Ciência & Tecnologia dos Materiais

Advanced composite material simulation

A computational methodology is presented for modeling the non-linear mechanical behavior of composite structures made of FRP (Fiber-Reinforced Polymers) laminates. The model is based on the appropriate combination of the constitutive models of compounding materials, considered to behave as isolated continua, together with additional closure equations that characterize the micro-mechanics of the composite from a morphological point of view. To this end, any appropriate constitutive model may be selected for each phase. Each component is modeled separately and the global response is obtained by assembling all contributions taking into account the interactions between components in a general phenomenological way. To model the behavior of a single uni-directional (UD) composite laminated, a Serial-Parallel continuum approach has been developed assuming that components behave as parallel materials in the fibers alignment direction and as serial materials in orthogonal directions. Taking into account the internal morphology of the composite material, it is devised a strategy for decoupling and coupling component phases. This methodology [Rastellini 2006], named "compounding of behavior", allows to take into consideration local non linear phenomenon in the compounding materials, like damage, plasticity, etc. in a coupled manner. It is based on the proper management of homogenous constitutive models, already available for each component. In this way, it is used all developments achieved in constitutive modeling for plain materials, what makes possible the transference of this technology to composites. A laminated theory complemented with the proposed UD model is employed to describe the mechanical behavior of multi-directional laminates. A specific solution strategy for the general non linear case is proposed. It provides quick local and global convergences, what makes the model suitable for large scale structures. The model brings answers on the non-linear behavior of composites, where classical micro-mechanics formulas are restricted to their linear elastic part. The methodology is validated through several numerical analyses and contrasted against experimental data and benchmark tests.

Apresenta-se uma metodologia computacional para moldar o comportamento mecânico não linear de estruturas laminadas compósitas de FRP (Fiber-Reinforced Polymers). O modelo está baseado em uma combinação apropriada de modelos constitutivos de materiais compostos, considerando o comportamento mecânico de cada componente, junto de equações adicionais de compatibilidade ou equações de fechamento" que caracteriza a micro-mecânica do composto desde um ponto de vista morfológico. Com esta finalidade, pode-se atribuir a cada fase ou componente qualquer modelo constitutivo apropriado a seu próprio comportamento. Cada componente modela-se separadamente e a resposta global é obtida compondo adequadamente as contribuições de cada componente e suas interações com os restantes, tudo isso de um ponto de vista fenomenológico. Para moldar uma simples lâmina composta unidirecional (UD), desenvolveu-se uma formulação contínua Série-Paralela, que supõe que os componentes se comportam em paralelo na direção em que se alinham as fibras e como materiais em série na direção ortogonal. Levando em conta a morfologia interior do material composto, introduziu-se uma estratégia para desajustar e depois acoplar as fases que compõem o material composto. Esta metodologia [Rastellini 2006], denominada "composição de comportamentos", permite levar em conta o fenómeno de não linearidade local nos materiais componentes, tais como o dano, plasticidade, etc. de uma maneira acoplada. Isto está baseado na gestão apropriada de modelos constitutivos homogêneos, já disponíveis para cada componente. Desta maneira, usam-se todos os desenvolvimentos conseguidos para os materiais básicos, o que faz possível a transferência desta tecnologia aos compostos. Uma teoria laminada complementada com o modelo de UD proposto emprega-se para descrever o comportamento mecânico de laminados multidireccionales. Propõe-se uma estratégia específica para a solução do comportamento geral não-linear. Isto proporciona uma rápida convergência local e global, que faz ao modelo seja apropriada para resolver estruturas à grande escala. O modelo dá respostas no comportamento não-linear de compostos, onde as formulações clássicas do micro-mecânica estão restringidas só ao campo linear. A metodologia é validada com várias análises numéricas e contrastada com dados experimentais e ensaios de referência (benchmark tests).

Advanced high temperature materials: Aeroengine fatigue

The aeroengine business is intensely competitive and commercial success relies on continuous improvements in engine efficiency, with reduced environmental impact and lower operating costs. Innovation through advanced materials is a powerful tool in the quest for market share. This paper discusses the recent advances in materials technologies for aeroengine components with particular reference to enhancing the fatigue life of turbine disc components. Computational modelling of materials processing is contributing strongly to the improved design of the microstructure and the delivery of enhanced high temperature fatigue properties. Future trends are towards new manufacturing approaches in which the microstructure/composition is varied within the component in response to the service temperature and stress distribution. Dual microstructure and dual alloy concepts are described. Implementation of these approaches requires detailed knowledge of microstructure/property relationships and process models to simulate the structure generated during the complex thermomechanical processing.

