Characterization Of Friction Stir Welded Joints Of Aa 2024-T351 - Native Vs. Treated By Laser Shock Processing

The paper presents a consistent set of results showing the ability of Laser Shock Processing (LSP) in modifying the overall properties of the Friction Stir Welded (FSW) joints made of AA 2024-T351. Based on laser beam intensities above 109 W/cm2 with pulse energies of several Joules and pulses durations of nanoseconds, LSP is able of inducing a compression residual stress field, improving the wear and fatigue resistance by slowing crack propagation and stress corrosion cracking, but also improving the overall behaviour of the structure. After the FSW and LSP procedures are briefly presented, the results of micro-hardness measurements and of transverse tensile tests, together with the corrosion resistance of the native joints vs. LSP treated are discussed. The ability of LSP to generate compressive residual stresses and to improve the behaviour of the FSW joints is underscored.

Desarrollo de nuevos tratamientos térmicos para aleaciones avanzadas de interés aeroespacial

La corrosión bajo tensiones (SCC) es un problema de gran importancia en las aleaciones de aluminio de máxima resistencia (serie Al-Zn-Mg-Cu). La utilización de tratamientos térmicos sobremadurados, en particular el T73, ha conseguido prácticamente eliminar la susceptibilidad a corrosión bajo tensiones en dichas aleaciones pero a costa de reducir su resistencia mecánica. Desde entonces se ha tratado de optimizar simultáneamente ambos comportamientos, encontrándose para ello diversos inconvenientes entre los que destacan: la dificultad de medir experimentalmente el crecimiento de grieta por SCC, y el desconocimiento de las causas y el mecanismo por el cual se produce la SCC. Los objetivos de esta Tesis son mejorar el sistema de medición de grietas y profundizar en el conocimiento de la SCC, con el fin de obtener tratamientos térmicos que aúnen un óptimo comportamiento tanto en SCC como mecánico en las aleaciones de aluminio de máxima resistencia utilizadas en aeronáutica. Para conseguir los objetivos anteriormente descritos se han realizado unos cuarenta tratamientos térmicos diferentes, de los cuales la gran mayoría son nuevos, para profundizar en el conocimiento de la influencia de la microestructura (fundamentalmente, de los precipitados coherentes) en el comportamiento de las aleaciones Al-Zn-Mg-Cu, y estudiar la viabilidad de nuevos tratamientos apoyados en el conocimiento adquirido. Con el fin de obtener unos resultados aplicables a productos o semiproductos de aplicación aeronáutica, los tratamientos térmicos se han realizado a trozos grandes de una plancha de 30 mm de espesor de la aleación de aluminio 7475, muy utilizada en las estructuras aeronáuticas. Asimismo con el objeto de conseguir una mayor fiabilidad de los resultados obtenidos se han utilizado, normalmente, tres probetas de cada tratamiento para los diferentes ensayos realizados. Para la caracterización de dichos tratamientos se han utilizado diversas técnicas: medida de dureza y conductividad eléctrica, ensayos de tracción, calorimetría diferencial de barrido (DSC), metalografía, fractografía, microscopia electrónica de transmisión (MET) y de barrido (MEB), y ensayos de crecimiento de grieta en probeta DCB, que a su vez han permitido hacer una estimación del comportamiento en tenacidad del material. Las principales conclusiones del estudio realizado se pueden resumir en las siguientes: Se han diseñado y desarrollado nuevos métodos de medición de grieta basados en el empleo de la técnica de ultrasonidos, que permiten medir el crecimiento de grieta por corrosión bajo tensiones con la precisión y fiabilidad necesarias para valorar adecuadamente la susceptibilidad a corrosión bajo tensiones. La mejora de medida de la posición del frente de grieta ha dado lugar, entre otras cosas, a la definición de un nuevo ensayo a iniciación en probetas preagrietadas. Asimismo, se ha deducido una nueva ecuación que permite calcular el factor de intensidad de tensiones existente en punta de grieta en probetas DCB teniendo en cuenta la influencia de la desviación del plano de crecimiento de la grieta del plano medio de la probeta. Este aspecto ha sido determinante para poder explicar los resultados experimentales obtenidos ya que el crecimiento de la grieta por un plano paralelo al plano medio de la probeta DCB pero alejado de él reduce notablemente el factor de intensidades de tensiones que actúa en punta de grieta y modifica las condiciones reales del ensayo. Por otro lado, se han identificado los diferentes constituyentes de la microestructura de precipitación de todos los tratamientos térmicos estudiados y, en especial, se ha conseguido constatar (mediante MET y DSC) la existencia de zonas de Guinier-Preston del tipo GP(II) en la microestructura de numerosos tratamientos térmicos (no descrita en la bibliografía para las aleaciones del tipo de la estudiada) lo que ha permitido establecer una nueva interpretación de la evolución de la microestructura en los diferentes tratamientos. Al hilo de lo anterior, se han definido nuevas secuencias de precipitación para este tipo de aleaciones, que han permitido entender mejor la constitución de la microestructura y su relación con las propiedades en los diferentes tratamientos térmicos estudiados. De igual manera, se ha explicado el papel de los diferentes microconstituyentes en diversas propiedades mecánicas (propiedades a tracción, dureza y tenacidad KIa); en particular, el estudio realizado de la relación de la microestructura con la tenacidad KIa es inédito. Por otra parte, se ha correlacionado el comportamiento en corrosión bajo tensiones, tanto en la etapa de incubación de grieta como en la de propagación, con las características medidas de los diferentes constituyentes microestructurales de los tratamientos térmicos ensayados, tanto de interior como de límite de grano, habiéndose