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Tipo de documento: Tese
Tipo de acceso: Acesso Aberto
Título: Aplicabilidade da metodologia da taxa de alívio de energia de deformação para determinação da tenacidade à fratura de ligas metálicas por indentação instrumentada
Título (s) alternativo (s): Applicability of the strain energy release rate for metallic alloys fracture toughness evaluation by instrumented indentation test
Autor: Hwang, Henry Fong
Primer orientador: Bose Filho, Waldek Wladimir Bose
Primer coorientador: Franco, Sinésio Domingues
Primer miembro de la banca: Cavallini Junior, Aldemir Aparecido
Segundo miembro de la banca: Silva, Leonardo Rosa Ribeiro da
Tercer miembro de la banca: Oliveira, Marcelo Falcão de
Cuarto miembro de la banca: Moreto, Jéferson Aparecido
Quinto miembro de la banca: Paes, Marcelo Torres Piza
Resumen: A determinação da tenacidade à fratura de metais dúcteis através da técnica de indentação esférica instrumentada tem sido uma alternativa para caracterização de componentes em serviço — onde não há possibilidade de retirada de amostras — devido à sua característica semi-destrutiva e seu custo-benefício. Diferentes modelos matemáticos são apresentados na literatura como estimativa indireta dessa tenacidade. Zhang, Wang e Wang (2019b) introduziram o primeiro modelo baseado na Taxa de Liberação de Energia (ERR – Energy Release Rate) da mecânica da fratura e os conceitos de mecânica do dano contínuo para avaliação da tenacidade à fratura. O modelo determina o valor da Integral-J a partir de ciclos de carga e descarga de indentação. Ainda como as outras metodologias, a metodologia ERR, apesar de ser uma forma indireta de medir a tenacidade à fratura, é a que mais possui as bases na mecânica da fratura, sendo escolhida para ser estudada em detalhes nesse trabalho. Durante o desenvolvimento dos estudos para verificação de sua aplicabilidade e limitações, alguns problemas foram observados e, assim, foram propostas alterações para correção da metodologia e para tornar sua aplicação mais abrangente e os resultados mais precisos. Para o estudo foram selecionados os aços AISI 4340 com diferentes composições microestruturais, o AISI 4130M, API X65, X80 e X100 de aplicação no setor de óleo e gás. Ainda, para entender os limites do modelo, foram estudados o aço inoxidável AISI 304 (microestrutura austenítica) e a liga aeronáutica AA7050-T7451. Os resultados foram comparados com valores extraídos de ensaios normatizados de tenacidade à fratura, conforme ASTM E1820 e executados no Laboratório de Tecnologia em Atrito e Desgaste, bem como da literatura. Observou-se que o valor de JIIC calculado por indentação tinha forte dependência com o diâmetro do indentador e, para correção, o valor de tenacidade deve ser multiplicado por um fator C = (1/Di)^1,18 em função do diâmetro a ser utilizado. Além disso, para obtenção da tenacidade à fratura no modo I de carregamento, JIC, a partir de JIIC é necessário obter a razão α^2 = JIIC/JIC, assumida ser constante e igual a 0,35 para todas as ligas metálicas, fato este que não se mostrou verdadeiro. Através do presente trabalho e da literatura foram obtidos valores de α^2 e também sua relação com a dureza dos materiais estudados, com exceção do aço API X100. Assim, foi proposta uma função para estimativa de α como sendo: (i) α = f(HV), com R^2 = 0,99 para os aços ARBL e (ii) mais geral α = f(σy/E), com R^2 = 0,97 para todas as ligas metálicas. Aplicando as correções propostas foi possível obter resultados de JIC calculados a partir do ensaio de indentação com erros menores que 12,8%.
Abstract: The determination of fracture toughness of ductile metals through the instrumented spherical indentation technique has been an alternative for characterizing in-service components—where sample removal is not possible—due to its semi-destructive nature and cost-effectiveness. Different mathematical models are presented in the literature as indirect estimates of this toughness. Zhang, Wang and Wang (2019b) introduced the first model based on the Energy Release Rate (ERR) concept of fracture mechanics and the ideas of continuum damage mechanics for assessing fracture toughness. The model determines the value of the J-Integral from the loading–unloading cycles of indentation. Like the other methodologies, the ERR methodology—despite being an indirect measure of fracture toughness—has the strongest basis in fracture mechanics and was the methodology chosen to be studied in detail in this work. During the development of studies to verify the applicability and limitations of the ERR methodology, some issues were observed, and thus alterations were proposed to correct the methodology and broaden its applicability and improve result accuracy. For the study, AISI 4340 steels with different microstructural compositions, AISI 4130M, API X65, X80 and X100 used in the oil and gas sector were selected. Additionally, to understand the model’s limits, the austenitic stainless steel AISI 304 and the aerospace alloy AA7050-T7451 were studied. The results were compared with values extracted from standardized fracture toughness tests, following ASTM E1820 and conducted at the Friction and Wear Technology Laboratory, as well as from the literature. It was observed that the JIIC value calculated by indentation showed a strong dependence on the indenter diameter, and to correct, the fracture toughness value must be multiplied by a factor C = (1/Di)^1,18 depending on the diameter used. Furthermore, to obtain the mode I fracture toughness, JIC, from JIIC, it is necessary to obtain the ratio α 2 = JIIC/JIC, assumed to be constant and equal to 0.35 for all metal alloys, a fact that did not hold true. Through the present work and the literature, values of α^2 and also its relation to the hardness of the studied materials were obtained, with the exception of API X100 steel. Thus, a function for estimating α was proposed: (i) α = f(HV), with R^2 = 0.99 for HSLA steels and (ii) more generally α = f(σy/E), with R^2 = 0.97 for all metal alloys. Applying the proposed corrections made it possible to obtain JIC values calculated from indentation tests with errors less than 12.8%.
Palabras clave: Tenacidade à fratura
Indentação instrumentada
Taxa de alívio de energia de deformação
Curva J-R
Coalescência de microvazios
Fracture toughness
Instrumented indentation
Energy release rate
J-R Curve
Micro-void coalescence
Área (s) del CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::MECANICA DOS SOLIDOS
Tema: Engenharia mecânica
Ligas (Metalurgia)
Idioma: por
País: Brasil
Editora: Universidade Federal de Uberlândia
Programa: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Cita: HWANG, Henry Fong. Aplicabilidade da metodologia da taxa de alívio de energia de deformação para determinação da tenacidade à fratura de ligas metálicas por indentação instrumentada. 2025. 116 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, 2025. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2025.691.
Identificador del documento: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2025.691
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/48169
Fecha de defensa: 15-dic-2025
Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS): ODS::ODS 9. Indústria, Inovação e infraestrutura - Construir infraestrutura resiliente, promover a industrialização inclusiva e sustentável, e fomentar a inovação.
Aparece en las colecciones:TESE - Engenharia Mecânica

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