As ligas de alumínio são aplicadas em cerca de 70% dos componentes estruturais dos aviões e o processo de fadiga e o modo de falha predominante em estruturas aeronáuticas, para a maioria das quais a presença de concentradores de tensão e inevitável. O comportamento em fadiga e as propriedades mecânicas das ligas de alumínio endurecíveis por precipitação são fortemente influenciadas por parâmetros como tamanho, espaçamento e densidade dos precipitados endurecedores. Neste contexto, pesquisas anteriores tem mostrado que o envelhecimento interrompido (T6I4) pode proporcionar melhores combinações de propriedades mecânicas para estas ligas. O presente trabalho tem como objetivo o estudo das propriedades mecânicas e do comportamento em fadiga de alto ciclo das ligas de alumínio AA6351 e AA7050 nas condições de tratamento térmico convencionais (T6 e T7451, respectivamente) e na condição T6I4, bem como da influência das características microestruturais e do tratamento térmico sobre estas propriedades. Dentro deste contexto, analises de Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET) da liga AA6351 mostraram que a condição T6I4 resultou em uma maior densidade de precipitados endurecedores com tamanho heterogêneo, quando comparada com a condição T6. Para esta liga, a condição T6I4 também resultou em menores valores de tensão limite de escoamento, resistência a tração, resistência a fadiga e sensibilidade ao entalhe, com maior ductilidade e tenacidade. Para a liga AA7050, as análises de MET mostraram que a condição T6I4 resulta em uma maior densidade de precipitados endurecedores com menor tamanho, promovendo um melhor impedimento ao movimento de discordâncias durante a deformação por fadiga, quando comparada com a condição T7451. Esta alteração microestrutural proporcionou a condição T6I4 valores de resistência ao escoamento e resistência a tração similares a condição T7451, com maior ductilidade e tenacidade. A resistência a fadiga da condição T6I4 foi similar a condição T7451, entretanto o envelhecimento interrompido resultou em um melhor comportamento em sensibilidade ao entalhe. / Aluminum alloys are applied in approximately 70% of the aircraft structural components and the fatigue process is the dominant failure mode in aeronautical structures, for the most of which, the presence of stress concentrators is unavoidable. The fatigue behavior and the mechanical properties of the age hardenable aluminum alloys are strongly influenced by parameters including the size, spacing and density of strengthening precipitates. Within this context, previous researches have shown that the interrupted ageing (T6I4) could provide an improved combination of mechanical properties for these alloys. This work aims to study the mechanical properties and the high cycle fatigue behavior of AA6351 and AA7050 aluminum alloys in the conventional heat treatment conditions (T6 and T7451, respectively) and in the T6I4 condition, as well as the influence of the microstructural characteristics and of the heat treatment on these properties. Within this context, Transmission Electron Microscopy (TEM) analyzes of the AA6351 alloy showed that T6I4 condition resulted in higher density of hardening precipitates with heterogeneous size compared to T6 condition. For this alloy, the T6I4 condition resulted in lower values of yield stress, ultimate tensile strength, fatigue strength and notch sensitivity, with higher ductility and toughness. For the AA7050 alloy, TEM analyses showed that T6I4 condition presented a higher density of strengthening precipitates with smaller size promoting an improved dislocation pinning effect during the fatigue deformation compared to T7451 condition. This microstructural change provided to T6I4 condition yield stress and ultimate tensile strength similar to T7451, with higher ductility and toughness. The fatigue strength of T6I4 condition was also similar to T7451, however the interrupted ageing provided a better notch sensitivity behavior.

O uso das ligas de alumínio em aplicações estruturais tem crescido consideravelmente nas últimas décadas. Nos transportes, a baixa massa específica do alumínio resulta em uma alta razão resistência/ peso, favorecendo a fabricação de aviões, trens e automóveis. Com a crescente preocupação em reduzir a emissão de gases poluentes, vem tornando-se promissora a alternativa de reduzir o peso dos veículos substituindo peças convencionalmente produzidas com outros materiais por peças de alumínio. As ligas tratáveis termicamente da série 6xxx são frequentemente escolhidas para estas aplicações. Assim, para que o emprego dessas ligas seja otimizado, é importante um estudo mais detalhado de suas propriedades mecânicas, principalmente sob solicitações cíclicas. Neste trabalho foram estudadas ligas de Al-Si-Mg que são amplamente utilizadas nas indústrias automotivas, em especial na fabricação de componentes de carroçarias para caminhões e ônibus. Foi realizado o estudo do comportamento em fadiga de baixo ciclo e fadiga multiaxial das ligas AA6005 T6, AA6063 T6 e AA6351 T6, fornecidas pela CBA (Companhia Brasileira de Alumínio) visando caracterizar e comparar essas ligas em sua microestrutura, propriedades de tração e fadiga. As propriedades básicas de fadiga foram determinadas por meio do método ε-N (fadiga de baixo ciclo) e os ensaios foram realizados com controle de deformação total, onda triangular e taxa de deformação 0,005 seg-1. As análises dos laços de histerese elasto-plástica permitiram inferir sobre aspectos microestruturais relacionados às propriedades mecânicas das ligas estudadas. O comportamento em fadiga multiaxial foi avaliado por meio de carregamentos combinados axial-torcional em fase e fora de fase. Para ajustar os dados experimentais obtidos, foram testados alguns dos modelos encontrados na literatura. Os cálculos baseados no modelo de plano crítico, proposto por Fatemi e Socie, apresentaram resultados satisfatórios. Também foram realizadas análises microestruturais e fractográficas para as três ligas. As superfícies de fratura dos ensaios de fadiga multiaxial mostraram resultados diferentes de acordo com o carregamento adotado. A avaliação comparativa das três ligas estudadas fornece subsídios para fundamentar a seleção de materiais para a fabricação de componentes estruturais para o setor automotivo. / The use of aluminum alloys in structural applications has grown considerably in recent decades. In transportation, the low density of aluminum results in a high strength-to weight ratio, proving attractive for production of aircrafts, trains and automobiles. With a growing concern for the reduction of pollutant gas emissions, aluminum alloys are becoming a promising alternative to diminish vehicle weight through the replacement of conventionally produced parts made from other heavier materials for aluminum parts. The heat treatable alloys from the 6xxx series are often chosen for these applications. Therefore, to optimize the employment of these alloys, a detailed study of their mechanical properties, primary under cyclic solicitations is necessary For the present study Al-Mg-Si alloys were chosen, which are widely used in automotive industries, particularly in the manufacturing of components for trucks and bus bodies. The low-cycle fatigue behavior and multiaxial fatigue of the three following aluminum alloys: AA6005 T6, AA6063 T6 and AA6351 T6, provided by CBA (Brazilian Aluminum Company), were assessed, with the aim of characterizing and comparing these alloys in their microstructure, tensile properties and fatigue. The basic properties of fatigue were studied by ε-N method (low cycle fatigue) and the experiments were performed with total strain control, triangular waveform and with a constant deformation rate of 5.0x10-3 s-1. The analyses of hysteresis loops elasto-plastic provided insight about microstructural aspects, related to mechanical properties of the studied alloys. Multiaxial fatigue behavior was assessed in combined axial-torsion loading in phase and out of phase. To adjust the experimental data, some models found in the literature were tested. Calculations based on critical plane model, proposed by Fatemi Socie, presented satisfactory results. Furthermore, microstructure analyses and fractography were performed for these three alloys. The fracture surface of multiaxial fatigue assays demonstrated different results according to the adopted loading. Comparative evaluation of the three studied alloys provides support for the selection of materials for manufacturing structural components of the automotive sector.

