Multi-scale modeling of the fatigue behavior for short fiber reinforced thermoplastics

This PhD thesis deals with the investigation of damage initiation in a short glass fiber reinforced polyamide under fatigue loading. This material belongs to Short Fiber Reinforced Plastics (SFRPs) and is widely used in load-bearing applications in the automotive sector. Lifetime prediction models represent a powerful tool for optimizing structural parts in the early stage of a project reducing the number of prototypes needed before the series production. Multi scale predictive models aim to integrate the relevant damage mechanisms in order to obtain accurate estimation of the lifetime to failure reducing empirical parameters and assumptions. The aim of this PhD thesis is to gain insight into the conditions for damage initiation in a short glass fiber reinforced polyamide under fatigue loading in order to prepare the basis for the development of a multi-scale, mechanism-based lifetime prediction model. This objective was addressed through three main activities: 1) The quantification of the lifetime to crack initiation during fatigue tests (Chapter 4); 2) The investigation of the fatigue damage mechanisms (Chapter 5 - 6); 3) The study of the local stress concentrations at crack initiation (Chapter 7). Chapter 4 describes the development of an optical method for the quantification of the lifetime to crack initiation during fatigue tests. Using the proposed experimental method, it was possible to generate a set of fatigue data to crack initiation for the calibration of a lifetime prediction model. The investigation of the damage mechanisms constitutes a major part of the PhD. In Chapter 5 an extensive damage investigation on PA66-GF35 plain and notched specimens is presented. In Chapter 6 the influence of the fiber volume fraction on the damage mechanisms is investigated. Fatigue damage mechanisms were studied at multiple scales by means of Field Emission Scanning Electron Microscopy (FESEM). Damage investigation was carried out analyzing either the fracture surface of failed specimens or the polished side surface of specimens subjected to interrupted fatigue tests. Specific fractographic features were analyzed and compared with the results from the literature. These are: ductile / brittle matrix fracture behavior, fiber failure / pull out, degree of fiber-matrix interfacial adhesion. Particular attention was devoted to the analysis of the fiber-matrix interface. Mirror-clean fibers on the fracture surface indicate fiber-matrix debonding. By contrast, fibers covered by a resin layer suggest the damage occurs in form of matrix-cracking in the resin, at a certain distance from the interface. In Chapter 7, the influence of the fiber distribution on the local stress concentrations at crack initiation is studied. Stress concentrations are potential locations for damage initiation. In SFRPs, fiber-fiber and fiber-matrix interactions lead to stress concentrations at micro-scale. X Ray Computed Tomography (X-Ray CT) was used for the quantitative description of the fiber distribution around a molded notch, at crack initiation. For this purpose, a fatigue test of a notched specimen was interrupted before failure. A sample surrounding the notch and including a crack propagated during the fatigue test was scanned by means of X-Ray CT. A manual procedure for reconstructing the real fiber orientation distribution around the notch is proposed. The reconstructed volume was simulated with the FEM code ABAQUS with the aim to study the stress concentrations at crack initiation. Finally, the findings of the experimental and modeling activities were used for the development of a preliminary multi-scale approach for the prediction of the crack initiation in a short glass fiber reinforced polyamide under fatigue loading. This activity is presented in Chapter 8.

