Extraction of plasticity parameters of metallic materials from spherical indentation tests and fem modelling

Abstract

O comportamento plástico de materiais metálicos é resultante de não linearidades que conduzem a complexos campos de tensão-deformação. Isso torna difícil o desenvolvimento de relações analíticas aplicáveis além do domínio elástico. Tradicionalmente, a relação tensão-deformação da maioria dos materiais tem sido adquirida a partir de ensaios uniaxiais de tração, que é largamente utilizado para descrever seu comportamento quando submetido à deformação plástica. Entretanto, há certos componentes materiais que devido à sua configuração não podem ser ensaiados por ensaios uniaxiais de tração ou compressão. Além do mais, o ensaio de dureza é mais versátil, operativo, barato e rápido que os ensaios uniaxiais. Quando se fala em ensaios tradicionais de dureza, tais como Brinell, Knoop, Rockwell e Vickers, eles são majoritariamente utilizados como uma forma de avaliar a resistência do material à deformação plástica. Eles relacionam o carregamento aplicado à resultante área ou profundidade da calota impressa no material. As técnicas desenvolvidas e apresentadas aqui vão além ao determinar outras propriedades materiais em adição à medida de dureza. Portanto, este trabalho apresenta dois métodos para descrever o comportamento de endurecimento de materiais metálicos a partir de ensaios de dureza. O ensaio de dureza Brinell é o método escolhido devido sua simplicidade e versatilidade. A metodologia consiste na execução de três ensaios de dureza Brinell em três configurações distintas, para se ter uma resposta representativa do material. Análises de imagem da impressão resultante do ensaio de dureza são realizadas com o auxílio de microscópio confocal à laser. Daí são obtidas as respostas experimentais do material. Desta análise são extraídas as medidas dos perfis da calota impressa no material, as quais serão utilizadas como referência para os resultados numéricos previstos pela repetitiva análise em elementos finitos. Neste processo, várias tentativas de curvas tensão-deformação são providas com o intuito de minimizar a discrepância entre as respostas numérica e experimental. Como mencionado, dois métodos foram desenvolvidos. O primeiro é designado como IRC (Indentation Reaction Curve) e replica numericamente a resposta de carga-profundidade final obtida experimentalmente. O segundo método, designado como IP (Indentation Profile), replica numericamente as impressões deixadas no corpo de prova pelo teste de dureza. Para facilitar o uso deste recurso por outros usuários, uma interface gráfica foi construída. Um tutorial sobre seu uso é também anexado a este trabalho. Por fim, as curvas de encruamento obtidas a partir de ensaio de tração e pelos métodos apresentados aqui são comparadas. Quatro materiais foram analisados: SAE 1524, SAE 4340 N (normalizado), SAE 4340 A (recozido), e Alumínio 6101. Seus parâmetros plásticos foram determinados pelos métodos IRC, IP e por ensaio de tração. Entretanto, com exceção do SAE 1524, os resultados mostram que as curvas obtidas a partir do ensaio uniaxial de tração para esses materiais não são adequadas para uso em análises compressivas, devido ao fato de não serem capazes de prever as respostas experimentais de indentação. Consequentemente, as curvas de endurecimento obtidas a partir dos métodos IRC e IP não correspondem àquelas obtidas a partir do ensaio de tração para o SAE 4340 N, SAE 4340 A, e Alumínio 6101. A justificativa para essa ocorrência é de que esses materiais apresentam comportamentos distintos sobre tração e compressão.