obtenido que la microestructura de interior de grano tiene una mayor influencia en el comportamiento en corrosión bajo tensiones que la de límite de grano. De forma especial, se ha establecido la importancia capital, y muy negativa, de la presencia en la microestructura de zonas de Guinier-Preston en el crecimiento de la grieta por corrosión bajo tensiones. Finalmente, como consecuencia de todo lo anterior, se ha propuesto un nuevo mecanismo por el que se produce la corrosión bajo tensiones en este tipo de aleaciones de aluminio, y que de forma muy resumida se puede concretar lo siguiente: la acumulación de hidrógeno (formado, básicamente, por un proceso corrosivo de disolución anódica) delante de la zonas GP (en especial, de las zonas GP(I)) próximas a la zona libre de precipitados que se desarrolla alrededor del límite de grano provoca enfragilización local y causa el rápido crecimiento de grieta característico de algunos tratamientos térmicos de este tipo de aleaciones. ABSTRACT The stress corrosion cracking (SCC) is a major problem in the aluminum alloys of high resistance (series Al-Zn-Mg-Cu). The use of overaged heat treatments, particularly T73 has achieved virtually eliminate the susceptibility to stress corrosion cracking in such alloys but at the expense of reducing its mechanical strength. Since then we have tried to simultaneously optimize both behaviors, several drawbacks found for it among them: the difficulty of measuring experimentally the SCC crack growth, and ignorance of the causes and the mechanism by which SCC occurs. The objectives of this thesis are to improve the measurement system of cracks and deeper understanding of the SCC, in order to obtain heat treatments that combine optimum performance in both SCC and maximum mechanical strength in aluminum alloys used in aerospace To achieve the above objectives have been made about forty different heat treatments, of which the vast majority are new, to deepen the understanding of the influence of microstructure (mainly of coherent precipitates) in the behavior of the alloys Al -Zn-Mg-Cu, and study the feasibility of new treatments supported by the knowledge gained. To obtain results for products or semi-finished aircraft application, heat treatments were performed at a large pieces plate 30 mm thick aluminum alloy 7475, widely used in aeronautical structures. Also in order to achieve greater reliability of the results obtained have been used, normally, three specimens of each treatment for various tests. For the characterization of these treatments have been used several techniques: measurement of hardness and electrical conductivity, tensile testing, differential scanning calorimetry (DSC), metallography, fractography, transmission (TEM) and scanning (SEM) electron microscopy, and crack growth tests on DCB specimen, which in turn have allowed to estimate the behavior of the material in fracture toughness. The main conclusions of the study can be summarized as follows: We have designed and developed new methods for measuring crack based on the use of the ultrasound technique, for measuring the growth of stress corrosion cracks with the accuracy and reliability needed to adequately assess the susceptibility to stress corrosion. Improved position measurement of the crack front has resulted, among other things, the definition of a new initiation essay in pre cracked specimens. Also, it has been inferred a new equation to calculate the stress intensity factor in crack tip existing in DCB specimens considering the influence of the deviation of the plane of the crack growth of the medium plane of the specimen. This has been crucial to explain the experimental results obtained since the crack growth by a plane parallel to the medium plane of the DCB specimen but away from it greatly reduces the stress intensity factor acting on the crack tip and modifies the actual conditions of the essay. Furthermore, we have identified the various constituents of the precipitation microstructure of all heat treatments studied and, in particular note has been achieved (by TEM and DSC) the existence of the type GP (II) of Guinier-Preston zones in the microstructure of several heat treatments (not described in the literature for alloys of the type studied) making it possible to establish a new interpretation of the evolution of the microstructure in the different treatments. In line with the above, we have defined new precipitation sequences for these alloys, which have allowed a better understanding of the formation of the microstructure in relation to the properties of different heat treatments studied. Similarly, explained the role of different microconstituents in various mechanical properties (tensile properties, hardness and toughness KIa), in particular, the study of the relationship between the tenacity KIa microstructure is unpublished. Moreover, has been correlated to the stress corrosion behavior, both in the incubation step as the crack propagation, with the measured characteristics of the various microstructural constituents heat treatments tested, both interior and boundary grain, having obtained the internal microstructure of grain has a greater influence on the stress corrosion cracking behavior in the grain boundary. In a special way, has established the importance, and very negative, the presence in the microstructure of Guinier-Preston zones in crack growth by stress corrosion. Finally, following the above, we have proposed a new mechanism by which stress corrosion cracking occurs in this type of aluminum alloy, and, very briefly, one can specify the following: the accumulation of hydrogen (formed basically by a corrosive process of anodic dissolution) in front of the GP zones (especially the GP (I) zones) near the precipitates free zone that develops around grain boundary causes local embrittlement which characterizes rapid crack growth of some heat treatments such alloys.

