Determinação da extensão da camada superficial em geometrias planas

Palavras-chave: Fadiga,propagação de fendas por fadiga,extensão da camada superficial,triaxialidade de tensão,método dos elementos finitos,propagação automática de fenda,estado plano de tensão,estado plano de deformação,provete M(T),Fatigue,fatigue crack growth,extent of the surface region,stress triaxiality,finite element method,automatic crack growth,plane stress state,plane strain state,M(T) specimen

A fadiga é um dos principais mecanismos de falha de componentes mecânicos sujeitos a cargas cíclicas. Este fenómeno é geralmente dividido em três fases principais: iniciação de fenda, propagação estável de fenda e rotura final. Esta dissertação centra-se na fase de propagação estável de fenda. A propagação de fendas por fadiga (FCG) é já um tema muito abordado na comunidade científica, levando a que este trabalho aponte numa direção mais específica e com menor incidência por parte de outros estudos. O objetivo geral deste estudo assenta na quantificação da extensão da camada superficial em geometrias planas sujeitas a Modo-I. Uma das principais aplicações deste estudo será o desenvolvimento mais preciso de malhas de elementos finitos para este tipo de geometrias. Para conseguir essa quantificação, desenvolveu-se um procedimento que consiste em três etapas principais: obtenção de formas estáveis de fenda utilizando uma técnica de remalhagem baseada no método dos elementos finitos; determinação da triaxialidade de tensão ao longo da frente de fenda; e por fim o cálculo da extensão da camada superficial a partir dos valores de triaxialidade de tensão obtidos na etapa anterior. Antes da quantificação da extensão da camada superficial foi desenvolvida e otimizada uma topologia de malha específica, caraterizada por um elevado nível de refinamento ao longo da espessura. Foram estudados os efeitos da espessura do provete, da dimensão da fenda, da forma da fenda, da tensão aplicada, e também o efeito de diferentes valores de sobrecargas. Neste estudo foram utilizados dois modelos distintos, um com comportamento elástico do material e outro com comportamento elasto-plástico. Ao longo do trabalho, verificou-se que a extensão da camada superficial é influenciada pelo valor da espessura do componente. Para espessuras inferiores a 1 mm, a extensão da camada superficial aumenta de forma acentuada à medida que a espessura diminui. Para espessuras superiores ao valor referido, a extensão da camada superficial tende a estabilizar, deixando de sofrer alterações significativas. A aplicação de sobrecargas tem também influência notória na extensão da camada superficial. Após aplicação da sobrecarga, há um aumento gradual da extensão da camada superficial que se dissipa à medida que a fenda propaga. Este efeito instável é mais acentuado e prolonga-se mais no tempo para valores de taxa de sobrecarga superiores. A partir dos modelos elasto-plásticos foi ainda possível observar que a extensão da camada superficial aumenta com o comprimento de fenda. Por fim, foi possível estabelecer uma relação linear entre a extensão da camada superficial e a gama do fator de intensidade de tensão.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias