Validação experimental de propostas de flexibilidade elástica aplicáveis a espécimes de fratura C (T)

Abstract

O projeto e a manutenção de estruturas de alto desempenho demandam estudos de integridade estrutural considerando a presença de defeitos (trincas), sendo por isso necessário determinar as propriedades mecânicas de resistência à fadiga e à fratura por meio de ensaios experimentais (p. ex.: curvas J-R ou da/dN vs ?K), sendo tais experimentos altamente dependentes da medição instantânea do tamanho da trinca durante a sua propagação. Essa medição pode se dar empregando métodos elétricos, ópticos ou com base na variação da flexibilidade (inverso da rigidez) em função da variação do tamanho do defeito, sendo esse último método (denominado de flexibilidade elástica no descarregamento) o mais utilizado para tal fim. Nesse cenário, o presente trabalho tem como foco e objetivo validar experimentalmente propostas numéricas recentes de soluções de flexibilidade elástica que descrevem o tamanho instantâneo de uma trinca em corpos de prova de geometria C(T) incorporando efeitos tridimensionais. Para atingir essa meta, corpos de prova de geometria C(T) foram usinados conforme as normas vigentes (ASTM E1820 (2013) e ASTM E647 (2013)) e testados na máquina de ensaio universal MTS 810.25, no CLM-FEI, sendo que após os ensaios os dados obtidos foram convertidos em valores de flexibilidade elástica normalizada (µ) a fim de se determinar o tamanho de trinca (a) com base nos novos equacionamentos propostos e pelas normas correntes. As previsões de tamanho de trinca geradas pelas propostas recentes, assim como pelas normas vigentes, foram comparadas com medições reais da profundidade de trinca nas amostras. Os resultados obtidos com a metodologia empregada mostram a validade dos equacionamentos, tanto das normas correntes quanto de Moreira (2014). Quando testados apenas com entalhe, os resultados permitiram validar os referidos equacionamentos. Quando os espécimes foram pré-trincados, desvios maiores na previsão de tamanho de trinca foram percebidos por conta de fenômenos causados por fechamento de trinca induzido por plasticidade residual. Este cenário, ao mesmo tempo em que valoriza as equações correntes e recentemente propostas, incentiva a continuidade dos estudos de flexibilidade elástica para a compensação dos fenômenos evidenciados.

The design and maintenance of high performance structures demand structural integrity assessments considering the presence of defects (cracks), which demands accurate mechanical properties regarding fatigue and fracture. These mechanical properties can be characterized, for example, through J-R or da/dN vs ?K curves, however, such measurements are highly dependent on the instantaneous measurement of crack size during the experiments. These measurements may be conducted through electrical, optical or compliance (stiffness inverse) techniques. The last method (interest of this work and called elastic unloading compliance) is based on the compliance increase caused by crack growth. In this scenario, this work focuses on the experimental validation of recent numerical proposals of elastic compliance solutions by Moreira (2014) that predicts the instantaneous crack size on C(T) specimens being tested incorporating three-dimensional effects. To achieve this goal, C(T) specimens were machined according to current standards (ASTM E1820 (2013) and ASTM E647 (2013)) and tested in a universal testing machine MTS 810.25 from the CLM-FEI. Based on load-displacement records, elastically normalized compliances (µ) could be computed and instantaneous crack sizes (a) estimated through the current standards and recent numerical proposals. The real experimental results are then compared to values predicted by current standards and from FEM numerical simulations. The available solutions were very accurate when applied to notched samples, but prediction errors increased when applied to precracked specimens, due to crack closure effects. The obtained results increase the knowledge about the applicability and limitations of the numerical solutions of unloading compliance, while at the same time motivate further research efforts to include corrections for closure and other phenomena.