Análise numérica de tensões residuais em um monocristal metálico submetido à flexão

Abstract

A adaptação do método do furo para a medição de tensões residuais em microescala pode ser realizada com um microscópio eletrônico de varredura, equipado com uma coluna de feixe de íons focalizado via micro usinagem (MEV-FIB). Contudo tal técnica é inovadora e pouco explorada na literatura. Logo, este trabalho objetiva avaliar, complementarmente, via modelagem numérica, testes experimentais para obtenção das tensões residuais. A análise numérica de monocristal metálico, cúbico de face centrada, por modelagem de plasticidade cristalina foi conduzida com utilização de rotina de usuário em software de elemento finitos. Inicialmente, para calibração do modelo, foi analisado material isotrópico elástico perfeitamente plástico, sendo este submetido à flexão. Após a obtenção de resultados convergentes e satisfatórios, a plasticidade cristalina foi incorporada. Sequencialmente, a análise da influência da rede cristalina no monocristal foi conduzida através de sua rotação em sete diferentes orientações. Os resultados evidenciaram diferentes gradientes de tensão ao longo da altura do monocristal em cada orientação cristalina. Estas evidências demostram os diferentes níveis de tensão necessários para ativar os sistemas de deslizamentos em cada orientação. Finalmente, o trabalho apresenta a importância de posicionar a rede cristalina para realização dos testes experimentais, visto a sensibilidade da variação das tensões residuais em relação à orientação.

The adaptation of the hole drilling method on the measurement of micro-scale residual stress can be done using a scanning electron microscope equipped with a focused ion beam by micro-machining (SEM-FIB). However, such technique is innovative and not yet explored deeply in the literature. This paper seeks to evaluate, using numerical modelling, experimental tests used due to obtain micro-scale residual stresses. The numerical analysis of the face-centered cubic single crystal metal was conducted using a user-material subroutine in a finite element software, applying a crystalline plasticity model. Initially, for model calibration purpose, a perfectly plastic isotropic material subjected to bending was evaluated. Later, obtaining converging and satisfactory results, the crystalline plasticity was incorporated. Then, it was conducted the analysis of the crystalline structure influence in the single crystal via its rotation in six different orientations. The results show different stress gradients along the single crystal height for each crystalline orientation, which demonstrates the different stress levels necessary to activate the slip systems in each orientation. Finally, the paper displays the importance of the correct positioning of the crystalline structure for experimental tests execution, due to the sensibility of the residual stress in respect to its orientation.