Erosão por impacto de partículas – Caracterização e simulação da ocorrência de Bandas de Cisalhamento Adiabático (ASB) em aço inoxidável duplex UNS S32205

Erosão por impacto de partículas – Caracterização e simulação da ocorrência de...

(Parte 1 de 5)

Universidade do Estado do Rio de Janeiro

Centro de Tecnologia e Ciências Faculdade de Engenharia

Maria Augusta Minguta de Oliveira

Erosão por impacto de partículas – Caracterização e simulação da ocorrência de Bandas de Cisalhamento Adiabático (ASB) em aço inoxidável duplex UNS S32205

Rio de Janeiro 2017

Maria Augusta Minguta de Oliveira

Erosão por impacto de partículas – Caracterização e simulação da ocorrência de Bandas de Cisalhamento Adiabático (ASB) em aço inoxidável duplex UNS S32205

Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do título de Mestre, ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, da Universidade do Estado do Rio de Janeiro. Área de concentração: Mecânica dos Sólidos.

Orientador: Antonio Marinho Junior

Rio de Janeiro 2017

Autorizo, apenas para fins acadêmicos e científicos, a reprodução total ou parcial desta tese, desde que citada a fonte.

Assinatura Data

O48 Oliveira, Maria Augusta Minguta de.

Erosão por impacto de partículas – Caracterização e simulação da ocorrência de Cisalhamento Adiabático (ASB) em aço inoxidável duplex UNS S32205 / Maria Augusta Minguta da Oliveira. – 2017. 111f.

Orientador: Antonio Marinho Junior. Dissertação (Mestrado) – Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Faculdade de Engenharia.

1. Engenharia Mecânica - Teses. 2. Metais - Erosão - Teses. 3. Aço inoxidável - Teses. 4. Cisalhamento - Teses. I. Marinho Junior, Antonio. I. Universidade do Estado do Rio de Janeiro. II. Título.

Maria Augusta Minguta de Oliveira

Erosão por impacto de partículas – Caracterização e simulação da ocorrência de Bandas de Cisalhamento Adiabático (ASB) em aço inoxidável duplex UNS S32205

Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do título de Mestre, ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, da Universidade do Estado do Rio de Janeiro. Área de concentração: Mecânica dos Sólidos.

Rio de Janeiro 2017

DEDICATÓRIA Dedico esta dissertação à minha família pelo apoio, compreensão e incentivo.

À Deus pela minha família e saúde. Ao meu orientador, professor Antonio Marinho Junior, pelos conhecimentos transmitidos e orientação.

Aos professores da Faculdade de Engenharia e do curso de Pós-Graduação em

Engenharia Mecânica da Universidade do Estado do Rio de Janeiro pela formação. Em especial, ao professor DSc. José Brant Campos pela disponibilização do uso de laboratório no exterior. E ao professor DSc. Luciano Rodrigues Ornelas De Lima pela disponibilização do software de simulação.

A TESCAN pelo uso de microscopia eletrônica de varredura com recursos de FIB. Ao Instituto Nacional de Tecnologia (INT) pelo uso de microscopia óptica. Aos amigos Jorge Arturo Hinostroza Medina e Alejandro Andueza pela ajuda ao longo da execução dessa pesquisa. À FAPERJ pela bolsa de pesquisa de mestrado.

MINGUTA, Maria Augusta. Erosão por impacto de partículas – Caracterização e simulação da ocorrência de Bandas de Cisalhamento Adiabático (ASB) em aço inoxidável duplex UNS S32205. 2017. 111f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Faculdade de Engenharia, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2017.

