This study investigates the effect of strain rate on fracture properties of Ferritic-Pearlitic Ductile Iron. A series of dynamic three point bending tests, with various load application rates, are conducted on Charpy V-notch specimens, in room temperature and approximately -18 °C. The tests are performed in a custom-made fixture and during the tests, force and displacement data are recorded. A XFEM (Extended Finite Element Method) model of the test setup has been established and material data from the tests are used as input to the model. The test results show a strong dependency of the strain rate regarding the force needed for crack initiation. Moreover, it can be concluded that low temperature makes the material very brittle, even at low load application rates.

Cette thèse a pour objectif de développer une modélisation robuste pour l’endommagement ductile. En raison de l’adoucissement et du niveau de déformation élevé, les principales difficultés pratiques dans la simulation de l’endommagement ductile sont la dépendance au maillage et le verrouillage volumique. Dans ce travail, on choisit tout d’abord le cadre de grandes déformations en se basant sur un formalisme logarithmique. Puis, partant de la loi de Gurson-Tvergaard-Needleman transcrite en grandes déformations, on adopte une formulation non locale à gradient d’une variable interne qui permet de contrôler la localisation du dommage et traiter ainsi la dépendance au maillage. Ensuite, le modèle non local est couplé avec des éléments finis mixtes pour limiter le verrouillage volumique relatif à l’incompressibilité plastique. On aboutit ainsi à la construction d’un cadre de modélisation de l’endommagement ductile, indépendant du maillage et exonéré du verrouillage volumique. Les propriétés mathématiques et la performance numérique du modèle sont étudiées avec attention. Enfin, après une identification des paramètres sur un acier nucléaire, on réalise des simulations sur des éprouvettes (AE, CT, SENT) et sur une tuyauterie de réelle dimension afin de les confronter à des résultats d’essais. / The major goal of this dissertation is to develop a robust model for ductile damage simulation. Because of the softening behavior and the significantly large deformation in ductile damage, two principle difficulties should be dealt with carefully: mesh-dependency and volumetric locking. In this thesis, we adopt a logarithmic finite strain framework in which the Gurson-Tvergaard-Needleman constitutive law is reformulated. Then a non-local formulation with regularization of hardening variable is applied so as to solve mesh dependency and strain localization problem. In addition, the non-local model is combined with mixed “displacement-pressure-volume variation” elements to avoid volumetric locking. Thereby we establish a mesh-independent and locking-free finite strain framework for ductile damage modelling. Attention is paid to mathematical properties and numerical performance of the model. Finally, after an identification work of a nuclear steel,we carry out simulations on normalized specimens (NT, CT, SENT) as well as an industrial tube in order to compare with experimental results.

Aços resistentes à abrasão possuem uma dureza elevada, sendo amplamente utilizados em aplicações em que o componente ou estrutura é submetido a situações em que é exigida alta resistência mecânica e resistência ao desgaste. Este tipo de aço pode ser aplicado para fabricação de implementos rodoviários, implementos agrícolas, montagem de altos fornos e na indústria de mineração. O presente trabalho visa analisar a influência da baixa temperatura na tenacidade de uma junta de aço resistente à abrasão da série 450HB soldado através do processo ao arco elétrico com arame tubular (Flux-Cored Arc Welding- FCAW). Para tanto foram realizados ensaios de tenacidade ao impacto (Charpy-V) no metal base, metal de solda e ZAC nas temperaturas de 25ºC, 0ºC, -20ºC, -60ºC, -80ºC e -100ºC com o objetivo de levantar a curva de transição dúctil-frágil para cada uma dessas regiões. Também foram realizados ensaios para medição da tenacidade à fratura pelo parâmetro CTOD (Crack Tip Opening Displacement) nas regiões do metal base, metal de solda e ZAC nas temperaturas 25ºC, 0ºC, -20ºC. Adicionalmente foram realizados perfis de microdureza Vickers, dureza Brinell, análise química do metal de base e do metal de solda, caracterização metalográfica (macrografia e micrografias) e análises fractográficas a fim de complementar o estudo da junta soldada. Os resultados mostram melhor desempenho do metal base em relação ao ensaio de impacto, entretanto, o metal de solda apresentou melhores resultados de tenacidade à fratura. A região da ZAC apresentou o pior desempenho entre as regiões em ambos os ensaios de tenacidade realizados. / Abrasion resistant steels have a high hardness, being widely used in applications where the component or structure is subjected to situations where high strength and wear resistance is required. This type of steel can be applied to the production of road equipment, agricultural implements, mounting blast furnaces and in the mining industry. The present work analyzes the influence of low temperature on the toughness of an abrasion resistant steel joint of 450HB series welded through the FCAW (Flux Cored Arc Welding-FCAW) process. It was performed tests of impact toughness (Charpy-V) in the base metal, weld metal and HAZ in the temperatures of 25ºC, 0ºC, -20ºC, -60ºC, -80ºC e -100ºC with the objective to raise the ductile-fragile transition curve for each one of these regions. Tests for measurement of fracture toughness by CTOD (Crack Tip Opening Displacement) parameter in the regions of the base metal, weld metal and HAZ in the temperatures of 25 º C, 0 º C, -20 º C were also performed. In addition, Vickers microhardness profile, Brinell hardness, chemical analysis of the base metal and weld metal, metallographic characterization (macrograph and micrographs) and fractography analysis were performed to complement the study of the welded joint. The results show better performance of the base metal in relation to the impact test, however, the weld metal showed a better fracture toughness. The region of the HAZ showed the worst performance among regions in both toughness tests performed.