A indústria de turbinas de aviões é altamente competitiva e nela o sucesso depende de melhorias contínuas naeficiência dos motores, na redução dos impactos ambientais e no abaixamento dos custos operacionais. A inovação através demateriais avançados é um poderoso instrumento na procura de cota de mercado. Este artigo discute os avanços recentes emtecnologias de materiais para componentes de turbinas de avião, com particular referência à melhoria da vida à fadiga dediscos de turbinas e seus componentes. A modelação computacional do processamento dos materiais contribui fortementepara a melhoria do projecto de microestrutura e para se conseguirem melhores propriedades de fadiga a alta temperatura. Astendências futuras apontam para novas abordagens de fabrico nas quais a microestrutura e composição são variadas nocomponente em resposta à temperatura de serviço e distribuição de tensões. Microestruturas duais e conceitos dual alloy são discutidos. A implementação destas abordagens requer conhecimento detalhado das relações microestrutura/propriedades emodelações do processo para simular a estrutura obtida durante processos termomecânicos complexos.

Bulk nanostructured shape memory alloys

This paper starts with a brief introduction to bulk nanostructured materials. Bulk nanocrystalline materials processed by methods of severe plastic deformation show mechanical properties and phase structures that can differ significantly from those of their coarse grained counterparts. In the case of NiTi shape memory alloys, a nanocrystalline structure is obtained via the devitrification of an intermediate amorphous phase induced by high pressure torsion. Grain sizes in the range of 5 to 350 nm are achieved that are free of strains and of crystal defects. The small grain size significantly impacts the martensitic phase transformation that causes unique thermomechanical properties such as the shape memory effect and superelasticity. Experimental results on the enhanced mechanical properties of nanocrystalline and ultrafine grained NiTi shape memory alloys are shortly reviewed.

É feita inicialmente uma breve introdução aos materiais nanoestruturados. Materiais nanocristalinosprocessados impondo grandes deformações plásticas revelam propriedades mecânicas e estruturas de fase que podemdiferir significativamente dos materiais de grão grosseiro. No caso de ligas de memória de forma NiTi, uma estruturananocristalina pode ser obtida por devitrificação de uma fase intermédia amorfa induzida por torsão e alta pressão.Tamanhos de grão da ordem dos 5 aos 350 nm são obtidos livres de deformação e de defeitos cristalinos. O tamanho degrão pequeno tem impacto significativo sobre a transformação da fase martensite, causando propriedades termomecânicasúnicas, tais como efeito de memória de forma e superplasticidade. São concisamente descritos resultados experimentaisrelativos à melhoria das propriedades mecânicas de ligas de memória de forma nanocristalinas e de grão ultrafino NiTi

Resisting metal fatigue in aeroengines, surface damage and surface treatments

The potential failure modes of components in aero engines are considered, with particular emphasis on fatigue, including high cycle fatigue (HCF), low cycle fatigue (LCF) and combined HCF/LCF. Some results of recent studies at Portsmouth of the influence of foreign object damage (FOD) on the fatigue behaviour under these different conditions of a fan and compressor material, Ti6Al4V alloy, are presented. A two parameter crack propagation model is considered. The benefits in resisting fatigue through surface modification by the traditional process of shot peening has become well established for components such as turbine and compressor discs. The beneficial results of shot peening on the fatigue resistance of an advance nickel base superalloy at elevated temperature are presented together with the effects of subsequent surface scratch damage.

O presente artigo refere-se ao estudo de potenciais falhas em motores de avião, em particular falhas por fadiga, incluindo fadiga a elevado de ciclos, fadiga oligocíclica e fadiga combinada. São apresentados alguns resultados, obtidos em Portsmouth, da influência de dano provocado por objectos estranhos no comportamento à fadiga das pás da fan de compressor na liga Ti6Al4V. É considerado um modelo de propagação baseado em dois parâmetros. Em componentes como discos de turbina e compressor, a melhoria de propriedades à superfície por processos tradicionais tem trazido grandes benefícios tem termos de melhoria de resistência à fadiga. São apresentados alguns resultados do benefício da grenalhagem, na resistência à fadiga de superligas de níquel a alta temperatura, em conjunto com os efeitos de um subsequente dano à superfície causado por um pequeno risco.

Simulation of delamination growth under high cycle fatigue using cohesive zone models

A cohesive zone model is proposed for the simulation of delamination growth in composite materials under high-cycle fatigue loading. The basis for the formulation is an interfacial constitutive law that links fracture mechanics and damage mechanics relating the evolution of the damage variable, d, with the crack growth rate, da/dN. The cohesive zone model is implemented in ABAQUS finite element code and used in the simulation of carbon-epoxy test specimens cyclically loaded in mode I, mode II and mixed-mode I and II. The accuracy of the model is assessed by comparing the predictions with experimental data.

