Fatigue crack propagation analysis using the GTN damage model

Abstract

A fadiga dos materiais é um dos mais principais mecanismos de falha em componentes mecânicos. Assim, a sua avaliação é essencial nos componentes de engenharia sujeitos a cargas cíclicas. O processo de propagação de fendas por fadiga é normalmente avaliado através da gama do factor de intensidade de tensão, ΔK. Deste modo, a velocidade de propagação de uma fenda é tipicamente definida através das curvas da/dN-ΔK. Apesar da ampla utilização desta abordagem, estão-lhe associadas várias limitações. Além disso, o processo de fadiga é um mecanismo irreversível enquanto o parâmetro ΔK é de natureza elástica. A utilização da deformação plástica acumulada na ponta da fenda provou fornecer resultados em concordância com as observações experimentais, aparecendo como uma alternativa à abordagem mais tradicional baseada no ΔK. Além disso, permite compreender o fenómeno da ponta da fenda que conduz à propagação de fendas por fadiga. A deformação plástica conduz inevitavelmente à ocorrência de micro-vazios e acumulação de dano, que podem ser avaliados com um modelo de dano, como por exemplo o modelo Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN). Neste estudo, o modelo numérico que utiliza a deformação plástica cíclica na extremidade da fenda para prever da/dN foi acoplado com o modelo de dano GTN. O processo de propagação da fenda ocorre, por libertação de nós, quando a deformação plástica cumulativa atinge um valor crítico. O modelo GTN é utilizado para contabilizar a degradação da resistência mecânica do material devido aos processos de crescimento de micro-vazios, que afecta o crescimento da fenda de fadiga. Neste trabalho são feitas previsões de propagação de fendas na liga de alumínio 2024-T351, utilizando o modelo GTN, as quais são comparadas com as obtidas sem o modelo de fratura dúctil. A precisão de ambos os modelos é avaliada através da comparação com resultados de ensaios experimentais em provetes C(T). É também avaliada a influência dos parâmetros do modelo GTN na velocidade de propagação de fendas por fadiga, os quais estão relacionados com o crescimento e nucleação dos micro-vazios.

Fatigue is one of the most prominent mechanisms of failure. Thus, its evaluation is of prime order in engineering components subjected to cyclic loads. The fatigue crack growth process is usually accessed through the stress intensity factor, ΔK. In accordance, the fatigue crack growth rate is, typically, defined by the da/dN- ΔK curves. Despite the wide use of this approach, it has some well-known limitations. Moreover, the fatigue process is an irreversible mechanism while the ΔK parameter is of elastic nature. The cumulative plastic strain at the crack tip has provided results in good agreement with the experimental observations, appearing as an alternative to the more traditional ΔK approach. Also, it allows understanding the crack tip phenomena leading to FCG. Plastic deformation inevitably leads to micro-porosity occurrence and damage accumulation, which can be evaluated with a damage model, such as Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN). In this study a numerical model that uses the cyclic plastic strain at the crack tip to predict da/dN was coupled with the GTN damage model. The crack propagation process occurs, by node release, when the cumulative plastic strain reaches a critical value. The GTN model is used to account for the material degradation due to the growth of micro-voids process, which affects fatigue crack growth. Crack propagation predictions, of the 2024-T351 aluminium alloy, with GTN are compared with the ones obtained without the ductile fracture model. The accuracy of both models is evaluated through the comparison with experimental fatigue test results from CT specimens. The influence of the GTN parameters, related to growth and nucleation of micro-voids, on the predicted crack growth rate is, also, accessed.