MIXED-MODE FRACTURE OF COMPOSITE-TO-METAL BONDED JOINTS: A STRAIN-BASED PARTITIONING METHOD
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CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA CELSO SUCKOW DA FONSECA
Resumo
The improvement of structural performance requires innovative applications of composite materials to replace traditional materials in the design of structures. In offshore industry, the deterioration of structures subjected to harsh environmental conditions motivates the development of new technologies for maintenance of structural integrity. Composite repair technology has emerged as a promising alternative for the rehabilitation of metal structures, introducing the application of composite-to-metal adhesively bonded joints. In this sense, literature reveals limitations of the current methodologies for optimizing the design and ensuring structural integrity of bi-material bonded structures. The determination of fracture mode ratio in cracks between different materials is challenging. Therefore, this Thesis addresses the fracture characterization of composite-to-metal bonded joints under mixed-mode loadings. A new methodology was developed for the fracture characterization of bi-material crack propagation: the strain-based method (SBM). The SBM consists of an analytical approach based on beam analysis for the calculation of the total fracture energy and mode partitioning of bi-material crack propagation. It predicts a coupling relationship between the pure modes and allows obtaining the fracture mode ratio of bi-material cracks through a simple design criterion based on the longitudinal strain equivalence of the outer surfaces of the specimen. The new methodology was successfully applied on the experimental analysis of a composite-to-metal bonded joint using the mixed-mode bending (MMB) test. Limitations of the SBM include considerations of shear effects, crack tip rotation. Since the method relies on linear elastic fracture mechanics, the effect of a large fracture process zone (FPZ) developed ahead of the crack tip may also produce significant errors in the analytical solution. A parametric study was performed to evaluate the SBM for the mixed-mode fracture characterization of bonded joints with asymmetric geometry and materials. The fracture energy obtained using SBM was benchmarked against the widely applied Williams’ partitioning method (WM) and a finite element model (FEM) using the virtual crack closure technique (VCCT). Results showed that WM produces inaccurate fracture modes in asymmetric conditions while the SBM was able to obtain, with accuracy, the fracture mode ratio of bi-material cracks. The SBM proved to be an easy and reliable method that allows characterizing mixed-mode fracture behavior of a crack propagation between different materials through a simple formulation. In contrast, the use of numerical solutions requires complex models and high computational cost. The effect of design and manufacturing parameters on the performance of the composite-to-metal bonded joint was investigated using the SBM. Specimens were manufactured using a carbon fiber reinforced polymer (CFRP) co-bonded to a steel member with epoxy adhesive. A hand lay-up manufacturing process was applied with consolidation at room pressure or using vacuum bagging. Additionally, the influence of an inserted layer of glass fiber mat (GFM) was evaluated as a toughening mechanism to improve the fracture performance of the structure. Results of MMB tests revealed that the insertion of a layer of GFM between adherends prevented the crack migration to the composite adherend and introduced a preferential crack propagation path. This shows that the adjacent composite layer to the adhesive interface has an important role in the fracture performance of the bonded joint. In addition, the fracture characterization revealed that the combination of vacuum pressure in the consolidation of the composite with the insertion of a layer of GFM increased the fracture toughness of the structure. The toughening mechanism is related with a more irregular crack path and higher surface roughness due to the increase in the energy required for the crack propagation. Moreover, the toughening effect showed to be more evident in higher mode II fracture conditions. The effect of long-term environmental exposure on the performance of composite-to-metal bonded joints was investigated using the SBM. Specimens were aged in salt fog. Results showed that the environmental ageing did not have a drastic effect on the adhesive layer although it was extremely aggressive to the steel adherend. The fracture characterization revealed an increase of the toughness at crack initiation in aged specimens related to the shear behavior and plasticization of the adhesive, while the fracture toughness remained similar at crack propagation. In Addition, adhesive failure was observed in regions affected by moisture at the edges of the fracture surface while the failure mode at the unaffected regions shifted from cohesive to a combination of thin-layer cohesive and adhesive failure. These results contributed to describe the typical changes of the mechanical behavior of bonded joints at initial stages of ageing followed by a steady condition when pure adhesive failure is reached.
