Effect of elasto-plastic properties on fatigue crack growth

Abstract

Componentes submetidos a cargas cíclicas podem falhar em serviço devido ao fenómeno de fadiga. Prever a vida útil destes componentes é essencial, no entanto, a propagação de fendas por fadiga (PFF) é habitualmente estudada usando curvas "da⁄dN-∆K" . Estando a PFF ligada a fenómenos irreversíveis que ocorrem na extremidade da fenda e sendo o fator de intensidade de tensão, ∆K, um parâmetro elástico não parece lógico aplicar essa metodologia. Como tal, neste trabalho, ∆K é substituído pelo CTOD plástico, um parâmetro não linear.Nesta tese, é realizado um estudo paramétrico para as propriedades elasto-plásticas, mais específicamente para o módulo de Young (E), tensão de cedência (Y0), tensão de saturação isotrópica (YSat), parâmetro de encruamento isotrópico de Voce (CY), tensão de saturação cinemática (XSat) e parâmetro de encruamento de Armstrong-Frederick (CX), para dois materiais de base: a liga de alumínio 7050-T6 e o aço inoxidável 304L. Os principais objetivos deste trabalho são pois: estudar o efeito de cada propriedade sobre o CTOD plástico e comparar as relações com modelos encontrados na literatura que relacionam "da/dN" com propriedades do material. As propriedades elasto-plásticas foram alteradas em simulações numéricas, assumindo valores de mais e menos 50% e 25% dos valores de referência. As simulações são realizadas com e sem contacto nos flancos das fendas, mantendo a geometria do provete, as condições de carregamento e estado de tensão dos materiais.Verificou-se que a taxa de PFF aumenta linearmente com "1/E" e "1/Y0" , o que está de acordo com a maioria dos modelos presentes na literatura. Algumas não-linearidades são encontradas nessas relações em simulações com fecho de fenda. YSat, XSat, CX e CY diminuíram não linearmente a PFF quando estas propriedades foram aumentadas. O módulo de Young tem sensibilidade relativamente alta em δp e, portanto, a influência desse parâmetro não pode ser desprezada. A tensão de cedência foi encontrada como o parâmetro mais sensível no aço inoxidável 304L, em simulações com contacto, e na liga de alumínio 7050-T6, em simulações sem contacto e as menos sensíveis no aço inoxidável 304L, em simulações sem contacto, e liga de alumínio 7050-T6, em simulações com contacto. Para os casos em que a sensibilidade de Y0 diminuiu, as sensibilidades das tensões de saturação aumentaram e vice-versa.

Components submitted to cyclic loadings are liable to fail in service due to fatigue phenomenon. Predicting the service life of these components is essential, however, fatigue crack growth (FCG) is usually studied using "da" ⁄"dN" "-∆K" curves. Being FCG linked to irreversible phenomena happening at the crack tip and being the stress intensity factor, ∆K, an elastic parameter does not seem logic to apply this methodology. As such, in this work, ∆K is replaced by the plastic CTOD, a non-linear parameter.In this thesis, a parametric study is performed relating the elasto-plastic properties with the plastic CTOD. The parameters studied were Young´s modulus (E), yield stress (Y0), isotropic saturation stress (YSat), Voce isotropic hardening parameter (CY), kinematic saturation stress (XSat) and Armstrong-Frederick hardening parameter (CX), for two base materials: the 7050-T6 aluminium alloy and the 304L stainless steel. The main objectives of this work are therefore to study the effect of each property on plastic CTOD and compare the relationships with models found in the literature, which relates "da" ⁄"dN" with material properties.The elasto-plastic properties were changed in numerical simulations, assuming values of more and less 50% and 25% of the reference values. The simulations were performed with and without contact at the crack flanks, maintaining the specimen´s geometry, loading conditions and the stress state of the materials.FCG rate was found to increase linearly with "1/E" and "1/Y0" , which is according to most of the models present in the literature. Some non-linearities were found in these relationships in simulations with crack closure. YSat, XSat, CX and CY were found to decrease non-linearly the FCG rate when these properties were increased. The Young´s modulus has relatively high sensitivity in δp and therefore its influence cannot be neglected. The yield stress was found to be the most sensitive parameter in SS304L, in simulations with contact, and AA7050-T6, in simulations without contact and the least sensitive in SS304L, in simulations without contact, and AA7050-T6, in simulations with contact. For the cases where the sensitivity of Y0 decreased, the sensitivities of the saturation stresses increased, and vice-versa.