Análisis del proceso de fractura en materiales estructurales mediante el uso del criterio de la densidad de energía de deformación y el concepto de material equivalente

RESUMEN: A la hora de realizar el análisis a fractura de componentes entallados, hacerlo como si de componentes fisurados se tratase da lugar a unos resultados generalmente conservadores. Por esto y para que las evaluaciones de integridad estructural se ajusten lo máximo posible a la realidad es necesario implementar metodologías que tengan en cuenta el comportamiento real de las entallas. El Criterio de la Densidad de Energía de Deformación (SED) es una metodología que con un reducido coste (solo es necesario conocer los parámetros resistentes obtenidos de un ensayo de tracción y la geometría del defecto) que permite estimar con un elevado grado de precisión la carga de rotura de materiales con comportamiento elástico-lineal. El Concepto de Material Equivalente (EMC) es una metodología que permite convertir un material con comportamiento no lineal en otro material equivalente con comportamiento elástico-lineal. Se plantea una metodología que permita analizar todo tipo de materiales empleando el criterio SED o la combinación del EM C-SED. Para ello se analizan cinco materiales de distinta naturaleza (polímeros, metales y materiales compuestos) con diferentes comportamientos mecánicos: PMMA, aleación de aluminio Al7075-T651, acero estructural S275JR, Poliamida 6 y Poliamida 6 reforzada con diferentes cantidades de fibra de vidrio corta. Se reafirma la buena aplicabilidad del criterio SED para la estimación de la carga de rotura de materiales con comportamiento lineal y se valida el empleo de la metodología que combina el EMC-SED para la estimación de la carga de rotura de materiales con comportamiento no lineal en tracción y elástico-lineal en fractura.ABSTRACT: When performing the fracture analysis of notched com ponents, considering them as cracked components generally results in conservative values. For this reason and for structural integrity assessments to be adjusted as much as possible to reality, it is necessary to implement methodologies that take into account the actual behavior of the notches. The Strain Energy Density Criterion (SED) is a methodology that with a reduced cost allows estimating (with a high degree of precision) the load bearing capacity of materials with elastic linear behavior (only the resistant parameter values obtained from a tensile test and the defect geometry are needed). The Equivalent Material Concept (EMC) is a methodology that allows converting a material with non-linear behavior into another equivalent material with elastic-linear behavior. A methodology is proposed to analyze all types of materiaIs using the SED criterion or the EMC­ SED criterion combination. Five materiaIs with different nature (polymers, metaIs and composite materials) and with different mechanical behaviors are analyze d: PMMA, Al7075-T651 aluminum alloy, S275JR structural steel, Polyamide 6 and Polyamide 6 reinfarced with different contents of short glass fiber. The good applicability of the SED criterion far estimating the load bearing capacity far materiaIs with linear behavior is reaffirmed. The use of the methodology that combines the EMC-SED far estimating the load bearing capacity far materials with non-linear behavior in tensile test and with elastic -linear behavior in fracture test is validated.Este trabajo ha recibido financiación del Ministerio de Economía y Competitividad del Gobierno de España a través del Programa Estatal de Fomento de la Investigación Científica y Técnica de Excelencia, a través de los proyectos: MAT2014-58443-P: “Análisis del comportamiento en fractura de componentes estructurales con defectos en condiciones de bajo confinamiento tensional”

Using the equivalent material concept and the average strain energy density to analyse the fracture behaviour of structural materials

ABSTRACT: This paper provides a complete overview of the applicability of the Equivalent Material Concept in conjunction with the Average Strain Energy Density criterion, to provide predictions of fracture loads in structural materials containing U-notches. The Average Strain Density Criterion (ASED) has a linear-elastic nature, so in principle, it does not provide satisfactory predictions of fracture loads in those materials with nonlinear behaviour. However, the Equivalent Material Concept (EMC) is able to transform a physically nonlinear material into an equivalent linear-elastic one and, therefore, the combination of the ASED criterion with the EMC (EMC?ASED criterion) should provide good predictions of fracture loads in physically nonlinear materials. The EMC?ASED criterion is here applied to different types of materials (polymers, composites and metals) with different grades of nonlinearity, showing the accuracy of the corresponding fracture load predictions and revealing qualitatively the limitations of the methodology. It is shown how the EMC?ASED criterion provides good predictions of fracture loads in nonlinear materials as long as the nonlinear behaviour is mainly limited to the tensile behaviour, and how the accuracy decreases when the nonlinear behaviour is extended to the material behaviour in the presence of defectsFunding: This research was funded by the Spanish Ministry of Science, Innovation and Universities, grant number PGC2018-095400-B-I00 (MCIU/AEI/FEDER, UE)

