In some applications the stress across the entire cross-section of a component is not uniform but varies with position. For example, maximum shear stress is highest at the inner surface of a thick-walled cylinder subjected to uniform internal pressure and it decreases continuously towards the outer surface. In such applications it would be more appropriate for the component, too, to have varying strength across the cross-section matching with the stress profile it is subjected to. The present work deals with obtaining such a functionally graded material (FGM), characterizing it and testing its mechanical properties in compression. Differential aging heat treatment was used to produce the functionally graded material in a precipitation hardenable Al-4.6%Cu alloy by changing the microstructure. Temperature gradient furnace was used to achieve the gradation in microstructure from one end of the sample to the other end by differential aging of the solution treated sample. Mechanical properties can be varied in any precipitation hardenable alloy by means of producing various precipitates, which will form during the aging sequence. In Al-4.6%Cu alloy one end of the solution treated sample was aged for 38 hours at 170°C and the other end at 70°C by means of a temperature gradient furnace in which the coil density varies along the axis of the furnace. Thus we achieved a difference in mechanical properties from 70°C side to 170°C side as the precipitation during differential aging varied from GP zones at one end to θ' precipitate at the other end. Characterization was done on isothermally aged samples and in FGM using XRD (X-ray diffraction) and TEM (Transmission Electron Microscopy). XRD result showed that the final equilibrium precipitate θ was not formed in any of the heat-treated samples. TEM result showed the various precipitation sequences from GP zones to θ' in the isothermally aged samples and the same was confirmed in the gradient sample by cutting the samples form 70°C side towards the 170°C side and doing TEM on each sample. The properties of FGM in compression were studied using a 9mmx9mmxl8mm-compression sample using DARTEC machine and it was compared with those of isothermally aged samples. For 70°C the 0.2% proof stress was 141MPa and for 170°C it was 226MPa. The corresponding ductility values at the point of inflection on the engineering stress-strain curve for 70°C sample was higher (33%) than the 170°C (22%) sample. For the gradient sample it gave a proof stress of 163MPa and a ductility value of 30%.

Orientador: Eugênio José Zoqui / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-16T15:58:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Proni_CeciliaTerezaWeishaupt_M.pdf: 17001263 bytes, checksum: 25c148a2e84c82f917de77b96b714fb6 (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: A tixoconformação é uma técnica de processamento de materiais no estado semi-sólido que permite a produção de peças com geometrias near net shape com melhores propriedades mecânicas e com razoável redução no custo final de produção, se comparados aos métodos de fundição e conformação plástica tradicionais. Dentro das várias possibilidades de materiais passíveis de trabalho por esta via, as ligas de alumínio são as mais utilizadas, servindo a diversos segmentos industriais. Contudo, o fornecimento de matéria prima próprias ao tixo-processamento está restrito a alguns produtores, justificando a necessidade de aprofundamento e ampliação de conhecimento com respeito às ligas já produzidas por fundição convencional. Este trabalho apresenta um exame da viabilidade de tixoconformação de duas ligas comerciais: AA 2011 e AA 2014. Esta avaliação foi executada em três etapas distintas: 1) análise dos seus constituintes, das temperaturas de fusão e de solidificação, dos microprecipitados existentes e dos tipos de porosidade; 2) reaquecimento de amostras para observar a resposta à globularização em duas temperaturas distintas (duas frações sólidas) e em quatro tempos de espera diferentes, com a posterior análise quantitativa por meio da metalografia; 3) ensaios de viscosidade nas mesmas condições, com posterior análise microestrutural via MEV e EDS das amostras que apresentaram valores de viscosidade muito altos. Os resultados destas avaliações mostraram que estas duas ligas são tixoconformáveis até a temperatura de 610°C, pois apresentaram valores de viscosidade abaixo de 1x106 Pa.s e tensão máxima abaixo de conformação de 1,0 MPa, conforme escolhas adequadas entre tempos de espera e taxa de aquecimento. Porém, também foi constatada a formação de alumina nos poros de algumas amostras após o reaquecimento necessário à tixoconformação, fornecendo um valor mais alto de viscosidade para estas amostras, se em comparação aos valores encontrados em outros ensaios com pouca ou nenhuma formação de alumina. A eliminação de porosidade na matéria prima com a conseqüente minimização do surgimento de alumina viabilizará a tixoconformação de ambas as ligas / Abstract: Thixoforming is a technique for processing materials in the semi-solid state which allows the production of parts near-net-shape geometries, with better mechanical properties and reasonable reduction in the final production cost, compared to traditional casting and plastic forming. Among the various possibilities of materials that can work in this way, aluminium alloys are the most used. However, the world provision of raw material for thixoforming is restricted to few producers, justifying the need for deepening and widening of knowledge with respect to alloys already produced by the conventional casting industries. This dissertation presents an examination of the feasibility of thixoforming of two commercial alloys: AA 2011 and AA 2014. This evaluation was performed in three steps: 1) analysis of their constituents, analysis of melting and solidification temperatures, analysis of the existing micro precipitates and quantity and types of porosity, 2) reheating samples to observe the globularization response to two different temperatures (two solid fractions) and four holding times, with the subsequent quantitative analysis by metallography, 3) tests of the viscosity under the same conditions, with subsequent microstructural analysis by SEM and EDS of the samples that showed very high viscosity values. The results of these evaluations showed that these two alloys are thixoformable up to temperatures of 610°C, since their viscosity values were achieved below than 106 Pa.s, and consequently maximum conformation stress of 1.0 MPa, as appropriate choices between waiting times and heating rate were achieved. However, the formation of alumina in the pores of some samples after the necessary reheating to previous to thixoforming, provide a higher value of viscosity, when compared to values found in other trials with little or no alumina. The elimination