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This thesis investigates the quantity Crack Tip Opening Displacement (CTOD) as a means to assess fracture toughness when measured in the Single Edge Notched Bend (SENB) specimen setup. A particular objective is to assess the effectiveness of the test when used for high strain-hardening materials (e.g. stainless steels). This has been an increasing concern as the current available methods were generally designed for lower strain hardening structural steel. Experimental work on CTOD tests included silicone casting of the crack, and constant displacement tests were also performed. The silicone castings enable physical measurement of the crack under an optical microscope. Results from a series of Finite Element (FE) models were validated from the experiments. δ5 surface measurements were obtained using Digital Image Correlation (DIC) as a courtesy of TWI, which were compared to surface CTOD measurements from the silicone castings. In addition to the experiments and Finite Element modelling, archived test data from TWI was processed, showing analytical differences between current Standard CTOD equations. CTOD calculations from BS 7448, ISO 12135, ASTM E1820 and WES 1108 were compared to the experimental and FE modelling results. For high strain hardening material, CTOD predicted by Standard equations (apart from those in BS 7448 and single point CTOD from ISO 12135) were lower than the values determined from silicone measurements and modelling. This potentially leads to over conservative values to be used in Engineering Critical Assessments (ECA) or material approval. Based on a series of different strain hardening property models, a relationship between strain hardening and the specimen rotational factor, rp was established. An improved equation for the calculation of CTOD is proposed, which gave good estimation of the experimental and Finite Element modelling results. The improved equation will be proposed for future amendments of the ISO 12135 standard. The results of this research enable the accurate fracture characterisation of a range of engineering alloys, with both low and high strain hardening behaviour in both the brittle and ductile fracture regime.

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Os conceitos de mecânica da fratura têm sido cada vez mais utilizados em projetos de engenharia, permitindo a determinação de tamanhos críticos de defeito ou limites de solicitação em função da presença de trincas. No entanto, para aplicar com sucesso esses conceitos em uma avaliação de integridade estrutural é de suma importância a determinação exata do comportamento a fratura do material. Materiais com comportamento elasto-plástico têm ocupado cada vez mais lugar de destaque em estruturas e componentes críticos de engenharia e a maneira mais utilizada para caracterização da tenacidade à fratura desse tipo de material é a curva J-R. Embora existam métodos normatizados para determinação dessas curvas, esses possuem muitas vezes inconvenientes e limitações que tem justificado o desenvolvimento de vários estudos com vista à determinação de métodos alternativos. Nesse trabalho foi investigada a hipótese de que, a partir do estudo do campo deformacional nas proximidades da ponta de uma trinca, é possível desenvolver uma metodologia para determinação da curva de resistência à fratura de um material com comportamento elasto-plástico. Para tanto, um sistema óptico de medição de deformação baseado na técnica de correlação de imagem digital foi empregado para monitorar a deformação na superfície de corpos de prova do tipo SE(B) durante o ensaio de tenacidade à fratura. O objeto de estudo foi uma junta do aço API X65 soldada por processo de soldagem a laser. Os resultados obtidos demonstram o sucesso da técnica utilizada para obtenção da evolução do campo deformacional durante o ensaio. Além disso, a metodologia empregada possibilitou a determinação de expressões matemáticas que permitem associar valores de deformação com valores de integral J e Δa. Essas expressões são válidas para qualquer uma das três distintas regiões da junta soldada e permitem determinar com sucesso a curva J-R a partir da evolução da deformação durante o ensaio de um único corpo de prova. / The use of fracture mechanics has become increasingly popular in damage tolerance analysis or during determination of load limits in engineering components and structures. Nevertheless, the success of applying the concepts of fracture mechanics to investigate structural integrity assessment is highly dependent upon the correct determination of fracture mechanics material properties. The accurate prediction of ductile fracture behavior plays an important role in structural integrity assessment of critical engineering structures, including nuclear reactors, petrochemical vessels and tanks, pipelines in oil and gas industries and aircraft structures. J-R curve has become the most popular material parameters in elastic-plastic fracture mechanics and has been applied widely in practical engineering. There are procedures to determine J-R curves and they are widely presented in books and international standards. However, these procedures sometimes present some practical limitations or restrictions which have prompted research effort to develop alternative methods. In this work the hypothesis that is possible to develop a methodology to determinate J-R curve to materials with elastic-plastic behavior from analysis of near crack tip strain field was verified. For this purpose, an optical strain measurement system (OSMS) was used in order to monitor strains on surface of SE(B) specimens during fracture toughness testing. The methodology was applied to a laser welded joint of API X65 steel. The measurements successfully evaluate the strain field during testing. Besides of this, the methodology proposed allowed the determination of mathematical expressions to associate strain values with values of J-integral and crack extension (Δa). These expressions are valid to characterize these fracture toughness parameters to any one of the three distinct regions of the weld joint and made possible to determine J-R curve by monitoring the surface strain field evolution during a testing of a single specimen.

