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Integrating crack geometry, specimen thickness and stress ratio effects in fatigue crack growth studies: closing the gap between laboratory and real c

Giovanna Calvín García


20/12/2023

  • ZUZENDARIAK: Haritz Zabala Rodríguez eta Miguel Muñiz Calvente
  • UNIBERTSITATEA: Universidad de Oviedo

LABURPENA 

(Gaztelaniaz)

La industrialización ha transformado la sociedad con la introducción de la mecanización y nuevas tecnologías, generando fábricas, empleos y cambios en el estilo de vida. Sin embargo, este progreso también trajo consigo desafíos en cuanto a la integridad estructural debido a la intensificación de la producción y el extenso uso de maquinaria. Los materiales utilizados para fabricar los componentes contenían defectos que evolucionaban en grietas de mayor tamaño, poniendo en riesgo la seguridad humana y provocando pérdidas económicas, o incluso fallos catastróficos.

En la actualidad, este problema sigue latente y se estima que la mayor parte de los fallos que ocurren en la industria se deben a problemas derivados de la fatiga de los materiales. Por este motivo, resulta de gran importancia evaluar cautelosamente la integridad estructural de componentes críticos o estructuras que presentan defectos sometidos a cargas cíclicas variante en el tiempo. En este contexto, predecir el crecimiento de grietas por fatiga (CGF) podría ser la solución para evitar dichos fallos catastróficos ya que permite tomar decisiones sobre reparaciones/sustituciones, o programar inspecciones. Sin embargo, realizar una predicción de CGF simple y fiable no es una tarea fácil. Para lograrlo es esencial seleccionar adecuadamente el parámetro de fractura que gobierna la propagación de la grieta y llevar a cabo una caracterización adecuada de la ley de crecimiento de grietas. El éxito de esta predicción está condicionado por la correcta consideración de factores como la geometría, las condiciones de carga o el comportamiento del material.

Los materiales metálicos a menudo pueden verse afectados por deformaciones plásticas que favorecen la aparición de fenómenos como el cierre de grieta inducido por plasticidad (PICC, por sus siglas en inglés). El PICC produce una disminución de la velocidad del crecimiento de la grieta debido al contacto entre las superficies de la grieta. Por eso, debe incluirse en la caracterización de la ley de crecimiento y en la predicción de vida útil del componente. En la actualidad, el método más común para determinarlo es el propuesto por Newman, a través de la relación entre la carga de apertura de la grieta y la carga máxima aplicada (Pop/Pmax). A su vez, este parámetro está incluido en el parámetro de fractura más usado en la actualidad para evaluar el CGF en componente metálicos conocido como el rango efectivo del factor de intensidad de tensiones, ΔKeff. En la literatura se pueden encontrar diferentes enfoques analíticos, numéricos o experimentales para determinarlo.

Esta tesis persigue enriquecer la transferibilidad de las curvas CGF determinadas en condiciones de laboratorio a predicciones de crecimiento en componentes reales, mediante la integración del efecto de la geometría de la grieta, el espesor de la probeta y el ratio de tensiones en el cálculo de los parámetros de fractura, ΔKeff. Para ello, se evalúan críticamente los métodos disponibles en literatura para calcular los parámetros que componen ΔKeff (Kmax y Pop/Pmax), poniendo especial atención a las hipótesis asumidas. Ante las limitaciones encontradas, se propone un procedimiento basado en el uso de modelos numéricos tridimensionales avanzados, capaces de capturar con mayor precisión el PICC.

Los resultados de esta investigación i) resaltan la importancia de considerar la geometría de la grieta para el cálculo de las curvas de CGF tridimensionalmente, ii) muestran que mediante una caracterización basada en métodos estandarizados (ASTM) no puede considerarse una propiedad del material, ya que está influenciada por el espesor de la probeta, iii) muestran que se puede obtener una caracterización de la ley de crecimiento de grieta independiente del espesor de la probeta mediante los métodos desarrollados, iv) muestran las incongruencias derivadas del uso del método del desplazamiento nodal para el cálculo del PICC bajo ratios de tensiones negativos y se propone un procedimiento para solucionarlo.

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