Modelação numérica e experimental do comportamento mecânico do chumbo tecnicamente-puro

Pedro David Lourenço Jorge

Informações chave

Autores:

Pedro David Lourenço Jorge (Pedro David Lourenço Jorge)

Orientadores:

Luís Manuel Mendonça Alves (Luís Manuel Mendonça Alves); Pedro Alexandre Rodrigues Carvalho Rosa (Pedro Alexandre Rodrigues Carvalho Rosa)

Publicado em

07/11/2008

Resumo

The manufacturing of components throughout technological processes of plastic deformation occurs essentially by redistribution or removal of material, the major difference between them is in considering the occurrence of cracks as part of the process or something to avoid. In the theoretical modeling of these processes the mathematical theory of plasticity is commonly used in order to predict the stress and deformation fields. In these analyses, although it is possible to predict the beginning and the propagation of cracks (necessary to the removal processes), these phenomena are generally considered irrelevant and it is hard to find references to them in the relevant literature. As a consequence the modeling of the cutting processes presents almost no difference when compared with the one used in processes that are exclusively on the plastic deformation domain. One of the main causes of the limited application of a theory combined of plastic deformation and ductile fracture criterion in the modeling of the cutting processes is due to the lack of experimental data and constrained knowledge on the interaction between these two areas. Under these conditions, the present thesis has a primary objective of evaluate the influence of crack opening in the modeling of fabrication processes, from which, by their high industrial importance, namely, the processes of blanking and metal cutting. These operations, in particular the metal cutting processes, present the crack propagation phenomenon in high strain rates. So, it matters not only to quantify the value of the fracture toughness of the materials (energy consumed in the opening of new surfaces), as it’s evolution due to the strain rate imposed by the process itself. The experimental work was conducted in theoretically-pure lead, and consisted on the mechanical characterization of the material using compression tests on cylindrical specimens, and in the characterization of the fracture toughness using fracture tests in double-notched specimens. Both tests were performed first in ‘quasi-static’ conditions using a hydraulic press and later in medium/high velocities using a drop hammer. The theoretical part of this work consisted in the introduction of the visco-plastic flow curve of the material in the finite element software (I-FORM2) and in the modeling of the experimental work to conduct a later evaluation of the results. In this thesis it was possible to identify the importance of the crack opening mechanism in the modeling of the fabrication processes. Although, it has an excellent correlation between the experimental and theoretical results in the compression tests, the same is not verified in the fracture tests. This difference can be explained by the absence of the fracture toughness quantification in the modeling of the process, which uses an exclusively plastic deformation modeling. It was also verified the evolution of fracture toughness with the strain rate. O fabrico de componentes através dos processos tecnológicos de deformação plástica pode ocorrer essencialmente por redistribuição ou por subtracção do material a processar, onde a diferença fundamental está em considerar a ocorrência de fissuras como parte integrante do processo ou como algo a evitar. Na modelação teórica destes processos é geralmente utilizada a teoria matemática da plasticidade no intuito de prever o campo de tensões e de deformações. Nestas análises teóricas, e apesar de ser possível prever a ocorrência e a propagação de fissuras, indispensáveis aos processos subtractivos, são poucos os exemplos na literatura onde a sua influência é considerada na modelação do processo. Deste modo, a modelação dos processos de subtracção (ou corte) de material apresenta poucas, ou nenhumas, diferenças relativamente à modelação de processos exclusivamente do domínio da deformação plástica. Uma das principais causas que tem limitado a aplicação combinada da teoria da deformação plástica e da mecânica da fractura dúctil na modelação dos processos de corte, para além da escassez de dados experimentais, deve-se a algum desconhecimento e falta de integração entre estes dois domínios do comportamento mecânico dos materiais. Neste âmbito, a presente tese tem o objectivo principal de avaliar a influência da abertura de fissuras na modelação dos processos de fabrico, dos quais se destacam pela sua importância industrial os processos de corte por arrombamento e os de corte por arranque de apara. Estes processos de fabrico, em particular os de arranque de apara, apresentam a propagação da fissura em condições de elevada velocidades de deformação. Deste modo, importa não só quantificar o valor da tenacidade à fractura (energia consumida na abertura das novas superfícies), como analisar a influência da velocidade de deformação imposta pelo processo de fabrico. O trabalho experimental desta tese foi conduzido em provetes de chumbo tecnicamente-puro e, consistiu na caracterização mecânica do material através de ensaios de compressão e, na caracterização da tenacidade à fractura através de ensaios de fractura em provetes duplamente entalhados. Estes ensaios foram realizados em condições ‘quasi-estáticas’ numa prensa hidráulica e em condições de média/alta velocidade num martelo de queda existente nos laboratórios do Instituto Superior Técnico. O trabalho teórico consistiu na introdução da lei de escoamento viscoplástica do material no programa de elementos finitos I-FORM2 e na modelação do trabalho experimental para posterior verificação da correlação de resultados. Nesta tese foi possível identificar a importância da modelação do mecanismo de abertura de fissuras na modelação dos processos de fabrico. Apesar da excelente correlação entre os resultados experimentais e teóricos dos ensaios de compressão, observa-se um afastamento significativo a quando da modelação dos ensaios de fractura. Esta diferença é consequência da não inclusão do fenómeno da tenacidade à fractura na modelação teórica destes ensaios. Verificou-se também a evolução deste parâmetro em função da velocidade de deformação.