Os conceitos de mecânica da fratura têm sido cada vez mais utilizados em projetos de engenharia, permitindo a determinação de tamanhos críticos de defeito ou limites de solicitação em função da presença de trincas. No entanto, para aplicar com sucesso esses conceitos em uma avaliação de integridade estrutural é de suma importância a determinação exata do comportamento a fratura do material. Materiais com comportamento elasto-plástico têm ocupado cada vez mais lugar de destaque em estruturas e componentes críticos de engenharia e a maneira mais utilizada para caracterização da tenacidade à fratura desse tipo de material é a curva J-R. Embora existam métodos normatizados para determinação dessas curvas, esses possuem muitas vezes inconvenientes e limitações que tem justificado o desenvolvimento de vários estudos com vista à determinação de métodos alternativos. Nesse trabalho foi investigada a hipótese de que, a partir do estudo do campo deformacional nas proximidades da ponta de uma trinca, é possível desenvolver uma metodologia para determinação da curva de resistência à fratura de um material com comportamento elasto-plástico. Para tanto, um sistema óptico de medição de deformação baseado na técnica de correlação de imagem digital foi empregado para monitorar a deformação na superfície de corpos de prova do tipo SE(B) durante o ensaio de tenacidade à fratura. O objeto de estudo foi uma junta do aço API X65 soldada por processo de soldagem a laser. Os resultados obtidos demonstram o sucesso da técnica utilizada para obtenção da evolução do campo deformacional durante o ensaio. Além disso, a metodologia empregada possibilitou a determinação de expressões matemáticas que permitem associar valores de deformação com valores de integral J e Δa. Essas expressões são válidas para qualquer uma das três distintas regiões da junta soldada e permitem determinar com sucesso a curva J-R a partir da evolução da deformação durante o ensaio de um único corpo de prova. / The use of fracture mechanics has become increasingly popular in damage tolerance analysis or during determination of load limits in engineering components and structures. Nevertheless, the success of applying the concepts of fracture mechanics to investigate structural integrity assessment is highly dependent upon the correct determination of fracture mechanics material properties. The accurate prediction of ductile fracture behavior plays an important role in structural integrity assessment of critical engineering structures, including nuclear reactors, petrochemical vessels and tanks, pipelines in oil and gas industries and aircraft structures. J-R curve has become the most popular material parameters in elastic-plastic fracture mechanics and has been applied widely in practical engineering. There are procedures to determine J-R curves and they are widely presented in books and international standards. However, these procedures sometimes present some practical limitations or restrictions which have prompted research effort to develop alternative methods. In this work the hypothesis that is possible to develop a methodology to determinate J-R curve to materials with elastic-plastic behavior from analysis of near crack tip strain field was verified. For this purpose, an optical strain measurement system (OSMS) was used in order to monitor strains on surface of SE(B) specimens during fracture toughness testing. The methodology was applied to a laser welded joint of API X65 steel. The measurements successfully evaluate the strain field during testing. Besides of this, the methodology proposed allowed the determination of mathematical expressions to associate strain values with values of J-integral and crack extension (Δa). These expressions are valid to characterize these fracture toughness parameters to any one of the three distinct regions of the weld joint and made possible to determine J-R curve by monitoring the surface strain field evolution during a testing of a single specimen.

