Modelo constitutivo

O modelo constitutivo visa auxiliar uma análise matemática mais precisa do comportamento termomecânico das ligas com memória de forma, resultando em um melhor aproveitamento do potencial em determinada aplicação. Existem diversos modelos para a descrição desse comportamento e, devido a suas diversas aplicações, ainda ocorrem desenvolvimentos de teorias a partir de modelos existentes na literatura (PAIVA & SAVI, 2006).

O comportamento termomecânico das ligas com memória de forma pode ser descrito a partir da energia livre de Helmholtz, Ψ, e do pseudo-potential de dissipação, φ. Desta forma, o estado termodinâmico é completamente definido por um número finito de variáveis de estado (BAÊTA- NEVES et al., 2004; PAIVA et al., 2005).

Foi proposto por Fremond em 1996, um modelo tridimensional para verificação do comportamento termomecânico das SMAs, considerando as frações volumétricas da martensita induzida por tensão, M+, e da martensita induzida por compressão, M-. O modelo apresentou ainda restrições para coexistência das três fases: Martensita induzida por Tensão (M+), Martensita induzida por Compressão (M-) e Austenita (A) (SAVI et al., 2002; BAÊTA-NEVES et al., 2004; PAIVA et al., 2005).

Contribuindo para uma melhor descrição do comportamento das ligas, SAVI et al. (2002) apresentaram um modelo onde foi incluída uma terceira fração volumétrica referente à martensita maclada (M), induzida por variação da temperatura, permitindo a descrição da fase estável quando o material está à baixa temperatura e na ausência de carregamento. Também foram consideradas a expansão térmica e deformação plástica no novo modelo. Além disso, o efeito de endurecimento foi representado por uma combinação de comportamentos cinemáticos e isotrópicos (SAVI et al., 2002).

Foi observado por BAÊTA-NEVES et al. (2004) que a largura horizontal do laço de histerese para a tensão-deformação era proporcional à vertical, gerando discrepâncias em relação aos resultados experimentais. Assim foi incluído pelos autores o enlargamento horizontal da histerese de tensão-deformação. A correção da formulação considerando esse novo parâmetro contribuiu para uma melhor descrição do comportamento termomecânico das SMAs (PAIVA et al., 2006).

Foi observado também, a partir desses resultados experimentais, um comportamento assimétrico quando submetidas a carregamentos de tensão ou compressão. Quando deformadas por compressão, por exemplo, apresenta menor recuperação da deformação, tensão crítica de transformação de fase elevada e, portanto, uma histerese diferenciada. Esse comportamento assimétrico tem origem na assimetria de cada cristal da liga, a qual favorece a deformação do material (GALL et al., 1999; PAIVA et al., 2005; PAIVA et al., 2006).

Em 2005, PAIVA et al. aprimoraram o modelo ao acrescentar o fator de assimetria de tensão-deformação à formulação, com o objetivo de obter dados numéricos tão apurados quantos os experimentais e, consequentemente, melhor descrever o comportamento termomecânico das SMAs. O modelo considera a deformação (𝜀) e temperatura (T) e as frações volumétricas das fases macroscópicas como variáveis internas. Em resumo, 𝛽₁ e 𝛽₂ são associadas à martesita não- maclada, induzida por tensão e compressão, respectivamente, e a austenita como 𝛽3. Há também a

quarta variante martensítica, 𝛽₄, e está relacionada a fração volumétrica da martensita maclada. Da restrição referente à coexistência das quatro fases, 𝛽1+ 𝛽2+ 𝛽3+ 𝛽4 = 1 , é possível usar a

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condição 𝛽4 = 1 − 𝛽1− 𝛽2− 𝛽3 a fim de definir uma densidade de energia livre em termos de

somente três variáveis, conforme pode ser visto na Figura 29.

FIGURA 29:REPRESENTAÇÃO GEOMÉTRICA DA RESTRIÇÃO PARA COEXISTÊNCIA DAS FASES (PAIVA ET

AL.,2005)

O presente estudo utiliza o modelo constitutivo de SAVI et al. (2005), devido sua capacidade de descrição dos diversos fenômenos complexos que ocorrem com as ligas com memória de forma. Esse modelo captura todas as informações sobre o comportamento termomecânico das ligas com memória de forma, tais como efeito memória de forma, pseudoelasticidade, deformação plástica, a assimetria tensão-compressão, entre outras, representando uma excelente concordância com os dados experimentais (MONTEIRO et al., 2016). Contudo, desconsidera as parcelas referentes à plasticidade e assimetria de tensão-deformação para simplificação das simulações numéricas.

