Estudo numérico bidimensional de propagação de trincas em ferro fundido nodular austemperado (adi)
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 n...
| Autor principal: | Franca, Gustavo Von Zeska de |
|---|---|
| Formato: | Dissertação |
| Idioma: | Português |
| Publicado em: |
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
2020
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| Assuntos: | |
| Acesso em linha: |
http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/4731 |
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riut-1-47312020-02-29T06:01:05Z Estudo numérico bidimensional de propagação de trincas em ferro fundido nodular austemperado (adi) Bidimensional numerical study of crack propagation on austempered ductile iron (ADI) Franca, Gustavo Von Zeska de Luersen, Marco Antonio https://orcid.org/0000-0002-3769-8815 http://lattes.cnpq.br/4815765372448868 Silva, Carlos Henrique da http://lattes.cnpq.br/6218847264452522 Neves, Julio Cesar Klein das http://lattes.cnpq.br/0307756612359905 Almeida, Julio Cezar de https://orcid.org/0000-0003-4164-8041 http://lattes.cnpq.br/9982194093284947 Luersen, Marco Antonio https://orcid.org/0000-0002-3769-8815 http://lattes.cnpq.br/4815765372448868 Ferro fundido Cisalhamento Materiais - Testes Ferro fundido - Metalurgia Engenharia mecânica Cast-iron Shear (Mechanics) Materials - Testing Cast-iron - Metallurgy Mechanical engineering CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::MECANICA DOS SOLIDOS::ANALISE DE TENSOES Engenharia Mecânica 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 through changing its trajectory that are deflected in the nodules direction 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 which results crack opening in traction and shear mode combined on the crack tip. 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. 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. Eles também influenciam na propagação de trincas, que são desviadas em direção aos nódulos, o que pode gerar 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 de tração variável, que gera carregamentos de tração e de cisalhamento na ponta da trinca. 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 em área de grafita, para o caso com nódulos menores, a maior quantidade 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. 2020-02-28T21:57:25Z 2020-02-28T21:57:25Z 2019-11-27 masterThesis FRANCA, Gustavo Von Zeska de. Estudo numérico bidimensional de propagação de trincas em ferro fundido nodular austemperado (adi). 2019. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2019. http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/4731 por openAccess application/pdf Universidade Tecnológica Federal do Paraná Curitiba Brasil Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais UTFPR |
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Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
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Português |
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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 through changing its trajectory that are deflected in the nodules direction 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 which results crack opening in traction and shear mode combined on the crack tip. 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. |
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FRANCA, Gustavo Von Zeska de. Estudo numérico bidimensional de propagação de trincas em ferro fundido nodular austemperado (adi). 2019. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2019. |
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