Tesis sobre el tema "Taxa de deformação"

Este estudo apresenta uma tentativa para investigação do efeito que a sensibilidade à taxa de deformação do material poderia provocar no modo de falha do ponto de solda. É sabido que alguns materiais quando deformados dinamicamente sofrem elevação na sua resistência mecânica, e portanto este aumento poderia afetar o comportamento, ou seja, o modo de falha da junta. Os modos de falha esperados neste estudo são o de cisalhamento do ponto na interface ou o arrancamento do ponto na região da zona termicamente afetada. Uma formulação analítica para as tensões atuantes devido à solicitação dinâmica no ponto foi proposta com base em estudos existente para juntas solicitadas estaticamente. Propôs-se uma forma de quantificar a taxa de deformação, que foi incorporada à formulação da tensão dinâmica atuante na região da junta. Em conjunto à formulação analítica, um modelo de elementos finitos foi desenvolvido e diversas condições de carregamento e geometrias foram analisadas e posteriormente comparadas com os resultados analíticos. Como resultado principal verificou-se que, para a estimativa adotada para a taxa de deformação de material, o modo de falha da junta não se altera quando comparado com o modo de falha presente na junta solicitada a carregamento estático. E que para as formulações estimadas e modelos investigados a falha teria uma tendência a ocorrer na região da zona termicamente afetada para qualquer dos casos de carregamento analisados.
This study presents an attempt to probe the effect that some materials strain rate sensitivity could set in the failure mode of the spot weld joint. It is well known that some materials when dynamically loaded and deformed have its mechanical strength increased and therefore this strength increase could affect the joint failure behavior. The failure modes taken in account in this study are the shear of the spot weld in the interface region and the pull-out of the spot weld in the heat affected zone. An analytical formulation to the acting stress in the spot weld region owing to the dynamic loading has been proposed based on studies performed to the statically loaded spot weld joint. Moreover, an analytical formulation has been proposed to quantify the strain rate, and it has been incorporated in the dynamic stress formulation. A finite element model has been also built. Several geometrical configurations of this model have been analyzed under several velocity loading conditions, and their results have been compared with the analytical considerations. As the main result, it has been verified, to the estimated strain rate formulation, the failure mode in the dynamic loading condition has not effectively changed in comparison with the statically loaded joint failure. And according to the formulation considered and the finite elements models results the failure would tend to happen in the heat affected zone to any of the loading cases taken in account in this study.

Orientadores: Sergio Tonini Button, Mauro Moraes de Souza
Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica
Made available in DSpace on 2018-08-11T13:19:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 SouzaFilho_Valterde_M.pdf: 4133313 bytes, checksum: a0db5181ce553fa4a0c17b20db4a876b (MD5) Previous issue date: 2008
Resumo: A conformação a quente, especificamente em prensa horizontal, é um tema de pouco estudo no meio acadêmico, mas interessante pelo emprego da alta taxa de deformação que alcança 90s-1. A microestrutura resultante desse processo é influenciada por algumas variáveis como temperatura, taxa de deformação, tamanho de grão austenítico inicial e taxa de resfriamento. A proposta deste trabalho é prever o comportamento da microestrutura dos aços perante essa alta taxa de deformação com a utilização da simulação numérica. Para tanto, os materiais DIN 20NiCrMo8 MOD e DIN 16MnCr5 MOD foram ensaiados nessa taxa de deformação em um processo de conformação industrial. A comparação do tamanho de grão austenítico obtido da conformação industrial com o tamanho de grão austenítico obtido através da simulação numérica é demonstrada. A influência da taxa de resfriamento sobre a microestrutura para cada material também foi demonstrada. Concluiu-se que a previsão do tamanho de grão austenítico é adequada utilizando-se o software comercial MSC.Superform acrescido do cálculo para crescimento de grãos. A previsão do comportamento mecânico após o processo de conformação utilizando-se de equações da literatura foi insatisfatória, porém pode-se demonstrar a influência da variação da taxa de resfriamento na microestrutura das peças conformada a quente
Abstract: A conformação a quente, especificamente em prensa horizontal, é um tema de pouco estudo no meio acadêmico, mas interessante pelo emprego da alta taxa de deformação que alcança 90s-1. A microestrutura resultante desse processo é influenciada por algumas variáveis como temperatura, taxa de deformação, tamanho de grão austenítico inicial e taxa de resfriamento. A proposta deste trabalho é prever o comportamento da microestrutura dos aços perante essa alta taxa de deformação com a utilização da simulação numérica. Para tanto, os materiais DIN 20NiCrMo8 MOD e DIN 16MnCr5 MOD foram ensaiados nessa taxa de deformação em um processo de conformação industrial. A comparação do tamanho de grão austenítico obtido da conformação industrial com o tamanho de grão austenítico obtido através da simulação numérica é demonstrada. A influência da taxa de resfriamento sobre a microestrutura para cada material também foi demonstrada. Concluiu-se que a previsão do tamanho de grão austenítico é adequada utilizando-se o software comercial MSC.Superform acrescido do cálculo para crescimento de grãos. A previsão do comportamento mecânico após o processo de conformação utilizando-se de equações da literatura foi insatisfatória, porém pode-se demonstrar a influência da variação da taxa de resfriamento na microestrutura das peças conformada a quente
Mestrado
Materiais e Processos de Fabricação
Mestre em Engenharia Mecânica

Submitted by Fatima Fonseca (fatima.fonseca@sibi.ufrj.br) on 2018-05-08T14:20:33Z No. of bitstreams: 1 170278.pdf: 8560700 bytes, checksum: 37e2b41385a3e338bd51947974e54443 (MD5)
Made available in DSpace on 2018-05-08T14:20:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 170278.pdf: 8560700 bytes, checksum: 37e2b41385a3e338bd51947974e54443 (MD5) Previous issue date: 1989-08
Inicialmente, apresenta-se neste trabalho uma revisão bibliográfica de temas relativos a procedimentos utilizados no ensaio de adensamento edométrico convencional. Comparam-se, também, os resultados deste tipo de experimento com os advindos dos ensaios realizados no aparelho TRICON. A seguir, são revistos os ensaios com carregamento continuamente crescente com o tempo, dando-se especial relevo ao caso em que a taxa de deformação específica relacionada ao tempo é mantida constante. Faz-se, ainda, uma descrição do equipamento, do sistema automático de aquisição e processamento de dados e do procedimento de que se valeu para executar os ensaios de adensamento com taxa constante de deformação específica relacionada ao tempo. Ressalta-se, em particular, o método proposto para a determinação da velocidade de ensaio. Finalmente, cotejam-se os resultados destes experimentos com os dos convencionais.
This work initiates with a review of some important issues related to oedometer consolidation test procedures. In addition, a comparison of conventional test with TRICON consolidation tests is also presented. Monotonic increasing with time loading consolidation tests are subsequently reviewed with especial attention to the type whose rate of strain remains constant. Equipment, automated data acquisition system and procedures used to perform constant rate of strain consolidation tests are also described. Particular emphasis is given to a proposed method to define the velocity to be used in these tests. Finally, the results of constant rate of strain consolidation tests are compared to conventional consolidation tests one’s.

Os aços inoxidáveis super duplex são materiais relativamente recentes no âmbito industrial, porém seu uso vem crescendo constantemente. Isso se deve a sua excelente combinação de resistência mecânica e resistência a corrosão, incentivando o seu uso em ambientes agressivos. Porém, esse material é suscetível ao hidrogênio fazendo com que seu uso seja limitado em condições onde pode haver permeação de hidrogênio, como é o caso da proteção catódica. O entendimento do processo de fragilização nessa classe de aço trata-se de um desafio tecnológico, especificando sua condição de uso para evitar colapso estrutural. O material estudado trata-se do aço UNS S32760 hidrogenado em três diferentes potenciais catódicos, com o objetivo de compreender melhor o comportamento do material com a absorção de hidrogênio e, também, relacionar os resultados com especificações de uso já existentes. Os corpos de prova hidrogenados foram submetidos a ensaio de baixa taxa de deformação tornando possível a obtenção de parâmetros como tensão máxima, elongação e redução de área na região de fratura. Avaliações macroestruturais e microestruturais foram realizadas com o objetivo de identificar os micromecanismos de fratura. Além disso, para melhor compreensão dos mecanismos de fratura, estas foram observadas através de microscopia eletrônica de varredura para avaliar a influência da proteção catódica. A soma das análises realizadas tornou possível concluir que o aço inoxidável super duplex UNS S32760 já apresenta mecanismos de fragilização em potenciais de -800mVECS em desacordo com algumas especificações existentes. À medida que o potencial aplicado se torna mais catódico, o hidrogênio exerce maior influência no material, entretanto em potenciais extremamente elevados a identificação do fenômeno de fragilização se torna problemática, já que a redução de área e trincas na superfície não são facilmente identificáveis.
Super duplex stainless steel is a modern material in the industry, but its use is gradually increasing. This is due to its excellent blend of mechanical and corrosion properties pushing its use in aggressive environments. However, this material is sensitive to hydrogen making its use limited in environments where the hydrogen permeation can take place, such as in cathodic protection. The understanding of the embrittlement process in class of steels is a technological challenge, specifying the correct use condition to avoid possible structural collapse. The material studied was the UNS S32760 steel hydrogenate in three different cathodic potential, with the aim to better understand the behavior of this material with absorbed hydrogen and, also, connect the results with current standards. The specimens with hydrogen were evaluated in a slow strain rate test making it possible to obtain parameters as maximum stress, elongation and area reduction in the fracture. Macrostructures and microstructures evaluations have been made with the aim to identify the fracture micromechanisms. Furthermore, to obtain a better understanding of the fracture mechanism, the fracture surfaces have been observed with scanning electron microscope to evaluate the influence of the cathodic protection. The sum of all analysis realized make possible to conclude than the super duplex stainless steel UNS S32760 presents embrittlement phenomena at potential of -800mVECS in discordance with some standards currently in use. As the applied potential become more cathodic, the hydrogen acts more influence in material, however in extremely high potentials the recognition of embrittlement phenomena becomes difficult to evaluate, since the area reduction and cracks in the surface are not easily distinguished.