Este artigo apresenta um modelo coesivo para simular a delaminagem de materiais compósitos sob fadiga de altos ciclos. O modelo constitutivo proposto relaciona a evolução da variável de dano, d, com a velocidade de crescimento da delaminagem, da/dN. O modelo coesivo é implementado no código de elementos finitos ABAQUS e é utilizado na simulação de provetes fabricados em carbono-epoxy carregados ciclicamente em modo I, modo II e modo misto I e II. O modelo é validado comparando as suas previsões com resultados experimentais.

Bearing properties of portuguese pine wood beneath a laterally loaded dowel

The pine wood (Pinus pinaster Ait.) is one of the species with larger implantation in Portugal. Its use for structural applications requires an adequate knowledge of its mechanical behaviour. In particular, for designing doweled joints, it is essential to know the bearing properties beneath the dowel. This paper reports a comprehensive experimental program aiming the determination of the bearing properties of the Portuguese pine wood. The embedding strength is evaluated in longitudinal and radial directions according two alternative standards, namely the ASTM D 5764 and EN 383 standards. Results are compared with empirical relations proposed in design codes of practice (e.g. EC5). Also, foundation moduli are evaluated in both directions according both standards. The experimental work also includes the test of a single dowel double shear wood connection. Additionally, some elastic strength properties are evaluated from small specimens of clear wood in order to better characterize the mechanical behaviour of the wood species.

O pinheiro (Pinus pinaster Ait.) é uma das espécies com maior implantação em Portugal. A sua utilização para aplicações estruturais requer um conhecimento adequado do seu comportamento mecânico. Em particular, para o projecto de ligações do tipo cavilha é essencial conhecer as propriedades de resistência ao esmagamento localizado. Este trabalho consiste num extenso programa experimental com vista à determinação destas propriedades, usando madeira de pinho Português. A resistência ao esmagamento localizado é avaliada nas direcções longitudinal e radial, segundo duas normas alternativas, nomeadamente a ASTM D 5764 e EN 383. Os resultados são comparados com as relações empíricas propostas em códigos de projecto actuais (ex: EC5). O módulo de fundação também é avaliado nas duas direcções, segundo ambas as normas. O trabalho experimental inclui ainda uma série de ensaios de uma ligação de corte duplo e cavilha única. Algumas propriedades elásticas e de resistência da madeira limpa foram aferidas com base em ensaios, a fim de melhor caracterizar o comportamento mecânico da espécie Pinus pinaster Ait.

Fracture behaviour of a new submicron grained cemented carbide

In this work, the effect of increasing argon pressure applied on a post-sintering treatment from 3 MPa to 100 MPa on the mechanical properties of a newly developed hardmetal grade, namely, hardness, flexural strength and fracture toughness, is reported. The as-received material has been previously sintered at 1460ºC under 2 MPa argon pressure from powder mixtures of WC and 3.5 wt% Co together with minor additions of VC, graphite and a pressing lubricant. By increasing the argon pressure, a significant increase in flexural strength from » 1500 MPa to » 3000 MPa was observed, whilst hardness (HV30»2000) and fracture toughness (»8 MN.m-3/2) remained practically unchanged. Both microstructural and fractographic studies revealed that this is mainly attributed to a decrease in the amount and size of microstructural defects (namely, pores and metallic inclusions). Furthermore, fracture has been found to occur mainly by intrinsic (bulk) defects rather than surface-related ones, suggesting that surface finishing did not affect flexural strength measurements. Hot isostatic pressing has been successfully used to consolidate WC-3.5wt% Co composites with submicron WC grains size confirming that porosity reduction results in flexural strength improvement.

Apresenta-se o estudo do efeito nas propriedades mecânicas de um novo grau de metal duro, em resultado do aumento da pressão de árgon aplicada num tratamento de pós-sinterização. O material foi previamente sinterizado a 1460ºC, à pressão de árgon de 2 MPa, a partir de misturas de pós de WC conjuntamente com 3,5 %p de Co e pequenas adições de VC, grafite e um lubrificante adequado à prensagem. Registou-se um aumento significativo da resistência à flexão de » 1500 MPa para » 3000 MPa quando se aumentou a pressão de árgon de 3 para 100 MPa, ao mesmo tempo que a dureza (HV30»2000) e a tenacidade à fractura (»8 MN.m-3/2) permaneceram praticamente inalteradas. Estudos microestruturais e de análise de fractura revelaram que este comportamento se deve fundamentalmente à diminuição da quantidade e do tamanho dos defeitos críticos (nomeadamente, poros e inclusões metálicas). Além disso, observou-se que a fractura ocorre devido a defeitos intrínsecos e não a defeitos de superfície, o que sugere que o acabamento de superfície aplicado não afecta a medida da resistência à flexão. Constata-se que a prensagem isostática a quente é uma técnica adequada para a obtenção de compósitos de WC-3,5%p Co com tamanho de grão submicrométrico, verificando-se que a diminuição do teor da porosidade residual provoca um notável aumento da resistência à flexão.

