Publicação: Estimativa da tenacidade à fratura conforme a ASTM E1820 via elementos finitos
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA
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Resumo
A necessidade de compreender e prever o comportamento dos materiais frente à propagação
de trincas é um desafio contínuo, especialmente em aplicações críticas onde falhas podem
gerar consequências graves. A abordagem tradicional, baseada em ensaios experimentais,
apresenta limitações práticas, como a exigência de corpos de prova específicos, dificultando
sua aplicação em determinados contextos. Para contornar esses desafios, este estudo propõe
uma alternativa baseada em simulações numéricas realizadas pelo Método de Elementos
Finitos (MEF), empregando o software Abaqus. O objetivo principal é desenvolver e validar
uma metodologia numérica que permita replicar e, quando necessário, substituir ensaios
experimentais para determinação do JIC. A partir de resultados experimentais prévios de
tenacidade à fratura realizados em corpos de prova do tipo compacto C(T) fabricados em aço
AISI 4340-28 HRC e 40 HRC, é possível estruturar a simulação com condições de contorno e
comparar os resultados simulados com os experimentais. O desenvolvimento inclui a
modelagem da geometria do corpo de prova, a implementação das propriedades mecânicas
de tração do material e a calibração do modelo com base em curvas força-deslocamento e na
relação JIC. A metodologia proposta é aplicada para estimar a tenacidade à fratura de dois
aços utilizados na fabricação de arames de armaduras. Os resultados obtidos mostram que
as simulações numéricas via elementos finitos são eficazes para a determinação da
tenacidade à fratura conforme as diretrizes da norma ASTM E1820, uma vez que os valores
de JIC simulados apresentam concordância com os dados experimentais. O erro sistemático
associado aos valores simulados de JIC é de -12,5 kJ/m2 e de -12,33 kJ/m2 para o AISI 4340-
40 HRC e 28 HRC, respectivamente. Este fato atribui uma boa exatidão ao valor de tenacidade
à fratura obtido via simulação. Essa abordagem não apenas se mostra economicamente
vantajosa, mas também amplia as possibilidades de análise em casos em que ensaios físicos
seriam inviáveis. Este estudo contribui para o avanço das práticas de caracterização de
materiais, promovendo maior segurança e eficiência no desenvolvimento e previsão das
propriedades mecânicas dos materiais de engenharia, e assim possibilita aos projetistas a
seleção mais adequada e rápida dos possíveis materiais.
Abstract
The need to understand and predict the behavior of materials under crack propagation remains
a continuous challenge, especially in critical applications where failures can lead to severe
consequences. The traditional approach, based on experimental testing, presents practical
limitations such as the requirement for specific specimen geometries, which hinders its
application in certain contexts. To overcome these challenges, this study proposes an
alternative approach based on numerical simulations using the Finite Element Method (FEM),
implemented through the Abaqus software. The main objective is to develop and validate a
numerical methodology capable of replicating and, when necessary, replacing experimental
tests for the determination of JIC. Based on previous experimental results of fracture toughness
obtained from compact tension C(T) specimens made of AISI 4340 steel at 28 HRC and 40
HRC, it is possible to structure the simulation with appropriate boundary conditions and
compare the simulated results with the experimental data. The development includes modeling
the specimen geometry, implementing the material's tensile mechanical properties, and
calibrating the model based on load-displacement curves and JIC values. The proposed
methodology is applied to estimate the fracture toughness of two steels used in the
manufacturing of reinforcement wires. The results obtained show that finite element
simulations are effective for determining fracture toughness in accordance with the ASTM
E1820 standard, as the simulated JIC values are consistent with the experimental data. The
systematic error associated with the simulated JIC values is -12.5 kJ/m² for AISI 4340 at 40
HRC and -12.33 kJ/m² for AISI 4340 at 28 HRC, indicating a high degree of accuracy in the
simulated fracture toughness values. This approach not only proves to be economically
advantageous but also expands the possibilities for analysis in situations where physical
testing would be unfeasible. This study contributes to the advancement of material
characterization practices, promoting greater safety and efficiency in the development and
prediction of the mechanical properties of engineering materials, thus enabling designers to
more quickly and appropriately select potential materials.
Palavras-chave
Tenacidade à fratura, Fracture toughness, Integral J, J-Integral, ASTM E1820, Simulação Numérica, Numerical Simulation, Método de Elementos Finitos, Finite Element Method
Citação
SILVA, Karina de Paula. Estimativa da tenacidade à fratura conforme a ASTM E1820 via elementos finitos. 2025. 69 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2025. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2025.5093.
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