Estudo experimental e numérico sobre a redistribuição de tensões residuais devida à remoção de camadas de material por polimento electrolítico

Abstract

A simulação numérica de processos físicos com base no método dos elementos finitos assume hoje um papel preponderante nas áreas tecnológicas. Assim sendo, depara-se com uma nova abordagem na resolução de problemas, especialmente quando estes apresentam alguma complexidade. Este tipo de abordagem numérica vem então colmatar a dificuldade inerente ao desenvolvimento de soluções analíticas. Por outro lado, conhecendo a importância das tensões residuais e o efeito da sua presença nos componentes, levando a falhas prematuras ou ao aumento do seu tempo de vida útil, torna-se de extrema importância a sua consideração na fase de projecto. Associando a sua importância à viabilidade económica da sua determinação, o método da difracção de raios X é um dos métodos mais utilizados na determinação de tensões residuais, mas a análise em profundidade obriga à remoção sucessiva de camadas de material, devido à fraca penetração dos raios X nos materiais. Mas devido à redistribuição de tensões residuais que ocorre durante a remoção de camadas, os valores determinados por difracção de raios X não serão iguais aos existentes antes da remoção do material, sendo necessário corrigir os valores obtidos experimentalmente para obter o perfil inicial. Com este trabalho pretendeu-se colmatar a dificuldade associada à determinação das tensões residuais em profundidade utilizando esta combinação de métodos com uma das ferramentas mais importantes e eficientes que existem actualmente, o método dos elementos finitos. Assim, foram implementados dois métodos de correcção da redistribuição de tensões residuais devida à remoção de camadas e desenvolveu-se um novo método no sentido da produção de conhecimento. Quanto à implementação dos métodos verificou-se que a variação dos resultados obtidos entre cada um deles não era significativa nos casos de estudo no entanto todos apresentaram bons resultados. A validação dos modelos desenvolvidos foi efectuada por duas vias, a via numérica e a via analítica.

Numerical simulation of physical processes based on the finite element method has assumed a leading role in technological areas. Thus, we now face a new approach at problem solving, especially when those problems have some complexity. This type of numerical approach fills the difficulty inherent to the development of analytical solutions. On the other hand, knowing the importance of the residual stresses and the effect of their presence in the components, leading to premature failure or increase its useful life, it is of utmost importance for its consideration at the design stage. Associating its importance to the economic viability of its determination, the method of X-ray diffraction is one of the most used methods to determine residual stresses, but the in-depth analysis requires the removal of successive layers of material, due to poor penetration of the X-rays in materials. But due to redistribution of residual stresses, which occur during the removal of layers, the values determined by X-ray diffraction are not equal to those which existed before the material removal so it becomes necessary to correct the values obtained experimentally. This work aims to address the difficulties associated with the determination of residual stresses in depth using this combination of methods with one of the most important and effective tool that currently exist, the finite element method. Thus, two methods were implemented to correct the residual stress redistribution due to the removal of layers and a new method was developed. As to the implementation of the methods, it was found that the variation in the results obtained from each case was not significant in any study and all showed good results. The validation of the developed models was carried out in two ways, numerically and analytically.