Previsão da região de ocorrência de trincas térmicas no processamento a laser de amostras de carbeto de silício

Abstract

O carbeto de silício (SiC) reúne elevada resistência térmica e mecânica, mas sua dureza e seu comportamento frágil dificultam a usinagem. Nesta tese, a análise por elementos finitos (FEA) foi empregada para obter campos transitórios de temperatura e tensões termoelásticas em amostras de SiC submetidas a uma fonte móvel de calor representativa do processamento a laser. O critério de Mohr-Coulomb foi aplicado a esses campos para localizar regiões e profundidades nas quais o estado de tensão alcança a condição de falha. Esses pontos foram interpretados como regiões críticas associadas à possível nucleação de trincas; o modelo não representa o evento físico de nucleação, o crescimento ou a propagação das trincas. Os resultados indicaram que a redução da velocidade de varredura elevou os gradientes térmicos e as tensões termoelásticas. A condição crítica ocorreu predominantemente na região central do spot, associada à combinação entre tensão de cisalhamento elevada e componente normal trativa, com profundidade estimada de aproximadamente 0,200 mm. Nas seções transversais experimentais, as trincas já formadas apresentaram profundidades de 0,1759 a 0,1940 mm. Essa comparação indica concordância aproximada entre a profundidade crítica prevista e as medições disponíveis. Os critérios de von Mises, Tresca e Rankine também foram avaliados, mas não localizaram de modo consistente a profundidade crítica nas condições estudadas. O procedimento proposto, limitado às condições analisadas, relaciona os parâmetros do processamento a laser às regiões do SiC nas quais o campo termoelástico se torna crítico.

Silicon carbide (SiC) combines high thermal and mechanical resistance, but its hardness and brittle behavior make machining difficult. In this thesis, finite element analysis (FEA) was used to obtain transient temperature fields and thermoelastic stresses in SiC specimens subjected to a moving heat source representative of laser processing. The Mohr-Coulomb criterion was applied to these fields to locate regions and depths at which the stress state reaches the failure condition. These points were interpreted as critical regions associated with possible crack nucleation; the model does not represent the physical nucleation event, crack growth, or crack propagation. The results showed that lower scan speeds increased thermal gradients and thermoelastic stresses. The critical condition occurred predominantly in the central region of the laser spot and was associated with high shear stress combined with a tensile normal component, at an estimated depth of approximately 0.200 mm. In the experimental cross-sections, the already formed cracks had depths from 0.1759 to 0.1940 mm. This comparison indicates approximate agreement between the predicted critical depth and the available measurements. The von Mises, Tresca, and Rankine criteria were also evaluated but did not consistently locate the critical depth under the conditions studied. Within these limits, the proposed procedure relates laser-processing parameters to the regions of SiC where the thermoelastic field becomes critical.