In order to characterize mechanical components used in high responsibility applications, the knowledge of chemical composition and results from regular experiments such as traction, impact and hardness tests is important, but not sufficient. They cannot supply the necessary information that permit anticipating, in a reliable way, the components behavior in actual working conditions. As an example, there are engines cylinder head submitted to mechanical and thermal tensions that are relatively high during the in service use, and very high in same very demanding condition. During long run times and any failure in the cooling and/or lubrication the temperature may reach 300ºC. This temperature variation causes thermal shocks which may generate cracks and/or a wide ranging of plastic deformation in regions close to the pistons. Even not considering the thermal shock effects caused by failure, even so, a short number of start-up and shutdown cycles of engine, are considered the main cause of small cracks. This indicates that the generation of cracks in cylinder head may be considered as low cycle thermomechanical fatigue problem. Another problem is the microstructure heterogeneity in the component due to the casting process, leading to different physical and mechanical properties in the same piece. Besides the presence of porosity generated by gas bubbles and voids of solidification, which may be as great as short crack, reducing the nucleation life and changing the problems focus for the fatigue crack growth. The purpose of this study was to determine the isothermal and thermomechanical fatigue property through low cycle fatigue, as well as the fatigue crack growth, relaxation, microestrutural characterization and modeling of mechanical behavior by finite element for the aluminum alloy employed in the manufacture of engine cylinder head by the national automotive industry. Isothermal fatigue experiments were carried out at temperature of 120ºC and 280ºC and the thermomechanical performed in phase between the temperatures of 120ºC and 280ºC. The relaxation experiments were performed at some temperatures with trapezoidal wave loading, whereas the experiments of fatigue crack growth carried out at temperatures of 120ºC, 200ºC and 280ºC for sine and trapezoidal wave loading in displacement and load control. The microstructure analysis was also made in the specimens after the fatigue test by optical microscopy and scanning electron microscopy SEM. The results of these experiments showed that the casting defects and materials inhomogeneities, coupled long run times in high temperatures and loads, are a critical factor in the component performance. These results help us to establish accurate models for life prediction of the engine cylinder head. / Para caracterizar componentes usados em aplicações de alta responsabilidade não basta apenas conhecer a composição química e os resultados de ensaios de tração, impacto e dureza, pois estes podem não fornecer os subsídios necessários que permitam prever, de maneira confiável, o comportamento dos componentes nas condições reais de trabalho. Exemplo disto são os cabeçotes de motor automotivos, submetidos a tensões térmicas e mecânicas relativamente altas durante seu uso normal e altíssimo em condições extremas. Durante longos tempos de funcionamento e eventuais falhas na refrigeração e ou lubrificação a temperatura pode chegar a valores próximos de 300ºC. Esta variação de temperaturas provoca choques térmicos que podem gerar trincas e/ou uma grande quantidade de deformação plástica em regiões próximas aos pistões. Desconsiderando a presença de choques térmicos provocados por falhas, ainda assim, uma pequena quantidade de ciclos de acionamento e parada do motor, é considerada como os principais causadores de pequenas trincas. Isso indica que o surgimento de trincas em cabeçotes de motor deve ser considerado um problema de fadiga termomecânica de baixo ciclo. Outro problema é a heterogeneidade microestrutural no componente devido ao processo de fundição, levando a propriedades mecânicas e físicas diferentes em uma mesma peça. Além da presença de porosidade gerada por bolhas de gás e vazios de solidificação, que podem adquirir tamanho tal que se aproximem de pequenas trincas, diminuindo a vida para a nucleação e assim mudando o foco do problema para o de propagação de trinca por fadiga. A proposta deste trabalho foi a de determinar as propriedades de fadiga isotérmica e termomecânica através de ensaios de fadiga de baixo ciclo, bem como as propriedades de propagação de trinca por fadiga, relaxação, caracterização microestrutural e modelagem do comportamento mecânico por elementos finitos para a liga de alumínio utilizada na fabricação de cabeçotes de motores automotivos pela indústria nacional. Os ensaios de fadiga isotérmica foram realizados nas temperaturas de 120ºC e 280ºC e os ensaios termomecânicos foram realizados em fase entre as temperaturas de 120ºC e 280ºC. Os ensaios de relaxação foram realizados em várias temperaturas com carregamento de onda trapezoidal, enquanto que os ensaios de propagação de trinca por fadiga foram realizados nas temperaturas de 120ºC, 200ºC e 280ºC para carregamentos de onda senoidal e trapezoidal em controle de carga e de deslocamento. Foi feita também análise microestrutural nos corpos de prova, após os ensaios de fadiga, por microscopia óptica e por microscopia eletrônica de varredura MEV. Os resultados destes ensaios mostraram que os defeitos de fundição e a falta de homogeneidade no material, aliados a longos tempos de exposição a carregamentos e em altas temperaturas, constituem um fator crítico no desempenho do componente. Estes resultados ajudarão a estabelecer modelos precisos de previsão de vida para os cabeçotes de motor.