O comportamento termomecânico das ligas com memória de forma é descrito, simplificadamente, com as seguintes equações:

𝜎 = 𝐸𝜀 + (𝛼 + 𝐸𝛼ℎ)(𝛽2− 𝛽1) − Ω(𝑇 − 𝑇0) (1) 𝛽̇1= 1 𝜂1{𝛼𝜀 + Λ1(𝑇) + (2𝛼ℎ𝛼 + 𝐸𝛼ℎ 2_)(𝛽 2− 𝛽1) + 𝛼ℎ[𝐸𝜀 − Ω(𝑇 − 𝑇0)] − 𝜕𝛽1𝐽𝜋} + 𝜕_𝛽̇1𝐽𝜒 (2)

𝛽̇₂ = 1 𝜂2{−𝛼𝜀 + Λ2(𝑇) − (2𝛼ℎ𝛼 + 𝐸𝛼ℎ 2_)(𝛽 2− 𝛽1) − 𝛼ℎ[𝐸𝜀 − Ω(𝑇 − 𝑇0)] − 𝜕𝛽2𝐽𝜋} + 𝜕_𝛽̇2𝐽_𝜒 (3) 𝛽̇3 = 1 𝜂3{− 1 2(𝐸𝐴− 𝐸𝑀)[𝜀 + 𝛼ℎ(𝛽2− 𝛽1)]2+ Λ3(𝑇) + (Ω𝐴 − Ω_𝑀)(𝑇 − 𝑇₀)[𝜀 + 𝛼ℎ(𝛽2− 𝛽1)] − 𝜕𝛽3𝐽𝜋} + 𝜕𝛽̇3𝐽𝜒 (4)

onde  é a tensão e 𝑇₀ a temperatura de referência. As propriedades do material são consideradas de acordo com cada fase, portanto são utilizados os subscritos A e M são empregados na formulação para representar austenita e martensita, respectivamente. Os módulos de elasticidade e o coeficiente de expansão térmica são dados por 𝐸 = 𝐸_𝑀+ 𝛽₃(𝐸_𝐴− 𝐸_𝑀) , e 𝛺 = 𝛺_𝑀+ 𝛽₃(𝛺_𝐴− 𝛺_𝑀) , respectivamente.

Os parâmetros 𝜂₁, 𝜂₂ e 𝜂₃ estão associados à dissipação interna de cada fase do material. O termo 𝛼_h define a largura horizontal do laço de histerese para tensão-deformação, enquanto que o parâmetro 𝛼 controla a altura do mesmo laço de histerese. A função indicatriz 𝐽𝜋 é relacionada ao

conjunto convexo 𝜋 que pode ser interpretado geometricamente por um tetraedro no espaço (Figura 29). Já o termo 𝐽_𝜒 é uma função indicatriz do conjunto convexo 𝜒, que define as restrições associadas com a evolução das fases, isto é, considerando a história do carregamento para 𝜎 ̇≠0. Fisicamente, a função indicatriz relata as restrições para os sub-laços internos devidos as transformações de fases incompletas e também para a formação da martensita maclada (M). Λ1(T) = Λ2(T) = Λ(T)eΛ3(T) são funções escalares da temperatura que definem o nível de tensão

da transformação da fase e são definidas da seguinte forma (SAVI et al., 2002; OLIVEIRA, 2008):

Λ = {−𝐿0+ 𝐿 𝑇𝑀(𝑇 − 𝑇𝑀), se 𝑇 > 𝑇𝑀 −𝐿₀ , se 𝑇 ≤ 𝑇_𝑀 (5) Λ₃ = {−𝐿𝐴0+ 𝐿_𝐴 𝑇𝑀(𝑇 − 𝑇𝑀), se 𝑇 > 𝑇𝑀 −𝐿₀𝐴 _{, se 𝑇 ≤ 𝑇} 𝑀 (6)

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onde 𝑇_𝑀 é a temperatura onde a fase martensítica se torna estável. Os parâmetros 𝐿₀, 𝐿, 𝐿𝐴_{0 e𝐿} 𝐴, são

relacionados com as tensões críticas nas transformações de fases.

Para lidar com as não linearidades existentes na formulação do problema, a solução do conjunto de equações constitutivas, representadas pelas equações de (1) a (4), é resolvida empregando a técnica de partição do operador (ORTIZ et al., 1983) e associada ainda a um procedimento iterativo.

BANDEIRA et al. (2006) implementou o modelo constitutivo apresentado como uma sub- rotina UMAT (do inglês, “user material routine”) para que possa ser usado em conjunto com o programa de elementos finitos ABAQUS. Esta ferramenta permite adicionar modelos constitutivos de diferentes materiais que não constam na biblioteca do software de elementos finitos.