Effect of Stress Level on the High Temperature Deformation and Fracture Mechanisms of Ti-45Al-2Nb-2Mn-0.8 vol. pct TiB2: An In Situ Experimental Study

The effect of the applied stress on the deformation and crack nucleation and propagation mechanisms of a c-TiAl intermetallic alloy (Ti-45Al-2Nb-2Mn (at. pct)-0.8 vol. pct TiB2) was examined by means of in situ tensile (constant strain rate) and tensile-creep (constant load) experiments performed at 973 K (700 �C) using a scanning electron microscope. Colony boundary cracking developed during the secondary stage in creep tests at 300 and 400 MPa and during the tertiary stage of the creep tests performed at higher stresses. Colony boundary cracking was also observed in the constant strain rate tensile test. Interlamellar ledges were only found during the tensile-creep tests at high stresses (r>400 MPa) and during the constant strain rate tensile test. Quantitative measurements of the nature of the crack propagation path along secondary cracks and along the primary crack indicated that colony boundaries were preferential sites for crack propagation under all the conditions investigated. The frequency of interlamellar cracking increased with stress, but this fracture mechanism was always of secondary importance. Translamellar cracking was only observed along the primary crack.

Some theoretical aspects in computational analysis of adhesive lap joints

This paper is devoted to the numerical analysis of bidimensional bonded lap joints. For this purpose, the stress singularities occurring at the intersections of the adherend-adhesive interfaces with the free edges are first investigated and a method for computing both the order and the intensity factor of these singularities is described briefly. After that, a simplified model, in which the adhesive domain is reduced to a line, is derived by using an asymptotic expansion method. Then, assuming that the assembly debonding is produced by a macro-crack propagation in the adhesive, the associated energy release rate is computed. Finally, a homogenization technique is used in order to take into account a preliminary adhesive damage consisting of periodic micro-cracks. Some numerical results are presented.

Induction of through-thickness compressive residual stress fields in thin Al2024-T351 plates by laser shock processing

Laser Shock Processing (LSP) has been demonstrated as an emerging technique for the induction of RS’s fields in subsurface layers of relatively thick specimens. However, the LSP treatment of relatively thin specimens brings, as an additional consequence, the possible bending in a process of laser shock forming. This effect poses a new class of problems regarding the attainment of specified RS’s depth profiles in the mentioned type of sheets, and, what can be more critical, an overall deformation of the treated component. The analysis of the problem of LSP treatment for induction of tentatively through-thickness RS’s fields for fatigue life enhancement in relatively thin sheets in a way compatible with reduced overall workpiece deformation due to spring-back self-equilibration is envisaged in this paper. The coupled theoretical-experimental predictive approach developed by the authors has been applied to the specification of LSP treatments for achievement of RS's fields tentatively able to retard crack propagation on normalized specimens. A convergence between numerical code results and experimental results coming from direct RS's measurement is presented as a first step for the treatment of the normalized specimens under optimized conditions and verification of the crack retardation properties virtually induced.