Influence of loading sequence and stress ratio on Fatigue damage accumulation of a structural component

This paper presents experimental results about the fatigue damage accumulation behaviour of a structural component made of P355NL1 steel. The structural component is a rectangular double notched plate. Two and multiple alternated constant amplitude block sequences were applied for various combinations of remote stress ranges. Three stress ratios were investigated, namely R=0, R=0.15 and R=0.3. Variable amplitude blocks were also investigated according predefined stress spectra. Constant amplitude data was also generated which is applied for damage calculation purposes. In general, the block loading demonstrates that fatigue damage evolves nonlinearly with the number of loading cycles, function of the load sequence, stress level and stress ratios. Generally, the application of variable amplitude loading suggests an important stress ratio effect on fatigue damage accumulation. In particular, a clear load sequence effect is verified for the two block loading, with null stress ratio. For the other (higher) stress ratios, the load sequence effects are almost negligible; however the damage evolution still is non-linear.

Este artigo apresenta resultados experimentais relativos à acumulação de dano de fadiga de um componente estrutural de aço P355NL1. O componente estrutural é uma placa rectangular com duplo entalhe. Foram aplicadas sequências de dois e múltiplos blocos de carga de amplitude constante, para várias combinações de razões de tensão remotas, nomeadamente R=0, R=0.15 e R=0.3. Também foram analisados os efeitos da aplicação de blocos de amplitude variável, aplicados de acordo com um espectro de carga predefinido. Este estudo foi complementado com resultados de ensaios realizados em amplitude constante, os quais serviram para os cálculos de acumulação de dano. Em geral, o carregamento por blocos demonstra que o dano provocado por fadiga apresenta uma evolução não linear com o número de ciclos de carga, sendo esta evolução de dano função da sequência de carga, do nível de tensão e da razão de tensões. Geralmente, a aplicação de carregamentos de amplitude variável indicia um importante efeito da razão de tensões na acumulação de dano por fadiga. Particularmente, é observado um efeito claro da sequência de carga nos carregamentos compostos por dois blocos de carga, com razão de tensões nula. Para as outras razões de tensões (altas), os efeitos da sequência de carga são praticamente desprezáveis; contudo a evolução de dano continua a ser não linear.

Micro-and macro-analysis of the fatigue crack growth in pearlitic steels

This paper deals with the influence of the manufacturing process on the fatigue behaviour of pearlitic steels with different degrees of cold drawing. The analysis is focussed on the region II (Paris) of the fatigue behaviour in which da/dN=C (∆K)m, measuring the constants (C and m) for the different degrees of drawing. From the engineering point of view, the manufacturing process by cold drawing improves the fatigue behaviour of the steels, since the fatigue crack growth rate decreases as the strain hardening level in the material increases. In particular, the coefficient m (slope of the Paris laws) remains almost constant and independent of the drawing degree, whereas the constant C decreases as the drawing degree rises. The paper focuses on the relationship between the pearlitic microstructure of the steels (progressively oriented as a consequence of the manufacturing process by cold drawing) and the macroscopic fatigue behaviour. It is seen that the fatigue crack growth path presents certain roughness at the microscopic level, such a roughness being related to the pearlitic colony boundaries more than to the ferrite/cementite lamellae interfaces.

Este artigo trata da influencia do processo de fabricaçao no comportamento da fatiga de aços perliticos com graus diferentes de trefilado. A análise é centrada na região II (Paris) do comportamento da fatiga na que da/dN=C(∆K)m, medindo as constantes (C e m) para os diferentes graus do proceso de fabricaçao. Desde o ponto da vista da engenharia, o processo de fabricaçao polo desenho en frio melhora o comportamento da fatiga dos aços, dende que a taxa de crescimento da fissura da fatiga diminui enquanto aumenta o nível de endurescemento por deformaçao do material. No detalhe, o coeficiente m (inclinação das leis de Paris) permanesce quase constante e independente do grau de trefilado, mentras que a constante C diminui enquanto o grau de trefilado se levanta. O artigo focalizase no relacionamento entre a microstructura perlitica dos aços (orientados progressivamente em consequência do processo de fabricaçao pelo desenho en frio) e o comportamento macroscópico da fatiga. Vê-se que o trajeto do crescimento da fissura da fatiga apresenta determinada aspereza no nível microscópico, tal aspereza está sendo relacionada aos limites da colônia perlítica mais do que puideran influir as intercaras das lamellas de ferrita/cementita.