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No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Ana Paula Jardim Roquete - AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES CAPACITIVAS DE RECOBRIMENTOS DE SOL-GEL APLICADOS SOBRE ALUMÍNIO ANODIZADO (1).pdf: 2361567 bytes, checksum: 81ac2b44fc68ae0dcd2c6e987e3b4598 (MD5) Previous issue date: 2015-03-27 / O desenvolvimento da indústria de eletrônicos junto à miniaturização dos seus dispositivos gera uma demanda de novos sistemas de armazenamento de energia, como os capacitores. Na busca por esses novos sistemas, o estudo de materiais para uso como capacitores tem papel fundamental. O presente trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de um recobrimento com propriedades capacitivas em liga de alumínio, tendo como pré-tratamento o processo de anodização, o qual devido à rugosidade formada sobre a amostra pode auxiliar na aderência do recobrimento. Os recobrimentos foram produzidos a partir do processo sol-gel, o qual forma recobrimentos finos de forma consideravelmente simples e econômica. As amostras de alumínio, obtidas de latas de refrigerante, foram lixadas, para a retirada de seus recobrimentos interno e externo, após passaram por um tratamento superficial, por meio do processo de anodização, o qual foi realizado em três diferentes tempos (15, 20 e 30 minutos). Este tratamento superficial foi avaliado pela técnica de Polarização Potenciostática (PP), indicando as melhores condições de anodização para a deposição de sol-gel. A capacitância para este tratamento superficial foi avaliada por meio de Espectroscopia de Impedância Eletroquímica (EIE) ao longo de um período de seis dias em solução de NaCl 3% p/v em pH 2,7. Ambas as análises identificaram a anodização de 15 min como a melhor condição para a realização do tratamento. Amostras com e sem anodização foram então recobertas por oito composições diferentes de sol-gel, e a partir das avaliações de capacitância de cada recobrimento por EIE foi determinada a melhor composição para a adição de um novo óxido, o óxido de rutênio (RuO2), com o objetivo de aumentar a capacitância do recobrimento. As amostras com a última composição foram avaliadas por EIE, determinando a capacitância do recobrimento, Cronocoulometria, para identificação do comportamento quanto ao carregamento, Difração de Raios-X (DRX) e Microscopia de Força Atômica (MFA), avaliando a superfície das amostras. Obteve-se com as medidas de EIE uma menor capacitância para as amostras recobertas com o último sol-gel em relação às amostras anodizadas, porém por Cronocoulometria foi possível verificar carregamento e descarregamento da superfície, o que indicou um comportamento dielétrico do sol-gel, pois manteve a carga de carregamento após a imposição de um potencial contrário ao aplicado. As análises de DRX e MFA comprovaram a ação da anodização devido à presença de pseudo-boemita e rugosidade da amostra, e a indicação de uma região amorfa para amostras com sol-gel, as quais apresentaram superfícies mais planas. / The development of the electronics industry with the miniaturization of devices creates a demand for new energy storage systems, such as capacitors. In the search for these new systems, the study of materials for use as capacitors has a fundamental role. This work aims at the development of a coating with capacitive properties on aluminum alloy, using as pretreatment the anodizing process, which roughness formed on the sample can assist in coating adhesion. Coatings were produced from the sol-gel process, which forms thin coatings in a simple and economical way. The aluminum samples obtained from soft drinks cans were sanded for the removal of its internal and external coatings after undergone a surface treatment by means of anodizing process, which was conducted at three different times (15, 20, and 30 minutes). This surface treatment was evaluated by the technique of Pontentiostatic Polarization (PP), indicating the best conditions of anodizing process for the deposition of solgel. The capacitance for this surface treatment was assessed using Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) over a period of six days in 3,0 % NaCl solution at pH 2.7. Both analyzes identified the anodizing 15 min as the best condition for the treatment. Samples with and without anodization were then coated with eight different sol-gel compositions, and from the capacitance ratings of each coating was determined by EIA the best composition for adding a new oxide, ruthenium oxide (RuO2), in order to increase the capacitance of the coating. Samples with this final composition was evaluated by EIA, determining the capacitance of the coating, chronocoulometry, to identify the behavior and loading, X-ray Diffraction (XRD) and Atomic Force Microscopy (AFM) evaluating the sample surface. EIS measurements indicating a smaller capacitance for samples coated with the sol-gel in relation to the anodized samples, however chronocoulometry was verified by loading and unloading surface, which indicated a dielectric behavior of the sol-gel, cause it kept the charging load on the establishment of a potential opposite to that applied. The analysis of XRD and AFM confirmed the anodizing action due to the presence of pseudo-boehmite and roughness of the sample, and the appointment of an amorphous region for samples with sol-gel, which had more flat surfaces.

A indústria automotiva tem mostrado um crescente interesse pelas ligas de alumínio, em especial as ligas de alumínio da série 6xxx. Esta classe é amplamente empregada nas áreas de construção e de transporte, devido a sua boa resistência mecânica e excelente resistência à corrosão. No setor automobilístico sempre houve a necessidade de aprimoramento dos estudos do comportamento em fadiga, pois os componentes estruturais são submetidos a carregamentos vibratórios, esforços e tensões cíclicas e, como consequência, podem trincar e finalmente fraturar. A presença de um entalhe geralmente diminui a vida em fadiga, criando regiões de altas tensões triaxiais localizadas que restringem a deformação plástica, fragilizando o material. A resposta mecânica depende das solicitações, microestrutura, componentes da liga e propriedades do material. Neste trabalho foi realizado o estudo do comportamento em fadiga de alto ciclo e da sensibilidade ao entalhe de três ligas de alumínio da série 6xxx destinadas à fabricação de componentes de carroçarias para caminhões e ônibus: AA 6005, AA 6063 e AA 6351, todas na condição T6. As curvas S/N foram obtidas por meio de ensaios de fadiga em flexão rotativa (R = -1). Ensaios com peças entalhadas (Kt ? 3,0) permitiram determinar e comparar o fator de concentração de tensão em fadiga e a sensibilidade ao entalhe das ligas estudadas. Também foi estudada a influência da microestrutura e das partículas intermetálicas sobre as propriedades de fadiga. As superfícies das peças fraturadas foram observadas ao MEV e verificou-se que a maioria dos sítios de nucleação de trincas por fadiga ocorreram próximos a partículas de segunda fase que atuam como concentradores de tensão. / The automotive industry has shown a growing interest in aluminum alloys, particularly the AA 6xxx series. This class of alloys is widely used in construction and transportation because of their good mechanical strength, easy fabrication and excellent corrosion resistance. In the automotive sector there was always a need for improved studies of the fatigue behavior, because the structural components are subjected to vibratory loads and cyclic stresses and, as a consequence, may eventually crack and fracture. The presence of a notch generally decreases the fatigue life, creating regions of high triaxial stresses which restrain plastic deformation, weakening the material. The response depends on the mechanical solicitations, microstructure, the alloy components and the material properties. In this work it was conducted a study of the high cycle fatigue behavior and the notch sensitivity of three aluminum alloys used in components of truck and bus bodies: AA 6005, AA 6063 and AA 6351, all provided in T6 condition. The S/N curves were obtained by tests in rotating bending fatigue (R = -1). Tests with notched samples (Kt?3.0) allowed to determine and compare the fatigue concentration factor and the notch sensitivity of the studied alloys. It was also studied the influence of microstructure and the intermetallic particles on the fatigue properties. The surfaces of the fractured samples were observed via SEM and showed that most of the nucleation sites of fatigue cracking occurred near the second phase particles, which act as stress concentrators.