Tenacidade ao impacto e resistência a fadiga de aço API 5L X70 modificado ao Nb

O transporte de gás e derivados de petróleo é realizado pelo uso de tubulações, denominadas de oleodutos ou gasodutos, que necessitam de elevados níveis de resistência mecânica e corrosão, aliadas a uma boa tenacidade à fratura e resistência à fadiga. A adição de elementos de liga nesses aços, Ti, V e Nb entre outros, é realizada para o atendimento destes níveis de resistência após o processamento termomecânico das chapas para fabricação destes dutos, utilizando-se a norma API 5L do American Petroleum Institute, API, para a classificação destes aços. A adição de elementos de liga em associação com o processamento termomecânico visa o refino de grão da microestrutura austenítica, o qual é transferido para a estrutura ferrítica resultante. O Brasil é o detentor das maiores reservas mundiais de nióbio, que tem sido apresentado como refinador da microestrutura mais eficiente que outros elementos, como o V e Ti. Neste trabalho dois aços, denominados Normal e Alto Nb foram estudados. A norma API propõe que a soma das concentrações de Nióbio, Vanádio e Titânio devem ser menores que 0,15% no aço. As concentrações no aço contendo mais alto Nb é de 0,107%, contra 0,082% do aço de composição normal, ou seja, ambos atendem o valor especificado pela norma API. Entretanto, os aços são destinados ao uso em dutovias pela PETROBRÁS que impõe limites nos elementos microligantes para os aços aplicados em dutovias. Deste modo estudos foram desenvolvidos para verificar se os parâmetros de resistência à tração, ductilidade, tenacidade ao impacto e resistência à propagação de trinca por fadiga, estariam em acordo com a norma API 5L grau X70 e com os resultados que outros pesquisadores têm encontrado para aços dessa classe. Ainda, como para a formação de uma dutovia os tubos são unidos uns aos outros por processo de soldagem (circunferencial), o estudo de fadiga foi estendido para as regiões da solda e zona termicamente afetada (ZTA). Como conclusão final observa-se que o aço API 5L X70 com Nb modificado, produzido conforme processo desenvolvido pela ArcelorMittal - Tubarão, apresenta os parâmetros de resistência e ductilidade em tração, resistência ao impacto e resistência a propagação de trinca em fadiga (PTF) similar aos aços API 5L X70 com teores de Nb = 0,06 % peso e aqueles da literatura com teores de Nb+Ti+V < 0,15% peso. O metal base, metal de solda e zona termicamente afetada apresentaram curvas da/dN x ΔK similares, com os parâmetros do material C e m, da equação de Paris, respectivamente na faixa de 3,3 - 4,2 e 1.3x10-10 - 5.0x10-10 [(mm/ciclo)/(MPa.m1/2)m].

Um modelo multiescala concorrente para representar o processo de fissuração do concreto.