O presente trabalho descreve simulações numéricas de erosão de superfícies de um aço inoxidável duplex UNS S32205 por impacto de partículas. Em experimentos buscou-se, pelo uso de imagens de MEV, identificar e caracterizar, nas subsuperfícies das crateras formadas no material-alvo, Bandas de Cisalhamento Adiabático (ASB), decorrentes dos processos de compressão dinâmica envolvidos nos impactos. As bandas podem contribuir na nucleação de trincas e à consequente fratura do material ao longo da mesma, levando a separação do material nas bordas de deformação plástica das crateras, o que significaria perda de massa, ou seja, erosão. Nas simulações numéricas buscou-se, por meio da análise das distribuições de tensões, deformações plásticas e temperaturas registradas, determinar as condições sob as quais essas bandas se formam. Num primeiro momento, foram simulados, no software de elementos finitos, os desgastes erosivos com partículas esféricas, cúbicas e poliédricas, para estudo da morforlogia da superfície erodida e, em seguida, foram simuladas as condições de ocorrência da ASB em geometrias específicas. Estas foram desenvolvidas em condições as mais próximas possíveis das dos experimentos. As simulações mostraram que o software utilizado foi eficaz na reprodução da morfologia das superfícies erodidas e na identificação das condições de aparecimento das ASBs.

Palavras-chave: ASB; Aço duplex UNS S32205; Erosão; Simulação numérica.

MINGUTA, Maria Augusta. Erosion by solid particle impact - Characterisation and simulation of the occurrence of Adiabatic Shear Bands (ASB) in duplex stainless steel UNS S32205. 2017. 111f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Faculdade de Engenharia, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2017.

The present work describes numerical simulations of surface erosion of a UNS S32205 duplex stainless steel by impact particles. In experiments, the SEM images were used to identify and characterize, in the sub-surfaces of craters formed in the target material, Adiabatic Shear Bands (ASB), resulting from the dynamic compression processes involved in the impacts. The bands may contribute to crack nucleation and consequent fracture of the material along the band, leading to the separation of the material at the plastic deformation edges of the craters, which would mean mass loss (erosion). In the numerical simulations, the conditions under which these bands were formed were determined by means of the analysis of the stress distributions, plastic deformations and recorded temperatures. Firstly, erosive erosion with spherical, cubic and polyhedral particles was simulated in the finite element software to study the morphology of the eroded surface, and then the conditions of ASB occurrence in specific geometries were simulated. These were developed in conditions as close as possible to those of the experiments. The simulations showed that the software used was effective in reproducing the morphology of the eroded surfaces and in the identification of the conditions of appearance of the ASBs.

Keywords: ASB; UNS S32205 duplex steel; Erosion; Numerical simulation.

Figura 1 – Desgaste por erosão por impacto de partículas19
Figura 2 – Imagens por MEV de partículas erodentes20
material dúctil24
Figura 4 – Modelo de corte29
impacto oblíquo de29
Figura 6 – Bandas de cisalhamento em cilindros submetidos a compressão dinâmica31
Figura 7 – Exemplos de ASB32
3

LISTA DE FIGURAS Figura 3 – Diagrama ilustrando contato de uma partícula esférica com a superfície de um Figura 5 – Desenho esquemático de uma seção transversal que apresenta cratera gerada por Figura 8 – ASB numa liga Al 2014-T6, formado na quina de uma cratera de impacto balístico.

)35

Figura 9 – Gráfico taxa de deformação x temperatura homóloga (T/Tm

de cisalhamento36
Figura 1 – Vazios em ABSs36
(“intersticial free”)36

Figura 10 – Modelo microestrutural de iniciação e propagação de trinca dentro de uma banda Figura 12 – Micrografia da banda de cisalhamento adiabático induzida num aço IF

(0,6% C), atingido por37
Figura 14 – Evidências de ASB37
Figura 15 – Discretização39
Figura 16 – Elementos com integração reduzida e elementos com integração completa39
Figura 17 – Elementos de 1ª ordem e elementos de 2ª ordem40
Figura 18 – Exemplos de famílias de elementos40
Figura 19 – Placa trapezoidal42
Figura 20 – Retângulo 2D43
Figura 21 – Cilindro sujeito a impacto a 90º4
Figura 2 – Placa sujeita a cisalhamento puro. Distribuição de deformação4
Figura 23 – Gráfico ln 𝝈𝒗 x ln 𝜺𝒗47
Figura 24 – Curva tensão-deformação48