Characterisation of stress concentration features in the a+ b titanium alloys

The paper explores the impact of texture in the titanium alloy Ti-6-4 on the fatigue response of plain and notched test-pieces. In particular it examines the behaviour of specimens orientated parallel (0 degrees) and perpendicular (90 degrees) to the rolling direction in uni-directionally rolled plate. The measurements clearly demonstrate the importance of basal plane orientation and available basal and prismatic slip systems in determining the observed fatigue lives. For this publication, notch effects are related to a round cylindrical geometry (RCN) with Kt = 1.4. Differences between strain control plain specimens and notches are noted. These are explained through the application of critical strain lifing methods such as Coffin-Manson and Walker. Differences induced by high R values are highlighted.

Este artigo explora o impacto da textura da liga Ti-6-4 no comportamento à fadiga de provetes lisos e entalhados. Em particular, é examinado o comportamento de provetes com orientação paralela (0o) e perpendicular (90º) àdirecção de laminagem de material laminado unidireccional. As medições demonstram claramente a importância da orientação do plano basal e sistemas de escorregamento disponíveis na vida à fadiga. Para este artigo, efeitos de entalheforam estudados com uma geometria cilíndrica (RCN) com Kt = 1.4. Diferenças entre provetes entalhados e nãoentalhados testados com controlo de deformação são registadas e explicadas pela aplicação de métodos de previsão de vidabaseados na deformação, como Coffin-Manson e Walker. As diferenças resultantes de valores elevados de R sãosublinhadas.

Obtaining the cohesive laws of a trapezoidal mixed-mode damage model using an inverse method

The use of cohesive damage models in fracture problems has become frequent in recent years. The objective of this work is to present a trapezoidal mixed-mode cohesive damage model appropriate for ductile adhesives in adhesively bonded joints. The proposed model replaces the solid finite elements traditionally used to simulate the adhesive layer, thus reducing the computational effort. It is known that the adhesive bulk properties are not adequate to characterize these laws. In this work, Double Cantilever Beam and End Notched Flexure tests are performed to obtain the cohesive laws of the adhesive Araldite® 2015 in pure modes I and II, respectively. The fracture energies are obtained using a new data reduction scheme based on the crack equivalent concept. The remaining cohesive parameters are obtained with an inverse method. It was verified that the numerical R-curves agree with the experimental ones.

A utilização de modelos de dano coesivos para a modelação de problemas de fractura tornou-se frequente nos últimos anos. O objectivo deste trabalho é apresentar um modelo de dano coesivo trapezoidal em modo misto adequado para adesivos dúcteis em juntas adesivas. O modelo proposto substitui os elementos finitos sólidos usados tradicionalmente para simular a camada de adesivo, reduzindo assim o esforço computacional. As propriedades medidas em provetes de adesivo maciço não são representativas do comportamento do adesivo quando utilizado na forma de camada muito fina. Assim, para caracterizar as leis coesivas do adesivo Araldite® 2015 em modos puros I e II realizaram-se ensaios Double Cantilever Beam e End Notched Flexure, respectivamente. As tenacidades são obtidas através de um método baseado no conceito da fenda equivalente. Os restantes parâmetros coesivos são obtidos por um método inverso. Verificou-se que as curvas R numéricas apresentam uma boa correlação com as experimentais.

Fatigue behaviour of a structural steel under non-proportional multiaxial loading

This paper reports experimental studies on the fatigue behaviour of 42CrMo4 steel under non-proportional loading conditions. Although the 42CrMo4 steel is widely used in complex stressed components such as shafts, etc, most of the studies in the literature were on the uni-axial fatigue behaviour of this steel. The objective of this work is to study the mechanical behaviour of the steel 42CrMo4 under specified multiaxial fatigue loading conditions, which will allow a better understanding of the ratio between normal and shear stress, and validate the fatigue damage models. A series of tests were carried out in load control for several multiaxial fatigue loading paths. Experimental results show that the ratio between normal stress and shear stress components has a strong influence to fatigue damage and consequently to fatigue life. Multiaxial fatigue damage models based on the shear stress amplitude are applied to correlate the test results, improved correlation results are shown.