Este trabalho propõe uma técnica de modelagem multiescala concorrente do concreto considerando duas escalas distintas: a mesoescala, onde o concreto é modelado como um material heterogêneo, e a macroescala, na qual o concreto é tratado como um material homogêneo. A heterogeneidade da estrutura mesoscópica do concreto é idealizada considerando três fases distintas, compostas pelos agregados graúdos e argamassa (matriz), estes considerados materiais homogêneos, e zona de transição interfacial (ZTI), tratada como a parte mais fraca entre as três fases. O agregado graúdo é gerado a partir de uma curva granulométrica e posicionado na matriz de forma aleatória. Seu comportamento mecânico é descrito por um modelo constitutivo elástico-linear, devido a sua maior resistência quando comparado com as outras duas fases do concreto. Elementos finitos contínuos com alta relação de aspecto em conjunto com um modelo constitutivo de dano são usados para representar o comportamento não linear do concreto, decorrente da iniciação de fissuras na ZTI e posterior propagação para a matriz, dando lugar à formação de macrofissuras. Os elementos finitos de interface com alta relação de aspecto são inseridos entre todos os elementos regulares da matriz e entre os da matriz e agregados, representando a ZTI, tornando-se potenciais caminhos de propagação de fissuras. No estado limite, quando a espessura do elemento de interface tende a zero (h ?0) e, consequentemente, a relação de aspecto tende a infinito, estes elementos apresentam a mesma cinemática da aproximação contínua de descontinuidades fortes (ACDF), sendo apropriados para representar a formação de descontinuidades associados a fissuras, similar aos modelos coesivos. Um modelo de dano à tração é proposto para representar o comportamento mecânico não linear das interfaces, associado à formação de fissuras, ou até mesmo ao eventual fechamento destas. A fim de contornar os problemas causados pela malha de elementos finitos de transição entre as malhas da macro e da mesoescala, que, em geral, apresentam diferenças expressivas 5 de refinamento, utiliza-se uma técnica recente de acoplamento de malhas não conformes. Esta técnica é baseada na definição de elementos finitos de acoplamento (EFAs), os quais são capazes de estabelecer a continuidade de deslocamento entre malhas geradas de forma completamente independentes, sem aumentar a quantidade total de graus de liberdade do problema, podendo ser utilizados tanto para acoplar malhas não sobrepostas quanto sobrepostas. Para tornar possível a análise em multiescala em casos nos quais a região de localização de deformações não pode ser definida a priori, propõe-se uma técnica multiescala adaptativa. Nesta abordagem, usa-se a distribuição de tensões da escala macroscópica como um indicador para alterar a modelagem das regiões críticas, substituindo-se a macroescala pela mesoescala durante a análise. Consequentemente, a malha macroscópica é automaticamente substituída por uma malha mesoscópica, onde o comportamento não linear está na iminência de ocorrer. Testes numéricos são desenvolvidos para mostrar a capacidade do modelo proposto de representar o processo de iniciação e propagação de fissuras na região tracionada do concreto. Os resultados numéricos são comparados com os resultados experimentais ou com aqueles obtidos através da simulação direta em mesoescala (SDM).

Resistência à fadiga de tubo API 5L X65 cladeado e soldado circunferencialmente com eletrodos de Inconel® 625

As recentes descobertas de petróleo e gás na camada do Pré-sal representam um enorme potencial exploratório no Brasil, entretanto, os desafios tecnológicos para a exploração desses recursos minerais são imensos e, consequentemente, têm motivado o desenvolvimento de estudos voltados a métodos e materiais eficientes para suas produções. Os tubos condutores de petróleo e gás são denominados de elevadores catenários ou do inglês \"risers\", e são elementos que necessariamente são soldados e possuem fundamental importância nessa cadeia produtiva, pois transportam petróleo e gás natural do fundo do mar à plataforma, estando sujeitos a carregamentos dinâmicos (fadiga) durante sua operação. Adicionalmente, um dos problemas centrais à produção de óleo e gás das reservas do Pré-Sal está diretamente associado a meios altamente corrosivos, tais como H2S e CO2. Uma forma mais barata de proteção dos tubos é a aplicação de uma camada de um material metálico resistente à corrosão na parte interna desses tubos (clad). Assim, a união entre esses tubos para formação dos \"risers\" deve ser realizada pelo emprego de soldas circunferenciais de ligas igualmente resistentes à corrosão. Nesse contexto, como os elementos soldados são considerados possuir defeitos do tipo trinca, para a garantia de sua integridade estrutural quando submetidos a carregamentos cíclicos, é necessário o conhecimento das taxas de propagação de trinca por fadiga da solda circunferencial. Assim, neste trabalho, foram realizados ensaios de propagação de trinca por fadiga na região da solda circunferencial de Inconel® 625 realizada em tubo de aço API 5L X65 cladeado, utilizando corpos de prova do tipo SEN(B) (Single Edge Notch Bending) com relações entre espessura e largura (B/W) iguais a 0,5, 1 e 2. O propósito central deste trabalho foi de obter a curva da taxa de propagação de trinca por fadiga (da/dN) versus a variação do fator de intensidade de tensão (ΔK) para o metal de solda por meio de ensaios normatizados, utilizando diferentes técnicas de acompanhamento e medição da trinca. A monitoração de crescimento da trinca foi feita por três técnicas: variação da flexibilidade elástica (VFE), queda de potencial elétrico (QPE) e análise de imagem (Ai). Os resultados mostraram que as diferentes relações B/W utilizadas no estudo não alteraram significantemente as taxas de propagação de trinca por fadiga, respeitado que a propagação aconteceu em condições de escoamento em pequena escala na frente da trinca. Os resultados de propagação de trinca por fadiga permitiram a obtenção das regiões I e II da curva da/dN versus ΔK para o metal de solda. O valor de ΔKlim obtido para o mesmo foi em torno de 11,8 MPa.m1/2 e os valores encontrados das constantes experimentais C e m da equação de Paris-Erdogan foram respectivamente iguais a 1,55 x10-10 [(mm/ciclo)/(MPa.m1/2)m] e 4,15. A propagação de trinca no metal de solda deu-se por deformação plástica, com a formação de estrias de fadiga.