Estimación de la carga de rotura en probetas entalladas de aluminio AL7075-T651 mediante el uso del concepto del material equivalente combinado con el criterio de la densidad de energía de deformación

El principal objetivo de este artículo es la aplicación del criterio de la Densidad de Energía de Deformación (SED), combinado con el Concepto de Material Equivalente (EMC) para predecir la carga de rotura de probetas CT de la aleación de aluminio Al7075-T651 que contienen entallas en U. Con este propósito, se han realizado 24 ensayos de fractura combinando 6 radios de entalla diferente, que cubren desde probetas fisuradas (0 mm) hasta probetas de 2 mm de radio de entalla. Las probetas fisuradas se han empleado para obtener las propiedades de fractura del material y el resto de los ensayos, se han usado para comprobar y comparar la carga de fractura obtenida experimentalmente con las predicciones que devuelven los métodos mencionados anteriormente: SED, SED-EMC. Los resultados teóricos de las predicciones de la carga de rotura para el material imaginario obtenido mediante el empleo del EMC, concuerdan con los resultados experimentales derivados de las muestras reales

On the use of British standard 7910 option 1 failure assessment diagram to non-metallic materials

This paper provides a structural integrity assessment methodology for the analysis of non-metallic materials. The approach uses the British standard 7910 option 1 failure assessment diagram, originally proposed for the fracture-plastic collapse assessment of metallic materials. The methodology has been applied to 60 fracture specimens, combining 12 different materials and covering polymers, composites, and rocks. The results obtained validate the proposed assessment methodology and demonstrate its safety for the materials analysed here.The authors of this work would like to express their gratitude to the Spanish Ministry of Economy, Industry and Competitiveness for the financial support of the Project MAT2014-58443-P: “Análisis del comportamiento en fractura de componentes estructurales con defectos en condiciones debajo confinamiento tensional”, on the results of which this paper is based

Critical distance default values for structural steels and a simple formulation to estimate the apparent fracture toughness in u-notched conditions

The structural integrity assessment of components containing notch-type defects has been the subject of extensive research in the last few decades. The assumption that notches behave as cracks is generally too conservative, making it necessary to develop assessment methodologies that consider the specific nature of notches, providing accurate safe predictions of failure loads or defect sizes. Among the different theories or models that have been developed to address this issue the Theory of Critical Distances (TCD) is one of the most widely applied and extended. This theory is actually a group of methodologies that have in common the use of the material toughness and a length parameter that depends on the material (the critical distance; L). This length parameter requires calibration in those situations where there is a certain non-linear behavior on the micro or the macro scale. This calibration process constitutes the main practical barrier for an extensive use of the TCD in structural steels. The main purpose of this paper is to provide, through a set of proposed default values, a simple methodology to accurately estimate both the critical distance of structural steels and the corresponding apparent fracture toughness predictions derived from the TCD.The authors of this work would like to express their gratitude to the Spanish Ministry of Science and Innovation for the financial support of the Project MAT2014-58443-P: “Análisis del comportamiento en fractura de componentes estructurales con defectos en condiciones de bajo confinamiento tensional”, on the results of which this paper is based

Estimation of Fracture Loads in AL7075-T651 Notched Specimens Using the Equivalent Material Concept Combined with the Strain Energy Density Criterion and with the Theory of Critical Distances