Este artigo apresenta um estudo sobre o comportamento em fadiga multiaxial do aço 42CrMo4, sob condições de carregamento não proporcional. Embora o aço 42CrMo4 seja utilizado em muitos componentes mecânicos, a maioria dos estudos referenciados na literatura apenas referem o seu comportamento em fadiga uniaxial. O objectivo deste trabalho é estudar o comportamento mecânico do aço 42CrMo4 sob condições especificas de carregamento, as quais permitirão um melhor entendimento do rácio entre a componente da tensão normal e da tensão de corte e consequentemente validar os modelos de dano à fadiga. Foram realizados vários testes, em controlo de carga, para diferentes trajectórias de carregamento. Os resultados experimentais mostram que o rácio entre a componente da tensão normal e da tensão de corte tem uma forte influência no dano à fadiga e consequentemente na vida à fadiga. São utilizados modelos de dano à fadiga multiaxial, baseados na amplitude da tensão de corte, para correlacionar com os resultados experimentais. Com o novo rácio obtém-se uma melhor correlação dos resultados.

Effect of relative displacement and normal contact load on fretting fatigue behaviour of ti6al4v alloy

The main objective of this work is to study the fretting fatigue behaviour of Ti6Al4V in contact with a dissimilar mating material 34CrNiMo6 steel, using a sphere-on-plane configuration. There are a significant number of parameters that may affect fretting fatigue. Relative displacement amplitude and normal contact load are usually considered the most relevant ones. Thus, the role of relative displacement amplitude and normal load on fretting fatigue, life is presented. When the Ti6Al4V alloy is subjected to fretting fatigue the fatigue life drastically reduces as compared to the traditional plain fatigue case. In order to study this detrimental effect of fatigue life tests of both plain fatigue and fretting fatigue were carried out, highlighting the synergic effect between fatigue and fretting. Three different normal loads were used in the experiments. The relative displacement amplitude was changed by varying the tangential load. The fretting fatigue experiments were carried out in a fretting fatigue apparatus assembled on a servo hydraulic fatigue testing machine. In addition to the experimental work a nonlinear analysis using ABAQUS was carried out to determine the influence of the normal load on fretting fatigue behaviour. It was verified the strong dependence of fretting fatigue life on the two studied variables, namely the relative displacement amplitude and the normal contact load.

O principal objectivo deste trabalho é o estudo do comportamento da fadiga com fretting da liga de Ti6Al4V em contacto com uma liga de aço 34CrNiMo6, utilizando a configuração esfera - plano. Há um número significativo de parâmetros que podem afectar a vida de fadiga com fretting. A amplitude de deslocamento relativo e a carga normal do contacto são considerados parâmetros mais relevantes. Quando a liga de Ti6Al4V é submetida a fadiga com fretting a vida da fadiga reduz drasticamente em comparação com o caso de fadiga tradicional. O objectivo deste estudo foi observar o efeito negativo do fretting na vida de fadiga e para isso foram realizados testes tradicionais de fadiga e testes de fadiga com fretting. Há que realçar os efeitos sinergéticos entre a fadiga e o fretting. Além do trabalho experimental foi realizada uma análise não linear com Abaqus para determinar a influencia da carga normal no comportamento da fadiga com fretting. Foi verificada a forte dependência da vida de fadiga com fretting com as duas variáveis estudadas, nomeadamente a amplitude de deslocamento relativo e a carga normal de contacto.

Fatigue life prediction of shot peened components

Shot peening is one of the most effective surface treatments in order to prevent crack initiation and early crack propagation. Part of the studies to determine the fatigue performance of shot peening are based on experimental tests. Almost no work is published related with the prediction of shot peening behaviour. The present paper evaluates the ability of the current methodologies, used to predict fatigue life, on components treated with shot peening. The Finite Element Method was used to determine the stress, strain and strain energy due to shot peening of some specimens tested experimentally. These results were used to apply methods to predict the total fatigue life. A final discussion is presented about the ability of the methods used, to predict the fatigue life of the specimens tested experimentally.

A grenalhagem é um dos tratamentos mais eficientes na prevenção da iniciação de fendas por fadiga e na fase inicial de propagação. Grande parte dos estudos sobre o feito da grenalhagem no comportamento à fadiga são experimentais. Praticamente não existem trabalhos publicados relativos ao estudo de previsão do comportamento da grenalhagem. Neste trabalho são usados modelos tradicionais, de determinação da vida à fadiga, em componentes grenalhados. O método dos elementos finitos é usado para determinar a tensão, extensão e energia de deformação de provetes grenalhados que foram testados experimentalmente. Estes resultados são usados em modelos de previsão da vida total à fadiga. É apresentada uma discussão sobre a capacidade dos modelos usados na previsão de vida à fadiga de provetes que foram testados experimentalmente.

