Programa de Pós-Graduação de Mestrado e Doutorado em Engenharia Mecânica
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Dissertação Influência da profundidade de trinca e restrição à plasticidade da avaliação experimental de tenacidade à fratura (J E CTOD) de aço ASTM A516 grau 70(2013) Dantas, S. S.A ocorrência de falhas catastróficas envolvendo a fratura de materiais é um problema de crescente relevância na sociedade já que a tecnologia mecânica atual é mais complexa se comparada às décadas anteriores e são exigidos níveis bastante elevados de eficiência operacional, o que iniviabiliza abordagens conservadoras em termos de coeficientes de segurança. Neste sentido, a adequada avaliação experimental da resistência à fratura de materiais é de suma importância para suportar atividades de avaliação de integridade estrutural com precisão e segurança. Estes levantamentos experimentais são realizados com base em corpos de prova de dimensões reduzidas baseados em recomendações de normas internacionais, como os compactos em tração C(T) e de flexão em 3 pontos SE(B). Estas normas exigem corpos de prova com trincas profundas que garantem grande severidade do defeito e conservadorismo das propriedades obtidas. Entretanto, estruturas reais apresentam usualmente trincas rasas e acabam muitas vezes sendo prematuramente retiradas de serviço pelo conservadorismo das propriedades de tenacidade à fratura disponíveis dos ensaios. Dependendo da geometria da estrutura em análise, o uso de corpos de prova de trinca rasa se justifica pela menor restrição à plasticidade e mais adequada descrição da condição real de aplicação. No entanto, sob tais condições as propriedades de fratura podem se tornar dependentes da geometria da peça a avaliar. Este trabalho investiga, neste contexto, quão expressivo é o efeito da profundidade de trinca de espécimes SE(B) na tenacidade à fratura avaliada experimentalmente para um aço ASTM A516 Grau 70 por meio dos parâmetros integral J e CTOD. Endereça ainda os níveis de restrição plástica e a validade da mecânica da fratura monoparamétrica sob tais condições. Os resultados revelaram que amostras contendo trincas rasas apresentam menor restrição à plasticidade fazendo com que a validade da mecânica da fratura elasto-plástica seja facilmente violada. Do ponto de vista de propriedades mecânicas, um aumento de 8 % na tenacidade à fratura utilizando espécimes SE(B) com trinca rasa (a/W = 0,2) foi evidenciado em relação a trinca profunda (a/W = 0,5).- Validação experimental de propostas de flexibilidade elástica aplicáveis a espécimes de fratura C (T)(2016) Barros, R. M. C.O projeto e a manutenção de estruturas de alto desempenho demandam estudos de integridade estrutural considerando a presença de defeitos (trincas), sendo por isso necessário determinar as propriedades mecânicas de resistência à fadiga e à fratura por meio de ensaios experimentais (p. ex.: curvas J-R ou da/dN vs ?K), sendo tais experimentos altamente dependentes da medição instantânea do tamanho da trinca durante a sua propagação. Essa medição pode se dar empregando métodos elétricos, ópticos ou com base na variação da flexibilidade (inverso da rigidez) em função da variação do tamanho do defeito, sendo esse último método (denominado de flexibilidade elástica no descarregamento) o mais utilizado para tal fim. Nesse cenário, o presente trabalho tem como foco e objetivo validar experimentalmente propostas numéricas recentes de soluções de flexibilidade elástica que descrevem o tamanho instantâneo de uma trinca em corpos de prova de geometria C(T) incorporando efeitos tridimensionais. Para atingir essa meta, corpos de prova de geometria C(T) foram usinados conforme as normas vigentes (ASTM E1820 (2013) e ASTM E647 (2013)) e testados na máquina de ensaio universal MTS 810.25, no CLM-FEI, sendo que após os ensaios os dados obtidos foram convertidos em valores de flexibilidade elástica normalizada (µ) a fim de se determinar o tamanho de trinca (a) com base nos novos equacionamentos propostos e pelas normas correntes. As previsões de tamanho de trinca geradas pelas propostas recentes, assim como pelas normas vigentes, foram comparadas com medições reais da profundidade de trinca nas amostras. Os resultados obtidos com a metodologia empregada mostram a validade dos equacionamentos, tanto das normas correntes quanto de Moreira (2014). Quando testados apenas com entalhe, os resultados permitiram validar os referidos equacionamentos. Quando os espécimes foram pré-trincados, desvios maiores na previsão de tamanho de trinca foram percebidos por conta de fenômenos causados por fechamento de trinca induzido por plasticidade residual. Este cenário, ao mesmo tempo em que valoriza as equações correntes e recentemente propostas, incentiva a continuidade dos estudos de flexibilidade elástica para a compensação dos fenômenos evidenciados.