Os conceitos de mecânica da fratura têm sido cada vez mais utilizados em projetos de engenharia, permitindo a determinação de tamanhos críticos de defeito ou limites de solicitação em função da presença de trincas. No entanto, para aplicar com sucesso esses conceitos em uma avaliação de integridade estrutural é de suma importância a determinação exata do comportamento a fratura do material. Materiais com comportamento elasto-plástico têm ocupado cada vez mais lugar de destaque em estruturas e componentes críticos de engenharia e a maneira mais utilizada para caracterização da tenacidade à fratura desse tipo de material é a curva J-R. Embora existam métodos normatizados para determinação dessas curvas, esses possuem muitas vezes inconvenientes e limitações que tem justificado o desenvolvimento de vários estudos com vista à determinação de métodos alternativos. Nesse trabalho foi investigada a hipótese de que, a partir do estudo do campo deformacional nas proximidades da ponta de uma trinca, é possível desenvolver uma metodologia para determinação da curva de resistência à fratura de um material com comportamento elasto-plástico. Para tanto, um sistema óptico de medição de deformação baseado na técnica de correlação de imagem digital foi empregado para monitorar a deformação na superfície de corpos de prova do tipo SE(B) durante o ensaio de tenacidade à fratura. O objeto de estudo foi uma junta do aço API X65 soldada por processo de soldagem a laser. Os resultados obtidos demonstram o sucesso da técnica utilizada para obtenção da evolução do campo deformacional durante o ensaio. Além disso, a metodologia empregada possibilitou a determinação de expressões matemáticas que permitem associar valores de deformação com valores de integral J e Δa. Essas expressões são válidas para qualquer uma das três distintas regiões da junta soldada e permitem determinar com sucesso a curva J-R a partir da evolução da deformação durante o ensaio de um único corpo de prova. / The use of fracture mechanics has become increasingly popular in damage tolerance analysis or during determination of load limits in engineering components and structures. Nevertheless, the success of applying the concepts of fracture mechanics to investigate structural integrity assessment is highly dependent upon the correct determination of fracture mechanics material properties. The accurate prediction of ductile fracture behavior plays an important role in structural integrity assessment of critical engineering structures, including nuclear reactors, petrochemical vessels and tanks, pipelines in oil and gas industries and aircraft structures. J-R curve has become the most popular material parameters in elastic-plastic fracture mechanics and has been applied widely in practical engineering. There are procedures to determine J-R curves and they are widely presented in books and international standards. However, these procedures sometimes present some practical limitations or restrictions which have prompted research effort to develop alternative methods. In this work the hypothesis that is possible to develop a methodology to determinate J-R curve to materials with elastic-plastic behavior from analysis of near crack tip strain field was verified. For this purpose, an optical strain measurement system (OSMS) was used in order to monitor strains on surface of SE(B) specimens during fracture toughness testing. The methodology was applied to a laser welded joint of API X65 steel. The measurements successfully evaluate the strain field during testing. Besides of this, the methodology proposed allowed the determination of mathematical expressions to associate strain values with values of J-integral and crack extension (Δa). These expressions are valid to characterize these fracture toughness parameters to any one of the three distinct regions of the weld joint and made possible to determine J-R curve by monitoring the surface strain field evolution during a testing of a single specimen.

Este estudo estende a abordagem micromecânica baseada em células computacionais e a abordagem baseada em deformação utilizando o critério de CTOA para descrever extensão dúctil de trincas longitudinais em dutos de aços de elevada tenacidade sob alta pressão. Ensaios laboratoriais realizados em aços API 5L X60 e X70 utilizando corpos-de-prova padronizados de fratura com trinca profunda, produzem os resultados necessários para medir as curvas de resistência à propagação de trincas e calibrar os parâmetros dos modelos de Gurson e CTOA para estes materiais. O foco central deste trabalho é a aplicação da metodologia de células computacionais e o critério de CTOA para prever as pressões de colapso medidas experimentalmente em dutos de paredes finas contendo trincas longitudinais. O programa experimental inclui espécimes pré-trincados com 508 mm (20") e 219 mm (8 5/8") com diferentes profundidades de trincas. Foram conduzidas análises de elementos finitos, sob estado plano de deformações e no contexto 3D pleno utilizando modelos detalhados dos dutos para descrever a extensão de trinca com o incremento de pressão. As simulações numéricas demonstram a eficiência e limitações de ambas as abordagens para descrever a resposta de crescimento de dúctil e prever a pressão de colapso para os dutos testados. Enquanto o critério de CTOA ainda parece ter limitada aplicabilidade para prever o comportamento dúctil dos dutos, a previsão da resposta dúctil do dutos pré-trincados utilizando o modelo de células computacionais mostrou boa concordância com as pressões de colapso medidas experimentalmente. / This study extends a micromechanics approach based upon the computational cell methodology incorporating the Gurson model and a deformation-based approach using the CTOA criterion to describe ductile crack extension of longitudinal crack-like defects in high pressure pipeline steels. Laboratory testing of API 5L X60 and X70 steels at room temperature using standard, deeply cracked fracture specimens provides the data needed to measure the crack growth resistance curve and to calibrate the Gurson and the CTOA parameters for these materials. A central focus of the paper is the application of the cell methodology and the CTOA criterion to predict experimentally measured burst pressures for thin-walled gas pipeline containing longitudinal cracks. The experimental program includes precracked pipe specimens with 508 mm (20 inches) O.D. and 219 mm (8 5/8 inches) O.D. with varying crack depth to thickness ratios (at). Plane-strain and full 3D computations are conducted on detailed finite element models for the pipe specimens to describe crack extension with increased pressure. The numerical simulations demonstrate the effectiveness and limitations of both approaches to describe crack growth response and to predict the burst pressure for the tested pipes. While the CTOA criterion still appears to have limited applicability to predict ductile cracking behavior for the pipe specimens, the cell model predictions of the ductile response for the precracked pipes show good agreement with experimentally measured burst pressures.