Analytical and numerical modelling of plasticity-induced fatigue crack closure near cold-expanded holes in aircraft structures

Over the last few years considerable effort has been put into the improvement of the fatigue life of aircraft structures. Aircraft experience complex loading conditions during flight and safe operation requires understanding of the underlying mechanics of fatigue crack growth. One of the outcomes of the research carried out over the last thirty years is that fatigue cracks in metals are partially closed over part of a load cycle. This phenomenon is thought by many researchers to be the key to understanding the effect of non-uniform loading. Understanding crack closure is particularly challenging when initial residual stress fields (e.g. due to manufacturing or mechanical treatment) need to be taken into account. For example, rivet holes are a critical area for fatigue and they are usually cold expanded to create a beneficial residual stress field and to improve the fatigue performance. This paper describes the development of a simple analytical model for plasticity-induced fatigue crack closure taking into account the residual stresses due to cold expansion of rivet holes. The model is compared to a more sophisticated finite element analysis of plasticity-induced crack closure. The results show that the residual stress field has a strong influence on the closure behaviour and therefore on fatigue crack propagation. The potential for the application of this model to real components is assessed by modelling some experiments taken from the literature. The model results agree with the experimental findings for the location of fatigue crack initiation. Residual stresses from FE analyses of cold expansion were used as an input to the analytical closure model, which successfully predicted crack propagation from cold-expanded holes. The results obtained show that this approach has potential for use as a life prediction technique in design.

Ao longo dos últimos anos tem sido feito um esforço considerável para melhorar a resistência estrutural dos aviões a fenómenos de fadiga. Durante um vôo os aviões sofrem condições de carga complexas, nestas condições para que o seu funcionamento seja seguro é necessário que se percebam os mecanismos fundamentais que governam a propagação de fendas de fadiga. Um dos resultados da investigação efectuada ao longo dos últimos trinta anos indica que em metais as fendas estão parcialmente fechadas durante parte de um ciclo de carga. Muitos investigadores pensam que este fenómeno é a chave para se perceber o efeito de carregamentos não uniformes. O fenómeno de crack closure é particularmente interessante quando se tem em consideração a existência de tensões residuais (ex. devidas a processos de produção ou tratamentos mecânico). Como exemplo, os furos de rebites são zonas críticas propícias a fenómenos de fadiga e são usualmente expandidos para criar um campo de tensões residuais para melhorar a sua resistência à fadiga. Este artigo descreve o desenvolvimento de um modelo analítico simples para quantificar o fenómeno de crack closure induzido por plasticidade tendo em consideração tensões residuais devidas à expansão de furos de rebites. O modelo é comparado com análises de elementos finitos mais sofisticadas. Os resultados mostram que o campo de tensões residuais tem uma influência sigificativa no fenémeno de crack closure e consequentemente na propagação de fendas de fadiga. A potencial aplicabilidade deste modelo em componentes reais é avaliado através da modelação de trabalhos experimentais publicados na literatura. Os resultados obtidos com o modelo analítico estão em concordância com as observações experimentais no que diz respeito às zonas de inciação das fendas. Os campos de tensões residuais obtidos através de análises por elementos finitos foram usados como dados de entrada no modelo analítico de crack closure, que previu com sucesso a propagação de fendas de fadiga a partir de furos expandidos. Os resultados mostram que esta técnica tem potencial para ser usado em gabinetes de projecto.

Residual stress measurement using the contour and the sectioning methods in a mig weld: Effects on the stress intensity factor

The longitudinal residual stress distribution in a 6082-T6 aluminum alloy MIG butt welded thin plate was determined using the contour method. Although several geometries have been successfully studied with the contour method before, the authors are not aware of previous attempts to use this method in a long narrow section as in the present case. Validation was done using literature data including the CEGB-R6 procedure as well as experimental plate surface measurements obtained using the established sectioning technique. The residual stress measurement was used in fatigue crack growth simulations in order to compare the fatigue behavior of the plate with and without residual stress.

A distribuição longitudinal de tensões residuais de uma placa fina em alumínio 6082-T6, soldada topo-a-topo por arco eléctrico, foi determinada com o método contour. Mesmo tendo esta técnica sido aplicada a várias geometrias distintas, os autores desconhecem a sua aplicação a uma placa de secção fina como a apresentada no presente trabalho. A validação dos resultados foi efectuada através de resultados obtidos na literatura, incluindo o procedimento CEGB-R6, e também através do já conhecido método experimental de seccionamento. A medição de tensões residuais foi utilizada na previsão do crescimento de uma fenda de fadiga, com o intuito de comparar o comportamento ao de uma fenda a crescer na mesma placa livre de tensões residuais.

Influence of graphite nodules on fatigue limit of nodular cast iron

This paper describes the fatigue behaviour of a nodular cast iron dispersed within martensitic matrix microstructure. Cyclic fatigue tests have been performed on nodular cast irons. The effects of both the microstructure and the graphite nodules geometrical features such as shape and size, on the fatigue behaviour of nodular cast iron were studied. The rule of size and position of graphite nodules on the fatigue limit has been established. On this study is verified if the (square root of the maximum graphite nodule area projected onto the principal stress plane) parameter model proposed by Murakami, quantitatively predicts with accuracy the fatigue life of the nodular cast iron. In this paper, a high strength nodular cast iron, with rupture strength of about 1.300 MPa and Young modulus of about 165 GPa has been used. Comparison between experimental results and parameter model has been assessed.

