Estudo experimental e numérico do comportamento mecânico na fratura da liga AISI 4340

Abstract

Esta tese tem como objetivo estudar o comportamento mecânico na fratura, da liga AISI 4340, sujeita a tratamentos térmicos de normalização e recozimento. Para isso, inicialmente foram conduzidos ensaios experimentais em corpos de prova cilíndricos lisos e entalhados, sujeitos à tração monotônica, bem como em corpos de prova retangulares, sujeitos a carregamentos puramente cisalhantes e combinações de cisalhamento e tração. Tais ensaios experimentais foram selecionados de maneira a observar diferentes combinações de razão de triaxialidade e terceiro invariante normalizado, na definição do estado de tensão. Os dois tipos de tratamentos térmicos foram escolhidos de maneira a alcançar diferentes níveis de ductilidade do material e, assim, estudar a sua influência no modo de fratura da liga. A liga AISI 4340 foi objeto de estudo por ser um material de alta resistência, geralmente utilizado na engenharia, como, por exemplo, na fabricação de risers rígidos para a indústria de exploração de petróleo. O estudo se estendeu ao se analisar numericamente o comportamento mecânico do material, através da implementação do modelo constitutivo baseado no critério de von Mises. Por meio desta análise, foi possível observar a influência da razão de triaxialidade e do terceiro invariante no comportamento mecânico do material. Além disso, o modelo de dano de Lemaitre foi também utilizado para se avaliar numericamente o local e o nível de deslocamento necessário para início da fratura dúctil da liga. Juntamente a esta análise, foi implementado o modelo constitutivo baseado no critério de Gao, bem como desenvolvida uma nova proposta de indicador de fratura dúctil. O indicador de fratura proposto considerou uma função denominador de dano que é dependente do terceiro invariante normalizado e da deformação plástica na fratura. Esta função denominador de dano procura regular a taxa de evolução da degradação do material, de acordo com o seu estado de tensão e nível de ductilidade, fazendo com que o indicador, acoplado à etapa de pós-processamento do modelo de Gao, seja capaz de prever, de forma satisfatória, o correto nível de força, o correto local e deslocamento necessário para a fratura do material. Ao final, as previsões realizadas com o auxílio do indicador foram comparadas ao desempenho do modelo de Lemaitre, o qual se mostrou mais vantajoso na previsão do comportamento mecânico na fratura do material para diferentes tipos de carregamentos.