Ultrasonic and X-ray computed tomography characterization of progressive fracture damage in low-porous carbonate rocks

This paper studies the fracturing process in low-porous rocks during uniaxial compressive tests considering the original defects and the new mechanical cracks in the material. For this purpose, five different kinds of rocks have been chosen with carbonate mineralogy and low porosity (lower than 2%). The characterization of the fracture damage is carried out using three different techniques: ultrasounds, mercury porosimetry and X-ray computed tomography. The proposed methodology allows quantifying the evolution of the porous system as well as studying the location of new cracks in the rock samples. Intercrystalline porosity (the smallest pores with pore radius < 1 μm) shows a limited development during loading, disappearing rapidly from the porosimetry curves and it is directly related to the initial plastic behaviour in the stress–strain patterns. However, the biggest pores (corresponding to the cracks) suffer a continuous enlargement until the unstable propagation of fractures. The measured crack initiation stress varies between 0.25 σp and 0.50 σp for marbles and between 0.50 σp and 0.85 σp for micrite limestone. The unstable propagation of cracks is assumed to occur very close to the peak strength. Crack propagation through the sample is completely independent of pre-existing defects (porous bands, stylolites, fractures and veins). The ultrasonic response in the time-domain is less sensitive to the fracture damage than the frequency-domain. P-wave velocity increases during loading test until the beginning of the unstable crack propagation. This increase is higher for marbles (between 15% and 30% from initial vp values) and lower for micrite limestones (between 5% and 10%). When the mechanical cracks propagate unstably, the velocity stops to increase and decreases only when rock damage is very high. Frequency analysis of the ultrasonic signals shows clear changes during the loading process. The spectrum of treated waveforms shows two main frequency peaks centred at low (~ 20 kHz) and high (~ 35 kHz) values. When new fractures appear and grow the amplitude of the high-frequency peak decreases, while that of the low-frequency peak increases. Besides, a slight frequency shift is observed towards higher frequencies.

The effect of the reduction of carbon content on the toughness of high chromium white irons in the as-cast state

Three high chromium white cast irons were examined in the as-cast state to determine the effect of the carbon content on the fracture toughness. The plane strain fracture toughness K-Ic and the fracture strength were measured for each alloy. X-ray mapping was used to identify the phases on the fracture surfaces. Scanning electron fractography and optical microscopy were used to determine the volume fraction of each phase on the fracture surfaces. It was found that most fracture occurred in the eutectic carbides, but that for the alloys with a reduced volume fraction of eutectic carbides, a small amount of crack propagation occurred in the austenitic dendrites. This change in crack path correlated with an increase in fracture toughness. The Ritchie-Knott-Rice model of brittle fracture was applied. It was found to sensibly predict the critical length for fracture for each alloy. Deep etching was employed to examine the distribution of eutectic carbides. It was found that the eutectic carbides formed a continuous network in each case. (C) 2004 Kluwer Academic Publishers.

Cracks of higher modes in Cosserat continua

Rotational degrees of freedom in Cosserat continua give rise to higher fracture modes. Three new fracture modes correspond to the cracks that are surfaces of discontinuities in the corresponding components of independent Cosserat rotations. We develop a generalisation of J- integral that includes these additional degrees of freedom. The obtained path-independent integrals are used to develop a criterion of crack propagation for a special type of failure in layered materials with sliding layers. This fracture propagates as a progressive bending failure of layers – a “bending crack that is, a crack that can be represented as a distribution of discontinuities in the layer bending. This situation is analysed using a 2D Cosserat continuum model. Semi-infinite bending crack normal to layering is considered. The moment stress concentrates along the line that is a continuation of the crack and has a singularity of the power − 1/4. A model of process zone is proposed for the case when the breakage of layers in the process of bending crack propagation is caused by a crack (microcrack in our description) growing across the layer adjacent to the crack tip. This growth is unstable (in the moment-controlled loading), which results in a typical descending branch of moment stress – rotation discontinuity relationship and hence in emergence of a Barenblatt-type process zone at the tip of the bending crack.