Orientador: Maria Helena Robert / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-11-08T18:37:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Delbin_Daniel_M.pdf: 8551361 bytes, checksum: 770e9d00eeb959cc6e40cf3f314faa4e (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Neste trabalho é estudada a viabilidade de produção de esponjas metálicas pela conformação de pasta tixotrópica da liga A2011, sobre camada de agente bloqueador (NaCl) posteriormente removido para formação da porosidade. Investiga-se a influência da temperatura de tratamento térmico, para obtenção da pasta semi-sólida, e da granulometria do agente bloqueador, na estrutura formada do material celular (aspecto geral, caracterização qualitativa e quantitativa dos poros, microestrutura da parede celular e densidade) e nas características de processo (forças de tixoforjamento e capacidade de penetração da pasta). São produzidos cilindros de material poroso metálico tipo sanduíche, compostos de camada porosa entre camadas maciças da liga, com três diferentes classes de porosidade: fina, média e grosseira. As esponjas foram submetidas à tomografia computadorizada e à análise metalográfica para sua caracterização estrutural. Os resultados obtidos mostram a viabilidade de obtenção de esponjas metálicas utilizando a tecnologia de semi-sólidos e o tipo de bloqueador utilizado. O sucesso do processo depende da fração líquida presente na pasta metálica tixotrópica, reduzida fração líquida pode resultar em incompleta infiltração e compressão das partículas do agente bloqueador. Nas condições analisadas a granulometria do agente bloqueador não teve influência sensível na qualidade do produto. A densidade do material poroso aumenta com o aumento da temperatura de processo, devido ao aumento da espessura de paredes metálicas na estrutura porosa / Abstract: The work analyses the possibility of the production of cellular material by pressing the A2011 alloy in the thixotropic semi-solid state, into a space holder pre-form. Space holder particles used are NaCl, which are removed from the product after the forming operation, resulting the porous material. It is investigated the influence of the thixoforming temperature and the size of space holder particles, in the structure of the obtained porous material (general aspect, quantitative and qualitative characterization of porosity, microstructure of cell walls and density of the product), as well as in the processing characteristics (required forces for infiltration, penetration ability of the slurry in the salt pre-form). Cylindrical samples, sandwich type, with a porous layer inserted between layers of compact alloy are produced, presenting three different ranges of porosity. The cellular material obtained contains opened porosity, being characterized as sponge. Products were analyzed by tomography and metallographic techniques. Results show that the proposed process is able to produce acceptable porous material, with a simple and low cost technique. The quality of the product depends rather on the processing temperature than on the size of space holder particles. Low liquid fraction in the thixotropic slurry can lead to incomplete infiltration and deformation of the pre-form. In the analyzed conditions, influence of the size of space holder particles could be observed neither in the processing ability nor in the quality of the product. Density of produced porous material increases as processing temperature increases, due to the increase of thickness of cell walls / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica

L’allègement des structures des véhicules est l’une des problématiques actuelles majeures car il permet d’atteindre de meilleures performances, une autonomie plus importante et une consommation plus faible. Ceci est d’autant plus vrai dans le domaine de la défense où la nécessité de se protéger face aux menaces balistiques implique un ajout de masse conséquent. Les alliages d’aluminium sont pour l’instant l’un des meilleurs compromis, mais augmenter leurs performances permettrait un nouveau gain de masse. Dans ce contexte, la métallurgie des poudres (MdP) se présente comme une alternative de choix aux procédés de mise en forme traditionnels car elle permet de combiner différents modes de renforcement des propriétés mécaniques, à savoir la nanostructuration, l’écrouissage, les solutions solides et les renforts particulaires. Dans un premier temps, l’étude s’est focalisée sur la possibilité de combiner haute densité et durcissement structural d’un alliage Al-Zn-Mg. La précipitation confère au matériau brut fritté des propriétés mécaniques un peu plus faibles que celles d’un alliage AA7020 de coulée traité à l’état T651. L’approche a ensuite été appliquée à la poudre