of porosity in the raw material, with the consequent minimizing the appearance of alumina will make possible the thixoforming of both alloys / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Amauri Garcia / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-04T03:07:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rosa_DanielMonteiro_M.pdf: 7995773 bytes, checksum: 8859b8e785820d46c1b77212d7acaa31 (MD5) Previous issue date: 2004 / Resumo: Os espaçamentos dendríticos são parâmetros microestruturais importantes, resultantes do processo de solidificação. Eles afetam os perfis de microssegregação e governam a formação de segundas fases na região interdendrítica, influenciando, conseqüentemente, as propriedades mecânicas do material. Poucos estudos têm analisado os efeitos da convecção no líquido interdendrítico, bem como a influência da direção de crescimento em relação à gravidade nos espaçamentos dendríticos. Neste trabalho, foi utilizado um dispositivo de solidificação unidirecional vertical descendente, constituído por uma lingoteira de aço inox com diâmetro interno de 56mm, 150mm de comprimento e 10mm de espessura. Na parte superior, foi posicionada uma câmara de refrigeração a água do mesmo material do molde e com espessura útil de 3,0 mm. Após a obtenção dos lingotes e registrados os respectivos perfis térmicos experimentais, foram determinadas as variáveis térmicas de solidificação: coeficiente de transferência de calor metal/molde, velocidades de deslocamento da isoterma liquidus, gradientes térmicos, tempos locais de solidificação e taxas de resfriamento para a solidificação unidirecional descendente de ligas hipoeutéticas do sistema Al-Cu (Al3%Cu, Al5%Cu e Al8%Cu). Estas variáveis térmicas foram confrontadas com as previsões teóricas de um modelo numérico de solidificação e em seguida correlacionadas com os parâmetros microestruturais experimentais (espaçamentos dendríticos primários e secundários). Dessa forma, foram determinadas equações experimentais de crescimento para a solidificação descendente. As previsões teóricas de modelos de crescimento dendrítico representativos da literatura foram conftontadas com os resultados experimentais. Realizou-se também uma análise comparativa destes espaçamentos dendríticos com resultados obtidos para solidificação vertical ascendente de ligas de mesma composição / Abstract: The dendritic spacings are important microstructural parameters, involved in solidification processes. They can affect not only microsegregation profiles but also the formation of secondary phases within interdendritic regions, which influences mechanical properties of cast structures. A small number of studies have been carried out in order to analyze the effects of melt convection within the interdendritic region or to verify the influence of growth direction on dendritic arm spacings. In this work, an experimental set-up of downward solidification with a stainless steel mold, having an internal diameter of 56mm, height 150mm and wall thickness of 10mm, was used. The upper part of the split mold was closed with a water-cooling chamber made of stainless steel, with a wall thickness of 3 mm. Besides, a combined theoretical and experimental approach is developed to quantitatively determine solidification thermal variables such as: transient metallmold heat transfer coefficient, tip growth rate, thermal gradient, tip cooling rate and local solidification time during downward transient solidification of hypoeutectic AI-Cu alloys solidified downwards (Al-3wt%Cu, Al-5wt%Cu and Al-8wt%Cu). These solidification thermal variables are correlated with dendritic spacings (primary and secondary spacings), which have been measured along cross and longitudinal sections of ingots solidified under downward transient heat flow conditions. Predictive theoretical models for dendritic spacings have been compared with experimental observations. A comparison between upward and downward unsteady-state results for dendritic spacings has also been conducted. / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Rezende Gomes dos Santos / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-09T22:01:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Eid_MarcoAntonio_M.pdf: 19245694 bytes, checksum: b272ecb88a2fa2a6affcf2a60d7e8d47 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Apesar da importância tecnológica da solidificação de ligas metálicas sob fluxo de calor radial, relativamente poucos estudos estão sendo feitos nessa área. Neste trabalho, a solidificação da liga Al 4,5%Cu em molde de aço radial cilíndrico é analisada e comparada com a solidificação direcional em molde resfriado.Inicialmente a variação de temperatura em diferentes posições no metal e no molde foi medida durante a solidificação usando um sistema de aquisição de dados. Essas variações de temperatura foram introduzidas em um método numérico para determinar a variação do coeficiente de transferência de calor na interface metal/molde pelo método inverso. Os resultados para a solidificação unidirecional e radial foram comparados mostrando que o coeficiente de transferência de calor para o fluxo de calor radial é menor. A variação dos espaçamentos dendritos secundários foram medidos através de um microscópio óptico. Comparações entre os resultados mostraram maiores espaçamentos para fluxo de calor radial. Comparações entre variações e temperaturas calculadas numéricas e experimentalmente comprovaram que o método numérico descreve satisfatoriamente o processo de solidificação radial / Abstract: In spite of technological importance of solidification of metallic alloys under radial heat flow, relatively few studies have been carried out in this area. In this work the solidification of Al 4.5 wt% Cu cylinders against a steel massive mold is analyzed and compared with unidirectional solidification against a cooled mold. Initially temperature variations at different positions in the casting and in the mold were measured during solidification using a data acquisition system. These temperature variations were introduced in a numerical method in order to determine the variation of heat transfer coefficient at metal/mold interface by inverse method. The results for unidirectional and radial solidification were compared showing that the heat transfer coefficient is smaller for radial heat flux. The primary and secondary dendrite arm spacing variations were measured through optical microscopy. Experimental results for temperature variations were applied to estimate thermal parameters of the solidification process. Comparisons carried out between experimental and numerical data showed that the numerical method describes well the solidification processes under radial heat flux / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Doutor em Engenharia Mecânica

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