No trabalho estuda-se o crescimento de trincas em carga monotônica e cíclica nos casos de materiais quase-frágeis, introduzindo uma lei de dano cíclico. Revisam-se conceitos sobre modelos coesivos, leis de carga-descarga, leis de evolução de dano e efeito de escala. É seguido o modelo coesivo irreversível proposto por Wang e Siegmund (2006). Em particular se dá ênfase aos efeitos de escala não estatísticos. O modelo de zona coesiva irreversível apresenta uma formulação de dano e considera carregamento em fadiga. Quando o tamanho estrutural é reduzido (ou as trinca se extendem), a fratura por fadiga não mais ocorre por propagação de trinca, mas sim por uma decoesão uniforme. O objetivo desde trabalho é implementar este modelo e verificar sua potencialidade na captura de efeitos de escala, comparando com experimentos e dados disponíveis na literatura. / At present work is intended to study crack growth in cyclic and monotonic loading in the case of quasi-brittle materials, introducing a damage mechanism, is reviewed concepts of cohesive models, loading-unloading laws, damage evolution laws and effect of scale. The irreversible cohesive zone model proposed by Wang e Siegmund (2006) is followed. In particular emphasizes in the not statistical size effects. The irreversible cohesive zone model, presents a damage formulation and considers fatigue loading. It is demonstrated in this study that, when the structure size is reduced (or extend cracks), the fatigue fracture no longer occurs by crack propagation, then occurs by uniform decohesion . The objetive of this work is implementing this model and verify its capability to capture the scale effect compared with experiments and data available in literature.

Esse trabalho teve como objetivo analisar a influência da temperatura de revenimento na tenacidade à fratura dinâmica e na tenacidade à fratura assistida pelo ambiente de um aço inoxidável martensítico AISI 420. Para realização do tratamento térmico de revenimento as temperaturas de 380 e 540ºC foram selecionadas, sendo que esta última situa-se dentro da faixa de fragilização ao revenido desse material. Todos os ensaios reproduzidos neste trabalho foram realizados à temperatura ambiente utilizando corpos de prova da mecânica da fratura do tipo SE(B). As análises dos resultados obtidos mostraram uma grande susceptibilidade desse aço à fragilização ao revenido, inclusive com a mudança dos micromecanismos de fratura envolvidos no processo de falha, quando exposto ao ambiente de água do mar sintética sob proteção catódica de - 1100mVECS e a condições dinâmicas de carregamento, onde observou-se, respectivamente, uma redução na ordem de 60% e 30% do valor de tenacidade à fratura do material. / This study aimed to analyze the influence of tempering temperature on dynamic toughness and environment toughness of a stainless steel AISI 420. To carry out this study the tempering temperatures of 380 and 540ºC were selected, with the last one being within the range of the embrittlement of this material. All tests reproduced in this work were performed at room temperature on specimens of the mechanical fracture SE (B). The analysis of the obtained results showed a great susceptibility of this steel to the tempering embrittlement, with the change of fracture micromechanisms involved in the failure process, when exposed to the environment of synthetic sea water under cathodic protection of -1100mVECS and to dynamic conditions of loading, where a reduction in the order of 60% and 30% of the fracture toughness value of the material was observed, respectively.

