Experimental investigation of the effects of geometry and loading mode on the cleavage fracture toughness data distribution measured in the ductile-to-brittle transition region of a ferritic structural steel.

Este trabalho aborda uma investigação numérica-experimental sobre o comportamento à fratura por clivagem de um aço de alta resistência e baixa liga ASTM A572 Grau 50 usando corpos de prova SE(B) em configurações padronizadas e não padronizadas, incluindo a configuração PCVN não padronizada. O principal objetivo desse estudo é contribuir para o desenvolvimento de um procedimento de ensaio de tenacidade à fratura aplicável a geometrias SE(B) com distância entre apoios variável (S/W) e carregada sob configuração de flexão por 3 e 4 pontos. O objetivo secundário, mas não menos importante, é investigar os efeitos da geometria e do modo de carregamento sobre as distribuições dos dados de tenacidade à fratura medidas experimentalmente e suas implicações na caracterização da dependência da tenacidade em relação à temperatura baseada na metodologia da curva mestra. Com base nesses propósitos, é fornecido um novo e extenso conjunto de fatores plásticos eta (?p) aplicáveis às geometrias SE(B) não padronizadas para estimar os valores de tenacidade à fratura, incluindo a integral J e o parâmetro CTOD, medidos experimentalmente em termos de registros de carga e deslocamento. A fim de facilitar o contato com os demais protocolos de ensaios, é também fornecido um novo conjunto de fatores rotacionais plástico (rp) para determinar o CTOD baseado no modelo da rótula plástica. Os ensaios de tenacidade à fratura, realizados em diversas geometrias SE(B) com distância entre apoios variável (S/W) extraídas na direção transversal (T-L) de uma chapa de aço ASTM A572 Grau 50, fornecem os dados de tenacidade à fratura por clivagem em termos da integral-J medida no ponto de instabilidade, Jc. Os resultados experimentais mostram um potencial efeito da geometria do corpo de prova e do modo de carregamento sobre os valores de Jc, os quais podem ajudar a mitigar os efeitos da perda de restrição plástica frequentemente observada em corpos de prova de pequenas dimensões. A aplicação exploratória para determinar a temperatura de referência, T0, a partir da metodologia da curva mestra também fornece um suporte adicional para o uso de corpos de prova SE(B) não padronizados como uma alternativa geométrica nos procedimentos rotineiros de avaliação de tenacidade à fratura, incluindo o uso de corpos de prova de pequenas dimensões nas medições de tenacidade quando a disponibilidade limitada de material e a capacidade de carregamento da máquina são as principais preocupações.This work addresses a numerical-experimental investigation on the cleavage fracture behavior of an ASTM A572 Grade 50 high strength, low alloy structural steel using standard and non-standard SE(B) specimens, including a non-standard PCVN configuration. The main purpose of this study is to contribute to the development of a fracture toughness test procedure applicable to bend geometries with varying specimen span over width ratio (S/W) and loaded under 3-point and 4-point flexural configuration. The secondary purpose, but none the less important, is to investigate the effects of geometry and loading mode on experimentally measured fracture toughness data distributions and implications for the characterization of the temperature dependence of toughness based on the Master Curve methodology. Based on these purposes, a large new set of plastic ?-factors applicable to these non-standard bend geometries which serve to estimate the experimentally measured toughness values in terms of load-displacement records, including the J-integral and the crack tip opening displacement (CTOD), is provided. In order to facilitate contact with other test protocols, a new set of rotational factors, rp, to determine the CTOD based on the plastic hinge model is also described. Fracture toughness testing conducted on various bend geometries with varying specimen span (S/W) extracted in the T-L orientation from an A572 Grade 50 steel plate provides the cleavage fracture resistance data in terms of the J-integral at cleavage instability, Jc. The experimental results show a potential effect of specimen geometry and loading mode on Jc-values which can help mitigating the effects of constraint loss often observed in smaller fracture specimens. An exploratory application to determine the reference temperature, T0, derived from the Master Curve methodology also provides additional support for using non-standard bend specimens as an alternative specimen geometry in routine fracture assessments, including the use of small-scale fracture specimens to measure fracture toughness properties when limited material availability and test machine capacity are of major concern are of major concern