Resumo: Materiais estruturais utilizados no projeto de equipamentos e instalações industriais podem apresentar mudança de seu comportamento à fratura quando se varia a temperatura. Este tipo de comportamento caracteriza-se pela existência de uma curva de transição, onde 3 regiões ficam bem definidas: os patamares inferior e superior e a região de transição. Na região de transição, os resultados experimentais apresentam alto espalhamento e são bastante dependentes da geometria ensaiada. Para solucionar este problema, foi desenvolvido um modelo analítico experimental, que resultou na edição da norma ASTM E1921-97. O trabalho inclui um estudo da influência de diversas rotas de tratamentos térmicos aplicadas em um aço 4130 utilizado pela indústria aeronáutica, um aço de qualidade API utilizado pela indústria petrolífera e um aço da classe A516 atualmente utilizado pela indústria nacional de vasos de pressão, na microestrutura, propriedades mecânicas de tração e tenacidade à fratura. Os resultados mostraram que o aço 4130 A450, apresentou a melhor correlação entre resistência e tenacidade entre as microestruturas pesquisadas. Este comportamento deve estar associado a rota de tratamento térmico aplicada a esta condição. O tratamento de austêmpera possibilita a formação de bainita que, tradicionalmente é conhecida por apresentar elevados valores de tenacidade. O método proposto pela ASTM pode ser considerado viável para as diversas microestruturas pesquisadas ampliando a aplicação da metodologia que recomenda o ensaio apenas para aços ferríticos. No entanto, a metodologia da Curva Mestra em materiais tratados termicamente deve ser conduzida de forma a se estabelecer parâmetros que considerem as modificações microestruturais sofridas pelo material. / Abstract: Structural materials used in industrial equipments design can change fracture behavior when the temperature is varied. This type of behavior is characterized by the existence of a transition curve, where 3 areas are well defined: inferior and superior landings and the ductile brittle transition. In ductile brittle transition, experimental results present high scatter and depend highly of specimen geometry. In order to solve this problem, an analytical experimental model was developed, resulting in ASTM E1921-97 standard edition. This work includes the influence of several heat treatments analysis applied in a 4130 steel used by the aeronautical industry, a API X70 steel used by the line pipe industry and a ASTM A516 steel used by pressure vases national industry, where it was analyzed the influence in the microstructure, mechanical properties and fracture toughness. The results showed that the 4130 A450 steel presented the best correlation between resistance and toughness among the researched microstructures. This behavior should be associated with the heat treatment route applied. The isothermal quenching treatment makes possible bainite formation which, traditionally it is known by its high toughness values. The methodology proposed by ASTM is considered viable for the several researched microstructures enlarging the application of the methodology that just recommends the rehearsal for ferritics steels. However, Master Curve methodology in heat treated materials must have some parameters settling down considering the microstructure modifications suffered by the material.