broyée, le but étant alors d’associer densité et précipitation tout en préservant les grains ultrafins obtenus par broyage. Enfin, la problématique de la consolidation de composites à matrice métallique à grains ultrafins et à renforts B4C a été abordée / Lightweight materials are very attractive in the global industry, and more specifically in the field of automotive and aeronautics fields. For army vehicles the reduction of the weight has increased the need for lightweight metal and ceramic armor systems ; the combination of these materials being a key element in modern packages. Nowadays, aluminum alloys are widely introduced in such systems. Increasing the mechanical properties of these alloys will automatically imply a decrease of the mass of ballistic protections. In this context, the powder metallurgy route appears promising as it allows simultaneously to nanostructure the matrix by strain hardening and to scatter properly particles reinforcements. First, the choice has been made to focus on the combination of high density and hardening precipitation of an Al-Zn-Mg alloy. Strengthening precipitates give the consolidated raw powder mechanical properties close to the ones of a commercial wrought aluminum alloy AA7020 in a T651 temper. Then the same process was optimized on a milled powder in order to preserve the fine grains obtained by high energy ball milling. Finally, B4C particles were introduced as reinforcements in the aluminum matrix to develop an ultrafine-grained metal matrix composite

O uso de ligas de alumínio pela indústria aeronáutica é sabidamente consagrado. Neste tipo de uso os carregamentos e seu histórico acabam por ter uma importância ímpar na determinação da vida em fadiga das peças estruturais. Este trabalho busca estudar e apresentar a modelagem em uma série de pacotes fechados de análise de fadiga para carregamentos de amplitude constante e variável, em ligas de alumínio usadas na indústria aeronáutica. Neste contexto, modelam-se carregamentos simples ou complexos espectros de voos comerciais e militares. Outro aspecto importante da pesquisa consiste em aliar as técnicas da formulação de elementos finitos, no estudo da vida em fadiga de corpos de prova e demais propriedades do material, com os modelos bem consagrados para problemas de propagação de trinca, comumente presentes na indústria em questão. Obtiveram-se boas respostas, no tocante à representação dos fenômenos estruturais e de material, sobretudo aqueles relacionados à propagação. Ademais, o Método dos Elementos Finitos Estendidos ajuda significativamente na melhoria da resposta numérica, contudo sem aumentar de forma restritiva o custo computacional das análises. Os principais resultados ao final do trabalho foram uma contribuição ao estudo deste material relacionado à modelagem via elementos finitos conseguindo-se representar bem campos de tensões e propagações de trinca e, em especial, a representação obtida do ensaio de KIC. Por outro lado, com o uso de pacotes fechados e abertos no estudo da vida em fadiga, conseguiu-se simular de forma satisfatória problemas de fadiga, em situações envolvendo carregamentos de amplitude constante e variável, tais como picos e espectros de voos civis e militares. / The use of aluminum alloys by the aeronautical industry is well known. In this application, load time-histories resulting important for fatigue life determination of aircraft structural components. Present work aims to study and present the modeling in some closed packages of fatigue analysis for both constant and variable amplitude loads in aluminum alloys used for aeronautical purposes. In this context, simple or complex loading spectra are modeled, for commercial and military flights. Another important issue of the research is to combine techniques of finite element formulation in order to predict the fatigue life of test specimens and properties of the material, using well-established models for crack propagation commonly used in the industry of concern. Were obtained good results, regarding the representation of stress states, especially those related to crack propagation. Moreover, the Extended Finite Element Method (X-FEM) significantly helps in improving the numerical response, however saving the computational cost of the analyzes. The main result of present work is the increase of the knowledge about modeling aeronautical alloys via finite elements, where were possible to represent accurately tension fields, crack propagations and especially the KIC test. On the other hand, with the use of closed and open packages for fatigue life prediction, it was possible to simulate satisfactorily problems involving constant and variable amplitude loading, such as peaks and spectra of civil and military flights.

