Modeling the influence of manufacturing processes on the fatigue behavior of metallic materials through a continuum damage-based constitutive framework

Abstract

(English) Since the mid-19th century, the study of fatigue in metals has become a major field of interest for materials scientists and structural engineers because fatigue represents one of the principal failure mechanisms in metallic engineering structures. Initially based on empirical approaches such as the stress amplitude–life (S–N) curves derived from Wöhler’s pioneering studies, fatigue prediction capabilities have evolved significantly, leading to sophisticated numerical models capable of predicting not only fatigue life but also the progressive degradation of material properties associated with the fatigue phenomenon, including crack initiation and propagation up to the complete failure of the component. Despite these advances, the systematic incorporation of manufacturing process effects —such as machining, forming, trimming, and punching— into fatigue formulations remains limited. Most existing approaches still rely on simple modifications of S–N curves through reduction factors, restricting their applicability mainly to coupon-level specimens and preventing the accurate prediction of crack initiation and propagation patterns. In this context, the present thesis proposes a constitutive framework to incorporate manufacturing-induced effects into the fatigue response of metals in the high-cycle regime. The model is formulated in a general manner, allowing different manufacturing processes to be considered through suitable specializations based on relevant process-related data, such as residual stresses, surface roughness, porosity, and defect volume fraction. To develop this framework, several fatigue modeling approaches are reviewed, with particular emphasis on fracture mechanics, continuum damage mechanics, and phase-field formulations, commonly implemented using numerical methods such as the finite element method and the extended finite element method. Among them, a continuum damage mechanics-based high-cycle fatigue model is selected as the baseline framework due to its high computational efficiency and its ability to model complex stress–strain states throughout the material degradation process, from the intact condition to complete failure. The constitutive framework is first enhanced through the introduction of a novel hardening–softening stress–strain curve for damage. In addition, a methodology to convert average-based S–N data obtained from standardized fatigue tests into local material-point information is proposed to ensure a consistent calibration of the fatigue parameters with the local nature of the formulation. The enhanced model is validated against experimental data from stiffness-based rapid fatigue tests and durability tests performed on real automotive components, demonstrating strong predictive capabilities at both coupon and component levels while maintaining high computational efficiency. Finally, the framework is extended to explicitly account for manufacturing-induced effects. A residual stress relaxation model and a formulation to account for notch effects associated with manufacturing operations are introduced. The resulting model is specialized for shear-cutting operations, such as trimming and punching, using residual stresses obtained from process simulations and measured surface roughness as process-related inputs. The formulation is validated against uniaxial fatigue tests performed on trimmed and punched complex-phase steel specimens, demonstrating its ability to accurately predict fatigue life and crack initiation locations. (Català) Des de mitjan segle XIX, l’estudi de la fatiga en metalls s’ha consolidat com un camp d’interès fonamental per als científics dels materials i els enginyers estructurals, principalment perquè la fatiga representa un dels principals mecanismes de fallada en les estructures metàl·liques d’enginyeria. Inicialment basades en enfocaments empírics, com les corbes tensió–vida (S–N) derivades dels estudis pioners de Wöhler, les capacitats de predicció de la fatiga han evolucionat considerablement fins al desenvolupament de sofisticats models numèrics capaços de predir no només la vida a fatiga, sinó també el deteriorament progressiu de les propietats del material associat al fenomen de la fatiga, incloent-hi la iniciació i propagació d’esquerdes fins a la fallada completa del component. Malgrat aquests avenços, la incorporació sistemàtica dels efectes dels processos de fabricació —com el mecanitzat, la conformació, el retallat o el punxonat— dins les formulacions de fatiga continua essent limitada. La majoria dels enfocaments actuals encara es basen en simples modificacions de les corbes S–N mitjançant factors reductors, fet que restringeix la seva aplicabilitat principalment a provetes de laboratori i impedeix predir adequadament patrons d’iniciació i propagació d’esquerdes. En aquest context, la present tesi proposa un marc constitutiu per incorporar els