[pt] Este trabalho de tese faz parte de um estudo de desenvolvimento de aço API X80 e o objetivo deste trabalho foi avaliar o crescimento estável de uma trinca superficial localizada na zona termicamente afetada (ZTA) da junta longitudinal obtida pelo processo de arco submerso. Foram estudados dois aços API 5L X80 pertencentes aos sistemas NbCr e NbCrMo. Considerando que dutos operam sob altas pressões, gerando um estado de tensão severo sob um defeito ou trinca presente no material pode ocorrer falha da estrutura. Deste modo, torna-se necessário estudar a natureza destas trincas e o potencial de crescimento, permitindo assim controlar e prever o crescimento estável da trinca. Para avaliar o comportamento da trinca, foi utilizada a metodologia de integral J. Esta metodologia objetiva avaliar e prever o comportamento à fratura. Os resultados esperados no ensaio de integral J é a obtenção da curva de resistência J-R e o valor do JIc, que representa o valor de J no início do crescimento estável de trinca. / [en] This work of thesis is part of a study of steel development API X80 and the objective of this work was to evaluate superficial the steady growth of one crack located in the heat affected zone (HAZ) of together the longitudinal one gotten by the process of submerged arc. Two pertaining steel API had been studied 5L X80 to the systems NbCr and NbCrMo. Considering that pipes operate under high pressures, generating a severe state of tension under a present defect or crack in the material imperfection of the structure can occur. In this way, one becomes necessary to study the nature of these cracks and the potential of growth, being thus allowed to control and to foresee the steady growth of crack. To evaluate the behavior of crack, the methodology of integral J was used. This objective methodology to evaluate and to foresee the behavior to the breaking. The results waited in the assay of integral J are the attainment of the curve of resistance J-R and the value of the JIc, which represents the value of J in the beginning of the steady growth of crack.

[pt] Este trabalho teve como objetivo o estudo do comportamento à fratura do aço estrutural DIN 42CrMo4 através da determinação experimental de curvas de resistência (curvas R) à propagação estável de trincas. Inicialmente, conduziram-se ensaios de tração para a determinação das propriedades mecânicas do material. Os ensaios de tenacidade à fratura foram realizados em espécimes do tipo SE(B) entalhados, submetidos à flexão e com 3 geometrias distintas. Os corpos de prova foram pré-trincados por fadiga de maneira a atender a relação a/W equivalente a 0,5. Nos ensaios de propagação de trinca, adotou-se a técnica de corpo de prova único com a utilização do método das descargas parciais (Unloading Compliance Method) para a obtenção das curvas carga (P) versus deslocamento da boca do entalhe (CMOD - Crack Mouth Opening Displacement). A cada ponto de descarregamento, relacionando a inclinação da linha de carga com as medidas da flexibilidade elástica do corpo de prova, pôde-se calcular o comprimento da trinca e, consequentemente, valores do parâmetro elasto-plástico J. Em sequência, com base nos valores de J e propagação de trinca, foram levantadas as curvas R do material. Os resultados experimentais mostraram que a geometria dos corpos de prova influenciou a estabilidade da propagação das trincas durante o ensaio, sendo possível a obtenção de curvas R somente para os corpos de prova com geometria mais robusta. Além disso, percebeu-se que os valores de propagação de trinca calculados pelo método Compliance foram superestimados. / [en] This work aimed the study of the fracture behavior of the structural steel DIN 42CrMo4 through the experimental determination of resistance curves (R curves) to the stable spread of cracks. Traction tests were initially conducted to determine the mechanical properties of the material. The fracture tenacity tests were carried out in specimens of the type SE(B) notched, subjected to flexion and with 3 distinct geometries. The samples were precracked by fatigue in order to meet the a/W ratio equivalent to 0.5. In the crack propagation tests, the single specimen technique was adopted with the use of the partial discharge method for obtaining the curves load (P) versus displacement of the notch mouth (CMODCrack mouth Opening Displacement). At each point of unloading, relating the inclination of the load line with the measurements of the elastic flexibility of the sample, it was possible to calculate the length of the crack and consequently the values of the elasto-plastic parameter J. In sequence, based in the values of J and crack propagation, the R curves of the material were raised. The experimental results showed that the geometry of the specimens influenced the stability of crack propagation during the test, and it was possible to obtain R curves only for the most robust specimens. In addition, it was noticed that the crack propagation values calculated by the compliance method were overestimated.

[pt] Como proposto até agora na literatura técnica, a modelagem de trincas pelo método dos elementos de contorno é melhor executada recorrendo a uma solução fundamental hiper-singular – na chamada formulação dual –, uma vez que somente com a solução fundamental singular, as questões topológicas resultantes não são abordadas adequadamente. Uma abordagem mais natural pode contar com a representação direta da singularidade da ponta da trinca, como já proposto no âmbito do método híbrido dos elementos de contorno – com a implementação de funções de tensão generalizadas de Westergaard. Por outro lado, avaliações matemáticas recentes indicam que a formulação convencional dos elementos de contorno – com base na solução fundamental de Kelvin – é capaz de representar precisamente altos gradientes de tensão e lidar com topologias extremamente complicadas, desde que as integrações numéricas sejam resolvidas adequadamente. Propomos neste trabalho que, independentemente da configuração, uma estrutura trincada seja representada geometricamente como apareceria em experimentos de laboratório, com abertura de trinca na faixa de micrômetros (O alcance dos nanômetros é matematicamente viável na presente formulação, mas não é realista em termos de mecânica do contínuo). Devido ao esquema de integração numérica recém-desenvolvido, é possível obter uma avaliação da precisão de máquina de todas as grandezas e resultados de tensões consistentemente avaliados em pontos internos tão próximos da ponta da trinca quanto se queira. É importante ressaltar que não são introduzidas questões topológicas artificiais, o condicionamento da álgebra linear é mantido sob controle e é sempre possível obter uma convergência dos resultados tão alta quanto se queira. Os desenvolvimentos atuais se aplicam a problemas bidimensionais. Algumas ilustrações numéricas mostram que resultados altamente precisos são obtidos para trincas representadas com apenas alguns elementos de contorno quadráticos, geralmente curvos – e alguns pontos de integração de Gauss-Legendre por elemento – e que a avaliação numérica da integral J acaba sendo simples (embora não computacionalmente barato) e, na verdade, o meio mais confiável de obter fatores de intensidade de tensões. / [en] As hitherto proposed in the technical literature, the boundary element modelling of cracks is best carried out resorting to a hypersingular fundamental solution – in the frame of the so-called dual formulation –, since with the singular fundamental solution alone the ensuing topological issues would not be adequately tackled. A more natural approach might rely on the direct representation of the crack tip singularity, as already proposed in the frame of the hybrid boundary element method – with implementation of generalized Westergaard stress functions. On the other hand, recent mathematical assessments indicate that the conventional boundary element formulation – based on Kelvin’s fundamental solution – is in fact able to precisely represent high stress gradients and deal with extremely convoluted topologies provided only that the numerical integrations be properly resolved. We propose in this work that independently of configuration a cracked structure be geometrically represented as it would appear in laboratory experiments, with crack openings in the range of micrometers. (The nanometer range is actually mathematically feasible in the present formulation but not realistic in terms of continuum mechanics.) Owing to the newly developed numerical integration scheme, machine precision evaluation of all quantities may be achieved and stress results consistently evaluated at interior points arbitrarily close to crack tips. Importantly, no artificial topological issues are introduced, linear algebra conditioning is well kept under control and arbitrarily high convergence of results is always attainable. The present developments apply to two-dimensional problems. Some numerical illustrations show that highly accurate results are obtained for cracks represented with just a few quadratic, generally curved, boundary elements – and a few Gauss-Legendre integration points per element – and that the numerical evaluation of the J-integral turns out to be straightforward (although not computationally cheap) and actually the most reliable means of obtaining stress intensity factors.