A melhoria do desempenho estrutural requer aplicações inovadoras de materiais compósitos em substituição à materiais tradicionais no projeto de estruturas. Na indústria offshore, a deterioração de estruturas submetidas a condições ambientais severas motiva o desenvolvimento de novas tecnologias para manutenção da integridade estrutural. A tecnologia de reparo com compósitos surgiu como uma alternativa promissora para a reabilitação de estruturas metálicas, introduzindo a aplicação de juntas coladas de compósito em metal. Nesse sentido, a literatura revela limitações das metodologias atuais para otimização do projeto e garantia da integridade estrutural de juntas coladas bi-materiais. A determinação da razão do modo de fratura em trincas entre diferentes materiais é um desafio. Portanto, esta Tese aborda a caracterização da fratura de juntas coladas compósito-metal sob cargas de modo misto. Uma nova metodologia foi desenvolvida para a caracterização da fratura em propagação de trincas bi-materiais: o método baseado na deformação, ou strain-based method (SBM). O SBM consiste em uma abordagem analítica, baseada em análise de vigas, para o cálculo da energia total de fratura e particionamento do modo de propagação em trincas bi-material. Ele prevê uma relação de acoplamento entre os modos puros e permite obter a razão do modo de fratura de trincas bi-materiais por meio de um critério simples baseado na equivalência da deformação longitudinal das superfícies externas do corpo de prova. A nova metodologia foi aplicada com sucesso na análise experimental de uma junta compósito-metal usando o ensaio mixed-mode bending (MMB). As limitações do SBM incluem considerações do efeito de cisalhamento e rotação da ponta de trinca. Uma vez que o método depende da mecânica de fratura elástica linear, o efeito da chamada fracture process zone (FPZ) desenvolvida à frente da ponta da trinca também pode produzir erros significativos na solução analítica. Um estudo paramétrico foi realizado para avaliar o uso do SBM na caracterização da fratura em modo misto de juntas coladas com geometria e materiais assimétricos. A energia de fratura obtida usando o SBM foi comparada com o amplamente usado método de particionamento de Williams (WM) e com um modelo de elementos finitos (FEM) usando a virtual crack closure technique (VCCT). Os resultados mostraram que o WM produz modos de fratura imprecisos em condições assimétricas, enquanto o SBM foi capaz de obter, com precisão, a razão do modo de fratura de trincas bi-materiais. O SBM provou ser um método fácil e confiável que permite caracterizar o comportamento da fratura em modo misto na propagação de uma trinca entre diferentes materiais por meio de uma formulação simples. Em contraste, o uso de soluções numéricas requer modelos complexos e alto custo computacional. O efeito de parâmetros de projeto e fabricação no desempenho da junta colada compósito-metal foi investigado usando o SBM. Corpos de prova foram fabricados usando um polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP) colado a uma parte de aço com adesivo epóxi. O processo de fabricação por laminação manual foi aplicado com consolidação à pressão ambiente ou usando bolsa de vácuo. Além disso, a influência da inserção de uma camada de manta de fibra de vidro (GFM) foi avaliada como um mecanismo de aumento de resistência para melhorar o desempenho em fratura da estrutura. Resultados dos ensaios MMB revelaram que a inserção de uma camada de GFM entre os aderentes evitou a migração da trinca para o aderente compósito e introduziu um caminho preferencial de propagação da trinca. Isso mostra que a camada de compósito adjacente à interface adesiva tem um papel importante no desempenho em fratura da junta colada. Além disso, a caracterização da fratura revelou que a combinação da pressão de vácuo na consolidação do compósito com a inserção de uma camada de GFM aumentou a resistência à fratura da estrutura. O mecanismo de aumento de resistência está relacionado a um percurso mais irregular da trinca e uma maior rugosidade superficial, devido ao aumento da energia requerida para a propagação da trinca. Adicionalmente, o efeito do aumento de resistência à fratura mostrou-se mais evidente em condições de maior modo II. O efeito da exposição ambiental de longo prazo no desempenho da junta colada compósito-metal foi investigado usando o SBM. Corpos de prova foram envelhecidos em névoa salina. Resultados mostraram que o envelhecimento ambiental não teve um efeito drástico na camada adesiva, embora tenha sido extremamente agressivo ao aderente de aço. A caracterização da fratura revelou um aumento da resistência na iniciação da trinca em corpos de prova envelhecidos relacionado ao comportamento ao cisalhamento e plastificação do adesivo, enquanto a resistência à fratura permaneceu similar na propagação da trinca. Além disso, a falha adesiva foi observada em regiões afetadas pela umidade nas bordas da superfície de fratura, enquanto o modo de falha em regiões não afetadas mudou de coesiva para uma combinação de falha adesiva com coesiva de camada fina. Esses resultados contribuíram para descrever as mudanças típicas do comportamento mecânico de juntas coladas em estágios iniciais de envelhecimento, seguidos de uma condição estável quando a pura falha adesiva é atingida.
