Numerical study of fatigue crack growth in metallic materials

Abstract

Fatigue is the most common failure mode in mechanical components when they are subjected to cyclic loads during their service life. This phenomenon can lead to unexpected and catastrophic failures, even in components that appear to be in good condition. In the context of crack propagation analysis, the relationship between fatigue crack growth rate and the range of the stress intensity factor (da/dN –∆K) is frequently used. However, this approach has limitations regarding the parameter ∆K, as it only quantifies the elastic component at the crack tip. Considering this limitation and since crack propagation is associated with nonlinear and irreversible phenomena at the crack tip, a parameter capable of quantifying the level of plastic deformation, called CTOD (Crack Tip Opening Displacement), was used. In this dissertation, the objective is to study the fatigue crack growth (FCG) in CT specimens using a numerical simulation software based on finite element analysis (Abaqus). Firstly, the study focused on the aluminium alloy AA2024-T351, where the influence of parameters such as specimen’s thickness and size of finite elements in the plane and along the crack front on CTOD and Popen were analysed. Two-dimensional specimens were also created considering plane stress and plane strain states, which were used for comparison with three-dimensional models. Additionally, a comparison of the plastically deformed zones and the crack profile was made among some of the numerical models. Subsequently, a study was conducted on a titanium alloy, aiming to compare the plastic component of ∆CTOD with results obtained from previously conducted experimental tests. It was found that the element size in the plane has some influence on CTOD, especially at the surface, and in Popen as it approaches the mid-thickness of the models. In turn, the element size in thickness only influences the Popen results for zones near the mid-thickness, possibly due to a lower mesh refinement in that area. Another parameter to consider is the thickness of the models, which has shown significant influence on the Popen curves. Regarding case study 2, it was observed that the number of load/unload cycles per propagation greatly influences the results of both CTOD and plastic ∆CTOD, and the discrepancy with respect to the provided experimental results may be due to the assumption of a constant crack propagation rate in the numerical simulations, which is not observed experimentally.

A fadiga é o modo de falha mais comum em componentes mecânicos quando estes são submetidos a cargas cíclicas durante o seu tempo de serviço. Este fenómeno pode levar a falhas inesperadas e catastróficas, mesmo em componentes que parecem estar em boas condições. No âmbito da análise de propagação de fendas, é utilizada, recorrentemente, a relação entre a velocidade de propagação de fendas por fadiga e a gama do fator de intensidade de tensões (da/dN –∆K), no entanto esta abordagem apresenta limitações quanto ao parâmetro ∆K uma vez que este apenas quantifica a solicitação elástica na extremidade de fenda. Tendo em conta esta limitação, e uma vez que a propagação de fendas está associada a fenómenos não lineares e irreversíveis na extremidade da fenda, utilizou-se um parâmetro que fosse capaz de quantificar o nível de deformação plástica, denominado CTOD (deslocamento de abertura de extremidade de fenda). Na presente dissertação pretende-se estudar a propagação de fendas por fadiga (PFF) em provetes CT, recorrendo a um software de simulação numérica de elementos finitos (Abaqus). Primeiramente debruçou-se o estudo na liga de alumínio AA2024-T351, onde se analisou a influência de alguns parâmetros como a espessura do provete e o tamanho dos elementos finitos no plano e ao longo da frente de fenda, no CTOD e Popen. Foram ainda criados provetes bidimensionais nos quais se considerou estado plano de tensão e estado plano de deformação, que também serviram para comparar com os modelos tridimensionais. Para além do referido, realizou-se uma comparação das zonas deformadas plasticamente e do perfil da fenda entre alguns dos modelos numéricos. De seguida procedeu-se ao estudo de uma liga de titânio para a qual se pretendia comparar a variação da componente plástica do CTOD com os resultados fornecidos provenientes de ensaios experimentais previamente realizados. Verificou-se que o tamanho de elemento no plano tem alguma influência no CTOD principalmente à superfície, e em Popen à medida que se aproxima da meia espessura dos modelos. Por sua vez, o tamanho de elemento em espessura tem apenas influência nos resultados de Popen para zonas perto da meia espessura, podendo ser causado por um menor refinamento da malha nessa zona. Outro parâmetro a ter em conta é a espessura dos modelos que demonstrou ter grande influência nas curvas de Popen. Relativamente ao caso de estudo 2, verificou-se que o número de ciclos de carga/descarga por propagação influencia muito os resultados tanto de CTOD como de ∆CTOD plástico e a discrepância relativamente aos resultados experimentais fornecidos poderá dever-se à consideração de uma velocidade de propagação da fenda constante nas simulações numéricas, o que experimentalmente não se verifica.