Análise de Provetes de Secção Retangular Modos de Carregamento Carregamentos

Modos de Carregamento. Carregamentos Local e

Global.

O estudo da propagação de fendas em componentes de secção retangular, submetidos a carregamentos em modo III puro, em particular no que diz respeito a provetes CT, dificilmente se encontra na literatura. Com efeito, grande parte dos resultados experimentais e numéricos associados à propagação de fendas sob Modo III de carregamento foram determinados recorrendo a provetes cilíndricos, entalhados, e portanto de secção circunferencial. Uma pesquisa da literatura revela alguns resultados exemplificativos [16–21]. Adicionalmente, nos resultados encontrados para os provetes apoiados em 3 pontos, ou para os provetes CT, estes eram submetidos a carregamentos em modo misto [22-25], frequentemente contendo uma fenda inclinada, não sendo aplicados carregamentos torsionais. No caso específico da aplicação de um carregamento torsional a provetes CT, apenas Chambel [5] realizou ensaios experimentais que vão ao encontro deste mesmo caso.

A coexistência de diferentes modos de carregamento aplicados a um componente, nomeadamente modo I, modo II e modo III, podem caracterizar-se como sendo uma condição de carregamento em modo misto, de natureza tridimensional, que dá origem a superfícies de fratura não planares. Na prática, o carregamento em modo I é o carregamento mais comumente aplicado a componentes ou estruturas que se encontram em serviço e, geralmente, induz uma propagação de fenda de tipo retangular [26]. Adicionalmente, no caso da aplicação de um carregamento em modo II, verifica-se a inclinação da trajetória da fenda (Fig. 3.1-1a) [27], enquanto que, no caso da aplicação de um carregamento em modo III, se verifica uma rotação da trajetória da fenda [27] (Fig. 3.1-1b).

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Figura 3.1-1 – a) Angulo de inclinação b) Angulo de rotação [27]

Os carregamentos em modo I irão induzir tensões normais na extremidade da fissura, enquanto que, os outros dois modos de carregamento, nomeadamente, o modo II e o modo III, irão induzir tensões de corte na extremidade da fenda.

A deformação na extremidade da fenda e a propagação da fenda em modo I é, então, causada pela geração de planos de escorregamento na extremidade da fenda ou na sua vizinhança [28], enquanto que o carregamento em modo II irá gerar o avanço da fenda devido à movimentação de deslocações no plano da fenda. Adicionalmente, no caso de se aplicar um carregamento em modo III puro, pode ser gerada uma região plástica na extremidade da fenda, ou na sua vizinhança, devido a deslocações de tipo parafuso, paralelas à frente da fenda, não contribuindo diretamente para a propagação da mesma, mas para a formação de zonas plastificadas nas superfícies livres dos componentes, que irão propagar localmente segundo as condições de um carregamento em modo II, numa direção paralela à frente da fenda [28, 29]. Paralelamente, Fremy et al. [30] afirmaram que a aplicação de um carregamento de tipo modo III promoveria, para além da expectável plastificação devida ao modo III, um aumento significativo do fator de intensidade de tensão em modo I e também em modo II, resultando numa morfologia de frente de fenda bastante complexa [31]; para além do referido, a trajetória de crescimento de fenda é de previsão difícil, tendo em conta que a inclinação e a rotação da fenda (Fig. 3.1-1) irão depender da intensidade dos carregamentos em modo II e modo III a atuar na extremidade da fenda (comparativamente ao carregamento equivalente). Nestes casos, são necessários testes experimentais à escala real [26], uma vez que a existência de troços em modo II local, originados por um carregamento em modo III global, poderão levar à inclinação da fenda em relação ao plano macro da fenda, característica do modo II [32], com a propagação da fenda a dar-se ao longo do plano local segundo o qual se verifica a tensão de corte máxima na extremidade da fenda [33].

Adicionalmente, dependendo do rácio entre os valores limite de gama do fator de intensidade de tensão em modo I e ao corte, é possível que se formem fendas ramificadas no início da propagação

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da fenda, segundo um ângulo de, aproximadamente, 70,5°, como estabelecido por Murakami et al. [34]. Este fenómeno de ramificação resulta da instabilidade dinâmica de uma fenda em propagação, sendo que ocorre quando a velocidade de propagação excede uma velocidade critica, vc, e na presença de

campos de tensões não estacionários [35].

No que diz respeito aos materiais metálicos, dependendo do valor de atrito envolvido na propagação de uma fissura, que difere no caso das fendas se iniciarem a partir do entalhe do provete ou se propagarem a partir de uma pré-fenda aberta em modo I, diferentes valores limiares de propagação foram medidos para materiais com igual composição química e tratamento térmico idêntico [36]. Para aços inoxidáveis, os ângulos de inclinação e de rotação medidos foram iguais a 67±5° e 39±16°, respetivamente, enquanto que, os valores limite efetivos dos fatores de intensidade de tensão foram de 2.3, 2.5 e 4.2 _{c √ para modo I, modo II e modo III, respetivamente [36]. Adicionalmente,} e como referido anteriormente, a rotação da fenda pode observar-se no caso da propagação em modo III [27]. Neste caso, após uma extensão limitada de propagação, a fenda tende a passar de plana a inclinada, com um angulo de inclinação de 45°, sendo este o ângulo que minimiza a taxa de dissipação de energia [37], estando, também, de acordo com os resultados experimentais obtidos [36]. No entanto, em alguns casos, uma fenda de formato em V pode ser observada [37] com um ângulo de inclinação, também, próximo de 45°, resultado de duas fendas inclinadas a +45° ou -45° da direção do carregamento [37].

A modelação e a compreensão da transição da fenda, entre plana e inclinada, recorrendo à mecânica da deformação contínua, continua a mostrar-se uma tarefa árdua, em particular, se a trajetória de propagação da fenda não for especificada [37].