se mais no tempo para valores de taxa de sobrecarga superiores. A partir dos modelos elasto-plásticos foi ainda possível observar que a extensão da camada superficial aumenta com o comprimento de fenda. Por fim, foi possível estabelecer uma relação linear entre a extensão da camada superficial e a gama do fator de intensidade de tensão.

Fatigue is a major failure mechanism of mechanical components subjected to cyclic loading. This phenomenon is generally divided into three main phases: crack initiation, stable crack growth, and final failure. This thesis is focused on the stable crack growth phase. The fatigue crack growth (FCG) is already a very common theme in the scientific community. Here, it is analysed a more specific aspect of FCG. The aim of this study is the quantification of the extent of surface region in planar geometries subjected to Mode-I. One of the main applications of this study will be the development of more adequate finite element meshes for this type of geometry. To get this quantification, it was developed a procedure that consists of three main steps: simulation of stable crack fronts using a remeshing technique based on the finite element method; determination of stress triaxiality along the crack front; and finally the calculation of the extent of surface region from stress triaxiality values obtained in the previous step. Before the quantification of the extent of surface region, it has been developed and optimized a specific mesh topology, characterized by a high level of refinement along the thickness. We studied the effects of specimen thickness, crack dimension, crack shape, remote stress, and also the effect of different overload values. In this study were used two distinct constitutive material models, one with linear-elastic behavior and other with elasto-plastic behavior. Throughout the study, it was verified that the extent of surface region is influenced by the thickness. For thicknesses lower than 1 mm, the extent of surface region increases sharply as the thickness decreases. For thicknesses bigger than that value, the extent of surface region tends to stabilize without significant changes. The application of overloads also influences notoriously the extent of surface region. After the application of the overload, there is a gradual increase of that extent which dissipates as the crack propagates. This unstable effect is more pronounced and is prolonged more time for higher values of the overload ratio. From the elasto-plastic models, it was also observed that the extent of surface region increases with the crack length. Lastly, it was possible to establish a linear relation between the extent of surface region and the stress intensity factor range.