efectes induïts pels processos de fabricació en la resposta a fatiga dels metalls en règim de gran nombre de cicles. El model es formula de manera general, permetent considerar diferents processos de fabricació mitjançant especialitzacions adequades basades en dades rellevants del procés, com tensions residuals, rugositat superficial, porositat o fracció volumètrica de defectes. Per desenvolupar aquest marc, s’analitzen diversos enfocaments de modelatge de fatiga, amb especial èmfasi en la mecànica de la fractura, la mecànica del dany continu i les formulacions de camp de fase, habitualment implementades mitjançant mètodes numèrics com el mètode dels elements finits i el mètode dels elements finits estesos. Entre aquests enfocaments, es selecciona un model de fatiga de gran nombre de cicles basat en la mecànica del dany continu com a marc base, a causa de la seva elevada eficiència computacional i de la seva capacitat per modelar estats tensio-deformacionals complexos durant el procés de degradació del material, des de la condició intacta fins a la fallada completa. El marc constitutiu es millora inicialment mitjançant la introducció d’una nova corba tensió-deformació amb enduriment–estovament per al dany. A més, es proposa una metodologia per convertir dades S–N basades en valors mitjans obtingudes d’assajos normalitzats en informació local a nivell de punt material, assegurant una calibració coherent dels paràmetres de fatiga amb la naturalesa local de la formulació. El model millorat es valida amb dades experimentals obtingudes d’assajos ràpids de fatiga basats en rigidesa i d’assajos de durabilitat sobre components reals de vehicles lleugers, demostrant una sòlida capacitat predictiva tant a escala de proveta com de component, mantenint una elevada eficiència computacional. Finalment, el marc s’estén per incorporar explícitament els efectes induïts pels processos de fabricació. Es proposa un model de relaxació de tensions residuals i una formulació per considerar l’efecte d’entalles associades a determinades operacions de fabricació. El model resultant es particularitza per a operacions de cisallament i tall, com el retallat i el punxonat, utilitzant tensions residuals obtingudes de simulacions de procés i mesures de rugositat superficial com a dades d’entrada. La formulació es valida mitjançant assajos de fatiga uniaxial sobre provetes d’acers de fase complexa retallades i punxonades, demostrant la seva capacitat per predir amb precisió la vida a fatiga i les localitzacions d’iniciació d’esquerdes. (Español) Comenzando a mediados del siglo XIX, el estudio de la fatiga en metales se ha convertido en un campo de gran interés para científicos de materiales e ingenieros estructurales, principalmente porque constituye uno de los principales mecanismos de fallo en las estructuras metálicas de ingeniería. Inicialmente basada en enfoques empíricos, como las curvas tensión–vida (S–N) derivadas de los estudios pioneros de Wöhler, la capacidad de predicción en fatiga ha evolucionado significativamente hasta el desarrollo de sofisticados modelos numéricos capaces de estimar no solo la vida a fatiga, sino también el deterioro progresivo de las propiedades del material, incluyendo la iniciación y propagación de grietas hasta la rotura completa del componente. A pesar de estos avances, la incorporación sistemática de los efectos de los procesos de fabricación (por ejemplo, mecanizado, conformado, recorte y punzonado) en las formulaciones de fatiga sigue siendo limitada. La mayoría de los enfoques existentes continúan basándose en simples modificaciones de las curvas S–N mediante factores de reducción, lo que restringe su aplicabilidad principalmente a probetas tipo cupón e impide predecir adecuadamente los patrones de iniciación y propagación de grietas. En este contexto, la presente tesis propone un marco constitutivo para incorporar los efectos inducidos por los procesos de fabricación en la respuesta a fatiga de los metales en el régimen de alta ciclicidad. El modelo se formula de manera general, permitiendo considerar distintos procesos de fabricación mediante especializaciones basadas en información relevante asociada al proceso, como tensiones residuales, rugosidad superficial, porosidad o fracción volumétrica de defectos. Para desarrollar este marco, se analizan diferentes enfoques de modelado de la fatiga, con especial énfasis en la mecánica de la fractura, la mecánica del daño continuo y las formulaciones de campo de fase, implementadas habitualmente mediante métodos numéricos como el método de los elementos finitos y el método de los elementos finitos extendidos. Entre ellos, se selecciona un modelo de fatiga de alto número de ciclos basado en la mecánica del daño continuo como marco base, debido a su elevada eficiencia computacional y a su capacidad para modelar estados tenso-deformacionales complejos durante el proceso de degradación del material, desde la condición intacta hasta la rotura completa. El marco constitutivo se mejora mediante la introducción de una nueva curva t