Figura 13 – Vista em corte de uma lasca na saída de uma cratera na superfície de um aço Figura 25 – Micrografia óptica de uma das amostras, obtida no INT. ..................................... 53

a variação de54
Figura 27 – Corpos de prova embutidas em resina acrílica5
Figura 28 – Equipamento e montagem5
Figura 29 – Preparo das regiões subsuperficiais de uma cratera para exame por MEV57
Figura 30 – Amostra erodida por 5 s57
esféricas a 30º61

Figura 26 – Aspecto geral das partículas de alumina utilizadas, mostrando o caráter angular e Figura 31 – Montagem usada na simulação da morfologia da cratera de erosão com partículas

cúbicas a 30º61
Figura 3 – Dimensões da partícula poliédrica (~ 150 µm)62
com partículas62

Figura 32 – Montagem usada na simulação da morfologia da cratera de erosão com partículas Figura 34 – Desenho esquemático da montagem usada na simulação da morfologia da erosão

partículas esféricas64

Figura 35 – Tamanho dos elementos da malha na simulação da morfologia da erosão com

partículas cúbicas64

Figura 36 – Tamanho dos elementos da malha na simulação da morfologia da erosão com

ensaio de6
Figura 38 – Malha na simulação da ocorrência da ASB - Caso A67
Figura 39 – Dimensões do cilindro utilizado na simulação67
Figura 40 – Malha na simulação da ocorrência da ASB - Caso B68
Figura 41 - Amostra polida69
Figura 42 – Micrografia de MEV de uma amostra erodida por 3 s70
Figura 43 – Cratera com trinca71
Figura 4 – Amostra erodida por 5 s71
Figura 45 – Amostra erodida por 5 s. Corte transversal da cratera mostrada na Figura 473
Figura 46 – Imagem de MEV de uma amostra erodida por 20 s73
Figura 47 – Tensões equivalentes (S - von Mises) [ MPa ]75
Figura 48 – Identificação dos elementos76
Figura 49 – Gráficos de (tensão) x (tempo) e gráfico de (redução da rigidez) x (tempo)76
cisalhamento (SHRCRT)7

Figura 37 – Desenhos em cortes transversais, da montagem e do corpo de prova tubular de Figura 50 – Gráficos dos índices de critérios de dano de Johnson e Cook (JCCRT) e de Figura 51 – Gráficos da variação de temperatura. .................................................................... 78

Figura 53 – Tensões equivalentes (S - von Mises) [ MPa ]79
Figura 54 – Localização dos elementos em discussão em relação aos impactos80
Figura 5 – Gráficos (tensão) x (tempo) e (tensão) x (deformação)80
cisalhamento (SHRCRT)81
Figura 57 – Deformações plásticas equivalentes (PEEQ)82
(tempo)83
Figura 59 – Tensões equivalentes (S - von Mises) [MPa]84
Figura 60 – Localização dos elementos85
(deformação)85
Figura 62 – Critérios de dano de Johnson e Cook (JCCRT) e de cisalhamento (SHRCRT)86
Figura 63 – Gráficos da variação de temperatura e redução da rigidez (SDEG)87
Figura 64 – Deformações plásticas equivalentes (PEEQ)8
90
Figura 6 – Caso A: Gráficos de 3 elementos da geometria do material-alvo91
Figura 67 – Detalhe da distribuição de tensões de cisalhamento ao longo da cratera92
tensões de93

Figura 52 – Deformações plásticas equivalentes (PEEQ). ....................................................... 78 Figura 56 – Gráficos índice de critérios de dano de Johnson e Cook (JCCRT) e de Figura 58 – Gráficos (variação de temperatura) x (tempo) e (índice de redução da rigidez) x Figura 61 – Gráficos da (tensão de von Mises) x (tempo) e (tensão de von Mises) x Figura 65 – Caso A: Imagens de simulação e experimental de ensaio de compressão dinâmico. Figura 68 – Caso B: (a) Distribuição das tensões de von Mises [MPa] (b) Distribuição das