O aumento de demanda por combustíveis menos poluentes e de fontes renováveis faz com que o Etanol se destaque como uma alternativa as fontes convencionais de energia. O crescente aumento no consumo deste produto, para os próximos anos, exigirá meios de transporte e estocagem eficientes e seguros, desde os diversos produtores até os terminais de distribuição. O transporte por dutos é, sem dúvida, a forma mais econômica de transporte deste produto, porém, há evidências de que esses dutos de transporte e fundo de tanques de armazenamento de etanol poderiam ser susceptíveis ao fenômeno de corrosão sob tensão. Este fenômeno pode ser avaliado, por exemplo, por ensaios de baixa taxa de deformação (BTD) com corpos de prova com ou sem entalhe. Este trabalho tem por objetivo avaliar a influência da severidade do entalhe em corpos de prova ensaiados a baixa taxa de deformação no meio etanol combustível simulado (PRCI SFGE). Foram preparados quatro tipos de corpos de prova de aço API X70: sem entalhe, com entalhe da norma NACE TM 0111, com entalhe “intermediário” (severidade 18,9% menor que o da norma) e com entalhe “menos severo” (redução de 37,2% na severidade do entalhe, segundo concentração de tensões, quando comparado com o da norma). Os resultados mostram que os quatro tipos de corpos de prova apresentaram susceptibilidade ao meio (etanol PRCI SFGE). Nos corpos de prova sem entalhe esta susceptibilidade foi evidenciada somente nas imagens fractográficas. Já nos CPs com entalhe, mesmo com redução de concentrações de tensões no entalhe, observou-se resultados bem semelhantes, ficando evidenciada a susceptibilidade ao meio tanto nas imagens fractográficas (fratura frágil), quanto pela diminuição da ductilidade.
The increasing demand for cleaner fuels and renewable sources makes the ethanol rise as an alternative to conventional energy sources. The increasing consumption rate of this product, predicted for the upcoming years, will require safer and more efficient methods for transportation and storage through the entire transport cycle. Pipelines are the most economical way to transport it. However, there is evidence that pipeline transportation and the bottom of the storage tanks for ethanol might be susceptible to the stress corrosion cracking phenomenon. This phenomenon can be assessed by slow strain rate tests (SSRT) using smooth or notched specimen. This work aims to evaluate the influence of notch severity in specimens submitted to SSRT technique in simulated fuelgrade ethanol (PRCI SFGE). Four types of specimens of steel API X70 were prepared: unnotched, notched according to standard NACE TM 0111, notched with “intermediate” severity (severity 18.9% lower than the standard) and “less severe” notched (reduction of 37.2% on severity of the notched when compared with the standard). The results show that both sample types presented susceptibility in the solution (ethanol PRCI SFGE). For the unnotched specimens this susceptibility was observed only in fractographic images. In the notched specimens, despite the reduction of stress concentrations in the notch, the results were very similar. In this case the susceptibility can be observed in fractographic images (brittle fracture) as well as by decrease in the ductility.