A avaliação da integridade estrutural de dutos pelo uso de corpos-de-prova laboratoriais depende da escolha de corpos-de-prova de geometrias que representem condições de restrições plásticas na frente da trinca, similares às encontradas nas condições operacionais dos dutos. O Núcleo de Ensaios de Materiais e Análise de Falhas, NEMAF do SMM, EESC-USP vem realizando pesquisas para o desenvolvimento de corpos-de-prova e metodologias experimentais que melhor represente esta situação. Entretanto, no caso de dutos existem situações onde a geometria e o tamanho do corpo-de-prova são limitados pelas dimensões do duto. Este trabalho apresenta o desenvolvimento e aplicação de espécimes SE(T) em aço API 5L X70, avaliando a influência da geometria e dimensões do corpo-de-prova na tenacidade à fratura do citado aço, sendo este utilizado na fabricação de dutos para transporte de gás e petróleo. Para isto, foram obtidas curvas de resistência à propagação dúctil de trincas, curvas J-R\'s, utilizando a metodologia do espécime único (single specimen) em conjunto com a técnica da variação da flexibilidade elástica (unloading elastic compliance), medida na boca da trinca (CMOD) que fornece ao mesmo tempo a área plástica abaixo da curva de carregamento versus deslocamento e o tamanho da trinca, segundo a norma de ensaios ASTM E1820-05. Foram ensaiados corpos-de-prova SE(T) com trincas rasa (a/W=0,2) e profunda (a/W=0,5) e razão W/B de 2,5 e 1,0, com a finalidade de garantir que o ensaio seja realizado em dominância de um estado plano de deformação como recomendado pela referida norma, para outros tipos de corpos-de-prova. Dos resultados observou-se que, independente do tamanho de trinca inicial adotado, não foram observadas diferenças significativas nas curvas J-R. Este fato pode ser comprovado nos casos de W/B = 2,5 e 1,0, sendo obtidas curvas J-R similares para cada caso, independente do valor de a/W. Entretanto, na grande maioria dos CDP\'s, foi obtida uma propagação dúctil de trinca anômala, ou seja, trincas que apresentam um tunelamento acentuado, decorrente de um elevado estado de tensão plana próximo das laterais, mesmo com o entalhe lateral de 20% da espessura. Os corpos-de-prova com W/B = 1,0 foram capazes de produzir curvas J-R, sem que as trincas apresentassem tunelamento e que os valores médios de trinca (ai e af) medidos conforme a norma (ASTM, 2005), são bastante próximos dos valores obtidos pelo método da variação de flexibilidade elástica. As razões para este fato são discutidas em detalhes. De um modo geral as delaminações, quando existente, não permitem uma correta medição do tamanho de trinca. Ainda, contrário à observação de outros pesquisadores, neste trabalho, foi observado que em vários casos as delaminações induziram fratura instável. / The evaluation of pipes´ structural integrity from laboratories specimens depends on choosing the right specimen geometry that is able to present the conditions of plastic constrain at the crack tip, similar to the one found in the pipes´ operational conditions. The NEMAF Group from SMM, EESC-USP has been performing studies in this area, trying to develop specimen´s geometry that is able to represent this situation, as well as the necessary experimental methodologies to evaluate the fracture toughness of pipes. However, in some cases, the pipe size is a limiting factor in determining the specimen size and geometry. In this work is presented the development and application of specimens SE(T), evaluating the influence of the geometry and dimensions of the specimens on the fracture toughness of API 5L X70 steel, regularly used in the pipes for gas and petroleum transportation. Therefore, the resistance curves to ductile crack propagation, J-R`s curves, using the single specimen methodology, together with the variation of the elastic compliance technique (multiple unloading), measure at the crack mouth (CMOD) that provides both the plastic area under the load x displacement curve and crack size, according to the ASTM E1820-05 standard. The SE(T) specimens with shallow (a/W=0.2) and deep (a/W=0.5) cracks and W/B ratio of 2.5 and 1.0 trying to reduce the amount of plastic deformation and a straight crack front, as well as a dominance of a plane strain