(deformação)94

Figura 69 – Gráficos (tensão de von Mises) x (deformação) e (variação de temperatura) x

(deformação)95
Figura 71 – Comparação morfológica: simulação x experimento96
Figura 72 – Comparação morfológica: simulação x experimento97
Figura 73 – Corpos de prova de tração aço AISI 4340109
Figura 74 – (Deformação na fratura) x (Estado triaxial de tensões)109
Figura 75 – Deformação cisalhante na fratura x taxa de deformação110
Tabela 1 – Propriedades físicas de partículas erodentes21
Tabela 2 – Composições químicas (% em massa) de aços inoxidável duplex26
Tabela 3 – Composição química da amostra de aço inox duplex UNS S3220552
Tabela 4 – Propriedades mecânicas da amostra de aço inox duplex UNS S3220553
Tabela 5 – Propriedades do material-alvo59
Tabela 6 – Parâmetros do modelo de plasticidade de Johnson e Cook59
Tabela 7 - Parâmetros do critério de dano de Johnson e Cook59
Tabela 8 - Parâmetros de entrada para o critério de cisalhamento59
Tabela 9 -Tabela resumo das análises de simulação da morfologia da superfície erodida64
Tabela 10 – Cratera resultante após 3 impactos8
BSE(“Backscattering Electrons”) - Elétrons retroespalhados

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas AISI American Iron and Steel Institute ALCOA Aluminum Company of America ASB (“Adiabatic Shear Band”) – Banda de cisalhamento adiabático ASM American Society for Metals ASTM American Society for Testing and Materials BSSA British Stainless Steel Association FAPERJ Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro FEN Faculdade de Engenharia HV Dureza Vickers INT Instituto Nacional de Tecnologia JCCRT Índice de dano de Johnson e Cook MEF Método dos Elementos Finitos MEV Microscopia Eletrônica de Varredura MET Microscopia Eletrônica de Transmissão MFA (“Atomic Force Microscopy”) - Microscopia de Força Atômica MIT Massachusetts Institute of Technology NAS North American Stainless PPG-EM Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica PREN (“Pitting Resistance Equivalent Number”) SDEG Índice de redução da rigidez SHRCRT Índice de dano por cisalhamento UERJ Universidade do Estado do Rio de Janeiro UNS Unified Numbering System for Metals and Alloys kg Quilograma m Metro

A Área [pixel2 ], cálculo do fator de forma p Perímetro projetado da partícula erodente m Milímetro

௥ Taxa de Erosão

Vd Volume removido

N c Número de impactos

௧ Densidade do material-alvo

R Raio da partícula incidente

௣ Densidade da partícula

S Fator de forma da partícula n Expoente da velocidade da partícula α Ângulo de impacto s Segundos MPa Mega Pascal K Coeficiente de resistência à deformação K Temperatura Kelvin n Coeficiente de encruamento

Tensão normal σ Tensão equivalente de Johnson de Cook

Tensão de escoamento inicial

B Constante plástica de resistência

Deformação plástica

C Coeficiente de sensibilidade à taxa de deformação

Taxa de deformação plástica equivalente

Taxa de deformação plástica de referência

T Temperatura do corpo

௥ Temperatura de referência

௠ Temperatura de fusão do material

Coeficiente de amolecimento

Constantes de dano do material

௩ Tensão verdadeira

௩ Deformação verdadeira

௔௠௕ Tensão para uma determinada taxa de deformação plástica à temperatura ambiente T Temperatura

௣௟ Deformação plástica na falha

Taxa de deformação η Triaxialidade p Pressão hidrostática q Tensão equivalente de von Mises

D JC Índice interno de dano de Johnson e Cook

Ks Propriedade do material (0,3 para aços)