The main goal of this paper is the application of the Strain Energy Density (SED) criterion and the Theory of Critical Distances (TCD), both of them in combination with the Equivalent Material Concept (EMC), to predict the fracture loads of aluminum alloy Al7075-T651 Compact Tension (CT) specimens containing U-shaped notches. For this purpose, 45 fracture tests were performed combining two rolling orientations (transverse and longitudinal) and 6 notch radii, which cover from crack-type defects (0 mm) up to 2 mm-notch radius. Crack-type specimens are used to define the fracture properties of the material and the rest of the tests are used to check and compare the experimental fracture loads with the loads predicted using the different aforementioned criteria: SED, EMC-SED and EMC-TCD. The theoretical results of the fracture load predictions for the virtual brittle material obtained employing the EMC are in good agreement with the experimental results reported for real samples.The authors of this work would like to express their gratitude to the Spanish Ministry of Science and Innovation for the financial support of the Project MAT2014-58443-P: “Análisis del comportamiento en fractura de componentes estructurales con defectos en condiciones debajo confinamiento tensional”, on the results of which this paper is based

Uso de la opción 1 del diagrama de fallo propuesto por la British Standard 7910 en materiales poliméricos y compuestos

En este artículo se establece una metodología para realizar evaluaciones de integridad estructural de materiales poliméricos y compuestos. El planteamiento se basa en el uso de la Opción 1 del Diagrama de Fallo (FAD) recogido en la British Standard 7910, originalmente propuesto para el análisis de la fractura -colapso plástico de materiales metálicos. La metodología se ha aplicado a 33 probetas de fractura, combinando 7 materiales diferentes, integrando polímeros y materiales compuestos. Los resultados obtenidos validan la metodología de evaluación propuesta y demuestran que es segura para los materiales analizados

Valores por defecto de la distancia crítica en aceros estructurales. Estimaciones de la tenacidad aparente a fractura en presencia de entallas en U

La evaluación de integridad estructural de componentes con defectos tipo entalla ha sido objeto de una extensa investigación en las últimas décadas. La asunción de que las entallas se comportan como fisuras es generalmente muy conservadora, haciendo necesario desarrollar metodologías de análisis que consideren la naturaleza específica de las entallas, de tal forma que se obtengan predicciones seguras y precisas de las cargas de rotura o del tamaño del defecto. Entre las diferentes teorías o modelos que se han desarrollado para abordar este tema, la Teoría de las Distancias Críticas (TDC) es una de las más aplicadas y extendidas. Esta teoría es realmente un grupo de metodologías que tienen en común el uso de la tenacidad del material y un parámetro de longitud que depende del material (la distancia crítica, L). Este parámetro de longitud requiere calibración en aquellas situaciones en las que haya comportamiento no lineal, tanto en la escala micro como en la macro. Este proceso de calibración constituye la principal barrera práctica para el uso frecuente de la TDC en aceros estructurales. La principal propuesta de este artículo es proveer a través de un conjunto de valores por defecto propuestos, una metodología para estimar de forma precisa tanto la distancia crítica en aceros estructurales a temperaturas de la zona de transición como la tenacidad aparente a fractura derivada del uso de la TDC.MAT2014-58443-

Desarrollo de modelos de evaluación de aceros estructurales con defectos tipo entalla

Máster en Ingeniería de Caminos, Canales y Puerto

Estimation of the load-bearing capacity of tubular cantilever beams containing through-thickness circumferential U-notches

ABSTRACT: This paper provides a methodology for the structural integrity assessment of tubular beams containing U-notches, and particularises the analysis to the case of cantilever beams containing through thickness U-notches. The methodology is based on the combined use of Failure Assessment Diagrams and the Theory of Critical Distances, with the BS7910 as the reference fracture assessment document. The results, obtained in Al6060 and PVC (Polyvinyl chloride) tubular cantilever beams, demonstrates that the proposed approach provides accurate predictions of failure loads.The authors of this work would like to express their gratitude to the Spanish Ministry of Science and Innovation for the financial support of the projects MAT2014-58443-P and PGC2018-095400-B-I00 (MCI/AEI/ FEDER, UE), on the results of which this paper is based