O aparecimento e a propagação de fissuras nos elementos estruturais de uma ponte de aço podem ser resultantes de flutuações de carregamento. Os elementos soldados são suscetíveis ao aparecimento de descontinuidades internas localizadas nas soldas e são bem sensíveis às variações de tensões. A consideração da redistribuição dos esforços entre os elementos da estrutura têm importância relevante no planejamento do custo de recuperação. Desenvolve-se um modelo de análise em vigas de pontes de aço para simulação de abertura de fissuras ocasionadas por carregamento cíclico. Esse modelo considera duas alternativas possíveis para governar a propagação da fissura. A fase inicial é baseada na formulação da mecânica da fratura linear elástica a qual é geralmente utilizada na análise de fissuras devido à fadiga em estruturas de aço. O modelo é expandido para consideração dos conceitos de mecânica da fratura elasto-plástico. Durante inspeções de pontes de aço é possível aplicar uma técnica não destrutiva na determinação de variações de freqüências naturais e com esse artifício auxiliar na localização e verificação da amplitude de fissuras. A diminuição da rigidez do elemento estrutural é obtida através de uma técnica inversa. São desenvolvidos algoritmos correspondentes aos modelos simplificados para implementação em microcomputadores, sendo os resultados numéricos obtidos, comparados com as soluções calculadas através de um código de cálculo largamente utilizado em análises numéricas. / Crack formation and growth in steel bridge structural elements may be due to loading oscillalions. The welded elements are liable to internal discontinuities along welded joints and sensible to stress variations. The effort redistribution among the structural elements are very important to evaluate repairing costs. In this work a steel bridge beam model has been proposed to simulate crack openings due to cyclic loads. Two possibilities have been considered to model crack propagation. The initial phase is based on the linear fracture mechanics which is often adopted to analyse fracture formation in steel structure due to fatigue. The model is extended to incorporate elastoplastic fracture mechanic concepts. For steel bridge inspections, it is possible to adopt a non destructive technique to quantify the structure eigenvalue variation that will be used to help the localisation and size evaluation of the grown fracture. The structural element stiffness reduction is obtained by inverse analysis. The corresponding numerical algorithms to be implemented in microcomputers are proposed for those simplified models. Numerical results obtained by applying those developed codes are compared with the solutions achieved by using other well known computer software.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade UnB Gama, Programa de Pós-Graduação em Integridade de Materiais da Engenharia, 2018. / Este trabalho avaliou as condições de propagação de trincas que emanam de entalhes. Nesse sentido, foram considerados para análise os formatos de entalhe em V, entalhe em U e uma placa com furo central, com raios de concordância variando entre 0,12 a 4 mm. Uma rotina de simulação numérica de elementos finitos capaz de calcular o fator de intensidade de tensão foi desenvolvida. Para análise da propagação ou parada do crescimento da trinca, as condições para cálculo de foram extraídas de importantes artigos utilizados como referências: Du Quesnay (1986), Susmel e Taylor (2007) e Tanaka (1983). Para determinar o tamanho característico da trinca, foi utilizado o método da teoria da distância crítica (especificamente, o método do ponto). Após obter numericamente o valor de , comparou-se com o limiar de propagação do material ℎ, e se observou a propagação da trinca em 33% dos entalhes com raios maiores, dos quais 17% ficaram na iminência de propagação. No entanto, para os raios menores, as trincas não se propagaram. O método do ponto mostrou-se conservador e as condições impostas para cálculo de foram 60% menores em comparação ao valor de ℎ. / This work evaluated the propagation conditions of a crack emanating from notches. In this perspective, were considered for analysis the V and U notch formats and a central hole plate with concordance radius from 0.12 to 4 mm. A numerical simulation routine of finite elements capable to calculate the stress intensity factor KI was developed. The circumstances of propagation or stop of the crack growth were analyzed and the conditions for calculating KI were extracted from important references articles: Du Quesnay (1986), Susmel and Taylor (2007) and Tanaka (1983). The theory of critical distances (specifically the point method) was used in order to determine the characteristic size of the crack. After the numerically obtaining of the KI value we compared the material propagation threshold Kth, the crack propagation was observed in 33% of the larger radius notches, of which 17% will be in the imminence of propagation. Conversely, for the smaller radius, the cracks did not spread. The point method was shown to be conservative and the conditions imposed for KI calculation were 60% lower compared to the value of Kth.

Desenvolvem-se a formulação do Método dos Elementos de Contorno e correspondente algoritmo (para implementação em microcomputador) para a análise de propagação de fraturas em domínios bidimensionais. São utilizados elementos lineares isoparamétricos, tanto para discretizar o contorno quanto para simular a fratura. Os elementos de fratura são descontínuos. A formulação é baseada em equações integrais de tensões e de deslocamentos, onde o termo que considera tensões iniciais concentradas na linha de fratura é formulado a partir da definição de dipolos. O critério adotado é o modelo de fratura coesiva. Os termos singulares e hiper-singulares da formulação são tratados analiticamente e os termos quase-singulares são calculados através de um esquema numérico baseado na utilização de sub-elementos. Os valores dos dipolos são estimados ponto a ponto. Ao longo das fraturas, o valor máximo da tensão normal de tração permite definir novos elementos. As tensões de cisalhamento são removidas para manter a direção principal durante o processo. / The Boundary Element Method formulation and corresponding algorithrn (for microcomputer implementation) are developed for crack growth analysis in two-dimensional domains. Linear isoparametric elements are used to discretize both boundary and crack path. Fracture elements are assumed to be discontinuous. The formulation is based on stress and displacement integral equations, where the term that takes into account initial stresses concentrated along fracture line is formulated from dipoles definition. The coesive fracture rnodel is the criterium adopted. Singular and hipersingular formulation terms are anallitically treated and quasi-singular terms are computed by a numerical scheme based on element subdivision. Dipole values are estirnated point by point. Along fractures, the maximum normal tensile strenght is used to define new elements. Shear stresses are also removed to maintain the principal direction during the process.