ௌ Razão de tensão de cisalhamento

PEEQ Deformação plástica equivalente

௣௟ Deformação plástica equivalente no critério de cisalhamento

௣௟ Lei de evolução do dano em termos de deslocamento

ത Tensão no material na ausência de dano

Tensão de escoamento

௣௟ Deformação plástica equivalente no início do dano

Dano global do software

E Módulo de elasticidade

Cp Calor específico ρ Densidade

Fração de deformação plástica convertida em calor

∆ Variação de temperatura

HRC Dureza Rockwell HP Potência (cavalo vapor)

INTRODUÇÃO16
1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA18
1.1 Erosão18
1.1.1Erosão de materiais metálicos por impactos de partículas sólidas ........................... 19
1.1.2 Partículas erosivas20
1.1.3 Taxas de erosão21
1.1.4 Parâmetros que influenciam o processo de erosão2
1.1.5 Erosão de materiais metálicos dúcteis24
1.1.6 Modelos de erosão por partículas sólidas28
1.2 Bandas de cisalhamento30
1.2.1 Comportamento dinâmico dos materiais30
1.2.2 Bandas de cisalhamento adiabático31
1.2.3 Aspectos metalúrgicos34
1.2.4 Formação de trincas na ASB35
1.3 Análise numérica38
1.3.1 Método dos elementos finitos e o software Abaqus38
1.3.2 Modelagem de erosão por impacto de partículas41
1.3.3 Modelagem computacional das ASBs42
1.3.4 Modelo constitutivo do material - Formulação de Johnson e Cook4
1.3.5 Critérios de iniciação e lei de evolução de dano para fratura de materiais dúcteis47
1.3.5.1 Critério de Johnson e Cook49
1.3.5.2 Critério de cisalhamento50
1.3.6 Análise adiabática50
2MATERIAIS E MÉTODOS ...................................................................................... 52
2.1 Planejamento da pesquisa52
2.2 Experimental52
2.2.1 Material-alvo52
2.2.2 Partículas erodentes53
2.2.3 Obtenção da erosão superficial54
2.2.4 Obtenção das seções transversais56
2.3.1.2 Contato59
2.3.1.3 Malha60
2.3.2 Simulação da erosão superficial60
2.3.2.1 Geometrias60
2.3.2.2 Material62
2.3.2.3 Condições de contorno63
2.3.2.4 Velocidade63
2.3.2.5 Malha63
2.3.3 Simulação da ocorrência de ASB - Condições gerais65
2.3.3.1 Simulação da ocorrência de ASB – Validação da metodologia (Caso A)65
2.3.3.2 Simulação da ocorrência de ASB – Caso B67
3RESULTADOS E DISCUSSÃO ............................................................................ 69
3.1 Caracterizações superficial e subsuperficial69
3.1.1 Aspectos superficiais69
3.1.2 Aspectos subsuperficiais72
3.1.3 Comentários adicionais74
3.2 Simulações numéricas74
3.2.1 Simulação da morfologia superficial74
3.2.1.1 Impactos de partículas esféricas74
3.2.1.2 Impactos de partículas cúbicas79
3.2.1.3 Impactos de partículas poliédricas83
3.2.2 Simulação da ocorrência da ASB89
3.2.2.1 Simulação da ocorrência da ASB – Validação da metodologia (Caso A)89
3.2.2.2 Simulação da ocorrência da ASB – Caso B92
3.2.3Comentários adicionais.............................................................................................. 95
4CONCLUSÕES E SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS ....................... 98
4.1 Conclusões98
4.2 Sugestões para trabalhos futuros9
REFERÊNCIAS100

Devido às perdas econômicas decorrentes da deterioração de materiais de engenharia em serviço, os estudos no campo da tribologia, que envolvem atrito, desgaste e lubrificação, vêm merecendo cada vez mais atenção dos pesquisadores das áreas de mecânica e de materiais. O desgaste de superfícies metálicas erodidas pelo impacto de partículas duras, por exemplo, é um tema que ainda oferece oportunidades de pesquisas. Isto se observa especialmente no caso do desgaste de materiais dúcteis, não só no que se refere à morfologia superficial quanto aos mecanismos que podem explicar os fenômenos relacionados as perdas de massa que caracterizam a erosão.

