Estudo do efeito da pré-deformação na propagação de fendas por fadiga da liga de alumínio 2024-T351

Abstract

Nowadays, most mechanical components are subjected to cyclical loading. Therefore, fatigue failure is the most common mode of failure in this type of components. The study of fatigue behavior, especially the study of fatigue crack growth, is very important in the design and development of these components. However, the introduction of pre-strain during manufacture and assembly is often ignored in the design phase. The prediction of fatigue propagation life usually based on da/dN-ΔK curves obtained from standardized experimental tests. However, the use of an elastic parameter, ΔK, presents some limitations, since fatigue crack growth is a process linked to non-linear and irreversible mechanisms. It is therefore recommended that this analysis be carried out using non-linear parameters. The aim of this dissertation is to develop a parametric study in order to study the effect of pre-strain on the fatigue behavior of 2024-T351 aluminum alloy components. Numerical tests were carried out with different pre-strains (0%, 4% in tension and 4% in compression) in situations of constant and variable (overload) amplitudes. All the results presented were obtained using the finite element program DD3IMP, where crack growth was controlled by the value of the plastic deformation at the crack tip. The results obtained from the various da/dN-a and CTOD-Force graphs showed that, in general, specimens with 4% pre-strain in tension have better fatigue crack growth behavior. On the other hand, specimens with 4% pre-strain in compression proved to be even more damaging than those without any pre-strain. However, under higher stress ratio conditions, none of these cases had significant advantages over the others. These behaviors showed a strong relationship with crack closure, which proved to be an extremely important factor for this study.

Atualmente, a maioria dos componentes mecânicos estão sujeitos a carregamentos cíclicos. Deste modo, a falha por fadiga é o modo de ruína mais frequente neste tipo de componente. O estudo do comportamento à fadiga, especificamente, o estudo de propagação de fendas por fadiga, é bastante importante na conceção e desenvolvimento destes componentes. No entanto, a introdução de pré-deformação durante a fase do fabrico e montagem é frequentemente ignorada na fase de projeto. Na previsão da vida de propagação à fadiga normalmente recorre-se a curvas da/dN-ΔK, obtidas em ensaios experimentais normalizados. Porém, a utilização de um parâmetro elástico, ΔK, apresenta algumas limitações, uma vez que a propagação de fenda por fadiga é um processo ligado a mecanismos não lineares e irreversíveis. Assim, é recomendado que esta análise seja feita utilizando parâmetros não lineares. Esta dissertação tem como objetivo desenvolver um estudo paramétrico com o intuito de estudar o efeito da pré-deformação no comportamento à fadiga de componentes da liga de alumínio 2024-T351. Assim, foram consideradas ensaios numéricos com diferentes pré-deformações (0%, 4% em tração e 4% em compressão) em situações de amplitude constante e variável (sobrecarga). Todos os resultados apresentados foram obtidos recorrendo ao programa de elementos finitos, DD3IMP, onde a propagação da fenda foi controlada pelo valor da deformação plástica na extremidade da fenda. Os resultados obtidos através dos diversos gráficos da/dN-a e CTOD-Força, demonstraram que, geralmente, os provetes com 4% de pré-deformação em tração apresentam um melhor comportamento na propagação de fendas por fadiga. Por outro lado, os provetes com 4% de pré-deformação em compressão demonstraram ser ainda mais prejudiciais que os sem qualquer pré-deformação. No entanto, em condições de razão de tensão mais elevada, nenhum destes casos possui vantagens significativas em relação aos outros. Estes comportamentos demonstraram uma forte relação com o fecho de fenda, que se revelou um fator extremamente importante para este estudo.