Duplex stainless steels (DSS) have two ductile phases, i.e. ferrite and austenite, with a balance around 50% of each phase. The main advantage in comparison with other austenitic and ferrite stainless steels is the excellent combination of high strength and corrosion resistance together with good formability and weldability. Unfortunately, DSS present in general a poor hot workability and as a consequence, surface defects as edge cracks and slivers are always susceptible, what became complex the fabrication process of the DSS during the stage of hot rolling. Hot torsion tests were subjected in this study to evaluate the hot ductility of DSS UNS S32304 at a temperature range of 1000 to 1200°C and strain rate from 0.1 to 5s-1. The low ductility was atributed to the crack fomation at the austenite and ferrite interface and is mainly related to the diference in mechanical behavior between austenite and ferrite fases during deformation. The increase in temperature resulted in higher ductility. The increase in the deformation rate resulted in lower ductility.
Aços inoxidáveis duplex (AID) tem duas fases dúcteis, isto é, ferrita e austenita, com uma proporção de cada fase de cerca de 50%. A principal vantagem em comparação com outros aços inoxidáveis austeníticos e ferríticos é a excelente combinação de alta resistência mecânica e resistência à corrosão com boa conformabilidade e soldabilidade. Infelizmente, AID apresentam em geral, uma baixa ductilidade a quente e como consequência, defeitos superficiais como trincas de bordas e lascas são sempre suscetíveis, o que torna o processo de fabricação do AID complexo na etapa de laminação a quente. O ensaio de torção a quente foi utilizado neste estudo para avaliar a influência da temperatura e da taxa de deformação na ductilidade a quente do AID UNS S32304 numa faixa de temperatura entre 1000 e 1200°C e taxas de deformação entre 0,1 a 5s-1. A baixa ductilidade foi devida à formação de trincas na interface entre a ferrita e a austenita e está relacionada principalmente a diferença de comportamento mecânico entre as fases austenita e ferrita durante a deformação. O aumento da temperatura resultou no aumento da ductilidade a quente. O aumento na taxa de deformação resultou na diminuição da ductilidade a quente.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica.
Made available in DSpace on 2012-10-24T19:33:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 264419.pdf: 2788707 bytes, checksum: 3ba9803d8f0c094c076079be4240e61c (MD5)
Esse estudo identifica as curvas tensão x deformação a taxa constante através de ensaios axiais de impacto em corpos de prova de PVC e PP. O impacto é produzido por uma massa de 4,8 kg, deixada cair da altura necessária à obtenção da energia de impacto desejada. Seguindo orientações de normas, ensaios com energias de impacto de até 20 J foram feitos. No entanto, o equipamento disponível permite atingir energias em torno de 103 J, quando a massa é deixada cair de seu nível mais alto, 2,2 m, atingindo velocidade máxima de 6,57 m/s. Esse valor de velocidade restringe os ensaios aos classificados como de baixa velocidade. A teoria básica de elastoplasticidade é apresentada, descrevendo-se a metodologia aplicada no pacote comercial ANSYS 11.0 para solucionar o problema de plasticidade incremental. Uma breve explanação sobre as normas aplicáveis a componentes sujeitos a impacto é apresentada. Mostra-se a teoria de extensometria como um embasamento para a posterior análise experimental. Em um capítulo a parte, apresenta-se o tema principal que é a identificação das curvas tensão-deformação a taxa constante, bem como a metodologia utilizada para a obtenção dessas curvas. As curvas de material a partir das quais as curvas a taxa constante são derivadas também são apresentadas, assim como curvas complementares, como as curvas de plastificação dos materiais. Finalmente, simulações dos corpos de prova e de uma tampa defletora real de motor elétrico feita em polímero são mostradas, visando exemplificar a utilização das curvas experimentais. This study identifies the stress x strain curves at constant strain rate through axial impact tests in PVC and PP specimens. The impact is produced by a 4,8 kg mass dropped from the necessary height to obtain the desired impact energy. Following standard orientations, tests with impact energies up to 20 J were done. However, the available equipment allow to achieve energies about 103 J, when the mass is dropped from its highest level, 2,2 m, achieving maximum velocity of 6,57 m/s. This value of velocity restricts the tests into the so called low velocity ones. The basic elastoplasticity theory is presented, describing the methodology applied in the commercial package ANSYS 11.0 for solution of the incremental plasticity problem. A short explanation about the standards applicable to components subjected to impact is presented. Extensometer theory is shown as a foundation for posterior experimental analysis. In a specific chapter, the aim of this study is presented, which is the identification of the stress x strain curves at constant strain rate along with the methodology applied to obtain these curves. The material curves from which the constant strain rate curves are derived are shown too, as well as complementary curves, like material plastification curves. Finally, simulations of the tested specimens and a real electric motor fan cover made in polymer are shown, in order to exemplify the utilization of the experimental curves.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:10:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 1871.pdf: 8952094 bytes, checksum: 0efd2a0c46e79e4b2cfa975b94333f02 (MD5) Previous issue date: 2008-02-29
Financiadora de Estudos e Projetos
The alloys of Fe-Mn-Al system have been rather studied in last few years indicating good potential for application, with the benefit of exhibiting 10 to 15% less density, coupled to good performance related to its mechanical properties and strength at room and cryogenic temperatures, being an alternative for replacing some alloys of the Fe-Cr-Ni system, in certain situations. However, the literature presents a very limited amount of information about the mechanical properties of these materials at high temperatures, as in the case of hot tensile and creep testing. The superplasticity phenomenon remains as an entirely unexplored issue for this kind of steel. This work was planned with the objective of undertaking for the first time a systematic study on the superplastic behavior of an austenitic steel of this system, with chemical composition Fe 24.5Mn 6.5Al 1.5Si 1.1C (weight %). The material was prepared by different termomechanical processing routes, so as to obtain sheets with thickness around 1 mm, having a fine grained equiaxial, dual phase austenite / ferrite structure, with grain size around 3 µm. The material was submitted to both tensile testing ( at constant crosshead speed ) and creep testing ( at constant load ), on a temperature range from 600 to 1000oC, and strain rates raging from 10-6 to 1 s-1. A set of tensile tests was carried out monotonically using separate specimens until rupture under different combinations of crosshead speed and temperature. In another set the specimens were subjected to a sequence of crosshead speed changes at the ultimate tensile stress level, at a certain temperature. In both case the parameter m (strain rate sensitivity exponent) could be determined. The creep experiments enabled obtaining parameters like n (the stress exponent), Qf (the apparent activation creep energy) and ó0 (the threshold stress). Values of åf (maximum elongation observed at rupture) could be also obtained from both the tensile test and creep tests. The results from both procedures, i.e. tensile and the creep testing, were compared together showing good agreement with each other. The largest values of åf (around 660 %) associated to the largest m values (around 0,54) were observed at 800°C, for strain rates in the range from 10-4 to 10-3 s-1 ( in the case of tensile testing) and applied stress in the range from 20 to 50 MPa ( in the case of creep testing). Tensile tests carried at constant strain rate and creep tests carried out at constant stress allowed even greater values of these parameters to be achieved, at the maximum strain rate sensitivity region. A tensile test performed at constant Ý = 2,47 x 10-4 s-1 produced a maximum elongation at rupture åf = 750% and a creep test with constant σ = 30 MPa a maximum elongation åf = 737 % (without rupture of the specimen). Measurements of activation energy from creep tests indicated that the Fe-Mn- Al alloy exhibits values around that of grain boundary self diffusion of Fe in Austenite, in agreement with which is expected from the superplastic flow process. The analysis of creep test results also revealed that the material presents a Threshold Stress (óo ) around 6 7 MPa from 700 to 800ºC, and óo . 30 MPa at 900ºC. In this way, all the data from the variation of strain rate with stress ( Norton diagram ) could be rationalized by a single stress exponent n = 2, which is typical of the grain boundary sliding mechanism. Metallographic observation by optical microscopy on specimens from both the tensile and creep tests indicated that the grain size structure remains equiaxial and essentially stable even after the great levels of deformation attained at the various temperatures, which confirms the superplastic behavior condition achieved in this work.
Os aços austeníticos do sistema Fe-Mn-Al, bastante estudados nos últimos anos, indicam bom potencial de aplicação devido a vantagens como densidade (cerca de 15% menor que a dos aços inoxidáveis tradicionais), e boas propriedades mecânicas em temperaturas ambiente e criogênica, apresentando-se, em alguns casos, como alternativa de substituição de certas ligas do sistema Fe-Cr-Ni. No entanto, a literatura apresenta muito pouca informação sobre suas propriedades mecânicas em altas temperaturas, como no caso de tração a quente e fluência, por exemplo. O fenômeno de escoamento superplástico, em especial, permanece inteiramente inexplorado neste tipo de aço. Este trabalho teve como principal objetivo caracterizar sistematicamente pela primeira vez o comportamento superplástico de um aço austenítico desse tipo, com composição Fe 24.5Mn 6.5Al 1.5Si 1.1C (% peso). O material foi preparado utilizando-se diferentes rotas de processamento termomecânico, para obtenção de chapas com espessura da ordem de 1 mm, com estrutura de grãos finos e equiaxiais, tendo duas fases: austenita / ferrita, com tamanho médio em torno de 3 µm. O material foi ensaiado tanto em máquinas de tração (com velocidades constante do travessão) como de fluência (a carga constante) numa faixa de temperatura de 600°C a 1000°C, envolvendo taxas de deformação variando de 10-6 a 1 s-1. Em um dos métodos de ensaios de tração, diferentes amostras foram ensaiadas até a ruptura em velocidades e temperaturas distintas. Numa outra modalidade do mesmo ensaio, as amostras foram submetidas a uma seqüência de saltos de velocidade de tração, ao atingir a carga máxima, em uma certa temperatura. Em ambos os casos, foi possível determinar o parâmetro m (expoente de sensibilidade à taxa de deformação). Os ensaios de fluência permitiram obter valores dos parâmetros n (expoente de tensão), Qf (energia de ativação aparente de fluência) e ó0 (tensão limiar). Com os ensaios que foram prolongados até a ruptura (tração a quente e fluência) determinou-se também valores de åf (alongamento máximo na ruptura). Os resultados tanto dos ensaios de tração como de fluência foram comparados entre si e apresentaram boa concordância em ambos os procedimentos. Os maiores valores de åf (da ordem de 660 %) associados aos maiores valores de m (da ordem de 0,54) foram observados a 800ºC, para taxas de deformação na faixa de 10-4 a 10-3 s-1 (no caso dos ensaios de tração) e tensões aplicadas entre 20 a 50 MPa ( no caso dos ensaios de fluência). Ensaios de tração a taxa de deformação constante e de fluência a tensão constante, nessa temperatura, permitiram obter valores ainda maiores desses parâmetros, na região de máxima sensiblidade à taxa de deformação. No caso de um ensaio de tração com Ý = 2,47 x 10-4 s-1 chegou-se a åf = 750% e no caso de fluência com σ = 30 MPa atingiu-se um valor de åf = 737 % (sem ruptura da amostra). Medidas de energia de ativação a partir dos ensaios de fluência indicaram que a liga Fe-Mn-Al apresenta valores próximos dos de autodifusão em contornos de grão do Fe na Austenita, concordando com o que se espera do processo de escoamento superplástico. A análise dos resultados de fluência indicou também que o material apresenta uma Tensão Limiar (óo) variando de 6 7 MPa nas temperaturas de 700 a 800ºC, e de . 30 MPa a 900ºC, podendo todos os dados de variação da Taxa de Deformação com a Tensão ( diagrama de Norton ) ser racionalizados por um único expoente de tensão n = 2, típico do mecanismo de escorregamento de contornos de grãos. Observações metalográficas por microscopia ótica das amostras ensaiadas tanto em tração como fluência indicaram que a estrutura granular permanece equiaxial e praticamente estável, mesmo após os grandes alongamentos atingidos em cada temperatura, caracterizando a condição superplástica conseguida neste trabalho para a liga Fe-Mn-Al.

O presente trabalho teve por objetivo o desenvolvimento e aprimoramento da técnica de execução de ensaios mecânicos a altas taxas de deformação (cerca de 1000 a 5000 s-1), por meio do desenvolvimento de um equipamento do tipo Split Hopkinson Bar (SHB), com corpos-de-prova no formato cilíndrico. A construção de tal equipamento fez-se necessária para a obtenção de informações acerca do comportamento dinâmico dos materiais, quando utilizados em condições de impacto, para aplicações de engenharia. Foram definidos os requisitos técnicos para a construção do equipamento SHB para a modalidade de ensaios em tração. Os elementos mecânicos foram projetados, usinados e montados, segundo a configuração de teste adotada. Determinou-se as dimensões e geometrias dos corpos-de-prova, confeccionados em aço ABNT 1020. Realizou-se ainda a instrumentação do equipamento SHB, para a determinação da resposta tensão-deformação dos corpos-de-prova. Adicionalmente, utilizou-se uma câmera de alta velocidade, com capacidade para filmar até 100.000 quadros/s, no intuito de estudar o comportamento do corpo-de-prova durante carregamento dinâmico. Os resultados dos testes realizados indicaram que, apesar da construção mecânica satisfatória do primeiro protótipo, a pressão usada no carregamento (8 kgf/cm²) foi insuficiente para assegurar que a falha do material testado ocorresse durante a propagação do primeiro pulso trativo ao longo do comprimento do corpo-de-prova, que sofreu sucessivos carregamentos até a fratura. Este comportamento é chamado efeito sanfona. Para que o corpo-de-prova se quebrasse após a propagação de apenas um pulso trativo foram sugeridas melhorias na vedação da câmara de gás e o aumento da pressão de trabalho. A utilização de extensômetros de menor grade também foi indicada como melhoria futura. A sincronização entre a câmera de alta velocidade e o sistema de aquisição deverá ser aprimorada, pois é fundamental para a precisão na determinação do instante da colisão entre o projétil e a barra incidente, assim como do instante da ruptura do corpo-de-prova. A continuidade dessa pesquisa, com a busca da solução dos desafios tecnológicos oriundos da construção e teste desse primeiro protótipo, será tema de trabalhos futuros desse grupo de pesquisa.
The present work consist in the development and improvement of execution technique of mechanical tests at high strain rates (about 1000 to 5000 s-1), with an equipment tensile split Hopkinson bar (SHB) using cylindrical specimen. The construction of such equipment was necessary to obtain information about the dynamic behavior of materials, when used under impact conditions, for engineering applications. Technical requirement are defined for construction of SHB equipment for tensile type tests. The mechanical elements were designed, machined and assembled according to the test configuration adopted. Determined the dimensions and geometries the specimens, made of AISI 1020. Also realized the SHB equipment instrumentation to determine the stress-strain response of specimen. Additionally, used a high speed camera, capable of record up to100,000 frames/s, with the aim of study the behavior of specimen during dynamic loading. The results of tests indicate that despite the satisfactory mechanical structure, of the first prototype, the pressure used in the load (8 kgf/cm²) was insufficient to ensure that the material failure occurred during the propagation of the first tensile pulse along the specimen length, which undergo successive loading until the fracture. This behavior is named concertina effect. For the specimen is broke after propagation of only one tensile pulse, improved in sealing the gas gun and an increase the work pressure, wave been suggested. The use of strain gages smaller grid was also suggested as a future improvement. The synchronization between high speed camera and the system of acquisition should be improved, because it is fundamental to the accuracy in determining the instant collision between the hammer and the incident bar as well as the instant failure of specimen. The continuation of this research, with the pursuit of technological solutions arising from the construction and tests this first prototype will be the subject of future work of this research group.

