MODELO PROPOSTO POR LIU et al (2014)

Este trabalho foi conduzido com coeficiente de fricção variável, relacionado com o espaço e o tempo da simulação numérica elaborada no ABAQUS. O modelo de elementos finitos proposto foi do tipo esfera-plano, visando simular as tensões e deformações na superfície de contato durante o teste de fretting. Para se estimar a localização da iniciação de trinca, os autores utilizaram o modelo de fadiga multiaxial de Smith-Watson-Topper.

Figura 110 -Modelo de elemento finito proposto (Fonte: LIU et al. 2014)

Os autores propuseram um modelo não linear de elementos finitos no software ABAQUS para analisar as distribuições de tensões nas superfícies e subsuperfícies do corpo de prova, conforme mostrado na Figura 110. Foi utilizado um algoritmo de contato tipo mestre-escravo, de modo que penetrações excessivas de uma superfície na outra não poderia ocorrer.

Uma malha de varredura foi adotada para se capturar as complexas variações de tensão e deslizamentos relativos que pudessem ocorrer entre a superfície e a subsuperfície. Longe do contato, utilizou-se malha grosseira hexaédrica a fim de se reduzir o custo computacional. O modo de integração dos elementos foi de oito nós linear, com a qual se acreditou contornar as flutuações das distribuições de pressão causadas por elementos de segunda ordem, o que poderia causar grandes deformidades dos elementos de integração. Para a carga tangencial, foi imposta uma condição de

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contato regida pela subrotina FRIC. O modelo utilizado era o de Coulomb, com material isotrópico e ajustado pelo multiplicador de Lagrange.

Neste artigo, não se levou em conta plasticidade para a esfera. No entanto, para a parte de aço, utilizaram-se dados experimentais para leva-la em consideração.

Conforme mostra a Figura 111, para amplitudes de deslocamento demasiadamente pequenas, o torque de fricção permanece constante. Na Figura 112, que ilustra a curva de torque dos resultados simulados como função de deslocamentos angulares, a forma linear da curva log indica deslizamento parcial, enquanto a deformação da superfície é acomodada por deformações elásticas.

Figura 111 - Evolução das curvas de torque friccional versus ciclos de vida (Fonte: LIU et al. 2014) O formato obtido no gráfico torque versus deslocamento angular ilustrado na Figura 113 demonstra a característica de deslizamento misto. Conforme apontam os autores, ela indica que os micros deslizamentos ocorrem na borda do contato e que a de formação da superfície é mais acomodada pela deformação elástica, mas também parcialmente pela deformação plástica.

118 Figura 112 - Curva de torque angular versus deslocamento angular em θ=0,1 (Fonte: LIU et al. 2014)

Figura 113 - Curva de torque angular versus deslocamento angular em θ=0,5 (Fonte: LIU et al. 2014) Os resultados experimentais e numéricos são mostrados na Figura 114:

119 Figura 114 -Curvas de torque versus deslocamentos angulares para θ=3 no (a) primeiro ciclo (b) décimo

ciclo (Fonte: LIU et al. 2014)

Os resultados experimentais e numéricos se mostraram em boa concordância. Para explicar o processo de desgaste estudado, os autores citam o trabalho de (ZHOU & VINCENT, 2002), no qual se introduz a importância da camada branca no processo de fricção. “A camada branca é a origem dos detritos de desgaste, tendo efeito significativo na fricção e na vida ao desgaste dos materiais. A formação da camada branca dentro do fretting é causada, principalmente, por mecanismos de aquecimento por fricção e de deformações plásticas” (ZHOU et al, 2002). Como mostrado na Figura 116, a camada branca se localiza na superfície do corpo de contato. Isto significa que as deformações plásticas na superfície e as tensões cisalhantes possuem efeitos na formação da camada branca, ocorrendo trincas transversais entre a supramencionada camada e a camada de deformação plástica.