Este artigo descreve o comportamento á fadiga do ferro fundido nodular com matriz martensitica. Testes de fadiga foram realizados em amostras de ferro fundido nodular. Foi estudado o efeito da microestrutura e dos nódulos de grafite (forma e tamanho), no comportamento á fadiga do ferro fundido nodular. Uma relação entre tensão limite de fadiga, tamanho e posição dos nódulos de grafite foi estabelecida. Neste estudo foi verificado se o modelo proposto por Murakami, (raiz quadrada da máxima área projectada dos nódulos de grafite no principal plano de tensão) prevê com exactidão a tensão limite de fadiga. Neste artigo foi utilizado um ferro fundido nodular com tensão limite de rotura de 1.300 MPa e modulo de elasticidade de 165 GPa. Uma comparação entre resultados experimentais e o modelo proposto por Murakami, foi efectuada.

Steel fasteners failure by hydrogen embrittlement

This paper details the analysis carried out on two failed bolts to find out the reason for failure, using macrofractography, optical metallography and scanning electron microscope (SEM) techniques. Usual measures to prevent such failures are also referred. Similar fractures occurred at the head to shank transition of the bolts during fastening, or afterwards, while waiting for delivery. Since failure occurred in a region where foreseen stresses were quite below yield strength and there was no evidence of mechanical deformation, embrittlement was suspected. SEM observation of the fracture surface crack initiation region showed areas of intergranular crack propagation indicating brittleness, and higher magnification observation showed hydrogen embrittlement features. The bolts, which microstructure was typically that of hardened and tempered steel, had been zinc electroplated and it is well known that hydrogen release concurs with zinc deposition. Moreover, the diffusion and accumulation of the hydrogen in metals is favoured by cold working, as is the case of the head to shank transition region.

Este artigo apresenta a análise efectuada em dois parafusos fracturados, com o objectivo de determinar as causas da fractura, usando técnicas de macrofractografia, metalografia óptica e microscopia electrónica de varrimento. Também são referidas as precauções habituais para evitar este tipo de falha. As fracturas, semelhantes entre si, ocorreram na transição entre a cabeça e o corpo do parafuso, durante ou após a operação de aperto. Uma vez que as fracturas apareceram numa região em que as tensões previstas estariam bastante abaixo da tensão de cedência e não se observava deformação mecânica, a fragilização foi desde logo uma possível suspeita. A observação da superfície na zona de iniciação da fractura, por microscopia electrónica de varrimento, revelou zonas de propagação intergranular de fissuras, apontando para uma fragilização, sendo possível observar aspectos típicos de fragilização por hidrogénio a ampliações mais elevadas. Os parafusos, cuja microestrutura correspondia à de um aço temperado e revenido, tinham sofrido um tratamento superficial de zincagem. Sabe-se que, durante estes tratamentos, a libertação de hidrogénio compete com a deposição do zinco e, além disso, a difusão e acumulação do hidrogénio nos metais é favorecida pela deformação a frio, o que é precisamente o caso da zona de transição cabeça/corpo de um parafuso.

Structural details in lightweight aluminium crafts: Ways of improving structural reliability by applying safe life vs. fail safe principles

This paper presents the results of investigations into static and dynamic properties of structural details of lightweight aluminium crafts, made of 5000 and 6000 aluminium alloys. Material and structural analyses were performed using both finite element analysis and intensive destructive and non-destructive essays on specimens representing typical structural details of lightweight crafts. The effects of alloy combination, welding process, geometries non-linearities and stress concentrations on static mechanical properties and fatigue lives of the as designed and the as built structural details are evaluated and discussed, with the aim of improving the design and production under safe life vs. fail safe principles.

Este artigo apresenta os resultados de investigações preliminares sobre propriedades estáticas e dinâmicas de detalhes estruturais em lanchas rápidas, de estrutura leve, produzidas em ligas de alumínio das séries 5000 e 6000. Foram realizadas análises estruturais usando o método dos Elementos Finitos e ensaios destrutivos e não-destrutivos em provetes representando detalhes estruturais típicos de lanchas rápidas. Os efeitos da combinação de ligas, do processo de soldadura, da geometria e da concentração de tensões nas propriedades estáticas e de vida à fadiga de detalhes, na configuração como projectado e como produzido, foram avaliados e discutidos, com o intuito de melhorar o projecto e a produção sob os princípios de vida segura vs. falha segura.