Esta dissertação apresenta um projeto de um dispositivo para levantar dados característicos de materiais submetidos às altas taxas de deformação, dispositivo este que leva o nome do seu idealizador o engenheiro Inglês Sir Bertram Hopkinson. Mais especificamente, esta dissertação está inseparavelmente ligada ao desenvolvimento de um embalado para transporte de elementos radioativos como sendo uma das partes do escopo geral, de um projeto da CAPES em convênio com o Centro de Ciência e Tecnologia de Materiais - CCTM do, Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares IPEN - CNEN/SP, autarquia associada à Universidade de São Paulo. O desenvolvimento do dispositivo faz parte do escopo de obtenção, e levantamento dos dados necessários para o projeto, e a construção do embalado. Esta dissertação versa sobre a concepção mecânica do dispositivo, importante, dividida em duas partes, dimensionamento das barras, que seriam a barra de impacto, a barra de entrada, e a barra de saída, e o dimensionamento do dispositivo de impacto. O dimensionamento das barras envolve conhecimentos do conceito de ondas elásticas em meios sólidos para que o comprimento das barras seja estimado de forma a servir de guia das ondas elásticas, que provocarão a deformação no corpo de prova, e possibilite a boa leitura dessas ondas para análise dos dados. O dispositivo de impacto, este tem que ser robusto o suficiente para produzir a onda de tensão que deforme o corpo de prova, mas não para deformar plasticamente as barras, que terão que continuar durante todo o teste dentro do regime elástico.
This dissertation presents a design of a device to collect characteristic data of materials submitted to the high strain rates, device that takes the name of its idealizer the English engineer Sir Bertram Hopkinson. More specifically, this dissertation is inseparably linked to the development of a package for the transport of radioactive elements as part of the general scope of a CAPES project in partnership with the Materials Science and Technology Center (CCTM), Nuclear and Energy Research Institute IPEN - CNEN / SP, autarchy associated with the University of São Paulo. The development of the device is part of the scope of procurement, and collection of data required for the design, and the construction of the packaging. This dissertation deals with the mechanical design of the device, important, divided into two parts, dimensioning of the bars, which would be the impact bar, the input and output bars and the design of the impact device. The sizing of the bars involves knowledge of the concept of elastic waves in solid media so that the length of the bars is estimated in order to serve as a guide for the elastic waves, which will cause deformation in the test body, and enable a good reading of these waves for analysis of the data. The impact device has to be robust enough to produce the stress wave that deforms the test body but not to deform the bars plastically, which will have to continue throughout the test within the elastic regime.

O presente trabalho tem como objetivo a caracterização experimental e modelagem constitutiva do comportamento de metais CFC (Cúbicos de Face Centrada) policristalinos quando submetidos a altas taxas de deformação. O material empregado no desenvolvimento do trabalho é uma liga de alumínio comercialmente pura: o alumínio AA1050. No âmbito da presente investigação, os experimentos são conduzidos à temperatura ambiente. O desenvolvimento experimental tem por objetivo evidenciar as principais características constitutivas que descrevem o comportamento macroscópico desta classe de metais quando submetidos a processos de deformação envolvendo altas taxas de deformação: (i) o endurecimento induzido pela deformação; (ii) o endurecimento induzido pela taxa de deformação; e (iii) a sensibilidade instantânea em relação à taxa de deformação. Para a caracterização de cada uma destes aspectos constitutivos, são realizados experimentos específicos utilizando equipamentos desenvolvidos, em sua maioria, no contexto da presente investigação. De forma geral, os experimentos consistem em ensaios de compressão envolvendo uma ampla faixa de taxas de deformação, variando desde condições quasi-estáticas a taxas na ordem de 104 s−1. Os resultados experimentais, juntamente com evidências experimentais macro e microscópicas disponíveis na literatura, dão suporte ao desenvolvimento de um modelo constitutivo elasto-viscoplástico. A formulação constitutiva segue uma abordagem semi-física, na qual a escolha das variáveis inelásticas e proposição de suas regras de evolução são qualitativamente guiadas por considerações metalúrgicas baseadas no acúmulo e organização de discordâncias O modelo proposto, embora consista em uma abordagem simplificada quando comparado a modelos de base física, é capaz de representar separadamente cada uma das características constitutivas destacadas anteriormente. Com base nos resultados experimentais aqui obtidos, o modelo elasto-viscoplástico proposto é então ajustado e posteriormente validado. Na sequência é desenvolvida a formulação numérica relacionada ao modelo proposto. A abordagem como um todo é inserida em um contexto de deformações finitas seguindo uma descrição Lagrangiana Total. O desenvolvimento numérico descreve o procedimento utilizado para solução de problemas de equilíbrio não lineares seguindo uma formulação incremental implícita empregando o método dos elementos finitos. Em um contexto local, é utilizado um esquema de integração implícito seguindo um mapeamento exponencial. A linearização das equações de mapeamento de retorno possibilita a derivação analítica do módulo tangente consistente. O modelo constitutivo, bem como o procedimento numérico, são utilizados para a solução de problemas numéricos clássicos como: ensaio de compressão em condições de deformações homogêneas, e compressão envolvendo contato com atrito. As simulações numéricas avaliam tanto a capacidade constitutiva do modelo proposto em descrever o comportamento de estruturas quando deformadas sob condições envolvendo elevadas taxas de deformação, quanto à eficiência do procedimento numérico a partir de análises de convergência Em conclusão, com o procedimento experimental adotado é possível evidenciar as principais características macroscópicas inerentes ao comportamento de metais quando submetidos a processos de deformação envolvendo altas velocidades. Além disso, com base nos resultados analíticos e numéricos, observa-se que o modelo constitutivo proposto é capaz de reproduzir de forma satisfatória os comportamentos evidenciados experimentalmente.
The present work aims at performing the experimental characterization and constitutive modeling associated with the mechanical behavior of polycrystalline FCC (Face Centered Cubic) metals when subjected to high strain-rate deformations. The material to be employed in the experiments is a commercially pure aluminum alloy: aluminum AA1050. Within the present investigation context, experiments are performed at room temperatures. The primary objective of the laboratory experiments is to assess the main constitutive features associated with the macroscopic mechanical behavior observed for FCC metals subjected to high strain-rate deformation processes: (i) strain-hardening; (ii) strain-rate-hardening; and (iii) instantaneous rate-sensitivity. In order to characterize each constitutive feature, experiments using equipments specifically devised to achieve the objectives are performed. The laboratory investigation consists of compression tests involving a wide strain-rate range, from quasi-static conditions to strain-rates of the order of 104 s−1. Experimental results together with micro and macroscopic experimental evidences available in the literature give support to the development of a elastic-viscoplastic model. The stress-strain formulation follows a semi-physical approach, in which inelastic variables and their evolution equations are qualitatively motivated by metallurgical considerations based on the storage and arrangement of dislocations. Although its simplified nature when compared to physically-based models, the proposed model is capable of representing separately each one of the constitutive features highlighted early In addition, in analogy to the stress-strain proposition, a model describing the material hardness evolution in terms of strain and strain-rate histories is also provided. Based on the obtained experimental results, the proposed elastic-viscoplastic and hardness evolution models are adjusted and then validated. The corresponding stress-strain numerical formulation is developed in a subsequent step. The approach as a whole is integrated into finite strain framework following a Total Lagrangian description. The procedure employed to solve nonlinear equilibrium problem follows an implicit incremental formulation implemented in the context of the finite element method. At a local level, an implicit integration scheme based on an exponential mapping is adopted. From linearization of return mapping equations, an analytical consistent tangent modulus is obtained. Both constitutive model and numerical approach are employed to simulated classical problems: a compression test involving homogeneous deformation and a compression test involving contact and frictional conditions. Numerical simulations evaluate the constitutive capabilities associated with the proposed model when predicting the structural behavior at high strain-rate loadings. Furthermore, numerical efficiency and robustness related to the present procedure are also assessed by means of convergence analysis. While the adopted experimental procedure gave fundamental evidences of the main macroscopic features inherent in the metallic material behavior when subjected to high strain-rate deformations, the analytical and numerical results demonstrated that the proposed constitutive model is able to suitably reproduce the observed behavior.

