Aplicação do método de análise dimensional para a determinação de propriedades elasto-pláticas de materiais pelo ensaio de indentação instrumentada
Zusammenfassung
O ensaio de indentação instrumentada é uma técnica que permite a obtenção da dureza de pequenos volumes de materiais. Entretanto, além da dureza, é de grande interesse a obtenção de outras propriedades elasto-plásticas utilizando-se informações das curvas desses ensaios. Neste trabalho, um algoritmo inverso foi elaborado com o desenvolvimento de duas funções adimensionais, ajustadas empregando o método de elementos finitos, para simular do ensaio de indentação instrumentada e o método de mínimos quadrados, para a determinação dos coeficientes das funções. Subsequentemente, esse algoritmo foi utilizado para a determinação do módulo de elasticidade E, dureza H, expoente de encruamento n e tensão de escoamento Y dos aços ao carbono SAE 1020, SAE 1045 e do aço Cr-Mo SAE 4140. Essas propriedades mecânicas foram determinadas utilizando um microdurometro instrumentado com um penetrador Berkovich de diamante. Uma análise da sensibilidade do algoritmo às variáveis do problema foi realizada, e os resultados obtidos revelaram que uma maior variação na solução do expoente de encruamento calculado pelo algoritmo pode ocorrer à medida que valores das variáveis adimensionais hf/hmax e/ou WP/WT diminuem. Também, certas combinações de valores das variáveis adimensionais supracitadas causam soluções negativas que são fisicamente impossíveis, sendo o limite de aplicabilidade do algoritmo dado por WP/WT >0,66. Ajustes dos coeficientes das funções adimensionais também revelaram uma falta de correlação entre o expoente de encruamento n e a razão adimensional entre a tensão de escoamento, e o módulo de elasticidade reduzido Y/Er. Resultados para o expoente de encruamento dos aços SAE 1020 normalizado, SAE 1045 normalizado e 1045 temperado e revenido apresentaram erro máximo de -10%, aproximadamente, para o aço SAE 4140 normalizado, o erro foi de -42,55% e para a amostra de SAE 4140 temperado e revenido, um erro de -15,79% foi obtido. Tensões de escoamento calculadas para os aços SAE 1020 normalizado e SAE 1045 normalizado apresentaram, respectivamente, 12,08% e -10,11% de erro, para os demais materiais analisados, o erro calculado foi superior a aproximadamente 40%. Em relação a dureza, o maior erro calculado foi para o aço SAE 4140 temperado e revenido, -13,00%, e o restante das amostras apresentou erros inferiores à 4%. O erro do módulo de elasticidade estimado pelo algoritmo foi maior para os aços SAE 1020 normalizado e SAE 1045 normalizado, 41,76% e -12,13% respectivamente, e o restante das amostras tiveram erros calculados entre -6,15% e -2,17%.
Palavras-chave: indentação instrumentada, método de elementos finitos, análise dimensional, materiais metálicos e propriedades elasto-plásticas.