Análise numérica do ensaio de indentação em materiais com comportamento frágil

Abstract

O ensaio piramidal Vickers é uma técnica utilizada há décadas para avaliação da dureza superficial de materiais metálicos, cerâmicos, compósitos e, recentemente, filmes finos. Diversos estudos têm sido desenvolvidos a fim de utilizar esta metodologia como ferramenta para avaliação de outras propriedades mecânicas como, por exemplo, a tenacidade à fratura. Contudo, a sua implementação na determinação desta propriedade mecânica e os seus resultados ainda ocasionam dúvidas no meio científico. Estas dúvidas são mais intensas quando se pretende analisar materiais com comportamento frágil. Por isso, utilizou-se um modelo numérico através do método dos elementos finitos para avaliar os campos de tensões e de deformações durante o ciclo de indentação, auxiliando em uma interpretação mais segura deste ensaio. No presente trabalho, obteve-se o comportamento da curva carga versus deslocamento para o ensaio Vickers em uma amostra de carboneto de tungstênio com cobalto e em uma amostra de alumina. Também foram encontrados os valores numéricos da dureza superficial destes dois materiais. Estes resultados se encontram compatíveis com os dados experimentais presentes na literatura especializada, mostrando que o modelo numérico foi capaz de representar o comportamento global deste ensaio. Por fim, foi determinada a distribuição da máxima tensão principal e das deformações para o ciclo de carregamento e descarregamento do teste, utilizando-se um modelo numérico de trinca difusa. Baseado nestes resultados de tensões e de deformações estudou-se os mecanismos de nucleação e de crescimento de trincas que ocorrem nestes materiais sob ensaios de indentação piramidais.

Simulação do ensaio de indentação em filmes finos com o uso de modelos de trinca difusa

“…Além disso, foi possível incorporar uma relação constitutiva de trinca difusa para representar o comportamento frágil do filme cerâmico. Este modelo de trinca difusa avalia o mecanismo de nucleação e crescimento de trincas na estrutura através da incorporação da deformação equivalente de trincamento (ε ecr ) no modelo numérico [8,13]. Esta deformação equivalente pode ser obtida através da determinação da deformação de trincamento (ε icr ) para cada uma das três direções principais (i = 1, 2, 3), de acordo com a Equação (2).…”

“…Uma vez que, nos ensaios experimentais, o deslocamento do indentador é aplicado a uma pequena velocidade de penetração e o comportamento da carga em função do deslocamento é obtido através de um sensor no equipamento [3,6] Por isso, simulou-se o ciclo de indentação, carregamento e descarregamento do ensaio, através do deslocamento prescrito do indentador, permitindo-se, assim, um melhor controle numérico no início e durante a simulação do ciclo de indentação [6,8]. Além desse melhor numérico, o ensaio foi executado em duas fases, uma de descida do indentador, seguido de sua subida, completando-se o ciclo.…”

“…Ele também permite a incorporação de um comportamento de decréscimo na resistência da estrutura após a formação das primeiras trincas através de um parâmetro de amolecimento do módulo de elasticidade (E S ). Este parâmetro, o qual pode ser determinado a partir das características do material e da geometria da malha utilizada, impede que a tensão de tração do modelo numérico em um ponto trincado tenda rapidamente a zero, após a tensão normal máxima ter alcançado seu limite de ruptura [8][9]11]. A partir de inúmeras análises numéricas para a calibração do E S , verificou-se que este parâmetro pode ser estimado como sendo cinco milésimos do módulo de elasticidade do filme CrAlN [4].…”

“…Por isso, este trabalho teve o objetivo de avaliar numericamente o contato de penetradores esféricos (Brinell) rígidos em sistemas recobertos por CrAlN, com diferentes espessuras, durante o ensaio de indentação. Nesta simulação do ensaio de indentação, também foram avaliadas as regiões críticas a fratura que surgem nestes compósitos de revestimento e substrato através de uma relação constitutiva linear-frágil com a incorporação de um modelo numérico de trinca difusa [8]. Esta relação constitutiva foi usada para representar o comportamento frágil do recobrimento e para estudar os mecanismos de falhas adesiva, coesiva e subsuperficial que podem ocorrem nestes filmes durante o ensaio de indentação.…”