Mestrado em Engenharia Mecânica
O presente trabalho teve como objetivo principal estudar o comportamento de amostras de polipropileno perante ensaios biaxiais de tração. Para tal efetuaram-se ensaios de provetes cruciformes utilizando uma máquina desenvolvida no Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Aveiro. Por seu turno, recorreu-se ao sistema ARAMIS de correlação digital de imagem para medição das extensões. Os ensaios foram realizados a velocidades diferentes de modo a avaliar a sensibilidade do polipropileno à taxa de deformação. Foram também efetuados ensaios uniaxiais em condições semelhantes às dos ensaios biaxiais. Os resultados obtidos permitiram verificar o bom funcionamento da máquina de ensaios biaxiais e o grande interesse em aplicar a correlação digital de imagem a este tipo de ensaios. Verificou-se também que, à semelhança do que sucede nos ensaios uniaxiais, há uma grande influência da taxa de deformação no comportamento à tração biaxial do polipropileno, sobretudo na extensão de rutura. Por fim, os resultados mostraram que é necessário melhorar a geometria do provete cruciforme no sentido de obter a iniciação da rutura na zona de medida.
The main objective of this work was to evaluate the behaviour of polypropylene samples under biaxial tension tests. For that purpose, biaxial tests were conducted on cruciform specimens using a testing machine developed at the Mechanical Engineering Department of the University of Aveiro. The ARAMIS digital image correlation system was used for strain measurements. The tests were conducted at different velocities in order to evaluate the strain-rate sensitivity of polypropylene. Uniaxial tests were also performed under conditions similar to those of the biaxial tests. The results demonstrated the adequate functioning of the biaxial testing machine and the great interest in applying digital image correlation to this type of tests. Similar to uniaxial tests, the polypropylene biaxial tension behaviour proved to be strongly strain-rate sensitive, especially where the failure strain is concerned. Finally, the results showed the need to improve the cruciform specimen geometry in order to achieve failure initiation in the gauge area.

Mestrado em Engenharia Mecânica
A delaminagem é um dos modos de rutura mais frequentes dos laminados compósitos, e que é geralmente tratado no âmbito da Mecânica da Fratura. Tem havido recentemente interesse crescente na caraterização do comportamento à delaminagem sob fadiga. O primeiro objetivo deste trabalho foi adaptar a máquina de baixo custo desenvolvida no Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Aveiro à realização de ensaios de delaminagem sob fadiga em modo I. O segundo objetivo foi realizar alguns ensaios de laminado carbono/epóxido iniciando assim um estudo mais alargado de longo prazo. Para isso recorreu-se a ensaios Double Cantilever Beam (DCB) modificados sob deslocamentos cíclicos impostos. Os resultados obtidos foram analisados no quadro da bem conhecida Lei de Paris, que relaciona a taxa de propagação da fenda com a variação da taxa de libertação de energia de deformação. Apesar de serem ainda escassos para tirar conclusões seguras, os resultados indicam um comportamento à fadiga complexo, muito influenciado pelo fenómeno da ponte de fibras.
Delamination is one of the most common damage modes of laminated composites. It is usually analyzed within the scope of Fracture Mechanics. Recently, there has been growing interest in the characterization of fatigue driven delamination. The main objective of the present work was to study the mode I delamination under fatigue of carbon/epoxy laminates through modified Double Cantilever Beam (DBC) tests under imposed cyclic displacements. The tests were conducted on a low cost machine developed at the Department of Mechanical Engineering of the University of Aveiro. The results proved to be consistent with well-known Paris law, which relates the crack propagation rate with the variation of the strain-energy release rate. Though scarce to draw definitive conclusions, the present results indicate a complex fatigue behavior, which is strongly influenced by fiber bridging.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:24:45Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2012-10-26Bitstream added on 2014-06-13T18:21:10Z : No. of bitstreams: 1 capelli_a_me_sjrp.pdf: 938078 bytes, checksum: d77a518a566e9e86362faf488ec965a9 (MD5)
Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)
Muitos trabalhos acadêmicos vêm sendo realizados atualmente a respeito da caracterização reológica de diversos fluidos. O problema é que os reômetros comerciais apresentam, em muitos casos, imprecisões, que se relacionam a diversos fatores, como os ligados às próprias condições de fluxo durante as análises. A escolha da faixa de taxas de deformação em que devem ser realizadas as análises é fundamental para a obtenção de resultados mais precisos. Neste trabalho realizou-se a caracterização reológica, em diferentes temperaturas, do diesel B, mistura de diesel (95 %) com biodiesel (5 %) que é distribuída em postos de combustíveis em todo o território brasileiro. Todas as análises reológicas foram realizadas em um reômetro rotacional AR-G2, marca TA Instruments, utilizando-se geometria de cilindros concêntricos. Verificou-se e descartou-se a influência do tempo sobre o comportamento reológico do fluido. Diferentes faixas de taxas de deformação foram testadas e fluidos de calibração foram utilizados para validar a escolha da melhor faixa de taxas de deformação. Determinaram-se curvas de escoamento e de viscosidade, e diferentes modelos reológicos – Newton, Ostwald de Waele, Bingham e Herschel-Bulkley –foram testados, buscando o melhor ajuste aos dados experimentais. As análises realizadas com os fluidos de calibração mostraram que o reômetro apresentava-se apropriado para a caracterização reológica de fluidos Newtonianos, especialmente em faixa de taxas de deformação entre 10 s -1 e 500 s -1 , para fluidos com viscosidade de ordem 10 -1 Pa.s a 1 Pa.s. A viscosidade da água foi verificada a 25 ºC e estava de acordo com a literatura, quando verificada em faixa de taxas de deformação entre 10 s -1 e 100 s -1 . O diesel B foi mais bem caracterizado reologicamente em faixa de taxas de deformação entre 10 s -1 e 500 s -1 , tendo apresentado...
Many academic studies have currently been conducted regarding the rheological characterization of several fluids. The problem is that commercial rheometers, in many cases, have inaccuracies that are associated to different factors such as those related to flow conditions during analysis. The choice of the range of strain rates in which the analysis must be performed is essential in order to obtain more accurate results. In this work the rheological characterization of diesel B, mixture of diesel (95%) and biodiesel (5%), which is distributed at gas stations throughout the Brazilian territory, was performed at different temperatures. All rheological analyzes were performed on an AR-G2 TA Instruments rotational rheometer, using concentric cylinder geometry. The time influence on the rheological behavior of the fluid was checked and discarded. Different ranges of strain rates were tested and calibration fluids were used to validate the choice of the best range of strain rates. Flow curves and viscosity were determined, and different rheological models – Newton, Ostwald of Waele, Bingham and Herschel-Bulkley – were tested, seeking the best fit to the experimental data. The analyzes performed with the calibration fluids showed that the rheometer was suitable for the rheological characterization of Newtonian fluids, especially in the range of strain rates between 10 s -1 and 500 s -1 for fluids with a viscosity of the order 10 -1 Pa.s a 1 Pa.s. The water viscosity was checked at 25 ° C and it was in agreement with the literature, when seen in the range of strain rates between 10 s -1 and 100 s -1 . Diesel B was better characterized rheologically in range of strain rates between 10 s -1 and 500 s -1 , and presented Newtonian behavior at all tested temperatures. The temperature influence on the rheological parameters obtained for diesel B was assessed between 10ºC and 40ºC... (Complete abstract click electronic access below)

