Analysis of fatigue crack propagation in AA 7050-T7451 and AA 2050-T8

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaOver the years, aluminium has been one of the most used non-ferrous alloys worldwide and is widely used in aeronautics and in the automotive industry, due to the fact its specific mass is relatively low and because it combines good mechanical properties with the advantage of weight reduction of components made from these alloys. Aluminium presents high thermal conductivity and it is not magnetic, presents high resistance to oxidation and when combined with other elements it is very resistant to corrosion in aggressive environments. The study of fatigue is very important in components subjected to dynamic stresses because fatigue failure is the most frequent mode of ruin in components subjected to cyclic loads.In the present dissertation the propagation of fatigue cracks for the aluminum alloys 2050-T8 and 7050-T7451 was studied, the specimens of each of these alloys being obtained according to the L-T and S-T directions of the ingot. By performing constant load amplitude tests, the curves of da/dN-ΔK were obtained. This study also included the application of overloads, the obtaining of hardness profiles and a metallographic analysis for each one of the tests as well as an analysis of the fracture surfaces, determination of the values of the crack closure and study the effect of the specimens’ geometry.With this study it was possible to conclude that the series of the test specimens obtained according to the direction L-T have a fatigue strength crack propagation higher than the test specimens of the series obtained according to the S-T direction, which can be explained by the fact that the crack has to cross the microstructural grains throughout its entire course. Furthermore, although the aluminium alloys show different alloying elements, the greatest influence on crack propagation is associated with the direction in which the specimens are obtained, and not so much the alloying elements. On the other hand, the application of overloads leads to a crack retardation due to the increase of crack closure induced by plasticity.Com o passar dos anos o alumínio tem vindo a ser uma das ligas não ferrosas mais usadas mundialmente sendo muito utilizado nas áreas das indústrias aeronáutica e automóvel devido ao fato da sua massa específica ser relativamente baixa e por aliar boas propriedades mecânicas apresentando a grande vantagem de redução de peso dos componentes fabricados com estas ligas. As ligas de alumínio apresentam elevada condutividade térmica e não é magnético, apresenta elevada resistência à oxidação e quando aliado a outros elementos é bastante resistente à corrosão em ambientes agressivos. O estudo da fadiga é muito importante em componentes sujeitos a esforços dinâmicos pois a falha por fadiga é o modo mais frequente de ruína em componentes sujeitos a cargas cíclicas. Na presente dissertação estudou-se a propagação de fendas por fadiga para as ligas de alumínio 2050-T8 e 7050-T7451 sendo os provetes de cada uma destas ligas obtidos segundo as direções L-T e S-T do lingote. Através da realização de ensaios com amplitude de carga constante, obtiveram-se as curvas da/dN-ΔK. Este estudo contemplou também a aplicação de sobrecargas, obtenção de perfis de dureza e uma análise metalográfica para cada um dos ensaios bem como uma análise das superfícies de fratura, determinação dos valores de fecho de fenda e estudar o efeito da geometria dos provetes. Com a realização deste estudo foi possível concluir que as séries dos provetes obtidos segundo a direção L-T apresentam uma resistência à propagação de fenda superior aos provetes das séries obtidos segundo a direção S-T, o que pode ser explicado pelo facto de a fenda ter que atravessar os grãos microestruturais ao longo de todo o seu percurso. Foi também possível concluir que apesar destas ligas apresentarem elementos de liga diferentes, a maior influência na propagação de fenda está associada à direção segundo a qual os provetes são obtidos, e não tanto os elementos de liga. Por outro lado, a aplicação de sobrecargas conduz a um retardamento da fenda devido ao aumento de fecho de fenda induzido por plasticidade