Caracterização micromecânica de propriedades de tenacidade à fratura de ligas de alumínio estruturais

Abstract

This research work aims to investigate and apply numerical methodologies for the micromechanical characterization of fracture toughness parameters of structural aluminum alloys. It is taken into perspective that the growing use of aluminum structures systems, of multiple constructive types, makes it relevant and necessary to guarantee adequate levels of structural safety and reliability. For this purpose, strategic scientific and industrial research programs are devoted to investigations related to the characterization of materials properties and the mechanical behavior of structural aluminum alloys. It is pertinent to develop robust methodologies for evaluating characteristic toughness parameters for Critical Integrity Assessments, consistent with rheological patterns of these materials. Computational Mechanics methodologies were reviewed that admit representative formulations of the microstructural and micromechanical conditions intrinsic of aluminum alloys, to numerically assess J Integral toughness values (Rice, J.R.-1966). An experimental database of characteristic toughness parameters of AL-5XXX Aluminum-Magnesium alloys (DRDC, 2007) were employed: AL-5083 H321; AL-5086 H116 and AL-5383 H116, tested according (ASTM E 1820,2001) criteria. The Micromechanical Analysis Methodology (XIA, L. and SHIH, 1995) is applied to characterize thel fracture toughness parameter JIc (critical fracture onset) and uses computational cells to represent the distribution of microstructural defects. Dilatant Plasticity constitutive formulations (GURSON, A.L., 1981), and non-linear elasto-plastic rheological behavior (RAMBERG-OSGOOD, 1943) are considered. Through means of the WARP3D V 17.8.2 FEM System resources, both large scale (SSY-MBL) and finite-size test specimens of type (C (T)) discrete models were analysed. Visualization of geometry and results is achieved through the PARAVIEW system, defined with PYTHON features. Key results show that the micromechanical methodology applied leads to the characterization of the Integral J toughness parameters, and allowed to establish of experimental correlation with JIc tenacity characterization parameters. The numerical procedures allowed to obtain the calibration of micromechanical parameters, related with the microestutural voids index fo.

Este trabalho objetiva investigar aplicar metodologias numéricas para caracterização micromecânica de parâmetros de tenacidade à fratura de ligas de alumínio estruturais. Tem-se por perspectiva que o crescente uso de sistemas de estruturas de alumínio, de múltiplas tipologias construtivas, torna relevante e necessário garantir níveis adequados de segurança e confiabilidade estruturais. Com esse propósito programas estratégicos de pesquisas científicas e industriais se dedicam a investigações relacionadas a caracterização das propriedades materias, e do comportamento mecânico das ligas de alumínio estruturais. Resulta pertinente desenvolver metodologias robustas de avaliação de parâmetros característicos de tenacidade, destinados a Avaliações Críticas de Integridade, consistentes com padrões reológicos desses materiais. São revistas metodologias de Mecânica Computacional as quais admitem formulações representativas das condições micromecânicas e microestruturais intrínsecas das ligas de aluminio, para avaliação numérica de parâmetros de tenacidade da Integral J (Rice, J.R.-1966). As correlações consideram um conjunto de dados experimentais de parâmetros característicos de tenacidade de ligas de Alumínio-Magnésio AL-5XXX (DRDC, 2007): AL-5083 H321; AL-5086 H116 e AL-5383 H116, conforme critérios (ASTM E 1820, 2001). A Metodologia de análise micromecânica (XIA, L. and SHIH, 1995), aplicada para caracterização da tenacidade ao fraturamento critico JIc, e utiliza células computacionais para representar a distribuição de defeitos microestruturais. Considera formulações constitutivas de plasticidade dilatante (GURSON, A.L., 1981), e comportamento reológico elasto-plástico não-linear (RAMBERG-OSGOOD,1943). Através de recursos do Sistema WARP3D V 17.8.2 de elementos finitos, foram analisados modelos discretos representativos de corpos extensos (SSY-MBL), e corpos de prova de dimensões finitas de tipo (C(T)). Visualização da geometria e resultados é obtida por meio do sistema PARAVIEW, definida com recursos PYTHON. Resultados chave evidenciam que a metodologia micromecânica utilizada conduz a caracterização dos parâmetros de tenacidade da Integral J, e permitiram estabelecer correlação experimental com parâmetros de caracterização de tenacidade JIc. Os procedimentos numéricos permitiram obter a calibração de parâmetros micromecânicos, associados ao índice de vazios microestuturais fo.