Orientador: Javier Telis Romero
Coorientador: Ana Lúcia Gabas
Banca: José Francisco Lopes Filho
Banca: Luis Antonio Minin
Resumo: Muitos trabalhos acadêmicos vêm sendo realizados atualmente a respeito da caracterização reológica de diversos fluidos. O problema é que os reômetros comerciais apresentam, em muitos casos, imprecisões, que se relacionam a diversos fatores, como os ligados às próprias condições de fluxo durante as análises. A escolha da faixa de taxas de deformação em que devem ser realizadas as análises é fundamental para a obtenção de resultados mais precisos. Neste trabalho realizou-se a caracterização reológica, em diferentes temperaturas, do diesel B, mistura de diesel (95 %) com biodiesel (5 %) que é distribuída em postos de combustíveis em todo o território brasileiro. Todas as análises reológicas foram realizadas em um reômetro rotacional AR-G2, marca TA Instruments, utilizando-se geometria de cilindros concêntricos. Verificou-se e descartou-se a influência do tempo sobre o comportamento reológico do fluido. Diferentes faixas de taxas de deformação foram testadas e fluidos de calibração foram utilizados para validar a escolha da melhor faixa de taxas de deformação. Determinaram-se curvas de escoamento e de viscosidade, e diferentes modelos reológicos - Newton, Ostwald de Waele, Bingham e Herschel-Bulkley -foram testados, buscando o melhor ajuste aos dados experimentais. As análises realizadas com os fluidos de calibração mostraram que o reômetro apresentava-se apropriado para a caracterização reológica de fluidos Newtonianos, especialmente em faixa de taxas de deformação entre 10 s -1 e 500 s -1 , para fluidos com viscosidade de ordem 10 -1 Pa.s a 1 Pa.s. A viscosidade da água foi verificada a 25 ºC e estava de acordo com a literatura, quando verificada em faixa de taxas de deformação entre 10 s -1 e 100 s -1 . O diesel B foi mais bem caracterizado reologicamente em faixa de taxas de deformação entre 10 s -1 e 500 s -1 , tendo apresentado... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo)
Abstract: Many academic studies have currently been conducted regarding the rheological characterization of several fluids. The problem is that commercial rheometers, in many cases, have inaccuracies that are associated to different factors such as those related to flow conditions during analysis. The choice of the range of strain rates in which the analysis must be performed is essential in order to obtain more accurate results. In this work the rheological characterization of diesel B, mixture of diesel (95%) and biodiesel (5%), which is distributed at gas stations throughout the Brazilian territory, was performed at different temperatures. All rheological analyzes were performed on an AR-G2 TA Instruments rotational rheometer, using concentric cylinder geometry. The time influence on the rheological behavior of the fluid was checked and discarded. Different ranges of strain rates were tested and calibration fluids were used to validate the choice of the best range of strain rates. Flow curves and viscosity were determined, and different rheological models - Newton, Ostwald of Waele, Bingham and Herschel-Bulkley - were tested, seeking the best fit to the experimental data. The analyzes performed with the calibration fluids showed that the rheometer was suitable for the rheological characterization of Newtonian fluids, especially in the range of strain rates between 10 s -1 and 500 s -1 for fluids with a viscosity of the order 10 -1 Pa.s a 1 Pa.s. The water viscosity was checked at 25 ° C and it was in agreement with the literature, when seen in the range of strain rates between 10 s -1 and 100 s -1 . Diesel B was better characterized rheologically in range of strain rates between 10 s -1 and 500 s -1 , and presented Newtonian behavior at all tested temperatures. The temperature influence on the rheological parameters obtained for diesel B was assessed between 10ºC and 40ºC... (Complete abstract click electronic access below)
Mestre

Orientador : Paulo R. G. Kurka
Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica
Made available in DSpace on 2018-07-31T18:24:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Verges_AfonsoSantos_D.pdf: 3891256 bytes, checksum: 75175f48df80da40d5b68c937e525146 (MD5) Previous issue date: 2001
Resumo: Esta é uma contribuição ao problema de correção da dispersão que ocorre na região de deformação plástica da curva de tensão-deformação obtida no teste com a barra de pressão Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) ou, teste de compressão com altas taxas de deformação. Utilizam-se funções harmônicas para solução da barra livre assimétrica e, neste caso, a barra livre é considerada como uma região limitada da barra infinita percorrida por pulsos de compressão e tração deslocando-se em sentidos opostos. A ocorrência destes pulsos no tempo é tal que as tensões normais e deslocamentos radiais são nulos nas extremidades da barra. Desta forma, o trabalho das tensões cisalhantes nestas seções é nulo, permitindo satisfazer todas as condições de contorno da barra livre. O emprego desta solução permite a identificação dos pulsos de deformação nas interfaces entre o corpo de prova e as barras do SHPB. A solução analítica da barra livre, através de funções harmônicas, é confirmada pela solução numérica utilizando o método de elementos finitos. O procedimento de obtenção da curva de tensão-deformação envolve duas etapas. Na primeira etapa, para obter o deslocamento devido ao pulso refletido, utiliza-se o vetor dos tempos defasado de uma constante. Esta constante é ajustada por tentativa, sendo considerada adequada quando o deslocamento inicial devido ao pulso refletido é nulo. Isto equivale ao instante em que o pulso incidente atinge a interface entre o corpo de prova e a primeira barra. Na segunda etapa, que consiste na obtenção da tensão no corpo de prova, o vetor dos tempos também é ajustado por tentativa. O ajuste é considerado adequado quando ocorre a convergência entre as regiões elásticas da curva de tensão-deformação deste teste e a curva de tensão deformação do teste quase estático. Com este procedimento, é obtida uma curva de tensão-deformação sem oscilações para um corpo de prova de cobre
Abstract: This is a contribution to the problem of correction of dispersion that occurs in the stress-strain curve obtained in tests with the Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB), or high strain rate compression testo Harmonic functions are used as solutions ofthe free bar. In this case, the free bar is considered as a limited section ofthe infinite bar, canning compression and tensile pulses moving in the opposite directions. The OCCUlTence of these pulses is such that the tensile stress and radial displacements are null in the extremities ofthe bar. This way, the work done by shear stresses in these sections is null, satisfying alI the ftee bar boundary conditions. With this solution it is possible to identify the strain pulses at bars-specimen interfuces in the SHPB test this analytical solution is confined by the finite element method. The procedure to obtain the stress-strain curve involves two stages. In the first stage, the displacement due to the reflected pulse is obtained. The time is shifted by a constant. This constant is adjusted, to the appropriate condition that the initial displacement corresponds to a null displacement. This condition represents the instant that the incident pulse reaches the bar-specimen interfuce. In the second stage, the specimen stress is obtained. The time is also shifted by a constant. The appropriate condition is reached when the elastic area of the stress-strain curve converges to the stress-strain curve ofthe quasi-static test With the free bar solution and the procedure to obtain the stress-strain-curve described above, the stress-strain curve of a copper specimen is obtained. The stress-strain curve presents a plastic area virtually free of dispersion
Doutorado
Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico
Doutor em Engenharia Mecânica

Dissertação de mestrado em Engenharia Mecânica (Projecto Mecânico) apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra.
Este trabalho teve por objectivo o desenvolvimento e instalação de dois sistemas de Barras de Hopkinson em Alumínio e posterior análise de materiais compósitos de baixa densidade. Um dos sistemas desenvolvidos era constituído por 3 barras com 30mm de diâmetro que será designado, sempre que referido posteriormente, por Sistema 30, e o outro por 3 barras de 16mm de diâmetro que será designado por Sistema 16. Um dos sistemas montados foi utilizado para testar materiais compósitos de baixa densidade, espuma sintática, constituídos por resina epoxídica com diferentes percentagens de micro fibras e micro esferas de vidro. Os dados foram posteriormente tratados com a utilização do software DAVID®. Pretendeu-se analisar e interpretar o comportamento do compósito com a variação da percentagem de micro esferas e micro fibras em solicitações a elevadas taxas de deformação. Verificou-se no comportamento das espumas sintáticas uma diminuição da tensão limite elástica e do módulo de elasticidade com o aumento da percentagem de micro-esferas.
Abstract Two aluminium Hopkinson Pressure Bars have been developed and installed, one with three 30mm diameter bars called System 30 and other with three 16mm diameter bars called System 16. One of this systems was used to test and further study a low density composite. The low density composite in test was made of epoxy resin and different quantities of microfiber and glass microsphere. All acquired data was processed with DAVID software. The objective was to analyse and interpret the behaviour of the composite according to the variation on the glass microsphere and microfiber content. Whit the increase of microsphere it’s verifying the decreasing of the elastic limit tension and the Young modulus.

Dissertação de Mestrado em Física - Especialização em Ensino
O Poli(fluoreto de vinilideno) (PVDF) e os copolímeros de Poli(fluoreto de vinilideno) com Trifluoretileno (P(VDF-TrFE)) são conhecidos pelas suas propriedades electroactivas. Estas propriedades encontraram várias aplicações, especialmente como sensores e actuadores. Um problema crucial destes polímeros é a interdependência entre as propriedades mecânicas e eléctricas e a relação destas com a microestrutura do material. A distribuição de espessuras das lamelas, uma microestrutura que possui duas fases e a orientação das cadeias nas regiões amorfa e cristalina, são características que influenciam a resposta eléctrica e mecânica do material. Neste trabalho, utilizou-se técnicas mecânicas, com o intuito de correlacionar a resposta mecânica com as variações na microestrutura do material. Assim, os resultados de tensão – deformação ao longo das duas direcções principais do P(VDF-TrFE) 75/25 (%mol) permite investigar o comportamento do Módulo de Young, Tensão de Cedência, Volume de Activação, Dureza, etc.. O P(VDF-TrFE) revelou possuir um comportamento anisotrópico, observou-se uma diminuição do Módulo de Young com o aumento da temperatura, diminuindo também para velocidades de ensaio mais elevadas. O Volume de Activação relativo ao processo de cedência tem valores aproximados de 2.11nm3 para a direcção longitudinal e 6.14 nm3 para a transversal. A análise das experiências de tensão – relaxação permite estudar a influência relativa das diferentes regiões (cristalina, amorfa e interface) do material nas propriedades mecânicas. Antes do ponto de cedência o tempo de relaxação diminui com o aumento da deformação nas duas direcções de medida, com excepção da direcção transversal para a temperatura ambiente. O grau de cooperatividade diminui com a deformação à temperatura ambiente, aumentando para a temperatura de 60ºC. O Volume de Activação aparente para o processo de relaxação para deformações pequenas à temperatura ambiente é da ordem de 101 nm3. Para a Temperatura de 60ºC o volume de activação é da ordem das unidades. À temperatura ambiente a viscosidade do material aumenta com a deformação, diminuindo para temperatura de 60ºC. A Energia de Activação do processo de relaxação é da mesma ordem de grandeza para as duas direcções de ensaio, aproximadamente 104 Jmol-1.
Poly(vinylidene fluoride) (PVDF) and the copolymers of (vinylidene fluoride) (VDF) with Trifluorethylene (TrFE) are known for their electroactive properties. These properties offer a broad range of applications, especially as sensors and actuators. One crucial problem of these polymers is the interdependence between their mechanical and electrical properties to their microstructure. The distribution of lamina thickness, the two–phase structure and the orientation of the chains in the crystalline and amorphous regions are all features that deeply influence the electrical and mechanical response of the material. In this work, mechanical experimental techniques have been applied in order to relate the mechanical response to microscopic variations in the material. Stress–strain experiments along the main directions of PVDF-TrFE 75/25 (%mol) enabled the behaviour of the Young’s Modulus, Yield Point, Activation Volume, Hardness, etc. to be investigated. P(VDF-TrFE) was revealed to possess an anisotropic behaviour, a decrease of the Young’s modulus was observed with increasing temperature. At high rates, the Young’s modulus was also inversely proportional to the strain rate. The Activation Volume of the Yielding was approximately 2.11nm3 for the longitudinal direction and 6.14nm3 for the transverse direction. Analysis of the stress-relaxation experiments allowed the relative influence of the different regions (crystalline, amorphous and interface) to be studied and related to the materials mechanical properties. Before the Yield Point the relaxation time decreases with increasing deformation, along the two measured directions, with the exception of the transverse direction at room temperature. The degree of cooperativity decreases with deformation at room temperature and increases for the temperature of 60ºC. The apparent Activation Volume for the relaxation process for small deformations at room temperature is of the order of 101 nm3. At 60ºC the Activation Volume is of the order of units nm3. At room temperature the viscosity of the material increases with the deformation and decreases for the temperature of 60ºC. The Activation Energy of the relaxation process is of the same order of magnitude for the two measured directions, approximately 104 Jmol-1.