Orientador: Marcelo Augusto Santos Torres / Banca: Antonio Jorge Abdalla / Banca: Carlos Antonio Reis Pereira Baptista / Resumo: Este trabalho tem por finalidade avaliar o efeito do processo de shot peening na taxa de propagação de uma trinca por fadiga já existente. O shot peening é um processo de trabalho a frio, que consiste no jateamento repetitivo com microesferas de aço, cerâmica ou vidro, na superfície de uma peça, produzindo encruamento e induzindo tensões residuais compressivas nas superfícies tratadas. Devido a isso, o shot peening tem-se mostrado um método bastante eficiente para dificultar o início e a propagação de uma trinca por fadiga a partir da superfície do material, melhorando a sua resistência à fadiga. Contudo, estudos de seu efeito sobre uma trinca já existente são pouco conhecidos. Corpos de prova do tipo CT, para a liga aeronáutica de alumínio 2024 - T3, foram inicialmente trincados por fadiga e, em seguida, submetidos ao processo de shot peening em ambos os lados. Após o tratamento, os ensaios foram reiniciados nas mesmas condições. Os ensaios foram realizados com amplitude constante em duas espessuras de corpos de prova e duas razões de carga, R, para analisar possíveis efeitos do estado de tensão na ponta da trinca nos resultados. Duas intensidades de shot peening foram utilizadas para cada valor de R ou espessura analisada. Também foram estudadas duas regiões de aplicação do processo de shot peening (atrás e em volta da ponta da trinca) em dois tamanhos de trincas. Curvas comparativas do comportamento da taxa de propagação de trincas por fadiga, mostrando a influência de cada um dos parâmetros descritos, são apresentadas, e suas diferenças, discutidas. Os resultados encontrados mostram que o processo de shot peening, quando realizado em um tamanho de trinca em pleno estágio II de propagação, apresenta maior influência quando aplicado atrás da ponta da trinca, com menor intensidade, em corpos de prova em estado ... (Resumo Completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This work focuses to evaluate the effect of the shot peening process in the propagation rate of a fatigue crack already existing. The shot peening is a cold working process, which consists of repetitive blasting with steel shot, ceramic or glass, the surface of a workpiece, producing hardening and inducing compressive residual stresses on the treated surfaces. Because of this, shot peening has proved a very efficient method for hindering the initiation and propagation of a fatigue crack from the surface of the material, improving its fatigue strength. However, studies of its effect on an already existing crack are little known. Specimens of type CT to the aeronautics aluminum alloy 2024 - T3, were initially cracked by fatigue and then subjected to shot peening process on both sides. After treatment, the tests were resumed under the same conditions. Tests were carried out with constant amplitude in two thicknesses of specimens and two load ratios, R, to analyze possible effects of stress state on the crack tip results. Two shot peening intensities were used for each R value or thicknesses analyzed, and were also studied two application regions of shot peening process (behind and around the crack tip) in two sizes of cracks. Comparative curves of the fatigue crack propagation rate, showing the influence of each of the parameters described are shown, and their differences discussed. The results show that the shot peening process, when performed in a crack size in full stage II propagation, has greater influence when applied behind the crack tip, with lower intensity, in the specimens in plane stress state and lower load ratio. For crack lower (close to the stage I of propagation), the shot peening process applied behind the crack tip induced delay in their propagation rate in all conditions studied. The delay effect on fatigue crack propagation rate ... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

