Avaliação fenomenológico-experimental do efeito da triaxialidade de tensões pós-instabilidade na determinação das propriedades tensão-deformação por meio do ensaio de tração uniaxial

Abstract

A utilização de códigos computacionais para a simulação numérica de fenômenos e processos mecânicos que envolvem deformações plásticas significativas tem sofrido expressiva expansão nos últimos anos. Entretanto, uma das maiores limitações para o aumento da precisão das análises é a fiel caracterização das propriedade mecânicas relacionando tensão e deformação verdadeiras dos materiais para grandes níveis de deformação plástica. Tais resultados são usualmente obtidos por meio de ensaios de tração unixial, porém a ocorrência da estricção dificulta a avaliação direta sob regimes de elevada plasticidade, já que um estado triaxial de tensões complexo é estabelecido. Assim, o presente estudo investiga as metodologias exixtentes para a avaliação experimental de curvas tensão por deformação verdadeiras incorporando as correções oriundas da presença de estricção em espécimes cilíndricos e isotrópicos. Ênfase é dada ao estudo das deduções e hipóteses das correções propostas por Bridgman (método clássico e mais difundido) e por outros pesquisadores que focaram na descrição da evolução geométrica do corpo-de-prova após a ocorrência de instabilidade plástica. A aplicação de tais teorias aos ensaios conduzidos ao longo do trabalho permitiu uma análise de sua aplicabilidade, assim como a proposição de novas técnicas laboratoriais e de tratamento fenomenológico da estricção. Neste cenário, as atividades e objetivos do presente estudo residem em: i) ensaiar materiais metálicos dúcteis ferrosos e não ferrosos para caracterizar experimentalmente a evolução geométrica e de cargas na estricção dos corpos-de-prova cilíndricos sob tração unixial; ii) aplicar e discutir criticamente as correções de Bridgman e de outros pesquisadores aos experimentos; iii) desenvolver uma técnica de análise de imagens de alta resolução que permita um incremento de precisão na aplicação dos métodos existentes; iv) explorar a evolução geométrica da estricção de espécimes cilíndricos motivando e dando suporte a futuras pesquisas na área. Como resultado, o trabalho contribui com um maior suporte à determinação de propriedades verdadeiras dos materiais de engenharia até a fratura. Os resultados demonstram que alguns dos métodos disponíveis na literatura apresentam expressivas limitações na correção dos efeitos de triaxialidade, especialmente para materiais que não os aços. O uso de análise de imagens em alta definição sincronizadas aos ensaios, por outro lado, forneceu grande precisão na descrição mecânico-experimental do fenômeno da instabilidade, viabilizando a aplicação adequada das correções disponíveis. Ainda, o acompanhamento da evolução geométrica dos espécimes pós-instabilidade permitiu conclusões de interesse a pesquisas futuras que podem facilitar ainda mais as práticas laboratoriais propostas

The use of computer codes for numerical simulation of mechanical phenomena and processes involving significant plastic deformation has undergone significant expansion during the last years. However, one of the major limitations to increase the accuracy of the analyses is the reliable characterizations of mechanical properties in terms of materials' true stress vs strain behavior under large levels of plastic strain. Such results are usually obtained from uniaxial tensile tests, but the occurence of necking complicats direct assessment of the stress vs. strain curve in regimes if high plasticity, since a complex trialxial stress state takes place. In this context, this study investigates the main exixting methodologies for the experimental evaluation of true stress vs, strain curves obtained from such tests, incorporating the corrections arising from the presence of necking in cylindrical samples made of isotropic materials. The hypoteses, derivation and application techniques are presented for Bridgman's (more widespread method) and other selected theories which describe the geometrical evolution of the samples after plastic instability. Based on the extensive set of experiments conducted during this investigation, the aforementioned techniques could be critically applied and revised, which led to proposals regarding enhanced procedures for laboratory testing and phenomenological understanding of necking phenomenon. In this context, the activities and main objetives of this work are: i) test sweveral ferrous and non-ferrous ductile metals to experimentally characterize loads and the geometrical evolution of necking; ii) apply and critically discuss Bridgan's and other exixting corrections based on experimental evidences; iii) develop an high resolution image analysis algorithm to provide real-time measurements of the deformed samples looking for greater precision when applying exixting corrections; iv) phenomenologically explore the geometrical evolution of necking providing support for future investigations in the fields. As a result, the work contributes for the accurate determination of true stress-strain evolution for engineering ductile materials until fracture. The obtained results reveal that some exixting methods present expressive limitation to properly correct triaxiality effects, especially for mateails other than steels. The experimental results with high resolution images synchronized to the tests, on other hand, provided an accurate description of the instability phenomenon and supported new empirical proposals for the quantitative description of necking. Combined to the proposed laboratory and numerical procedures, the achieved results proved to be accurate and can enhance stress-strain characterization