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Tesis para optar al título de Doctor en Ciencia y Tecnología, mención materiales. Director: Iorio, Antonio F.

La Mecánica de Fractura constituye una herramienta básica para evaluar fisuras en componentes/estructuras, proponiéndose estudiar cuantitativamente la relación entre tenacidad, tensión y tamaño de defecto. El trabajo de investigación y desarrollo en Mecánica de Fractura se aplica a procedimientos de diseño y análisis de integridad. La Mecánica de Fractura Computacional [CFM] se aplica al estudio de la fuerza impulsora actuante en el frente de fisura, mientras que la Mecánica de Fractura Experimental [EFM] determina la resistencia [tenacidad] del material. Los métodos para caracterizar el material y evaluar la respuesta mecánica esperada en situaciones de diseño son semi-empíricos. Se asume que el modo dominante de falla es la propagación de fisuras, que se evalúa comparando entre la fuerza impulsora y la resistencia en términos de un parámetro fractomecánico adecuado. Estos parámetros se seleccionan de acuerdo con la respuesta mecánica. En este trabajo utilizamos como parámetro fractomecánico Integral J. En el contexto de la Mecánica de Fractura Elasto-Plástica [EPFM], los procedimientos experimentales se basan en la interpretación energética de Integral J. Tanto la fuerza impulsora como la resistencia [tenacidad] tienen naturaleza termodinámica, en relación con la energía involucrada en el proceso de fractura. Se tienen muy buenos resultados en el tratamiento analítico de la falla en materiales de alta resistencia, que desarrollan plasticidad limitada. Se obtienen curvas carga-desplazamiento que resultan no lineales debido a contribuciones de la deformación plástica y de la propagación estable de fisura. Los parámetros fractomecánicos pueden evaluarse cuando se conocen simultáneamente carga, desplazamiento y longitud de fisura. Algunos problemas permanecen sin resolverse. La evaluación de la tenacidad es más difícil cuando se observa propagación estable, característico en materiales relativamente dúctiles y tenaces. La deformación plástica desarrollada en el frente de fisuras, al inicio y durante la propagación estable, deriva en un incremento aparente en la fuerza impulsora [la resistencia durante la propagación estable puede ser varias veces mayor que al inicio]. Este fenómeno hace difícil el análisis de la inestabilidad. La variabilidad de las curvas se atribuye a diferencias en el confinamiento. El concepto de confinamiento de la deformación plástica [constraint] se aplica a la interacción compleja entre características macroscópicas [geometría, configuración de carga, propiedades mecánicas] y los mecanismos microestructurales de la fractura dúctil. Además, los parámetros fractomecánicos pueden caracterizar el estado local de tensiones-deformaciones. Muchas aplicaciones prácticas de Mecánica de Fractura en Ingeniería Estructural se basan en el principio de autonomía [el estado local de tensiones-deformaciones depende de ún único parámetro, independiente de la geometría y la configuración]. La transferibilidad también es un problema no totalmente resuelto. La resistencia a la propagación de fisuras queda representada mediante curvas obtenidas experimentalmente. Los ensayos fractomecánicos estandarizados conducen a estimaciones de curvas de resistencia, pero su complejidad y costo impulsan el desarrollo de métodos simplificados. La resistencia a la propagación de fisura se estima mediante procedimientos estandarizados pero se requiere el desarrollo de métodos simplificados. En este sentido, interesa desarrollar métodos experimentales sin las limitaciones relacionadas con la medición de la longitud de fisura durante los ensayos. En los llamados métodos directos la longitud de fisura se infiere a partir de las curvas experimentales y la medición de las longitudes inicial y final de fisura. La motivación central de este trabajo consiste en introducir un método gráfico-analítico para obtener curvas J-Resistencia en metales. Se utilizan las probetas y las expresiones de los ensayos estandarizados. Como métodos de referencia para el método propuesto se tomaron flexibilidad elástica y normalización, métodos incluidos en los estándares. El método estudiado, al alcance de operadores técnicos con entrenamiento medio, puede implementarse sin instrumentación ni software específicos. Con el ánimo de validar el método, se seleccionaron aceros microaleados. Se realizó la caracterización mecánica y metalúrgica. En este trabajo se discuten expresiones alternativas para la predicción del inicio de la propagación y la estimación de la longitud instantánea de fisura. Establecemos que el método propuesto es una alternativa válida en determinados casos. Sus resultados son similares a los obtenidos con procedimientos estándar, pero con menores requerimientos [puede utilizarse en probetas que no cumplan con los requisitos de tamaño, carga dinámica, medio agresivo]. Puede utilizarse cuando los métodos estándar no estén disponibles.

Fracture Mechanics is a basic tool for assessing cracked components/structures, relating toughness, stresses and flaw sizes. In part, research and development in Fracture Mechanics are focused on methods for mechanical design and integrity assessment. Computational Fracture Mechanics [CFM] estimates the driving force applied at the crack tip, while Experimental Fracture Mechanics [EFM] does the same with material resistance [toughness]. EFM methods are semi-empirical in nature. Usually, we assume that the failure mode is instability, which is assessed comparing crack driving force against crack growth resistance in terms of a suitable fractomechanical parameter. Parameters are independent of geometry, configuration and selected according to mechanical behaviour. Both crack driving force and crack growth resistance [toughness] have thermodynamic nature, matching dissipated [or released] energy during the fracture process. In this work, we use J-Integral in the framework of Elasto-Plastic Fracture Mechanics [EPFM]. Furthermore, experimental procedures use energy interpretation of J-Integral. Standardized methods, have been successful in high-strength materials, with limited plasticity. In ductile materials, load-displacement curves are nonlinear because of plastic deformation and stable crack growth. Some problems remain unsolved. For example, when crack growth resistance [toughness] is measured and stable crack growth is observed. An apparent increase at the crack driving force is showed, because plastic deformation in the crack tip. Then crack growth resistance at crack onset is several times lower that during stable crack growth. Geometrical dependence and scattering are explained by differences in constraint. The constraint concept relates the complex interaction between macroscopic features [geometry, load configuration, mechanical properties] and ductile fracture microstructural mechanisms. Moreover, fractomechanical parameters want to characterize local stress-strain state in stationary and growing cracks. Most of practical applications of Fracture Mechanics in Structural Engineering are based on the principle of autonomy local stress-strain state. This principle is not applicable in large scale yielding. Therefore, instability assessment and transferability are problems in research. Standardized tests methods [ASTM, ISO and ESIS] are available, but more simplified methods are necessary. With this aim, several experimental methods were developed, without crack measurement during testing. In so-called direct methods, crack length is inferred from the experimental curves if initial and final crack lengths are known. The main motivation of this work is to introduce a graphic-analytical method for J-Resistance curves. Elastic compliance and normalization methods are used like comparison methods. The new method can be implemented without specific instrumentation and software. Users do not need special technical training either. We selected two microalloyed steels: metallurgical, mechanical and fractomechanical characterization are reported. Based in experimental data analysis, alternative expressions for assessment of growing cracks are discussed. Our final statement, is that the method proposed is a fair alternative in several practical situations. Results are similar to standardized methods, but it can be used with more relaxed requeriments [geometry, dynamic load, aggressive environment, etc.]. This method can be used when standardized methods are not available.