Este trabalho foca-se na conceção e projeto de um sistema mecânico a utilizar no estudo das propriedades mecânicas de materiais metálicos quando sujeitos a taxas de deformação elevadas, nomeadamente no desenvolvimento de um sistema de Barra de Kolsky para realização de testes de compressão. A implementação deste trabalho permitirá ao Departamento de Engenharia Mecânica e Industrial (DEMI) da FCT-UNL testar materiais metálicos, e não só, sob elevadas taxas de deformação, tanto para uso próprio como para terceiros. Com pequenas alterações ao projeto do sistema mecânico apresentado, poder-se-ão ensaiar materiais poliméricos ou compósitos. Na fase inicial da dissertação, procedeu-se à pesquisa bibliográfica necessária à análise teórica dos ensaios realizados com a Barra de Kolsky, tendo sido sintetizada a formulação relevante. Posteriormente, iniciou-se a conceção do sistema mecânico, com vista à escolha cuidada dos elementos mecânicos relevantes e da instrumentação a utilizar, tendo sido considerado que o material em estudo seria o aço AISI 4130 e que os ensaios seriam realizados com uma taxa de deformação máxima de 5000 s-1. De forma a contextualizar a formulação apresentada, procedeu-se a estudos teóricos e a simulações numéricas, com recurso ao SolidWorks Motion, tendo-se realizado a simulação do choque entre as barras com uma velocidade de impacto de 62,46 m/s. No final da dissertação apresenta-se um custo aproximado para a aquisição dos componentes envolvidos na montagem e operacionalização do sistema mecânico desenvolvido.

Dynamic behavior of WC-Ni system powder, containing 9 wt.% Ni, was investigated. From medium strain rates, the Spilt Hopkinson Pressure Bar (SHPB) method was selected. The design of the Hopkinson bar experiment was modified in order to study the stress and strain states as well as the sound speed in the powder during the dynamic loading. The powder specimen was confined in a sleeve and was loaded by mean of Hopkinson bars in order to get the axial stress and the strain in the sample. Hoop strain gauge was glued in a confining sleeve allowing the deduction of the radial stress in the specimen. To investigate the WC-9Ni powder behavior at high strain rates a multiple target setup was designed. In this case, the Hugoniot properties were measured under a planar shock wave by using a gas-gun. The multiple target was specially designed to hold 3 specimens. From the SHPB compression tests a particular behavior was observed during the dynamic compaction, wherein two phases were identified but the effects were not well recognized.
Este trabalho teve principal objetivo estudar o comportamento dinâmico do sistema WC-Ni, Ni = 9%pd, sob a forma de pó. Para taxas médias de deformação utilizou-se a técnica experimental Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB). Os resultados obtidos, no que concerne os estados de tensão e de deformação, assim como a velocidade do som no pó durante a ação de uma carga dinâmica, foram conseguidos por modificação da conceção da SHPB. Após colocação da amostra em pó num tubo, este foi comprimido por ação das barras de Hopkinson. Conseguiu obter-se a tensão e a deformação axial na amostra WC-9Ni. Foi ainda necessário colocar um extensómetro na direção circunferencial do tubo contendo o material de forma a estimar-se o valor de tensão radial na amostra. Para taxas elevadas de deformação, as propriedades de Hugoniot do material em pó foram avaliadas por onda de choque plana utilizando um canhão de gás. Para tal projetou-se uma configuração de alvos múltiplos de modo a conter três grupos de amostras. A partir dos ensaios de compressão SHPB observou-se um comportamento dinâmico particular do sistema WC-9Ni, tendo sido identificadas duas fases. As causas para tal comportamento permanecem por esclarecer.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia
Há muitas empresas que têm necessidades de armazenamento em estaleiros abertos de materiais granulares em pilhas. Tal facto leva a que esses materiais estejam sujeitos à erosão provocada pelo vento, o que implica que eles possam contaminar o ar, criando-se problemas económicos, ambientais e de saúde para as populações. O formato da pilha em estudo nesta dissertação é o oblongo. As dimensões do modelo são 74 mm de altura, 635 mm de comprimento e 226 mm de largura. Fizeram-se ensaios de erosão em túnel de vento, uma vez que existem poucos estudos experimentais da erosão de pilhas com este formato. Assim, mostram-se os resultados experimentais da erosão provocada pelo vento, que vai deformar a pilha, bem como da taxa de erosão da pilha. Estes resultados são apresentados para vários instantes de tempo de erosão. São usadas duas velocidades de escoamento incidente nestes ensaios: 9.08 e 9.90 m/s. A medição da erosão provocada na pilha é feita usando duas grelhas de medição distintas: uma mais refinada e outra mais grosseira. Verificou-se que não havia diferença, a nível qualitativo na taxa de erosão nem na medição da deformação da pilha, entre a grelha de medição grosseira e a refinada.São usadas duas direções de escoamento incidente: perpendicular à pilha e formando um ângulo de 60º com a pilha. Observa-se que a erosão da pilha é simétrica, para o caso do escoamento incidente ser perpendicular à pilha e que a taxa de erosão da pilha é maior para a velocidade mais elevada. Para além disso, a rotação da pilha tende a reduzir a sua deformação, sendo este efeito mais notório para a velocidade de escoamento incidente de 9.08 m/s.
There are many industries who has needs of storage in open yards of granular materials in stockpiles. This fact leads to these materials will be potentially subject to erosion provoked by the wind, what will lead those materials to contaminate the air, creating economic, environment and health problems for the populations.The pile shape in study of this dissertation is the oblong. The dimensions of the model are 74 mm of height, 635 mm of length and 226 mm of width. Erosion tests in wind tunnel have been done, because there are few experimental studies of erosion of piles with this shape. Thus, wind erosion experimental results are shown, illustrating deformation of the pile, as well as the erosion rate. These results are shown for several instants of erosion. Two wind flow speeds are used in these experiments: 9.08 and 9.90 m/s. The erosion rate of the pile is computed for two distinct grids of measurement: one refined and the other coarser. It was found that there was no qualitative difference in erosion rate of the pile nor in his deformation, between the coarser grid measurement and the refined.Two wind flow directions are used: perpendicular to the pile and doing an angle of 60º with it. It was found that there was no qualitative difference in erosion rate of the pile nor in his deformation, between the coarser grid measurement and the more refined. It is observed that the erosion of the pile is symmetrical, for the case of wind flow perpendicular to the pile and the erosion rate of the pile is greater for the higher wind speed. Furthermore, the wind direction tend to reduce his deformation, being this effect more notorious for the wind flow speed of 9.08 m/s.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica
Os equipamentos de proteção individual (EPI’s) apresentam elevada importância na segurança do trabalhador. O calçado de segurança apresenta-se como o equipamento de proteção individual que tem o intuito de proteger os pés. O calçado de segurança compreende dois componentes, a biqueira e a palmilha, que apresentam elevada importância para a boa funcionalidade deste equipamento. Como a biqueira contribui com 35% do peso final do calçado de segurança, é de extrema importância tentar reduzir o peso deste componente, de modo a melhorar as condições de trabalho do utilizador. O peso da biqueira é dependente do tipo de material utilizado para a sua fabricação, que atualmente pode ser feita com materiais metálicos e não metálicos. Os materiais metálicos utilizados mais usualmente são o aço e as ligas de alumínio e o não metálico é o material compósito. O presente estudo pretendeu avaliar numericamente o efeito do impacto numa biqueira, tentando encontrar alternativas que pudessem melhorar a capacidade de absorção de energia de impacto. Foi avaliado o comportamento elasto-plástico da biqueira através do software Ansys Workbench na sua componente de estudos dinâmicos explícitos, de forma a propor alterações geométricas que melhorem o desempenho do componente selecionado. Inicialmente foi proposto um aumento da espessura na zona superior, designada reforço da biqueira, posteriormente foi proposto um aumento da espessura por toda a biqueira e finalmente, após alguns resultados surgiu uma terceira proposta, onde não só foi aumentada a espessura no local dos reforços, como também foi efetuado um aumento de uma zona especifica.
Personal protective equipment (PPE) has high importance on worker safety. The safety shoes are presented as the personal protective equipment which is intended to protect the feet. The safety shoes comprise two components, the toecap and insole, which have great importance for the proper functionality of this equipment. As the toe contributes 35% of the final weight of the safety shoes is extremely important to try to reduce the weight of this component in order to improve user's working conditions. The weight of the toecap is dependent on the type of material used for its manufacture, which can now be made with metallic and non-metallic materials. The most commonly used metallic materials are steel and aluminum alloys, and non metallic it is the composite material. This study aims to numerically evaluate the effect of impact on a toecap, trying to find alternatives that could improve the ability to impact energy absorption. The elastic-plastic the toecap behavior was evaluated using the Ansys Workbench software component in their explicit dynamic studies in order to propose geometric changes that improve the performance of the selected component. Initially, it was proposed to increase the thickness in the upper region, referred to reinforcing the toecap, and later it proposed an increase in thickness throughout the toecap, and finally, after some results came a third proposal, where the thickness was not only increased in the zone of the reinforcements, as has also made an increase of a specific zone.