state at the crack tip, as recommended by the ASTM E1820-05 standard for other specimens type. From the results it was observed that, independent of the initial a/W, no significant differences were observed in the J-R curves. This fact is verified in both cases, this is, W/B = 2.5 and 1.0. However, in the great majority of CDP\'s with W/B = 2.5, it was obtained an anomalous crack propagation during testing, in other words, they presented an accentuated tunneling due to a high plane tension state near the CDP´s lateral faces, even with the side groove of 20% thickness. The specimens with W/B = 1.0 were capable to produce J-R curves with straight crack fronts, this is, without tunneling, allowing the measurement of medium values of the crack (ai e af) according to the ASTM E1820-05 standard. The reasons for this fact are discussed in details in this work. In general, the split, when present, did not allow a correct crack size measurement. Still, contrary to the other researchers\' observation, in this work, it was observed that in several cases the splits were able to induced unstable fracture.

Este estudo estende a abordagem micromecânica baseada em células computacionais e a abordagem baseada em deformação utilizando o critério de CTOA para descrever extensão dúctil de trincas longitudinais em dutos de aços de elevada tenacidade sob alta pressão. Ensaios laboratoriais realizados em aços API 5L X60 e X70 utilizando corpos-de-prova padronizados de fratura com trinca profunda, produzem os resultados necessários para medir as curvas de resistência à propagação de trincas e calibrar os parâmetros dos modelos de Gurson e CTOA para estes materiais. O foco central deste trabalho é a aplicação da metodologia de células computacionais e o critério de CTOA para prever as pressões de colapso medidas experimentalmente em dutos de paredes finas contendo trincas longitudinais. O programa experimental inclui espécimes pré-trincados com 508 mm (20") e 219 mm (8 5/8") com diferentes profundidades de trincas. Foram conduzidas análises de elementos finitos, sob estado plano de deformações e no contexto 3D pleno utilizando modelos detalhados dos dutos para descrever a extensão de trinca com o incremento de pressão. As simulações numéricas demonstram a eficiência e limitações de ambas as abordagens para descrever a resposta de crescimento de dúctil e prever a pressão de colapso para os dutos testados. Enquanto o critério de CTOA ainda parece ter limitada aplicabilidade para prever o comportamento dúctil dos dutos, a previsão da resposta dúctil do dutos pré-trincados utilizando o modelo de células computacionais mostrou boa concordância com as pressões de colapso medidas experimentalmente. / This study extends a micromechanics approach based upon the computational cell methodology incorporating the Gurson model and a deformation-based approach using the CTOA criterion to describe ductile crack extension of longitudinal crack-like defects in high pressure pipeline steels. Laboratory testing of API 5L X60 and X70 steels at room temperature using standard, deeply cracked fracture specimens provides the data needed to measure the crack growth resistance curve and to calibrate the Gurson and the CTOA parameters for these materials. A central focus of the paper is the application of the cell methodology and the CTOA criterion to predict experimentally measured burst pressures for thin-walled gas pipeline containing longitudinal cracks. The experimental program includes precracked pipe specimens with 508 mm (20 inches) O.D. and 219 mm (8 5/8 inches) O.D. with varying crack depth to thickness ratios (at). Plane-strain and full 3D computations are conducted on detailed finite element models for the pipe specimens to describe crack extension with increased pressure. The numerical simulations demonstrate the effectiveness and limitations of both approaches to describe crack growth response and to predict the burst pressure for the tested pipes. While the CTOA criterion still appears to have limited applicability to predict ductile cracking behavior for the pipe specimens, the cell model predictions of the ductile response for the precracked pipes show good agreement with experimentally measured burst pressures.