Determinação da extensão da camada superficial em geometrias com entalhes severos

Abstract

A fadiga é um dos principais mecanismos de falha de componentes mecânicos sujeitos a cargas cíclicas. O objetivo principal desta investigação consiste na quantificação da extensão da camada superficial em geometrias planas entalhadas com fendas passantes e sujeitas a carga cíclica com amplitude constante. Neste trabalho consideraram-se três geometrias planas: um provete M(T) normalizado que serviu de referência; um provete M(T) com entalhes laterais em forma de U com raios e profundidades variáveis; e, também, um provete M(T) com entalhes em V com ângulos de abertura e profundidades variáveis. A análise foi efetuada a partir de dois modelos constitutivos, mais concretamente, um modelo linear-elástico e um modelo elasto-plástico. Numa primeira fase do trabalho, procedeu-se á otimização da malha de elementos finitos, com ênfase especial na topologia de malha, caraterizada por um elevado nível de refinamento junto à superfície. Numa segunda fase, no que concerne à extensão da camada superficial, foram estudados os efeitos da espessura da peça, da geometria e forma de entalhe, do comprimento de fenda, e da tensão remota aplicada. Após análise dos resultados, verificou-se que a extensão da camada superficial é influenciada pela espessura nos provetes M(T), M(T)u e M(T)v. Para espessuras inferiores a 2 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. Verificou-se, ainda, que os valores estáveis são mais elevados para os modelos elasto-plásticos do que nos modelos lineares-elásticos. Também as variáveis geométricas, associadas a cada geometria, tiveram influência. No caso do provete M(T)u, observou-se um efeito assinalável do raio do entalhe (r), e no provete M(T)v uma influência determinante do ângulo de abertura do entalhe (α). Relativamente à profundidade do entalhe (b), verificou-se um efeito pouco revelante. Foi, ainda, distinguido um efeito considerável do comprimento de fenda. No caso do modelo elasto-plástico, foi ainda identificado um efeito importante do valor da tensão remota (σ). Constatou-se que a extensão da camada superficial aumenta com a tensão remota.

Fatigue is a major failure mechanisms of mechanical components subjected to cyclic loading. The main objective of this research is to quantify the extent of the surface region in planar notched geometries with through cracks and subjected to constant amplitude cyclic loading. In this research, it was considered three planar geometries: a standard M(T) specimen used as a reference; a M(T) specimen with lateral U-shaped notches; and also a M(T) specimen with V-shape notches. The analysis was performed from two constitutive models, more specifically, a linear-elastic model and an elasto-plastic model. In a first stage, the finite element mesh has been optimized. The emphasis has been put on the mesh topology which is characterized by a high level of refinement near the surface. In a second stage, the extent of surface layer has been evaluated taking into account the effects of thickness, geometry and notch shape, crack length, and remote applied stress. After the analysis of results, it was found that the extent of the surface region is influenced by the thickness for the M(T), M(T)u and M(T)v specimens. For thicknesses lower than 2 mm, the extension of the surface region sharply increases as the thickness decreases. For thicknesses greater than the mentioned value, the extent of surface region tends to stabilize. It was also concluded that the S1 and S2 values are higher for the elasto-plastic models than for the linear-elastic models. Furthermore, the geometric variables associated with each geometry have influence. In the case of the M(T)u specimen, there is a significant effect of notch radius (r); for the M(T)v specimen, a significant influence of the notch angle (α) is also identified. Regarding the crack depth (b), a slight effect has been observed. The crack length has also an important effect on the results. In the case of the elastic-plastic model, it was also identified an additional effect caused by the remote applied stress (σ). In general, the extent of surface region increases with the remote applied stress