Numerical simulation of fatigue crack growth in AISI 4130 through cohesive zone modeling

Cohesive zone models are numerical tools to describe the non-linear cohesive tractions in front of an existing crack, able to simulate the mechanical behaviour in the process zone. To date, they have been applied both to ductile and brittle materials in the framework of the Finite Element Method (FEM). Recently, cyclic cohesive zone models have also drawn the attention of scientists and researchers as a numerical technique employed to characterize the fatigue crack growth. In the present work, an irreversible cohesive zone model is applied to predict the fatigue crack growth rate as a function of the Stress Intensity Factor in a Compact Tension C(T) specimen, made of steel AISI 4130 and subjected to a cyclic loading condition. Numerical simulations are carried out with the Finite Element (FE) commercial software Abaqus by means of a user element UEL subroutine, which describes the mechanical behaviour of the cohesive elements uniformly distributed along the ligament of the C(T) specimen. The cohesive parameters describing the cyclic damage of the first element ahead of the crack tip are calibrated based on available experimental fatigue data. The procedure proves the ability of cohesive zone models in estimating the Paris curve, and evidences the capability of this numerical tool to describe the fatigue behaviour. This work paves the way to future perspectives in the environmentally assisted fatigue problems, representing an important engineering issue to be solved in applications for hydrogen storage and transportation. This thesis consists of the first phase of a future work that will tackle it. Therefore, the future expectation is to obtain a full numerical framework able to couple the hydrogen presence and its embrittlement effect in the fracture process zone, and the fatigue crack growth due to cyclic loading condition.

I modelli coesivi sono degli strumenti numerici utilizzati per descrivere l’andamento non lineare degli sforzi che si generano in prossimità dell’apice di una cricca, e per simulare il comportamento meccanico nella zona di processo. Ad oggi, tali modelli sono stati applicati sia a materiali duttili che fragili, attraverso elementi coesivi implementati con il metodo degli elementi finiti (FEM, Finite Element Method). Recentemente, lo sviluppo di elementi coesivi che simulano la propagazione in condizioni di carico ciclico è al centro di molta attenzione da parte di scienziati e ricercatori. Il presente lavoro implementa un modello coesivo in grado di prevedere la velocità di crescita della cricca a fatica in funzione del fattore di intensificazione degli sforzi in un provino Compact Tension C(T) in AISI 4130, sottoposto ad un carico ciclico. Le simulazioni numeriche sono effettuate utilizzando il software commerciale Abaqus mediante la subroutine UEL, che descrive il comportamento meccanico degli elementi coesivi uniformemente distribuiti lungo il piano di simmetria del provino C(T). I parametri coesivi, che descrivono il danneggiamento ciclico del primo elemento posizionato in corrispondenza dell’apice della cricca, sono calibrati sulla base di curve sperimentali di fatica disponibili. La procedura dimostra la capacità dei modelli coesivi nella stima della curva di Paris, e mette in evidenza l’abilità di questa tecnica numerica nel descrivere il comportamento a fatica. Questo lavoro apre la strada a prospettive future riguardo i problemi legati alla fatica in ambiente aggressivo, che rappresenta, ad esempio, un problema rilevante da risolvere nelle applicazioni ingegneristiche per lo stoccaggio e il trasporto di idrogeno. Questo lavoro di tesi corrisponde alla prima fase di un lavoro futuro nel quale si affronterà tale problema. Pertanto, l’aspettativa è quella di sviluppare un quadro numerico completo per accoppiare la presenza dell’idrogeno e il suo conseguente effetto infragilente nella zona di frattura, e permettere la simulazione della propagazione di cricche dovuta a carichi ciclici.