The employment of composite materials in the aerospace industry has been gradually considered due to the fundamental lightweight and strength characteristics that these type of materials offer. The science material and technological progress that has been reached, matches perfectly with the requirements for high-performance materials in aircraft and aerospace structures, thus, the development of primary structure elements applying composite materials became something very convenient. It is extremely important to pay attention to the failure modes that influence composite materials performances, since, these failures lead to a loss of stiffness and strength of the laminate. Delamination is a failure mode present in most of the damaged structures and can be ruinous, considering that, the evolution of interlaminar defects can carry the structure to a total failure followed by its collapse. Different techniques are usually adopted to accurately predict the behavior of damaged structures but, due to the complex nature of failure phenomena, there is not an established pattern. The present research project aims to develop a delamination propagation model to estimate a progressive interlaminar delamination failure in laminated composite materials and to allow the prediction of material\'s degradation due to the delamination phenomenon. Experimental tests assisted by ASTM Standards were performed to determine material\'s parameter, like the strain energy release rate, using GFRPs laminated composites. The delamination propagation model proposed was implemented as subroutines in FORTRAN language (UMAT-User Material Subroutine) with formulations based on the Fracture Mechanics. Finally, the model was compiled beside with the commercial Finite Element program ABAQUSTM. / O emprego de materiais compósitos na indústria aeroespacial tem sido gradualmente utilizado devido às suas características fundamentais, como peso leve e alta rigidez, que este tipo de material oferece. Tanto a ciência do material como o desenvolvimento tecnológico que se tem logrado, possibilitaram que estes materiais cumprissem com os requisitos de desempenho para aplicações em estruturas aeronáuticas e aeroespaciais, por tanto, o desenvolvimento de elementos de estruturas primárias usando materiais compósitos, passou a ser muito conveniente. É de extrema importância prestar atenção aos modos de falha que comprometem a performance dos materiais compósitos, uma vez que, estas falhas levam a uma perda de resistência e rigidez do laminado. A delaminação é um modo de falha presente na maioria de estruturas danificadas e pode ser desastroso, considerando que, a evolução dos defeitos interlaminares podem levar a estrutura a falhar seguido pelo colapso estructural. Diferentes técnicas são geralmente adotadas para prever, de maneira correta, o comportamento de estruturas danificadas, porém, devido à natureza complexa do fenômeno de falha, não existe um padrão estabelecido. O presente trabalho de pesquisa visa desenvolver um modelo de delaminação e de propagação da delaminação para estimar a evolução da falha interlaminar em materiais compósitos laminados e permitir a predição do comportamento do material com a evolução da delaminação. Ensaios experimentais auxiliados por normas ASTM foram realizados para determinar parâmetros do material, tais como, as taxas de liberação de energia de deformação, usando materiais compósitos laminados de matriz polimérica reforçada com fibra de vidro. O modelo de propagação da delaminação proposto, foi implementado como uma sub-rotina em linguagem FORTRAN (UMAT – User Material) com formulações baseadas na Mecânica da Fratura. Finalmente, o modelo foi compilado com o software comercial de Elementos Finitos, ABAQUSTM.

Este trabalho visa modelar e estabelecer procedimentos experimentais para permitir a construção de mapas de conformabilidade plástica dos metais fundamentados na mecânica da fratura não-linear elasto-plástica. Um critério de conformabilidade plástica foi desenvolvido pela utilização de uma integral invariante generalizada baseada no teorema de Noether das integrais invariantes. Discute-se também as limitações da teoria da plasticidade que impossibilitam a obtenção de critérios de conformabilidade por seu intermédio. É um importante objetivo proporcionar o surgimento de uma metodologia de ensaio contendo alto rigor técnico mas sendo de baixo custo e de fácil implementação em simples instalações industriais. O procedimento foi aplicado no estudo do caso do forjamento a frio em matriz aberta, simulado por ensaio de compressão em prensa hidráulica. / The present study is aimed to the development of a low cost, to be implemented with ease, and technicality satisfactory industrial type testing for metal forming workability analysis. It is concerned with the development of an experimental procedures to permit the building up the metal forming workability maps, based on the nonlinear elastic-plastic fracture mechanics. A generalized nonlinear fracture mechanics invariant integral was applied to the case problem of the cold forging in flat open die of a ductile metallic material. At end a fracture criterion was developed in order to be possible the construction of the fracture deformation maps of the case study.

