Caracterização experimental e numérica de campos de tensões residuais provocadas por processos de fabrico

Este trabalho teve como principal objectivo desenvolver técnicas para caracterizar campos de tensões residuais. Utilizando técnicas de relaxação baseadas no método do furo e técnicas ópticas para caracterizar deslocamentos no plano, foram desenvolvidas metodologias para obter as tensões residuais. Estudaram-se problemas envolvendo tensões uniformes em profundidade e tensões variáveis. Para ambos os casos desenvolveram-se métodos de calibração e de medida. Os resultados obtidos nas medições foram comparados com valores provenientes de outros grupos de investigação e resultantes de simulações numéricas realizadas pelo autor. A concordância verificada entre os resultados permite afirmar que as metodologias desenvolvidas constituem importantes ferramentas para a caracterização de tensões residuais. O facto de se tratar de medições de campo permite obter directamente as tensões de corte e desta forma caracterizar completamente o campo de tensões libertadas. A possibilidade de realizar furos a diferentes profundidades de forma contínua ou iterativa permite investigar a variação de tensões em profundidade e medir tensões em profundidades que normalmente estão fora do alcance de outras técnicas. No desenvolvimento desta dissertação o autor desenvolveu vários algoritmos e programas para utilização nesta técnica de medida. As técnicas de Moiré interferométrico ainda que não sejam novidade em termos internacionais foram aqui aplicadas de forma pioneira no nosso país. Para isso foi necessário desenvolver técnicas de gravação e replicação de redes bem como métodos de calibração e cálculo de tensões que, tanto quanto é do conhecimento do autor, apresentam alguma originalidade e inovação mesmo em termos internacionais. Durante a realização deste trabalho o autor estabeleceu colaboração com outros grupos de investigação, quer nacionais, quer estrangeiros. Com estas colaborações foi possível optimizar o processo de gravação de redes e desenvolver os métodos de calibração e cálculo de tensões. Finalmente deve referir-se a colaboração com o único grupo nacional com trabalho relevante na área de medição de tensões residuais. Com esta colaboração foi possível comparar os resultados obtidos neste trabalho com os resultantes da medição com técnicas convencionais; difracção de raios X e extensómetria, e verificar a qualidade das medições realizadas. No capítulo 1, faz-se uma introdução às tensões residuais, sua definição, como ocorrem, quais os problemas decorrentes das tensões residuais, em que situações é que podem ser vantajosas. Abordam-se, sucintamente, as técnicas de medição de tensões residuais convencionais, referindo-se também sobre a possibilidade de utilização de técnicas ópticas para a sua medição. O capítulo 2 é dedicado à descrição das principais técnicas de medição de tensões residuais, desde as técnicas destrutivas, às não destrutivas passando pelas semi-destrutivas. É, também, feita uma avaliação qualitativa das principais vantagens e desvantagens de cada uma delas. Neste capítulo faz-se, também, uma introdução a algumas técnicas ópticas utilizadas na medição de tensões residuais. A medição de campos de deslocamentos no plano com técnicas ópticas vem desenvolvida no capítulo 3. Neste capítulo descrevem-se, com algum pormenor, as técnicas ópticas mais utilizadas na medição de campos de deslocamentos no plano, como é o caso de Moiré, de ESPI (Electronic Speckle Pattern Interferometry) no plano, da correlação de imagem e de ESPI radial. Estão indicados os princípios de funcionamento de cada uma delas, as suas potencialidades e limitações, bem como a sua sensibilidade e resolução. O capítulo 4 é dedicado ao método do furo. Neste capítulo é explicado o fenómeno físico do relaxamento de tensões, são desenvolvidas todas as equações utilizadas no método do furo. Numa primeira parte do capítulo faz-se um desenvolvimento analítico para o furo passante baseado na solução de Kirsch e posteriormente faz-se um desenvolvimento a partir das séries de Fourier para aplicação do método aos furos cegos, que é a situação mais próxima da realidade. Também se aborda o problema da determinação dos parâmetros de calibração e desenvolvem-se as equações que relacionam os deslocamentos obtidos nas medições com as tensões residuais relaxadas. No capítulo 5 abordam-se as principais técnicas de preparação de superfícies. A preparação das superfícies tem uma importância primordial para uma medição eficiente com as técnicas ópticas. Assim, é feita a descrição da preparação das redes a serem usadas em Moiré geométrico, os procedimentos e dificuldades para obter-se a replicação duma rede de difracção eficiente para Moiré interferométrico. É, também, feito um estudo da preparação de superfícies para a correlação de imagem. O capítulo 6 foi definido para validar as técnicas ópticas para medição no plano. Assim, fizeram-se um conjunto de ensaios com Moiré geométrico e interferométrico, os resultados obtidos foram comparados com simulações numéricas e, em alguns casos, com outras técnicas de medição, nomeadamente com a extensómetria. Os resultados obtidos estiveram de acordo com o esperado e na comparação feita com os cálculos numéricos verificou-se que os valores obtidos se encontram muito próximos. Fez-se o mesmo tipo de análise para a correlação de imagem e, da comparação com os resultados numéricos, verificou-se que há boa semelhança entre os valores medidos com os valores determinados numericamente. No capítulo 7 descrevem-se as medições de tensões residuais executadas com as técnicas ópticas. Fizeram-se a medição de tensões residuais num provete de calibração utilizando o método do furo associado ao Moiré interferométrico e ESPI no plano, os resultados medidos estão próximos dos valores esperados. Um outro ensaio de medição de tensões residuais foi executado numa peça granalhada, utilizando a técnica do furo incremental com o método integral associada ao Moiré interferométrico. Os valores obtidos com estas medições foram comparados com outras técnicas convencionais de medição de tensões residuais e com uma simulação numérica, verificando-se que há uma concordância entre eles. As conclusões e propostas para futuros trabalhos na sequência desta dissertação estão apresentadas no capítulo 8