Soluciones del factor de intensidad de tensiones para fisuras elípticas internas en barras cilíndricas sometidas a esfuerzos de tracción

Abstract

Existe un gran número de aplicaciones en las cuales los defectos internos, como poros o inclusiones, son la principal causa de la iniciación de fisuras por fatiga en piezas de geometría cilíndrica. En este trabajo se presentan las soluciones del factor de intensidad de tensiones para fisuras elípticas internas en geometrías cilíndricas sometidas a esfuerzos de tracción. Las soluciones han sido obtenidas mediante un análisis por elementos finitos, y se presentan tabuladas en función de tres parámetros adimensionales: el tamaño de la fisura frente al radio de la pieza, la relación de aspecto de la fisura elíptica y la posición relativa de la misma. Para la validación del modelo numérico desarrollado, las soluciones aportadas se han comparado con una serie de soluciones representativas disponibles en la literatura. Posteriormente, y para que el análisis en fatiga de este tipo de componentes sea completo, se establecen las condiciones para la recategorización de la fisura elíptica interna en una fisura semielíptica superficial que permita continuar el cálculo en fatiga cuando el defecto interno alcance la superficie de la pieza. Finalmente, se presenta una comparación con resultados experimentales de la evolución del crecimiento de fisuras por fatiga iniciada a partir de defectos internos en probetas cilíndricas sometidas a cargas de tracción, lo que permite evaluar la capacidad de las soluciones proporcionadas para el análisis de crecimiento de grietas de fatiga en esta geometría.

There is a large number of applications in which internal defects, such as pores or inclusions, are the main cause of the fatigue cracks initiation in round bars. This paper presents a set of stress intensity factor solutions for internal elliptical cracks in round bars subjected to tensile loads. Solutions have been obtained from a 3D finite element analysis, and are presented in a tabulated form as a function of three dimensionless parameters: the crack size to the radius of the round bar, the crack aspect ratio of the elliptical flaw and its relative position in the cross area. In order to validate the numerical model developed, some extreme situations are compared with solutions of embedded elliptical flaws in different geometries available in the literature. Afterward, and in order the fatigue analysis of this geometry to be complete, the conditions for the recategorization of the internal elliptical crack to a semi-elliptical surface crack are defined, that allows the fatigue crack growth calculation to be continued as the internal defect reaches the surface of the round bar. Finally, a comparison with experimental results of the evolution of fatigue crack growth initiated from internal defects in round bars subjected to tensile loads is presented. This experimental validation allows the capacity of the solutions provided for the analysis of growth of fatigue cracks in this geometry to be evaluated.