Microchannel process technology (MPT) offers several advantages to the field of nanomanufacturing: 1) improved process control over very short time intervals owing to shorter diffusional distances; and 2) reduced reactor size due to high surface area to volume ratios and enhanced heat and mass transfer. The objective of this thesis was to consider how nanomaterials, produced in part using MPT, could be used to solve problems associated with the fabrication of MPT devices. Specifically, many MPT devices are produced using transient liquid-phase brazing involving an electroplated interlayer consisting of a brazing alloy designed for melting temperature suppression. Unfortunately, these alloys can form brittle secondary phases which significantly reduce bond strength. In contrast, prior efforts have shown that it is possible to leverage the size-dependent properties of nanomaterials to suppress brazing temperatures. In this prior work, thin films of off-the-shelf elemental nanoparticles were used as interlayers yielding joints with improved mechanical properties. In the present investigation, efforts have been made to characterize the synthesis and deposition of various elemental nanoparticle suspensions for use in the transient liquid-phase brazing of aluminum and stainless steel. Advances were used to demonstrate the nanoparticle-assisted diffusion brazing of a microchannel array. In the first section, a silver nanoparticle (AgNP) interlayer was produced for the diffusion brazing of heat exchanger aluminum. Efforts are made to examine the effect of braze filler particle size (~5 nm and ~50 nm) and processing parameters (heating rate: 5ºC/min and 25ºC/min; brazing temperature: 550ºC and 570ºC) on thin coupons of diffusion-brazed 3003 Al. A tensile strength of 69.7 MPa was achieved for a sample brazed at 570°C for 30 min under 1 MPa with an interlayer thickness of approximately 7 μm. Further suppression of the brazing temperature to 500ºC was achieved by sputtering a 1 µm thick layer of Cu before depositing a 5 nm thick film of AgNPs resulting in a lap shear strength of 45.3±0.2 MPa. In the middle section of this thesis, several techniques are investigated for the synthesis of sub 10 nm diameter nickel nanoparticles (NiNPs) to be used in the diffusion brazing of 316L stainless steel. The average NiNP size was varied from 9.2 nm to 3.9 nm based on the synthesis technique, solvent and reducing agent used. Conventional wet-chemical synthesis using NiCl₂.6H₂O in ethylene glycol (solvent) and N₂H₄.H₂O (reducing agent) resulted in the formation of 5.4 ± 0.9 nm NiNPs. Continuous flow synthesis using a microchannel T-mixer (barrel diameter of 521µm) and a 10 second residence time of reactants in a bath temperature of 130ºC resulted in a particle size of with 5.3 ± 1 nm. To make the synthesis safer and less energy intense, microwave heating was used along with less toxic Ni(CH₃CO₂)₂·4H₂O (nickel salt), propylene glycol (solvent) and NaPH₂O₂ (reducing agent) yielding 3.9 ± 0.8 nm diameter NiNPs. For the final section, nickel nanoparticles were synthesized using NiCl₂.6H₂O (nickel salt), de-ionized water (solvent), NaBH₄ (co-reducing agent), N₂H₄.H₂O (reducing agent) and polyvinylpyrolidone (capping agent) yielding 4.2 ± 0.6 nm NiNP. Several deposition techniques were investigated for controlling film thickness and uniformity in the diffusion brazing of 316L stainless steel (SS). Using in-house prepared NiNP and automated dispensing, a hermetic joint up to 70 psi (tested pressure) was obtained in 316L SS substrates under brazing conditions of 800ºC, 2 MPa and 30 min. Throughout the course of this thesis, techniques used for characterizing nanoparticles, films and joints included FT-IR, XRD, SEM, TEM, HRTEM, EDS, EPMA, DSC, mass spectrometry, and lap-shear testing. / Graduation date: 2012

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