[en] SHORT FATIGUE CRACKS DEPARTING FROM ELONGATED NOTCHED SPECIMENS AND THEIR EFFECT ON FATIGUE LIMIT
[pt] O projeto mecânico de componentes estruturais para vidas longas à fadiga requer limites de fadiga confiáveis. Porém, a previsão do limite de fadiga ainda apresenta alguns desafios, especialmente por causa dos inevitáveis entalhes e pela presença de pequenos defeitos intrínsecos do material que...
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| Language: | en |
| Published: |
MAXWELL
2017
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| Online Access: | https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=31850@1 https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=31850@2 http://doi.org/10.17771/PUCRio.acad.31850 |
| Summary: | [pt] O projeto mecânico de componentes estruturais para vidas longas à fadiga requer limites de fadiga confiáveis. Porém, a previsão do limite de fadiga ainda apresenta alguns desafios, especialmente por causa dos inevitáveis entalhes e pela presença de pequenos defeitos intrínsecos do material que podem ser considerados como microtrincas. Os entalhes atuam como concentradores de tensão e microtrincas podem ser geradas na ponta destes. Tais microtrincas (geradas ou intrínsecas) podem propagar até provocar a falha do componente ou parar de propagar depois de crescer uma pequena distância e se tornarem não-propagantes, dependendo do nível de carga e do gradiente de tensão à frente do entalhe. Modelos empíricos e teóricos têm sido propostos para fazer previsão do limite de fadiga de componentes entalhados. Entre os teóricos, o chamado modelo do Gradiente de Tensão (GT), que utiliza conceitos da mecânica da fratura linear elástica, apresenta-se como um modelo promissor. No entanto, a validação experimental das previsões deste modelo ainda não tem sido completamente realizada. Neste contexto, corpos de prova tipo C(T) do aço 1020 e com vários valores do raio da ponta do entalhe foram testados sob controle de amplitude de carga constante, frequência de 40 Hz e razão de tensão R igual a 0.1 para avaliar o limite de fadiga através de testes acelerados com cargas tipo step up durante blocos de 3.10 elevado a sexta potência ciclos. O limite de fadiga determinado experimentalmente foi comparado com as previsões do modelo GT e do Método do Ponto, um dos métodos da chamada Teoria da Distância Crítica (TDC). No modelo GT foram considerados três métodos: GTc-p, GTs-e e GTquebra, segundo o método usado para achar o fator geométrico para determinar o fator de intensidade de tensão. As previsões dos modelos GTc-p, GTquebra e TDC são similares no caso de entalhes com raios de ponta grandes, e bem próximas do limite de fadiga medido experimentalmente, enquanto que eles são não-conservativos no caso de entalhes afiados (raios de ponta pequenos). As previsões do modelo GTs-e foram conservativas para entalhes afiados e não afiados. Devido a que os dois modelos são baseados em conceitos lineares elásticos, foi demonstrado que uma análise elástica apresenta limitações para modelar o comportamento à fadiga em entalhes afiados, pois nesses casos a tensão local no ponto crítico pode exceder o limite de escoamento do material. Alem disso, o modelo GT também permite estimar o tamanho da maior trinca curta não-propagante (TCNP) associada ao limite de fadiga. Tais TCNP foram monitoradas nas faces do C(T) através de técnicas não-destrutivas tais como microscopia óptica, correlação digital de imagens e tomografia; enquanto que as TCNP internas foram detectadas usando a técnica destrutiva da metalografia. Os tamanhos das TCNP detectadas foram muito menores do que as estimadas pelo modelo GT, dificultando ainda mais o problema de detecção daquelas trincas. === [en] The mechanical design of structural components for high cycle fatigue applications needs reliable fatigue limits. However, mainly because of notches and the unavoidable presence of small defects, such a task still presents some challenges. Notches cause a stress concentration effect that can initiate short cracks at their tips, but such short cracks may propagate or become non-propagating, depending not only on the load level, but on the stress gradient ahead of the notch tip as well. Notch-like defects, such as scratches, pores, and inclusions, behave in the same way. There are empirical and theoretical models to predict the fatigue limit of notched components. The latter includes the so-called Stress Gradient (SG) model, based on linear elastic fracture mechanics concepts and using the El Haddad-Topper-Smith (ETS) characteristic size aR, as a promissory approach. However, there is a lack of experimental data verifying their fatigue limit predictions. In this context, C(T)-like notched specimens of SAE 1020 steel with several notch root radii were tested under constant load amplitude control at 40 Hz and a stress ratio R equal 0.1, to evaluate their fatigue limit through accelerated tests involving step loading procedures with blocks of 3.10 to sixth power cycles. The experimental fatigue limit was compared with values predicted by SG model, following three approaches: SGc-p, SGs-e, and SGquebra, according to the determination of the geometric factor of the stress concentration factor; and with an alternative prediction by the Point Method based on the theory of critical-distance (TCD). SGc-p, SGquebra and TCD model predictions are almost coincident for blunt notches and they present a good agreement with experimental results, but they are non-conservatives in the case of sharp notches; while SGc-p predictions are conservative for both blunt and sharp notches. Since both models are based on linear elastic concepts, it was demonstrated that an elastic analysis presents limitations to model the behavior of short cracks emanating from sharp notches, due to the local stress at the critical point can exceed the yield strength of the material. Furthermore, according to SG model, the fatigue limit is related to the presence of non-propagating short cracks (NPSC). Such surface NPSCs on the face of the specimens were monitored by non-destructive techniques including optical microscopy, digital image correlation (DIC) and micro-computed tomography; whereas subsurface NPSCs were detected through destructive metallographic technique. The sizes of the detected NPSCs were much smaller than those values predicted by SG model, which in turn makes the detection of these cracks a more complex problem. |
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