Fatigue crack propagation: effect of load blocks

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra.As falhas por fadiga são as mais importantes em órgãos de máquinas submetidos a cargas cíclicas. Em situações normais, os espetros reais são complexos e imprevisíveis contendo sobrecargas, subcargas e variações de blocos de carga, muitas vezes de forma aleatória. O contacto das faces da fenda tem sido utilizado para explicar o efeito da história de carregamento e da razão de tensões na velocidade de propagação de fendas por fadiga. Esta tese tem por objetivo o estudo do efeito de variações de blocos de carga no fecho de fenda induzido por deformação plástica, mais especificamente os blocos de carga do tipo High-Low. Para isso recorreu-se a um programa de elementos finitos (DD3IMP) onde se variaram parâmetros de carga para posteriormente obter perfis de fenda, forças de contacto e parâmetros de fecho de fenda. Deu-se também especial atenção aos mecanismos que explicam as variações de fecho: cunhas plásticas residuais e arredondamento da extremidade de fenda. Em casos High-Low após variação de carga observa-se um aumento imediato do nível de fecho seguido de um decréscimo progressivo ao valor estável correspondente ao 2º bloco de carga. O degrau de carga aumenta linearmente a distância de estabilização, enquanto o pico inicial apresenta uma estabilização. O arredondamento da extremidade de fenda explica as variações bruscas observadas nas variações de carga. A variação posterior tem a ver com a influência das cunhas plásticas residuais no nível de fecho. O arredondamento é particularmente afetado quando a carga ultrapassa a carga base anterior. Recorrendo aos parâmetros não lineares de extremidade de fenda pode-se afirmar que o conceito de fecho de fenda é válido no caso de blocos de carga do tipo High-Low.The fatigue failures are the most important in machine elements subjected to cyclic loading. In normal situations, the real spectrums are complex and unpredictable, containing overloads, underloads and load blocks variations very often randomly. The contact of the crack faces has been used to explain the loading historic and stress ratios of propagation of fatigue cracks. This thesis has the objective of studying the effect of load blocks variations on crack closure induced by plastic deformation, specifically the load blocks of High-Low type. In order to do this, it was appealed to a finite element program (DD3IMP) where it was varied the load parameters to subsequently obtain crack profiles, contact forces and crack closure parameters. It was also given a special attention to the mechanisms that explain closure variations: residual plastic wedges and blunting. In High-Low cases after loading variation we observe an immediate increase in the closure level, followed by a progressive decrease to the stable value corresponding to the 2nd load block. The load step increases linearly the stabilization distance, while the initial peak presents a stabilization. The blunting explain the abrupt changes observed in the load variations. The subsequent variation is related to the influence of residual plastic wedges on the closure level. The blunting is particularly affected when the load exceeds the previous base load. Using the non-linear parameters of crack tip it can be said that the concept of the crack closure is valid in the case of load blocks of High-Low type