Il tema del presente dottorato di ricerca è lo studio della nucleazione del danneggiamento in una poliammide rinforzata con fibre di vetro corte soggetta a un carico di fatica. La poliammide è un materiale termoplastico molto utilizzato nell’industria automobilistica per applicazioni strutturali sotto il cofano della vettura. Questo materiale è caratterizzato da ottime proprietà meccaniche e da un’elevata resistenza ad alte temperature e alla corrosione. Inoltre è leggero contribuendo in questo modo a ridurre il peso dell’autovettura. I componenti strutturali realizzati con questo materiale sono soggetti in esercizio a sollecitazioni cicliche di natura termica e meccanica che provocano una rottura a fatica. Lo sviluppo di modelli previsionali è pertanto di fondamentale importanza perché permette una stima della vita a fatica nella fase di progettazione riducendo il numero di prototipi necessari prima dell’avvio della produzione in serie. Lo sviluppo di questi modelli richiede la comprensione dei meccanismi di danneggiamento che causano l’innesco di una cricca e la sua propagazione fino alla rottura finale. L’obiettivo che si pone questo dottorato di ricerca è la comprensione del fenomeno di nucleazione del danneggiamento in una poliammide rinforzata con fibre di vetro corte, soggetta a un carico di fatica al fine di porre le basi per lo sviluppo di un modello previsionale basato sui meccanismi di danneggiamento. Le tre principali attività svolte sono: 1) L’identificazione dell’inizio cricca durante test di fatica (Capitolo 4); 2) L’analisi dei meccanismi di danneggiamento (Capitolo 5 - 6); 3) Lo studio dei campi tensione locali a inizio cricca (Capitolo 7). Il Capitolo 4 descrive lo sviluppo di un metodo ottico per l’identificazione dell’inizio cricca durante i test di fatica. È stata condotta una campagna sperimentale di test a fatica su provini lisci e intagliati. Lo sviluppo della tecnica sperimentale ha reso possibile lo studio dell’effetto della frazione di volume sulla vita a innesco della poliammide. In questo modo è stato generato un set di dati sperimentali per lo sviluppo di un modello previsionale a inizio cricca. L’analisi dei meccanismi di danneggiamento copre una parte importante del dottorato. Nel Capitolo 5 è presentata l’analisi del danneggiamento su provini lisci e intagliati per una poliammide rinforzata con il 35 % (in peso) di fibre. Nel Capitolo 6, l’analisi del danneggiamento è estesa a diverse frazioni di volume. È stato utilizzato un microscopio a scansione ad alta risoluzione. L’analisi del danneggiamento è stata condotta analizzando o la superficie di frattura di provini giunti a rottura durante test di fatica o la superficie laterale di provini soggetti a test di fatica interrotti. I meccanismi di danneggiamento sono stati studiati analizzando specifiche evidenze frattografiche: il comportamento duttile / fragile della matrice; la presenza di fibre rotte o estratte intere dalla superficie di frattura; il grado di adesione fibra-matrice. In particolare, l’evidenza sulla superficie di frattura di fibre pulite o coperte da un strato di resina è importante nell’ottica di sviluppo modello. Nel primo caso il danneggiamento avviene all’interfaccia in forma di debonding. Nel secondo caso, il danneggiamento avviene fuori dall’interfaccia in uno strato di resina che potrebbe essere stato modificato chimicamente dal sizing usato durante il processo di formatura delle fibre per migliorarne l’adesione con la matrice. Il Capitolo 7 tratta l’effetto dell’orientazione delle fibre sui campi di tensione locali a inizio cricca. Le concentrazioni di tensione rappresentano potenziali fonti di innesco di una cricca. Nei materiali plastici rinforzati, l’interazione tra fibre e matrice su scala microscopica dà luogo a concentrazioni di tensione. È stato condotto un test di fatica su un provino intagliato fino alla comparsa di una cricca. A questo punto, il test è stato interrotto e un volume di materiale attorno all’intaglio e comprendente la cricca è stato fresato dal provino e analizzato con un tomografo computerizzato. In seguito, la reale distribuzione delle fibre a bordo intaglio è stata riprodotta manualmente in un software agli elementi finiti con l’obiettivo di studiare i campi di tensione locali nella matrice che possono causare l’innesco di una cricca. Infine i risultati dell’attività sperimentale e di modellazione sono stati utilizzati per lo sviluppo di un approccio multi scala per la previsione della vita a innesco di cricca in una poliammide rinforzata soggetta a un carico di fatica. Quest’attività è presentata nel Capitolo 8.