Sviluppo e applicazione di nuovi criteri per la verifica a fatica multiassiale di componenti strutturali in leghe di acciaio e alluminio

La presente Tesi ha per oggetto lo sviluppo e la validazione di nuovi criteri per la verifica a fatica multiassiale di componenti strutturali metallici . In particolare, i nuovi criteri formulati risultano applicabili a componenti metallici, soggetti ad un’ampia gamma di configurazioni di carico: carichi multiassiali variabili nel tempo, in modo ciclico e random, per alto e basso/medio numero di cicli di carico. Tali criteri costituiscono un utile strumento nell’ambito della valutazione della resistenza/vita a fatica di elementi strutturali metallici, essendo di semplice implementazione, e richiedendo tempi di calcolo piuttosto modesti. Nel primo Capitolo vengono presentate le problematiche relative alla fatica multiassiale, introducendo alcuni aspetti teorici utili a descrivere il meccanismo di danneggiamento a fatica (propagazione della fessura e frattura finale) di componenti strutturali metallici soggetti a carichi variabili nel tempo. Vengono poi presentati i diversi approcci disponibili in letteratura per la verifica a fatica multiassiale di tali componenti, con particolare attenzione all'approccio del piano critico. Infine, vengono definite le grandezze ingegneristiche correlate al piano critico, utilizzate nella progettazione a fatica in presenza di carichi multiassiali ciclici per alto e basso/medio numero di cicli di carico. Il secondo Capitolo è dedicato allo sviluppo di un nuovo criterio per la valutazione della resistenza a fatica di elementi strutturali metallici soggetti a carichi multiassiali ciclici e alto numero di cicli. Il criterio risulta basato sull'approccio del piano critico ed è formulato in termini di tensioni. Lo sviluppo del criterio viene affrontato intervenendo in modo significativo su una precedente formulazione proposta da Carpinteri e collaboratori nel 2011. In particolare, il primo intervento riguarda la determinazione della giacitura del piano critico: nuove espressioni dell'angolo che lega la giacitura del piano critico a quella del piano di frattura vengono implementate nell'algoritmo del criterio. Il secondo intervento è relativo alla definizione dell'ampiezza della tensione tangenziale e un nuovo metodo, noto come Prismatic Hull (PH) method (di Araújo e collaboratori), viene implementato nell'algoritmo. L'affidabilità del criterio viene poi verificata impiegando numerosi dati di prove sperimentali disponibili in letteratura. Nel terzo Capitolo viene proposto un criterio di nuova formulazione per la valutazione della vita a fatica di elementi strutturali metallici soggetti a carichi multiassiali ciclici e basso/medio numero di cicli. Il criterio risulta basato sull'approccio del piano critico, ed è formulato in termini di deformazioni. In particolare, la formulazione proposta trae spunto, come impostazione generale, dal criterio di fatica multiassiale in regime di alto numero di cicli discusso nel secondo Capitolo. Poiché in presenza di deformazioni plastiche significative (come quelle caratterizzanti la fatica per basso/medio numero di cicli di carico) è necessario conoscere il valore del coefficiente efficace di Poisson del materiale, vengono impiegate tre differenti strategie. In particolare, tale coefficiente viene calcolato sia per via analitica, che per via numerica, che impiegando un valore costante frequentemente adottato in letteratura. Successivamente, per validarne l'affidabilità vengono impiegati numerosi dati di prove sperimentali disponibili in letteratura; i risultati numerici sono ottenuti al variare del valore del coefficiente efficace di Poisson. Inoltre, al fine di considerare i significativi gradienti tensionali che si verificano in presenza di discontinuità geometriche, come gli intagli, il criterio viene anche esteso al caso dei componenti strutturali intagliati. Il criterio, riformulato implementando il concetto del volume di controllo proposto da Lazzarin e collaboratori, viene utilizzato per stimare la vita a fatica di provini con un severo intaglio a V, realizzati in lega di titanio grado 5. Il quarto Capitolo è rivolto allo sviluppo di un nuovo criterio per la valutazione del danno a fatica di elementi strutturali metallici soggetti a carichi multiassiali random e alto numero di cicli. Il criterio risulta basato sull'approccio del piano critico ed è formulato nel dominio della frequenza. Lo sviluppo del criterio viene affrontato intervenendo in modo significativo su una precedente formulazione proposta da Carpinteri e collaboratori nel 2014. In particolare, l’intervento riguarda la determinazione della giacitura del piano critico, e nuove espressioni dell'angolo che lega la giacitura del piano critico con quella del piano di frattura vengono implementate nell'algoritmo del criterio. Infine, l’affidabilità del criterio viene verificata impiegando numerosi dati di prove sperimentali disponibili in letteratura.

