Análise da propagação de fendas por fadiga baseada no CTOD para o aço inoxidável 304L

Abstract

Quando um componente é submetido a cargas cíclicas, o modo mais frequente de ruína é a falha por fadiga. De forma a se compreender melhor o seu comportamento, o seu estudo passa pela exploração de carregamentos mais simples, nomeadamente espetros de amplitude constante, ou de espetros de amplitude variável contendo sobrecargas e blocos de carga. Neste contexto da análise de fendas por fadiga a relação mais utilizada é, geralmente, da/dN -ΔK. No entanto, ΔK quantifica a solicitação elástica na extremidade de fenda o que não está totalmente correto pois não traduz corretamente a deformação ocorrida. Devido a essa limitação começou-se por utilizar um parâmetro que contemplasse a deformação elástica, o parâmetro de deslocamento de abertura de extremidade de fenda, CTOD. Na presente dissertação procura-se estudar a propagação de fendas por fadiga no aço inoxidável 304L através da análise de CTOD. Para que esta análise fosse devidamente executada, recorreu-se a um programa de simulação numérica de elementos finitos (DD3IMP). Este foi o primeiro estudo realizado em que foram feitas previsões para diferentes razões de tensão. Foi realizada uma modelação cuidada das características elasto-plásticas do material de modo a obter de resultados mais exatos. Numa primeira fase estudou-se o efeito dos parâmetros numéricos na componente plástica de CTOD. Observou-se a existência de uma relação de tendência definida entre ΔK e a componente plástica, CTODp, mas que depende do comprimento de fenda. As curvas relação da/dN –CTODP foram depois obtidas em tensão e deformação plana, com dois e cinco de carga entre propagações. A curva obtida em deformação plana com 5 ciclos de carregamento foi posteriormente utilizada para prever o efeito da alteração da razão de tensão em cada caso e de carregamentos de amplitude variável.

When a component is submitted to dynamic effort the main mode of ruin is the fatigue failure. For a better understanding of its behaviour, the study focus on the exploration of simpler loads, namely constant amplitude spectra, or variable amplitude spectra containing overloads and load blocks. In the context of the fatigue crack analysis, a ratio of da/dN-ΔK is generally used. However, ΔK quantifies the elastic part in the crack tip which is not correct because does not translate correctly the occurred deformation. Due to this limitation a new concept has been used, a parameter which contemplates the plastic deformation, the crack tip open displacement parameter, CTOD.In the present thesis, it is intended to study the propagation of fatigue craks in the stainless steel 304L CTOD analysis. Looking forward a well-structured paper and analysis, it is used a numerical program of finite elements (DD3IMP). This was the first study conducted in which predictions were made for different tension ratio tests. A careful modeling of the elastoplastic characteristics of the material was carried out in order to obtain more accurate results. In a first phase the effect of the numerical parameters in the plastic component of CTOD was studied. The existence of a defined trend relation between ΔK and the plastic component, CTODp, was observed but depends on the slit length. The ratio curves da/dN-CTODp were then obtained in tension and flat deformation, with two and five load cycles between propagations. The curve obtained in flat deformation with five charging cycles was later used to predict the effect of the tension ratio variation as well as the load variation.