Vários modelos já foram formulados para retratar o comportamento de superfícies de materiais metálicos, impactados por partículas duras conduzidas por fluidos. Para materiais dúcteis, um dos primeiros modelos considerava o efeito de corte produzido pela partícula, semelhante ao de processos de usinagem. Mas isto seria particularmente verdadeiro apenas para impactos com baixos ângulos de incidência. Por outro lado, há modelos que se aplicam especialmente a materiais dúcteis e que consideram que a remoção de massa que caracteriza a erosão se inicia com uma deformação plástica, seguida de encruamento e remoção do material por cisalhamento localizado em impactos sucessivos [SHEWMON, 1983].

Um mecanismo sugerido para o destacamento final desses fragmentos baseia-se em estudos de compressão dinâmica localizada, situação encontrada em eventos balísticos e em processos de fabricação de alta energia. Na subsuperfície das áreas de impacto ocorrem transformações estruturais, com a possibilidade de formação das chamadas Bandas de Cisalhamento Adiabático (“Adiabatic Shear Band” - ASB), que são regiões alongadas e estreitas, com propriedades mecânicas diferentes das do corpo do material [WRIGHT, 2002]. A presença e a coalescência de vazios nessas bandas dariam origem a trincas, ao longo das mesmas, e, consequentemente, a fraturas. Esse é um dos mecanismos mais aceitos para explicar a perda de massa.

O comportamento de um material quanto ao desgaste erosivo depende de muitas variáveis, ligadas não só às condições a que ele está submetido, mas também às características dos materiais erodentes e do alvo. Assim, materiais de engenharia, tanto os tradicionais quanto os novos, usados em máquinas, equipamentos e estruturas, têm sido estudados quanto à sua resistência à erosão.

No entanto, embora bastante examinados no que se refere a suas propriedades mecânicas e, principalmente, à sua resistência à corrosão, superior à dos aços inoxidáveis comuns, os aços inoxidáveis bifásicos, ou duplex, têm sido pouco estudados quanto ao seu comportamento à erosão. Tendo em vista o seu crescente uso industrial em estruturas ao ar livre, ou submersas, aços duplex como o UNS S32205 têm sido amplamente comercializados.

Numa tentativa de contribuir para o estudo do comportamento desse tipo de aço, experimentos preliminares de erosão por impacto de partículas foram realizados em várias condições pelo grupo de pesquisa em tribologia no PPG-EM/UERJ [LUCENA e MOLTER, 2014] [SANTOS, 2014], e permitiram detectar, por meio de microscopia eletrônica de varredura, entre diversos aspectos morfológicos, indícios de ocorrência de bandas de cisalhamento adiabático em crateras de erosão. Entretanto, tais experimentos podem ser custosos e demorados. O uso do método de elementos finitos permite modelar a erosão, levando a uma economia de tempo e dinheiro.

Assim, em prosseguimento a esse trabalho, a presente pesquisa teve como objetivo principal a caracterização dessas bandas tanto experimentalmente quanto numa modelagem numérica das condições de sua ocorrência, visando um melhor conhecimento do material neste particular. Nos experimentos, a erosão superficial do material em estudo foi obtida por meio de impactos de partículas de alumina imersas em fluxo de ar. Na modelagem, foram utilizados parâmetros similares aos estabelecidos nos experimentos. Assim, numa superfície plana de um material com características próximas às do aço inoxidável duplex UNS S32205, simulou-se uma erosão obtida por impactos individuais e sucessivos de partículas rígidas, utilizando-se software comercial de elementos finitos. Os resultados da simulação foram então confrontados com resultados experimentais para validação.

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