[pt] O uso de todos os tipos de amianto na construção civil tem diminuído drasticamente devido a problemas sérios de saúde associados a sua manipulação. De fato é previsto banir totalmente o seu uso, dentro de um curto espaço de tempo, nos países desenvolvidos bem como nos em desenvolvimento. Na necessidade de se encontrar um substituto adequado para o amianto, tem-se pesquisado compósitos de argamassa reforçada com fibras vegetais e polpas celulósicas. Devido ao processo de polpação, que remove as impurezas não celulósicas, como a lignina e a hemicelulose, diminuindo o ataque às fibras, sem a necessidade de recorrer a modificações na matriz cimentícia, as polpas celulósicas podem ser o substituto ideal para o amianto. Assim sendo, o principal objetivo desta dissertação é determinar experimentalmente as características mecânicas e os parâmetros de fratura de compósitos de matriz cimentícia reforçada por polpa de bambu refinada e sem refino. As polpas celulósicas foram utilizadas nas porcentagens de 8 e 14 por cento em relação à massa do cimento, porcentagens estas que, conforme a literatura, são associadas à otimização da energia absorvida no ensaio de flexão. A avaliação do comportamento mecânico dos compósitos considerados neste trabalho foi realizada através de ensaios de compressão e impacto, bem como de flexão em três pontos em espécimes não entalhados e em outros contendo entalhes de raios de curvatura diferentes. Propriedades mecânicas, tais como módulo de elasticidade, resistência à compressão, ao impacto e à flexão, bem como integral J na carga máxima, são apresentadas e discutidas em termos de aspectos microestruturais e fractográficos dos corpos de prova ensaiados. / [en] As handling and manipulation of asbestos pose grave health hazards, its use in civil construction has been drastically dwindling and will in fact be completely prohibited, in a few years, in developed countries. With the need arising to find an adequate substitute, vegetable fibers and cellulosic pulps have been considered to be viable alternatives. Taking into account the fact that the process for pulp production entails the removal of impurities, such as lignin and hemicellulose, cellulosic pulps seem to be the ideal substitute to asbestos, as their use does not necessitate modifications in the cementitious matrix. Accordingly, the purpose of this work is to experimentally determine basic mechanical characteristics and pertinent fracture parameters of bamboo pulp reinforced cement. Refined and non-refined pulps were used in the proportions of 8 and 14 percent of the weight of dry cement. These percentages were adopted as they imply, according to literature, in optimizing the energy absorbed by the composite in bend loading. Evaluation of the mechanical behavior of the composites considered in this work was realized by means of compression and impact testing. Three point bend tests were also carried out using unnotched as well as notched specimens of different notch root radii. Mechanical properties such as modulus of elasticity, compressive, impact and bend strengths, and J integral at maximum load are presented and discussed in terms of pertinent microstructural and fractographic aspects of test specimens.

[pt] O estudo da resistência à fratura dos materiais é de grande importância para desenvolvimentos de projetos, seleção de materiais e avaliação do comportamento dos materiais perante a presença de um defeito no componente. Há inúmeras normas que envolvem geometrias padronizadas para determinação desta propriedade mecânica, no entanto nem todo componente em serviço possui as mesmas condições encontradas nas geometrias padronizadas, como é o caso de materiais dúcteis empregados em estruturas com espessuras de paredes finas e elevada pressão interna. Nesta dissertação foram estudados dois materiais com diferentes limites de escoamento confeccionados conforme geometria tipo SEN(T) de fixação por garras, a qual não é padronizada pela ASTM. Com isso, foi realizada uma pesquisa com o emprego desta geometria com variação de 0,2 a 0,8 da relação entre a dimensão idealizada inicialmente para a trinca e a largura do corpo de prova, e entalhes laterais com redução de 20 porcento foram confeccionados nos corpos de prova do material mais dúctil. Após, foi realizada a pré-trinca de fadiga e iniciado o ensaio de tenacidade à fratura. Este último foi desenvolvido adotando o método compliance, o qual permite que com apenas um corpo de prova seja realizado descarregamentos parciais permitindo assim a determinação de J e incremento de trinca em cada posição, possibilitando plotar a curva-R Os resultados obtidos determinaram que mesmo com a/W diferente daqueles indicados por norma para levantamento da curva-R, é possível obter uma curva-R para a/W=0,2. Existe uma limitação em aplicar a geometria SEN(T) que não possuem extensa ductilidade. / [en] The study of resistance to fracture of the materials is very important for developing new projects, making materials specifications and also for evaluating materials behaviour under presence of a crack in a component. There are uncountables standards which apply normalized specimens due to determine this mechanical property, however some components in service doesn t act under same conditions as the specimen chosen, for instance ductile materials applied in components with thin thickness and high intern pressure. In this dissertation was studied two diferente of materials with distinct yield limits fabricated according to SEN(T) geometry with clamped fixing, which one is not acceptable by ASTM. Thus, a research has been carried out using this geomerty with a variation of 0,2 to 0,8 of the relation between the idealized initially for the crack and the width of the proof body ratio and side-grooves with 20 percent reducted were made in the specimens with higher ductility. After that, the procedure for doing fatigue pre-crack was initialized, followed by fracture toughness test. This last one was developed adopting the unloading compliance technique, which one allows that more than one aplications of force and displacement can be realized in only one specimen then the value of J and crack extension can be calculated and the R-curve will be plotted. The results obtained showed even with a a/W ratio diferente of those indicated by standards, is possible to constructo a qualified R-curve for a/W=0,2. In additon to the results, there is a limitation in applying a SEN(T) geometry in materials that don t present extensive ductility.