Dissertação de Mestrado em Mestrado em Engenharia Mecânica apresentada à Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro
Neste trabalho foram identificadas propriedades elásticas da madeira da espécie Pinus pinaster Ait., em ensaios a elevadas taxas de deformação, utilizando o método dos campos virtuais. Nesse sentido foi usado um ensaio inercial de impacto. Experimentalmente, recorrendo a uma câmara digital ultra rápida, foram registadas imagens da deformação do provete em diversos instantes do ensaio dinâmico. Estas imagens foram posteriormente processadas pelo método das grelhas, de forma a obter dados quantitativos sobre os deslocamentos na superfície do provete em estudo. As deformações foram obtidas a partir de uma derivação espacial dos deslocamentos e as acelerações a partir de uma derivação temporal, de segunda ordem, dos deslocamentos. Com a utilização do método dos campos virtuais, foi possível identificar os parâmetros constitutivos do material, sem a necessidade de medição de forças externas aplicadas, utilizando a aceleração como célula de carga, tomando assim partido das forças inerciais, não desprezáveis, que estão presentes nos ensaios dinâmicos, ao contrário do que acontece em ensaios estáticos ou quase-estáticos. A metodologia foi validada com dados provenientes de simulações numéricas num material isotrópico e ortotrópico. No modelo isotrópico foi possível identificar todos os parâmetros constitutivos do material, numa pequena amplitude de erro. Por outro lado, no modelo ortotrópico, devido à maior complexidade, foi apenas possível obter um dos parâmetros constitutivos do material. Uma das possíveis causas baseia-se na falta de heterogeneidade e complexidade da configuração de ensaio utilizada na simulação, não conseguindo registar, por exemplo, o comportamento do material ao corte. Para melhorar os resultados obtidos, seria necessário modificar a configuração do ensaio utilizada, como por exemplo, utilizando ensaios fora dos eixos de simetria do material, possuindo assim uma maior heterogeneidade na resposta mecânica do material. Experimentalmente, foram realizados ensaios de impacto em provetes de madeira com duas orientações distintas: plano RT (Radial-Tangencial) e TR (Tangencial-Radial). Os dados experimentais foram utilizados para a identificação das propriedades do material em estudo. Numa primeira aproximação, foi utilizado um modelo isotrópico do método dos campos virtuais, uma vez que estes planos de orientação apresentam um baixo rácio de ortotropia. Os parâmetros identificados vão ao encontro de valores de referência para a espécie em estudo. No plano RT, o módulo de Young para condições dinâmicas foi em média superior em 5 % em relação ao valor homólogo quase-estático, enquanto que o coeficiente de Poisson foi inferior em 16 %. No plano TR, o módulo de Young em carregamento dinâmico foi em média inferior em 11 % relativamente a condições quase-estático, enquanto que o coeficiente de Poisson foi inferior em 37 %. Dada a variabilidade natural da madeira, estas percentagens não permitem, contudo, definir uma clara variação destes parâmetros elásticos do regime quase-estático para as condições dinâmicas. A sensibilidade do material ao efeito da taxa de deformação, a par de alguns materiais compósitos, poder-se-á notar mais ao nível do comportamento não linear e da tensão de rotura, cujos efeitos se poderão estudar em trabalho futuro.
In this work, elastic properties of Pinus pinaster Ait. wood were identified at high strain rate regimes using the virtual field method (VFM). The proposed approach is based on an inertial impact test coupled with an ultra high speed digital camera. The grid method was used for assessing the deformation of the specimens during the impacted loading. The displacement field was measured by processing the crossed grid images using a phase evaluation algorithm. On the one hand, the strain field was obtained from the spatial derivation of the displacement fields. On the other hand, the acceleration fields were reconstructed from a second order temporal derivative of the displacements. By means of the VFM, it was possible to identify the constitutive parameters of the material without the need to measure external forces, by using the acceleration as the load cell. This approach takes advantage of the non-negligible inertial forces that are present in the dynamic loading, contrasting with quasi-static testing. The methodology was firstly validated from numerical simulations in an isotropic and orthotropic material using the Explicit Dynamic module of ANSYS WORKBENCH. In the isotropic model it was possible to identify all the constitutive parameters of the material, although variable with the instant of time of the test duration. Secondly, an orthotropic model describing the macroscopic behaviour of wood in the longitudinal-radial plane was considered. In this configuration, however, only the Young modulus EL could be identified. One of the possible reasons can be based on the lack of heterogeneity and complexity of the test configuration used in the simulation, failing to record, for example, the shear behaviour of the orthotropic material. To improve the identifiability, it would be necessary to modify the test configuration, for example, using off-axis specimens, enhancing the complexity and heterogeneity of the mechanical response of the material. Experimentally, impact tests were carried out on wooden specimens with two different orientations: RT (Radial-Tangential) and TR (Tangential-Radial). The experimental data were used to identify the properties of the material. In a first approximation, an isotropic model of the VFM was used, since the anisotropic ratio of the material in the transverse plane is low (about 1.9). The identified parameters were in agreement with reference values for the species under study. In the RT plane, the Young modulus under dynamic conditions was in average 5% higher than the quasi-static counterpart, whereas the Poisson’s ratio was 16% less. In the TR plane, the Young Modulus in dynamic loading was on average 11% lower than quasi-static conditions, whereas the Poisson’s coefficient was 37% lower. Given the natural variability of wood, these percentages do not allow a clear statement about the variability of these elastic parameters from quasi-static to high strain rate regimes. The sensitivity of the material to strain rate effects, along with some composite materials, may be more noticeable in the nonlinear behaviour and on the tensile strength. These effects should be studied in future work.

Nos dias de hoje, para a realização de qualquer projeto, é necessário fazer uma rigorosa escolha dos materiais que são utilizados, e para tal é preciso saber como é que estes se comportam perante os vários fatores presentes. Muitas das vezes estes comportamentos são estudados através de ensaios destrutivos com taxas de deformação elevadas, tal como é o caso do sistema de uma Barra de Pressão de Hopkinson. Este trabalho tem como objetivo a criação de um projeto de uma Barra de Pressão de Hopkinson para ser construída no laboratório do Departamento de Ciências e Tecnologia da Escola Naval, para que no futuro os Cadetes da Classe de Engenharia Naval do Ramo Mecânica possam realizar ensaios, e estudar os comportamentos dos materiais perante taxas de deformação elevadas. Nesta Dissertação está explicada toda a teoria que está por trás do sistema de uma Barra de Pressão de Hopkinson, e todos os passos que foram tomados para a criação do projeto, para simplificar da melhor forma possível toda a física que está por trás deste sistema, com o intuito de facilitar a leitura.
Nowadays, for the realization of any project it’s necessary to make an accurate choice of the materials that are going to be used, and for that you need to know how they behave before the various factors present. These behaviors are usually studied in destructive tests at high strain rate, such as the system of the Split Hopkinson Pressure Bar. This works aims to create a design of a Split Hopkinson Pressure Bar to be built in the laboratory of the Department of Science and Technology of the Portuguese Naval Academy, so that the future Cadets of the Naval Engineering Class of the Mechanical Branch can perform tests and study the behavior of the material in high strain rates. In this Dissertation is explained the whole theory behind the system of a Split Hopkinson Pressure Bar and all the steps that were taken to the creation of design, in order to simplify the best possible way, all physics that is behind this system, in order to facilitate the reading