- Validação experimental de soluções de flexibilidade elástica aplicáveis a amostras SE (B)(2016) Carvalho Júnior, J. F.Avaliações de integridade estrutural e previsão de falha de componentes contendo trincas são altamente dependentes da precisa determinação de propriedades de tenacidade à fratura (como por exemplo, curvas J-R) e resistência à propagação de trincas por fadiga (como por exemplo, da/dN vs. ?K). Em ambos os casos, tais resultados só podem ser obtidos se estiverem disponíveis metodologias que consigam estimar o tamanho instantâneo da trinca durante o ensaio. A técnica mais comumente utilizada para a obtenção do tamanho instantâneo da trinca é a da flexibilidade elástica no descarregamento, que consiste na medição da flexibilidade momentânea (inverso da rigidez) da amostra quando esta sofre um descarregamento parcial. Assim sendo, este trabalho visa validar experimentalmente soluções de flexibilidade elástica obtidas de simulações refinadas de elementos finitos para geometrias SE(B) e que incorporam efeitos 3D. Para tal, inicialmente é apresentada uma breve revisão do estado da arte no assunto, a importância da medição acurada do comprimento instantâneo da trinca e as limitações atualmente existentes nas formulações de flexibilidade elástica. Frente às limitações identificadas, é apresentada a matriz de análise incluindo ensaios de amostras de variadas geometrias SE(B) fabricadas em aço ASTM A516. Os valores reais de comprimento de entalhe e trinca obtidos experimentalmente das fractografias são então confrontados com os previstos por meio de normas correntes e de simulações numéricas em elementos finitos. As previsões médias das formulações obtidas empregando elementos finitos e incluindo efeitos 3D são mais próximas dos dados reais que as formulações disponíveis nas normas correntes, mas existe superposição dos desvios-padrão. Do ponto de vista de aplicabilidade, houve grande aderência das formulações existentes às amostras enquanto entalhadas, mas foi obtido um expressivo incremento dos erros quando da medição em condição pré-trincada. Os resultados alcançados ampliam o conhecimento sobre a validade e as limitações das soluções numéricas existentes e as recentemente propostas, motivando a continuidade dos estudos.
- Correlação da fenomenologia da fratura dúctil de gasodutos e corpos de prova dinâmicos de Charpy e DWTT empregando o modelo GTN a aços avançados classe API(2017) Moço, R. F.O desenvolvimento de protocolos robustos para avaliação da integridade estrutural de dutos para transporte de gás é de extrema importância, já que uma falha pode levar não só a elevado prejuízo financeiro, mas também a perda de vidas humanas. Nesse cenário, a capacidade do material de frear a propagação de uma trinca existente (crack arrest) passa a ser um requisito de projeto. Diversos modelos empíricos, calibrados por meio de ensaios reais de explosão de dutos (burst tests), foram propostos para essa finalidade e dentre eles destacase o Batelle Two Curve Method (BTCM). Com a evolução dos aços houve um aumento significativo de ductilidade e tenacidade, de forma que os modelos semi-empíricos calibrados pela energia absorvida no ensaio de impacto Charpy (ISO 148-1, ASTM E-23) passaram a apresentar resultados insatisfatórios. Isso é explicado pelo fato de que nos materiais atuais, que são muito dúcteis e tenazes (X65, X80, X100, etc.), o mecanismo dominante de propagação da fratura é o colapso plástico localizado. Dessa forma, para um melhor entendimento fenomenológico desse processo de fratura, esse trabalho caracteriza mecanicamente ensaios dinâmicos de impacto Charpy e DWTT (ASTM E-436) com o intuito de compreender o campo de tensões e isolar as parcelas de energia envolvidas nesse processo para então comparar apenas a parcela associada à propagação estável de fratura dúctil com a energia disponível em um duto para frear uma trinca em propagação. Para isso, desenvolve-se uma metodologia de análise numérica baseada na utilização do modelo micromecânico de dano de Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN) por células computacionais, sendo conduzida, inclusive, uma análise de sensibilidade dos parâmetros envolvidos no modelo. Conclui-se que a metodologia apresentada é robusta, uma vez que foi capaz de reproduzir com precisão resultados experimentais obtidos de publicações sobre o assunto. A análise de sensibilidade foi primordial para a calibração da metodologia, ainda, as análises energéticas e de campo de tensões indicam que o espécime DWTT, por possuir maior ligamento remanescente e mesma espessura do duto, possibilita propagação estável e é mais representativo do estado de tensões desse. Os resultados numéricos para o duto apresentam forte influência do modelo de despressurização e tamanho de elemento da célula computacional. Parece haver uma correlação entre a energia associada à propagação da fratura dúctil, triaxialidade e ductilidade, sendo necessário mais estudo nesse campo.