Análise numérica do processo de fratura no ensaio de indentação vickers em uma liga de carboneto de tungstênio com cobalto

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Análise numérica do processo de fratura no ensaio de indentação vickers em uma liga de carboneto de tungstênio com cobalto

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Title: Análise numérica do processo de fratura no ensaio de indentação vickers em uma liga de carboneto de tungstênio com cobalto
Author: Avelino Manuel da Silva Dias
Orientador: Paulo Jose Modenesi
Banca:
Presidente: Paulo Jose Modenesi
Membro: Paulo Roberto Cetlin; Gabriel de Oliveira Ribeiro; André Barros Cota; Janes Landre Junior
Subject: Engenharia metalúrgica Teses.; Metalurgia de transformação Teses.; Metais Propriedades mecânicas. Teses.; Mecânica da fratura. Teses.
Palavra-chave: Engenharia Metalúrgica e de Minas
Date: 30-03-2004
Publisher: UFMG
Abstract: O ensaio de dureza Vickers é uma técnica utilizada durante décadas para avaliação da dureza superficial de materiais cerâmicos, metálicos e compósitos. Recentemente, diversos pesquisadores têm desenvolvido novas técnicas baseadas neste ensaio para utilizá-lo como uma ferramenta na avaliação de outras propriedades mecânicas, comomódulo de Young, coeficiente de Poisson e tenacidade à fratura, com o intuito de caracterizar materiais peculiares e recobrimentos superficiais. Porém, o ensaio de indentação apresenta algumas limitações na determinação da tenacidade. Para avaliar estas dificuldades, implementou-se uma análise através de modelos discretos de elementos finitos para simular o comportamento mecânico de um carboneto de tungstênio com 6% de cobalto durante o ciclo de indentação. Tal material tem a peculiaridade de apresentar um comportamento mecânico intermediário entre os materiais metálicos e os frágeis. Na forma sinterizada, o WC-6Co é utilizado na confecção de ferramentas de corte, apresentando altas dureza superficial e resistência mecânica à compressão, porém baixa tenacidade. Foram implementados três modelos numéricos para avaliar os campos de tensões e de deformações no ensaio Vickers através de um código comercial de elementos finitos. Para calibrar estes modelos numéricos, utilizaram-se como parâmetros os valores experimentais de durezasuperficial e do comportamento da carga de indentação no ciclo do ensaio. Através de critérios de falhas, tentou-se avaliar as condições para a nucleação e propagação de trincas que ocorrem durante este ensaio em uma amostra do material estudado. Os resultados de dureza superficial obtidos numericamente apresentaram-se dentro da faixa dos valores experimentais e a relação entre a carga e o deslocamento teve um comportamento similar ao comumente apresentado na literatura. Por fim, a análise dos campos de tensões e deformações utilizando os critérios de falha implementados possibilitou a identificação de regiões que se mostraram críticas para a nucleação e o crescimento de trincas, como, por exemplo, a região ao longo da diagonal do indentador.
Resumo em lingue estrangeira: The Vickers indentation testing has been used for decades for surface hardness evaluation of ceramic, metallic and composite materials. Recently, researchers have developed new techniques based on this test in order to evaluate mechanical properties such as Young's modulus, Poisson coefficient and fracture toughness, to characterise peculiar materials and superficial coatings. However, the indentation testing presents some limitations to toughness determination. To evaluate these difficulties, a numerical analysis was implemented using finite element discrete models to simulate the mechanical behaviour of tungsten carbide with 6% cobalt during the indentation cycle. This material presents a mechanical behaviour between ductile metallic and brittleceramic materials. In the sintered form, the WC-6Co is used to manufacture cutting tools because it has high superficial hardness and mechanical compression strength, despite its low toughness. Three numerical models were implemented to evaluate the Vickers' stress and strain fields with a finite element commercial code. Experimental values of hardness and the indentation load behaviour in the testing cycle were used as parameters to calibrate these numerical models. The conditions for crack nucleation and propagation mechanism during the testing were evaluated using damage criteria. The obtained results of surface hardness were inside the range of experimental values given by the literature. The numerical behaviour of the load versus displacement curve was also similar to those present by the literature. Finally, the analyses of the stress and strain fields and the implemented damage criteria made it possible to identify the critical regions for crack nucleation and growth, such as the region of the direction of the indentator diagonal line.
URI: http://hdl.handle.net/1843/BUOS-8DWDRQ

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