Propagação de fendas por fadiga em bimateriais

Abstract

Componentes submetidos a cargas cíclicas podem falhar em serviço devido ao fenómeno de fadiga. Assim, prever a vida útil destes componentes é essencial. A análise de fendas por fadiga utiliza a relação entre a velocidade de propagação e a gama do fator de intensidade de tensões na extremidade da fenda (𝑑𝑎⁄𝑑𝑁-ΔK). No entanto, esta abordagem apresenta algumas limitações, nomeadamente a incapacidade de incluir o efeito da razão de tensões, da história de carga e da variação das propriedades do material. O objetivo desta dissertação é estudar numericamente a propagação de fendas por fadiga (PFF) em materiais bimetálicos, ou seja, a transição da fenda entre dois materiais distintos. Para isso procura-se estudar a velocidade de PFF, as zonas deformadas plasticamente para entender a mudança do comportamento da velocidade de propagação na zona de transição, deslocamento de abertura da fenda, assim como a análise do fecho de fenda. Os materiais em estudo são duas ligas de alumínio, nomeadamente a liga AA6082-T6 e a liga AA7050-T6. As simulações são realizadas em estado plano de tensão e estado plano de deformação, assim como o contacto e sem contacto nos flancos das fendas, mantendo a geometria do provete e das condições de carregamento.Os resultados de da/dN indicam que há efetivamente uma influência do material à frente da ponta da fenda. A abordagem da transição do material reduz da/dN quando o material à frente é mais resistente (AA7050-T6) e aumenta da/dN se o material à frente é mais macio (AA6082-T6). Retirando o contacto entre as faces da fenda o efeito desaparece. De facto, existe uma relação entre a resistência do material e o alargamento do ciclo de CTOD, isto é, os valores de CTOD da liga de alumínio 6082-T6 são superiores do que na liga de alumínio 7050-T6, pelo que esta última tem uma evolução de velocidade de propagação mais baixa.

Components submitted to cyclic loads can fail in service due to fatigue phenomenon. Thus, predicting the service life of these components is essential. The fatigue cracking analysis uses the relationship between the fatigue crack growth rate and the stress intensity factor range at the crack tip (da/dN-ΔK). However, this approach has some limitations, namely the inability to include the effect of the stress ratio, load history and the variation of material properties.The objective of this dissertation is to study numerically the fatigue crack growth in bimetallic materials, i.e., the crack transition between two different materials. Thus, different variables are analysed, namely the fatigue crack growth rate in the transition zone, the plastic zones, the crack tip opening displacement, as well as the analysis of the crack closure. The materials under study are two aluminium alloys, namely the AA6082-T6 alloy and the AA7050-T6 alloy. The simulations were performed both in plane stress and plane strain, as well as with and without contact at the crack flanks, maintaining the specimen´s geometry and loading conditions.The results of da/dN evolution indicate that there is effectively an influence of the material ahead of crack tip. The arrival of the crack tip to the material interface transition reduces da/dN when the material ahead is stiffer (AA7050-T6) and increases da/dN if the material ahead is softer (AA6082-T6). Removing the contact between crack flanks, this effect disappears. In fact, there is a relationship between material strength and CTOD cycle enlargement, i.e, the CTOD values of the 6082-T6 aluminium alloy are superior than in 7050-T6 aluminium alloy, so the latter has a lower fatigue crack growth rate.