Misura multiscala di closure in Haynes 230 mediante la digital image correlation

Fatigue crack growth depends on crack closure. This phenomenon, due to the cyclic yielding occurring at the crack-tip, reduces the stress range applied to the defect, since it implies the presence of a compressive stress field, which keeps the crack closed for a part of the fatigue load cycle. In the first part of this work, crack closure effects were studied in Haynes 230, a Ni-based superalloy. Crack opening levels were investigated with an innovative technique based on computer vision, digital image correlation (DIC). DIC was employed to measure the displacement field acting at the tip. Starting from these displacements, crack-closure was investigated following two different approaches. Full-field algorithms, which extract crack propagation driving forces from the full field surrounding the tips, were employed to obtain global crack closure measurements. These experimental results were compared to those obtained from a local method, based on virtual gages. This method evaluates crack opening levels by analyzing the relative displacements of crack flanks. Effective stress intensity factor ranges were computed starting from these measurements. Experimental results, in terms of crack growth rates, were compared to the reference propagation curve, obtained testing a SE(B) specimen with an high stress ratio. It was found that experimental points lie on the reference curve, underlining the accuracy of the measured opening levels. In the second part of this work, full-field algorithm was modified to measure crack closure in single crystal specimens. The algorithm was modified to take into account the effects of anisotropy. In this phase, the dependency of crack closure measurements on the extension of the regression area was investigated. It was found that the method is consistent only if a small area around the tip is considered. These areas correspond to the regions in which the singular field is dominant.

La velocità di propagazione di difetti a fatica è fortemente influenzata dalla crack closure. Tale fenomeno, dovuto alla presenza di sforzi di compressione nell'intorno dell'apice di cricca, comporta una diminuzione delle ampiezze di sforzo applicate al difetto, in quanto implica la adesione delle facce della frattura per una porzione del ciclo di fatica. Nella prima parte di questa tesi, gli effetti della crack closure sono studiati a partire dai risultati di una campagna sperimentale condotta su provini realizzati in Haynes 230, una lega a base di nichel. La crack closure viene studiata valutando la dipendenza dei carichi di apertura dal rapporto di carico applicato al provino: in particolare, i carichi di opening sono stati valutati seguendo un approccio basato su di una recente tecnica di misura, la Digital Image Correlation, la quale permette di valutare il campo di spostamento singolare presente nell'intorno del difetto. A partire da tali spostamenti, i carichi di apertura sono stati valutati seguendo due differenti tecniche. Il primo approccio é consistito nel valutare i carichi di apertura a partire da tutto il campo singolare, applicando algoritmi che implementano le equazioni analitiche della meccanica della frattura elastico-lineare (metodo full-field). Il secondo approccio, di tipo locale, ha previsto l'utilizzo di estensometri digitali (digital extensometers) applicati lungo i fianchi della cricca, i quali hanno permesso di valutare accuratamente gli spostamenti delle facce del difetto, andando a valutare i carichi di apertura nell'immediata vicinanza del crack tip. A partire da tali carichi di apertura è stato possibile valutare l'ampiezza dei fattori di intensificazione degli sforzi effettivi. Tali valori sono stati utilizzati per confrontare i punti sperimentali con le curve di propagazione ricavate ad elevati rapporti di carico, condizione in cui il fenomeno della crack closure non è presente. Come previsto, l'adozione dei livelli di opening sperimentali ha rimosso la dipendenza delle velocità di propagazione dal rapporto di carico applicato, confermando la bontà delle misure effettuate. Nella seconda parte di questa tesi, l'algoritmo full-field è stato modificato per effettuare misure di closure su provini realizzati in cristalli singoli. Per fare ciò, sono state implementate le equazioni rappresentanti il campo singolare intorno all'apice di un difetto presente in un corpo anisotropo. In questa fase si è cercato di valutare la dipendenza delle misure di closure dall'estensione delle aree considerate nell'intorno del crack tip. Tale studio ha permesso di valutare i limiti di applicabilità della tecnica, la quale restituisce stime attendibili solo se applicata in zone limitate, coincidenti con le regioni in cui il termine singolare risulta essere predominante