Modelling of the fatigue crack initiation and propagation behaviour in metals and alloys - Ribeiro, Víctor Hugo [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2021)
Fatigue is the main causes of mechanical fractures in structural details under cyclic loading. There are several models to describe low-cycle fatigue behavior based on strain damage criteria, such as Coffin-Manson-Morrow, which is used in the crack initiation phase. The Paris law is only applicable in the stable region of crack growth (region II), and, as a consequence of this, several models have emerged derived from it emerged to overcome this limitation, increasing the number of variables and parameters required and, consequently, making the solution costly. Other models such as UniGrow, Huffman, Peeker, among others, describe the initiation and propagation phases of fatigue cracks, adopting the concept of successive crack restarts (increments) based on local approaches. In this research, low-cycle fatigue modeling based on the Huffman approach using strain energy density and considering dislocation density is investigated and discussed. To this end, several methodologies to evaluate low-cycle fatigue resistance based on the Huffman approach and exploring different dislocation density parameters are suggested: (i) critical dislocation density associated with greater strain amplitude; (ii) average value of dislocation density from available experimental fatigue data and, (iii) stochastic Monte Carlo (MC) prediction considering the variability of dislocation density and the cyclic strain hardening coefficient. Experimental fatigue data of Al1050, Al6061-T651 and AlMgSi0.8 alloys from the literature are used in this study. Furthermore, a comparison is made between the experimental fatigue data and the stress-life curves based on the various suggested methodologies. Additionally, a comparison of the effect of various crack closure/opening models on the fatigue crack growth behavior of Al6061-T651 alloy is presented. The crack closure models under consideration are: Elber; Katcher-Kaplan; Clerivet-Bathias; Schijve; Zhang; Newman; Savaidis; Codrington-Kotosov; and Correia. A comparison between these models is done. Furthermore, modeling of the fatigue crack growth behavior for the Al6061-T651 alloy was suggested using the Huffman model based on the strain energy density of the dislocations considering the effects of residual stresses ahead of the crack tip(x), where these stresses are related to the fatigue damage of a crack increment ∆a, as a calibrator parameter. Two approaches suggested by Noroozi and Huffman are studied and discussed. In modeling fatigue crack growth behavior, the influence of the calculated strain energy density for the critical dislocation density values associated with the largest strain amplitude and the average dislocation density value for available experimental fatigue results were also considered in this investigation. The dislocation density values studied do not significantly influenced the fatigue crack propagation behavior. It is also concluded that the procedure for considering the effects of residual stresses influences the calibrator, ∆a, and it is not possible to conclude which is the best method to describe the effects of residual stresses.

A fadiga é uma das principais causas de falhas e também de fraturas mecânicas em detalhes estruturais sob carregamento cíclico. Existem vários modelos para descrever o comportamento de fadiga de baixo ciclo com base em critérios de dano por deformação, como Coffin-Manson-Morrow, utilizado na fase iniciação de trinca. A lei de Paris só é aplicável na região estável de crescimento de trinca (região II), e como consequência, surgiram diversos modelos dela derivados para contornar essa limitação, aumentando o número de variáveis e parâmetros necessários e, consequentemente, tornando a solução onerosa. Outros modelos como UniGrow, Huffman, Peeker, entre outros, descrevem as fases de iniciação e propagação de trincas de fadiga, adotando o conceito de reinicializações sucessivas de trincas (incrementos) com base em abordagens locais. Nesta pesquisa, a modelagem de fadiga de baixo ciclo baseada na abordagem de Huffman usando a densidade de energia de deformação e considerando a densidade de discordâncias é investigada e discutida. Para isso, várias metodologias para avaliar a resistência à fadiga de baixo ciclo com base na abordagem de Huffman e explorar diferentes parâmetros de densidade de deslocamento são sugeridas: (i) densidade de discordâncias crítica associada a maior amplitude de deformação; (ii) valor médio da densidade de discordâncias dos dados experimentais de fadiga disponíveis e, (iii) predição estocástica de Monte Carlo(MC) considerando a variabilidade da densidade de discordâncias e o coeficiente de endurecimento por deformação cíclica. Dados experimentais de fadiga das ligas de Al1050, Al6061-T651 e AlMgSi0.8 da literatura são usados neste estudo. E ainda, é feita uma comparação entre os dados experimentais de fadiga e as curvas de tensão-vida com base nas várias metodologias sugeridas. Adicionalmente, é apresentada uma comparação do efeito de vários modelos de fechamento/abertura de trinca no comportamento de crescimento de trinca por fadiga da liga de Al6061-T651. Os modelos de fechamento de trinca em consideração são: Elber; Katcher-Kaplan; Clerivet-Bathias; Schijve; Zhang; Newman; Savaidis; Codrington-Kotousov; Correia. Uma comparação entre esses modelos é feita. Além disso, foi sugerida modelagem do comportamento de crescimento de trinca por fadiga para a liga 6061-T651 através do modelo Huffman com base na densidade de energia de deformação das discordâncias considerando os efeitos das tensões residuais à frente da ponta da trinca(x), onde essas tensões estão relacionadas ao dano por fadiga de um incremento de fissura ∆a, como parâmetro do calibrador. Duas abordagens sugeridas por Noroozi e Huffman são estudadas e discutidas. Na modelagem do comportamento de crescimento de trinca por fadiga, a influência da densidade de energia de deformação calculada para os valores de densidade de discordâncias crítica associada a maior amplitude de deformação e o valor médio da densidade de discordâncias para os resultados de fadiga experimentais disponíveis também foram considerados nesta investigação. Os valores de densidade de discordâncias estudados não influenciam significativamente o comportamento de propagação de trincas por fadiga. Conclui-se também que o procedimento de consideração dos efeitos das tensões residuais influencia o calibrador, ∆a, não sendo possível concluir qual é o melhor método para descrever os efeitos das tensões residuais.
Modelagem do comportamento de iniciação e propagação de trincas por fadiga em metais e ligas
Keywords: Low-cycle fatigue; Crack growth rates; Crack closure effects; Strain energy; Dislocation density; Residual stress effects; Ligas de alumínio; Fadiga de baixo ciclo; Taxa de crescimento de trincas; Efeitos do fechamento de trincas; Energia de deformação; Densidade de discordâncias; Efeitos de tensões residuais