The properties of advanced alumimium alloy systems

2XXX and 7XXX series aluminium alloys have been the accepted materials for airframe construction for many decades. However, only minor improvements in properties have been possible by the development of these alloys since the early 1970's. The constant need to reduce weight in aircraft has therefore led to a resurgence in the research for higher performance aluminium alloys. The reason for this investigation was to evaluate possible alternatives for the existing conventional aluminium alloy 2014 for aircraft wheel applications. Three new technologies in alloy development were considered: a metal matrix composite, an aluminium-lithium alloy and a powder metallurgical alloy. The basic mechanical properties of these advanced materials have already been established to an extent, but their fatigue behaviour has yet to be fully understood. The purpose of this work was to investigate the fatigue properties of the materials concerned, in both air and an aerated 3.5% NaCl solution, and compare these properties to 2014-T6. As well as the basic mechanical properties, fatigue crack propagation data is presented for all of the materials concerned. Additionally, fatigue crack initiation data is presented for the aluminium-lithium alloy and 2014. The D.C. electrical potential method was used to monitor crack growth. Of the materials investigated, the most promising was the aluminium-lithium alloy. However, short transverse properties need to be increased and the commercial cost of the material needs to be decreased before it can be considered as a direct replacement for 2014 for aircraft structural applications. It was considered that the cost of the powder metallurgical alloy would limit its further use. The metal matrix composite material proved to be unsuitable for most ambient temperature applications

Creep and fatigue of a single crystal nickel base superalloy

The introduction of single crystal casting techniques has led to the development of existing nickel-base superalloys to produce materials with optimum mechanical properties in the single crystal condition. As single crystals are known to be anisotropic, a study is needed to determine the general mechanical properties of these materials, and determine the effects of crystal orientation upon them. A study has been carried out to identify the effect of orientation and temperature on the creep and fatigue properties of a development single crystal superalloy, SRR 99. Creep testing and crystal rotation experiments have been made on SRR 99 and an earlier development alloy, SRR 9. Fatigue experiments at elevated temperatures have been carried out on both notched and un-notched specimens of alloy SRR 99. To aid in this analysis, several analytical techniques have been employed including Laue x-ray orientation analysis, measurement of strain by photographic methods and microstructural examination. Crystal rotation experiments have indicated that shear of 1 precipitates by lbrace111rbrace< 112> slip systems is operative during primary creep deformation at temperatures of 750oC and 850oC. The effect of orientation variation obtained by standard casting practices was not found to be significant. Creep rupture was found to be associated with multiple crack initiation from micropores. Fatigue crack initiation in un-notched specimens was found to be related to microporosity and microstructural defects. Failure was predominantly by crystallographic crack growth on lbrace111rbrace planes. The use of linear elastic fracture mechanics to describe fatigue crack propagation in alloy SRR 99 was found to be acceptable at temperatures up to 850oC. Variation of temperature, frequency and crystal orientation was found to have only moderate effect upon crack propagation rates.

Fatigue of commercial aluminium alloys

Fatigue crack propagation has been observed for a number of commercial aluminium alloys. Comparable data was obtained for a variety of crack and specimen geometries over a range of crack lengths for a given alloy. Where crack propagation only was of interest the initiation event has been excluded by pre-cracking the specimen using a fin of material adjacent to the crack face. By this method a controlled defect size is introduced in to the specimen. By modification of the D.C. potential drop method it has been shown possible to measure the growth of cracking from 0.12mm by this method. Crack growth from defects greater than 0.6mm have been shown to give conventional crack propagation deduced by principle of similitude. Fatigue fracture surface analysis has been conducted for cracking from both free surfaces and from blunt notches. A `quasi cleavage' feature has been identified and is shown to be prominent when the fatigue stress intensity range is below 10 MNm-3/2.