[pt] Corrosão sob tensão (SCC), que consiste na iniciação e propagação de trincas devido ao efeito combinado de tensões mecânicas e o ambiente corrosivo, é um dano potencial para estruturas e componentes. Além do mais, SCC pode ser explicado por diferentes mecanismos dependendo do par material ambiente corrosivo considerado, o que dificulta o uso de um modelo geral para predizer o comportamento de trincas em SCC. Sendo assim, projetos frequentemente utilizam um critério conservativo que desqualifica materiais susceptíveis à SCC sem analisar de maneira apropriada a influência dos campos de tensão que a induzem. O objetivo deste trabalho é avaliar o efeito de tensões elastoplásticas na corrosão sob tensão. Esta abordagem mecânica considera que todos os efeitos corrosivos envolvidos na corrosão sob tensão podem ser apropriadamente quantificados pelas tradicionais resistências do material à iniciação e propagação de trincas para um ambiente corrosivo específico. Corpos de prova de flexão em Alumínio fragilizados por Gálio líquido serão utilizados para prever o efeito de tensões residuais induzidas por deformações plásticas na iniciação de trincas por corrosão sob tensão. Além disso, uma análise quantitativa baseada no comportamento de trincas não propagantes a partir de entalhes será usada para estimar a tensão necessária para iniciar e propagar trincas em corpos de prova entalhados em aço AISI 4140 sujeitos à corrosão por sulfeto de hidrogênio em ambiente aquoso. O comportamento de trincas curtas e a carga máxima suportada pelos corpos de prova entalhados são analisadas considerando campos de tensões lineares elástico e elastoplásticos através do modelo proposto que será validado através de dados experimentais. / [en] Stress Corrosion Cracking (SCC), which consist in the initiation and propagation of cracks due to the combined attack of mechanical stresses and a corrosive environment is a potential danger for structures and components. Moreover, SCC can be explained by different mechanisms depending on the metal environmental pair, what makes difficult to create a generalized analytical approach to predict the crack behavior in SCC. Therefore, projects often use an over-conservative design criteria that disqualify a material susceptible to SCC without properly evaluate the influence of the stress fields that drive them. The aim of this work is to evaluate the effect of elastic-plastic stress in SCC. This mechanical approach assumes that all chemical effects involved in SCC problems can be appositely described and quantified by traditional material resistances to crack initiation and propagation at under specific environment. Aluminum bending specimens in Gallium environment are used to predict the effect of the residual stress induced by plastic deformation in the crack initiation under SCC conditions. Furthermore, a quantitative analysis based on the non-propagating crack behavior departing from notch tips are used to calculate the necessary stress to initiate and propagate SCC in AISI 4140 steel notched specimens under aqueous hydrogen sulfide environment. The non-propagating crack behavior and the maximum load supported by notched specimens are analyzed under linear elastic and elastic-plastic stress field through the proposed model that will be validated by experimental data.