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Mestrado - Gustavo von Zeska de França

por dirppg-ct publicado 05/11/2019 08h44, última modificação 05/11/2019 08h44
Estudo Numérico Bidimensional de Propagação de Trincas em Ferro Fundido Nodular Austemperado (ADI)
Quando
27/11/2019
de 09h00 até 12h00
(America/Sao_Paulo / UTC-200)
Onde
Auditório do Bloco L - Sede Ecoville
Participantes
Prof. Marco Antônio Luersen, Dr. Eng. Orientador - UTFPR
Prof. Carlos Henrique da Silva, Dr. Eng. Coorientador - UTFPR
Banca Examinadora:
Prof. Marco Antônio Luersen, Dr. Eng. Presidente - UTFPR
Prof. Julio Cezar de Almeida, Dr. Eng. - UFPR
Prof. Julio Cesar Klein das Neves, Dr. Eng. - UTFPR
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Resumo: O ferro fundido austemperado (austempered ductile iron – ADI) possui uma ampla gama de aplicações, devido a sua elevada resistência mecânica, à fadiga e ao desgaste superficial. O ADI é formado por uma matriz ausferrítica com nódulos de grafita em seu interior. Os nódulos possuem rigidez inferior à matriz e podem atuar como concentradores de tensões que nucleiam trincas. Os nódulos também influenciam na propagação de trincas ao alterar suas trajetórias, aumentando assim o caminho percorrido pela trinca, e geram, possivelmente, um efeito protetivo. Entretanto, segundo a literatura, o mecanismo de propagação da trinca ainda não está completamente compreendido. Dentro deste contexto, este trabalho apresenta um modelo numérico bidimensional para simular a propagação da trinca no interior de um material ADI submetido a uma carga variável que resulta na abertura da trinca nos modos de tração e de cisalhamento. O modelo foi implementado em linguagem Python e utiliza o código comercial de elementos finitos ABAQUS, juntamente com uma rotina de cálculo do crescimento de trinca, baseada na lei de Paris, para simular sua propagação. Foi verificado que o principal parâmetro responsável por alterar a direção da trinca é o fator de intensidade de tensão no modo II, ou seja, o cisalhamento que ocorre na ponta da trinca. As simulações demonstraram que a presença do nódulo gera uma carga de cisalhamento na ponta da trinca, e faz com que ela seja direcionada para o próprio nódulo. Fatores como o aumento do tamanho do nódulo e a diminuição da distância do nódulo até a ponta da trinca intensificam esta ação. Também foi verificado que, em simulações com dois diferentes materiais ADI com a mesma fração percentual de área de grafita, o aumento do número de nódulos faz com que a trinca tenha um tempo de vida menor até interceptar um novo nódulo. Portanto, isso sugere que o efeito protetivo dos nódulos no material ADI pode estar correlacionado com a quantidade de nódulos interceptados e a energia para nucleação de novas trincas.

Palavras-chave: Ferro fundido austemperado (ADI), Fadiga, Propagação de trincas, Método dos elementos finitos

 

Bidimensional Numerical Study of Crack Propagation on Austempered Ductile Iron (ADI)

Abstract: The austempered ductile iron (ADI) has a wide range of applications, due to its high mechanical strength, fatigue resistance and wear resistance. ADI is composed by an ausferritic matrix with graphite nodules. The nodules have strength lower than the matrix and can act as stress concentrators that nucleate cracks. The nodules also influence on cracks propagation through changing its trajectory and increasing the course of the crack and may generate a protective effect. However, according to the literature, the crack propagation mechanism is not yet fully understood. In this context, this work presents a bidimensional numerical model to simulate a crack propagation on ADI material subjected to cyclic load with presents crack opening in traction mode and shear mode. The model was implemented in Python language and uses the commercial finite element code ABAQUS, along with a routine for crack growth calculation, based on Paris law, to simulate its propagation. It was found that the main parameter responsible for changing the crack direction is the stress intensity factor in mode II, that is, the shear that occurs at the crack tip. The simulations showed that the presence of the nodule generates a shear load on the crack tip and causes it to be directed to the nodule itself. Modifications such as increasing nodule size and decreasing nodule distance to crack tip intensify this action. It was also found that, in simulations with two different ADI materials with the same graphite area fraction, increasing the number of nodules causes the crack to have a shorter lifetime until it intercepts a new nodule. Therefore, this suggests that the protective effect of nodules in ADI material may be correlated with the number of intercepted nodules and the energy for nucleating new cracks.

Keywords: Austempered Ductile Iron (ADI), Fatigue, Crack propagation, Finite element method

 

Lista de Publicações

FRANÇA, G.Z., LUERSEN, M.A., SILVA, C.H., Estudo Numérico Bidimensional de Propagação de Trinca em Ferro Fundido Nodular Austemperado (ADI), Congresso Nacional de Engenharia Mecânica (CONEM 2020) (a ser submetido).