120 Figura 115- Curvas de torque versus deslocamentos angulares para θ=5 no (a) primeiro ciclo (b) décimo

ciclo (Fonte: LIU et al. 2014)

Figura 116 - Esboço da camada branca de fretting (Fonte: LIU et al. 2014)

A Figura 117 ilustra os diferentes contornos de deformação plástica para quatro diferentes deslocamentos angulares. Na Figura 117a, não há deformação plástica na superfície de contato, mas apenas uma pequena camada de deformação plástica a certa distância da mesma. Devido à dificuldade da formação da camada branca em fretting, não há, neste caso dano, ou ele é insignificante. Já na Figura 117b, a evolução da camada branca não ocorre por conta das pequenas deformações plásticas na superfície. A velocidade do desgaste mostra-se, portanto, baixa, para regimes mistos de deslizamento. Contudo, na subsuperfície, a deformação plástica não é negligenciável, logo, surgirão trincas entre a camada branca e a camada de deformação plástica. Assim, a taxa de crescimento da trinca local é maior do que a taxa de desgaste do material.

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Em relação à Figura 117c, as deformações plásticas mostram se relevantes tanto para a superfície como a subsuperfície. Assim, a formação e evolução da camada branca ocorrem, com as trincas formadas entre a camada branca e a subcamada de deformação plástica se conectando, acelerando o processo de delaminação do material. Sob tais circunstâncias, não ocorre propagação de trinca transversal.

Figura 117 – Deformações plásticas para diferentes regimes de deslizamento (a) parcial (b) misto (c) total (Fonte: LIU et al. 2014)

As distribuições de tensões de cisalhamento ao longo do raio de contato e as cicatrizes de desgastes sob os três tipos de regime de deslizamento, com θ= 0,1, 0,5 e 1,5 graus, respectivamente, são mostrados na Figura 118. Para o regime parcial, mostrado

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na Figura 118a, a tensão máxima de cisalhamento decorrente da fricção ocorre nas extremidades do contato, com valor aproximado de 60 MPa. Neste caso, conforme descrevem os autores, ocorre uma espécie de grude entre as duas camadas. Consequentemente, quase não há danos, os quais ocorrem apenas nas extremidades dos contatos. Já para o modo misto de deslizamento, ilustrado na Figura 118b, as superfícies de contato são dividas em uma parte de grude circular e uma de deslizamento anelar. A tensão máxima cisalhante por conta de fricção é grande na área de deslizamento, mas pequena ou inexistente na área de grude. Como consequência, os danos de superfície ocorrem apenas na área anelar. Já no regime de deslizamento bruto, ilustrado na Figura 118c, a tensão cisalhante decorrente da fricção aumenta evidentemente na zona de contato total, com o valor máximo ocorrendo no centro da área de contato. Ocorre facilmente a delaminação da camada branca por conta das ações das tensões cisalhantes e, portanto, há uma alta velocidade de desgaste da superfície.

Figura 118 - Tensão cisalhante friccional e marcas de desgaste (a) Deslizamento parcial (b) Deslizamento mixto (c) Deslizamento total (Fonte: LIU et al. 2014)

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A Figura 119 mostra como a falha ocorre tanto por conta do mecanismo de desgaste, como por conta do mecanismo de fadiga no regime misto. Enquanto este diminui de forma significativa com o aumento da amplitude de deslizamento, aquele aumenta devagar com tal aumento. Portanto, a iniciação e propagação do dano principal ocorrem no regime misto de deslizamento e, para calcular a propagação dos danos, os autores utilizaram o parâmetro de SWT.

Figura 119 -Típica relação entre vida à fadiga e taxa de desgaste em função da amplitude de deslizamento (Fonte: LIU et al. 2014)

Por fim, os autores puderam concluir que o trabalho teve boa concordância da evolução das curvas de torque de fricção para as análises numérica e experimental. As considerações da evolução dos coeficientes de fricção proposta, assim como as deformações obtidas pela análise numérica aparentam descrever bem o que realmente ocorre nos experimentos.

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