A melhoria do desempenho estrutural requer aplicações inovadoras de materiais compósitos em substituição à materiais tradicionais no projeto de estruturas. Na indústria offshore, a deterioração de estruturas submetidas a condições ambientais severas motiva o desenvolvimento de novas tecnologias para manutenção da integridade estrutural. A tecnologia de reparo com compósitos surgiu como uma alternativa promissora para a reabilitação de estruturas metálicas, introduzindo a aplicação de juntas coladas de compósito em metal. Nesse sentido, a literatura revela limitações das metodologias atuais para otimização do projeto e garantia da integridade estrutural de juntas coladas bi-materiais. A determinação da razão do modo de fratura em trincas entre diferentes materiais é um desafio. Portanto, esta Tese aborda a caracterização da fratura de juntas coladas compósito-metal sob cargas de modo misto. Uma nova metodologia foi desenvolvida para a caracterização da fratura em propagação de trincas bi-materiais: o método baseado na deformação, ou strain-based method (SBM). O SBM consiste em uma abordagem analítica, baseada em análise de vigas, para o cálculo da energia total de fratura e particionamento do modo de propagação em trincas bi-material. Ele prevê uma relação de acoplamento entre os modos puros e permite obter a razão do modo de fratura de trincas bi-materiais por meio de um critério simples baseado na equivalência da deformação longitudinal das superfícies externas do corpo de prova. A nova metodologia foi aplicada com sucesso na análise experimental de uma junta compósito-metal usando o ensaio mixed-mode bending (MMB). As limitações do SBM incluem considerações do efeito de cisalhamento e rotação da ponta de trinca. Uma vez que o método depende da mecânica de fratura elástica linear, o efeito da chamada fracture process zone (FPZ) desenvolvida à frente da ponta da trinca também pode produzir erros significativos na solução analítica. Um estudo paramétrico foi realizado para avaliar o uso do SBM na caracterização da fratura em modo misto de juntas coladas com geometria e materiais assimétricos. A energia de fratura obtida usando o SBM foi comparada com o amplamente usado método de particionamento de Williams (WM) e com um modelo de elementos finitos (FEM) usando a virtual crack closure technique (VCCT). Os resultados mostraram que o WM produz modos de fratura imprecisos em condições assimétricas, enquanto o SBM foi capaz de obter, com precisão, a razão do modo de fratura de trincas bi-materiais. O SBM provou ser um método fácil e confiável que permite caracterizar o comportamento da fratura em modo misto na propagação de uma trinca entre diferentes materiais por meio de uma formulação simples. Em contraste, o uso de soluções numéricas requer modelos complexos e alto custo computacional. O efeito de parâmetros de projeto e fabricação no desempenho da junta colada compósito-metal foi investigado usando o SBM. Corpos de prova foram fabricados usando um polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP) colado a uma parte de aço com adesivo epóxi. O processo de fabricação por laminação manual foi aplicado com consolidação à pressão ambiente ou usando bolsa de vácuo. Além disso, a influência da inserção de uma camada de manta de fibra de vidro (GFM) foi avaliada como um mecanismo de aumento de resistência para melhorar o desempenho em fratura da estrutura. Resultados dos ensaios MMB revelaram que a inserção de uma camada de GFM entre os aderentes evitou a migração da trinca para o aderente compósito e introduziu um caminho preferencial de propagação da trinca. Isso mostra que a camada de compósito adjacente à interface adesiva tem um papel importante no desempenho em fratura da junta colada. Além disso, a caracterização da fratura revelou que a combinação da pressão de vácuo na consolidação do compósito com a inserção de uma camada de GFM aumentou a resistência à fratura da estrutura. O mecanismo de aumento de resistência está relacionado a um percurso mais irregular da trinca e uma maior rugosidade superficial, devido ao aumento da energia requerida para a propagação da trinca. Adicionalmente, o efeito do aumento de resistência à fratura mostrou-se mais evidente em condições de maior modo II. O efeito da exposição ambiental de longo prazo no desempenho da junta colada compósito-metal foi investigado usando o SBM. Corpos de prova foram envelhecidos em névoa salina. Resultados mostraram que o envelhecimento ambiental não teve um efeito drástico na camada adesiva, embora tenha sido extremamente agressivo ao aderente de aço. A caracterização da fratura revelou um aumento da resistência na iniciação da trinca em corpos de prova envelhecidos relacionado ao comportamento ao cisalhamento e plastificação do adesivo, enquanto a resistência à fratura permaneceu similar na propagação da trinca. Além disso, a falha adesiva foi observada em regiões afetadas pela umidade nas bordas da superfície de fratura, enquanto o modo de falha em regiões não afetadas mudou de coesiva para uma combinação de falha adesiva com coesiva de camada fina. Esses resultados contribuíram para descrever as mudanças típicas do comportamento mecânico de juntas coladas em estágios iniciais de envelhecimento, seguidos de uma condição estável quando a pura falha adesiva é atingida.