Neste trabalho, é estudada a fratura na interface de materiais dissimilares empregando duas metodologias distintas: a Mecânica da Fratura Linear Elástica (MFLE) e os métodos coesivos. O uso da MFLE aplicada a trincas situadas na interface de materiais dissimilares apresenta algumas dificuldades bem conhecidas que podem inviabilizar seu uso, como a presença de zonas de contato na frente da trinca que ocorrem em certas combinações de carregamento misto. Outra dificuldade é a inexistência de um modo I puro na ponta da trinca, o que dificulta estabelecer uma propriedade de fratura única para a interface que não dependa do carregamento. (Continuação ) As metodologias coesivas não apresentam tais limitações, em princípio. Neste trabalho é feito uma comparação das previsões fornecidas pelas duas metodologias para o caso de uma trinca restrita à interface de 2 materiais distintos, considerados elástico lineares. Observa-se uma boa correspondência na previsão obtida pelas metodologias em um caso simples de carregamento em modo I. Efeitos dinâmicos também são considerados e observa-se um aumento no grau de mistura (modos I / II) com o aumento da velocidade de propagação. Finalmente, aplica-se o método coesivo ao caso de um material composto por cilindros de alumínio em uma matriz de polimetacrilato de metila. Além de ser verificada a importância da energia de fratura de interface no comportamento global da estrutura, é mostrado que os modelos coesivos capturam o efeito de escala, contrariamente à MFLE. / In this work, bi-material interface fracture is studied by two different methodologies: Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM) and the cohesive methods. The application of LEFM to cracks laying at the interface of two different materials presents some well-known difficulties that can limit its use. The development of a contact zone at the crack tip, for certain combinations of loading, is one of them. Another is the fact that pure Mode I at the crack tip does not exist, which creates difficulties to define a unique interface fracture energy, independent of the loading. Cohesive methodologies do not present such limitations, in principle. In this work a comparison of the forecast obtained by the two methodologies, for a crack constrained to a bi-material interface, is considered. It can be observed a good agreement for the two methodologies, for a simple case in mode I loading. Dynamic effects are also considered and it was observed that the greater the crack propagation velocity, the greater the degree of mixture between modes I/II. Finally, the cohesive methodology is applied to a composite case, where a matrix is reinforced by a second material in the shape of cylindrical bars. Fracture energy of the interface plays a key role on the structural global behavior. Also, it is shown that cohesive models are able to capture scale effects, contrarily to LEFM.

Componentes e equipamentos utilizados na indústria petroquímica estão suscetíveis a presença de descontinuidades e, por esta razão, diversas pesquisas são desenvolvidas com o intuito de aprimorar e criar novos métodos para evitar, remediar ou controlar estas, de forma a não causarem um dano à integridade estrutural. Neste trabalho é avaliado um conjunto de trincas induzidas pelo hidrogênio (TIH), através do método de elementos finitos, com a finalidade de verificar o fenômeno de união das suas extremidades formando uma trinca contínua do tipo SWC (Stepwise Cracking). Também se verifica a influência do conjunto de trincas à integridade da estrutura com base na metodologia Fitness for Service (FFS) através do uso dos diagramas de avaliação de falhas (FAD – Failure Assessment Diagram) indicados pelas normas API-579 / ASME FFS-1 e BS 7910 além do procedimento CEGB-R6. Os resultados mostram que o efeito de interação entre as extremidades é intenso quando estas se encontram próximas umas das outras, confirmando assim a tendência de união das fissuras. Também se constata que o fenômeno é fortemente influenciado pela pressão interna presente nas TIH, esta causada pela presença de hidrogênio. Em relação à aceitabilidade das descontinuidades, é observado que os resultados da avaliação são influenciados pela maneira como a descontinuidade é caracterizada. / Components and equipments of the petrochemical industry are susceptible to the presence of flaws and, for this reason, several studies are developed aiming to improve and create new methods to avoid, remedy and control these flaws in order they will not cause any integrity damage. In this work a cluster of Hydrogen Induced Crack (HIC) is assessed, using the finite element method, with the goal to verify the union phenomena in their tips forming a Stepwise Cracking (SWC) flaw. Also is verified the influence of the cluster to the integrity of the structure based on the Fitness for Service methodology, using the Failure Assessment Diagrams indicated by the Standards API-579 / ASME FFS-1 and BS 7910, also the CEGBR6 procedure. The results show that the interaction effect among the tip of the cracks is considerably intense when they are near to each other, confirming the tendency of union among them. Also this phenomenon is strongly influenced by the internal pressure in the HIC, caused by the presence of atomic Hydrogen diffused in the structure. In relation to the flaw assessment, it is observed that results are strongly influenced on how the flaw is characterized.