NUMERICAL AND EXPERIMENTAL ANALYSIS OF STRESS AND STRAIN CONCENTRATION IN PSEUDOELASTIC SHAPE MEMORY ALLOYS

Abstract

NUMERICAL AND EXPERIMENTAL ANALYSIS OF STRESS AND STRAIN CONCENTRATION IN PSEUDOELASTIC SHAPE MEMORY ALLOYS. Shape memory alloys (SMA) are materials that have a strong thermomechanical coupling associated with phase transformation processes. These alloys have special characteristics in terms of their stress-strain-temperature behavior, making them attractive for use in several applications of interest in engineering, such as actuators, intelligent structures and mechanical vibration absorbers. SMAs, when subjected to thermomechanical loads, present a complex non-linear behavior and require the use of specific tools and methodologies to assess their performance and integrity. The traditional design of mechanical components with complex geometries, involving geometric discontinuities such as notches and holes, has been treated through simplified mechanical design approaches involving stress concentration factors, both for monotonic and cyclic mechanical and/or thermal loadings. The presence of plastic strains increases the complexity of the analysis due to stress redistribution and non-linearities present, and mechanical design approaches involving elastoplastic stress concentration factors have also been used. Similarly, strains associated with the phase transformation process in shape memory alloys promote a stress field redistribution effect. This thesis aims to investigate, both experimentally and numerically, the stress concentration effect in pseudoelastic thin NiTi sheets, considering phase transformation and plasticity. Initially, the study includes training and heat treatment procedures established to stabilize and improve pseudoelastic behavior. Subsequently, Differential Scanning Calorimetry (DSC) analysis and standard ASTM E8 tensile tests are developed to characterize the pseudoelastic response and the coupling between stress-induced phase transformation and plastic deformation. In the next stage, thin NiTi plates containing holes of different diameters are tested to study the stress concentration effect. The strain fields around the holes are evaluated through the Digital Image Correlation (DIC) method, while temperature evolution is simultaneously monitored using infrared thermography, providing insight into the thermomechanical coupling mechanisms. A finite element numerical study is then developed and calibrated using the experimental data obtained from both the standard tensile specimens and the plates with holes. The results show good agreement between the simulations and experimental observations. Finally, a numerical study is performed to analyze stress and strain concentration under load levels considering different training and heat treatment conditions. DSC results revealed a clear dependence of phase transformation temperatures on heat treatment parameters. Mechanical tests showed that the energy dissipation associated with the stabilized hysteresis loop observed for cyclic loadings could be quantified, with the highest value (5.8 MJ/m³) observed under the 530 °C/10-minute heat treatment combined with a 6.5% training strain. The influence of training and stabilized stress–strain response on Kσ is also analyzed using a finite element model considering phase transformation and plasticity. Numerical results show that the 6.5% strain training condition presents lower Kσ values at the end of loading compared to the 10% strain training condition. The proposed methodology provides a promising framework for studying stress concentration effects in pseudoelastic SMAs, contributing to the design of SMA-based components and to the broader understanding of their coupled thermomechanical behavior.

ANÁLISE NUMÉRICA E EXPERIMENTAL DA CONCENTRAÇÃO DE TENSÃO EM LIGAS COM MEMÓRIA DE FORMA PSEUDOELÁSTICAS. Ligas com memória de forma (SMA – Shape Memory Alloys) são materiais que apresentam um forte acoplamento termomecânico associado a processos de transformação de fase. Essas ligas possuem características especiais em relação ao comportamento tensão-deformação-temperatura, o que as torna atrativas para diversas aplicações de interesse na engenharia, como atuadores, estruturas inteligentes e absorvedores de vibrações mecânicas. Quando submetidas a carregamentos termomecânicos, as SMAs apresentam um comportamento não linear complexo, exigindo o uso de ferramentas e metodologias específicas para avaliar seu desempenho e integridade. O projeto tradicional de componentes mecânicos com geometrias complexas, envolvendo descontinuidades geométricas como entalhes e furos, tem sido tratado por meio de abordagens simplificadas de projeto mecânico que consideram fatores de concentração de tensão, tanto para carregamentos mecânicos e/ou térmicos monotônicos ou cíclicos. A presença de deformações plásticas aumenta a complexidade da análise devido à redistribuição de tensões e às não linearidades envolvidas, e abordagens de projeto que envolvem fatores de concentração de tensão elastoplásticos também têm sido utilizadas. De forma semelhante, deformações associadas ao processo de transformação de fase em ligas com memória de forma promovem um efeito de redistribuição do campo de tensões. Esta tese tem como objetivo investigar, experimental e numericamente, o efeito da concentração de tensões em chapas finas pseudoelásticas de NiTi, considerando a transformação de fase e a plasticidade. Inicialmente, o estudo inclui procedimentos de treinamento e tratamento térmico estabelecidos para estabilizar e melhorar o comportamento pseudoelástico. Em seguida, análises de Calorimetria de Varredura Diferencial (DSC) e ensaios de tração padrão ASTM E8 são realizados para caracterizar a resposta pseudoelástica e o acoplamento entre transformação de fase induzida por tensão e deformação plástica. Na etapa seguinte, chapas finas de NiTi contendo furos de diferentes diâmetros são ensaiadas para estudar o efeito da concentração de tensões. Os campos de deformação ao redor dos furos são avaliados por meio do método de Correlação Digital de Imagens (DIC), enquanto a evolução da temperatura é monitorada simultaneamente com o uso de termografia infravermelha, fornecendo informações sobre os mecanismos de acoplamento termomecânico. Um estudo numérico por elementos finitos é então desenvolvido e calibrado com base nos dados experimentais obtidos tanto dos corpos de prova padrão quanto das chapas com furos. Os resultados mostram boa concordância entre as simulações e as observações experimentais. Por fim, é realizado um estudo numérico para analisar a concentração de tensões e deformações sob diferentes níveis de carregamento e condições de tratamento térmico. Os resultados de DSC revelaram uma clara dependência das temperaturas de transformação em relação aos parâmetros de tratamento térmico. Os ensaios mecânicos mostraram que a dissipação de energia associada ao ciclo de histerese estabilizado pôde ser quantificada, sendo o maior valor (5,8 MJ/m³) obtido para a condição de tratamento térmico a 530 °C por 10 minutos combinada com uma deformação de treinamento de 6,5%. A influência do treinamento mecânico e da resposta tensão–deformação estabilizada sobre o fator de concentração de tensões nominal Kσ também foi analisada. Os resultados indicam que, para a condição de treinamento com 6,5% de deformação, o caso que considera transformação de fase e plasticidade resulta em valores finais de Kσ inferiores aos observados para a condição de 10% de deformação. A metodologia proposta fornece uma estrutura promissora para o estudo dos efeitos de concentração de tensões em SMAs pseudoelásticos, contribuindo para o projeto de componentes baseados em SMA e para a compreensão mais ampla de seu comportamento termomecânico acoplado.