Aços resistentes à abrasão possuem uma dureza elevada, sendo amplamente utilizados em aplicações em que o componente ou estrutura é submetido a situações em que é exigida alta resistência mecânica e resistência ao desgaste. Este tipo de aço pode ser aplicado para fabricação de implementos rodoviários, implementos agrícolas, montagem de altos fornos e na indústria de mineração. O presente trabalho visa analisar a influência da baixa temperatura na tenacidade de uma junta de aço resistente à abrasão da série 450HB soldado através do processo ao arco elétrico com arame tubular (Flux-Cored Arc Welding- FCAW). Para tanto foram realizados ensaios de tenacidade ao impacto (Charpy-V) no metal base, metal de solda e ZAC nas temperaturas de 25ºC, 0ºC, -20ºC, -60ºC, -80ºC e -100ºC com o objetivo de levantar a curva de transição dúctil-frágil para cada uma dessas regiões. Também foram realizados ensaios para medição da tenacidade à fratura pelo parâmetro CTOD (Crack Tip Opening Displacement) nas regiões do metal base, metal de solda e ZAC nas temperaturas 25ºC, 0ºC, -20ºC. Adicionalmente foram realizados perfis de microdureza Vickers, dureza Brinell, análise química do metal de base e do metal de solda, caracterização metalográfica (macrografia e micrografias) e análises fractográficas a fim de complementar o estudo da junta soldada. Os resultados mostram melhor desempenho do metal base em relação ao ensaio de impacto, entretanto, o metal de solda apresentou melhores resultados de tenacidade à fratura. A região da ZAC apresentou o pior desempenho entre as regiões em ambos os ensaios de tenacidade realizados. / Abrasion resistant steels have a high hardness, being widely used in applications where the component or structure is subjected to situations where high strength and wear resistance is required. This type of steel can be applied to the production of road equipment, agricultural implements, mounting blast furnaces and in the mining industry. The present work analyzes the influence of low temperature on the toughness of an abrasion resistant steel joint of 450HB series welded through the FCAW (Flux Cored Arc Welding-FCAW) process. It was performed tests of impact toughness (Charpy-V) in the base metal, weld metal and HAZ in the temperatures of 25ºC, 0ºC, -20ºC, -60ºC, -80ºC e -100ºC with the objective to raise the ductile-fragile transition curve for each one of these regions. Tests for measurement of fracture toughness by CTOD (Crack Tip Opening Displacement) parameter in the regions of the base metal, weld metal and HAZ in the temperatures of 25 º C, 0 º C, -20 º C were also performed. In addition, Vickers microhardness profile, Brinell hardness, chemical analysis of the base metal and weld metal, metallographic characterization (macrograph and micrographs) and fractography analysis were performed to complement the study of the welded joint. The results show better performance of the base metal in relation to the impact test, however, the weld metal showed a better fracture toughness. The region of the HAZ showed the worst performance among regions in both toughness tests performed.

O presente trabalho visa o estudo e avaliação de diversos modelos de falha através de ensaios experimentais e análises numéricas. A caracterização do material foi feita por meio de ensaios de tração de espécimes com e sem entalhe e de cisalhamento, para prover dados em uma ampla faixa de triaxialidade. A calibração dos parâmetros necessários para cada modelo de falha ocorreu através da obtenção das componentes de tensões e de deformações na região de ruptura, obtidas por meio de análises numéricas destes ensaios. O critério da máxima deformação plástica equivalente, modelo de dano de Johnson-Cook e critério da máxima tensão cisalhante foram aplicados em um caso de impacto em pára-choque. Diversos ensaios de impacto foram realizados até a que se atingisse a ruptura satisfatória do componente. Os ensaios foram modelados em elementos finitos, através do programa comercial LS-Dyna®, sendo que os modelos de falha calibrados foram aplicados para o ensaio onde se ocorreu ruptura. Houve boa concordância entre os resultados obtidos numericamente e experimentalmente, respeitadas as observações realizadas acerca da especificidade deste caso de impacto em baixa velocidade. / The aim of the present work is an assessment of several fracture models through experiments and numerical simulations. Tensile tests with notched and unnotched specimens were carried out to provide the material characterization in a wide range of stress triaxiality. The calibration of the parameters required by the fracture models was enabled by the parallel numerical simulation of the tensile tests, providing information on the stress and strain components at the failure locus. The constant equivalent strain criterion, the Johnson-Cook failure model and the maximum shear stress failure criterion were applied in a bumper beam impact case study. Several low speed impact tests were carried out in order to result in the components rupture. Numerical simulation of the experiments was performed using commercial finite element code LS-Dyna®. Good correlation of experiments and numerical simulations was achieved when considering this particular low speed case study.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de procedimentos para a medição de curvas de resistência J-R em espécimes SE(T) usando os métodos de flexibilidade elástica e método n. Uma descrição da metodologia sobre a qual J e o crescimento de trinca são medidos estabelece o contexto para determinar dados de resistência ao rasgamento dúctil com o emprego de curvas carga vs. deslocamento obtidas experimentalmente. A extensiva matriz de análises em estado plano de deformações de espécimes SE(T) complementada, em algumas geometrias selecionadas, com análises 3D permite a determinação numérica da flexibilidade adimensional, u, e fatores nJ e Y para uma grande faixa de proporções geométricas e propriedades de material características de aços estruturais e para dutos. Ensaios laboratoriais de um aço API 5L X60 à temperatura ambiente usando espécimes SE(T) carregados por pinos com entalhes laterais (side-grooves) fornecem os dados de carga e deslocamento necessários para validar o procedimento para determinar curvas de resistência do material. Os resultados apresentados nesta tese fornecem uma base de soluções para o futuro estabelecimento de norma padronizada para a medição experimental de curvas J-R em corpos de prova SE(T) mecanicamente similares a dutos com defeitos bidimensionais. / This work provides an estimation procedure to determine J-resistance curves for pinloaded and clamped SE(T) fracture specimens using the unloading compliance technique and the n-method. A summary of the methodology upon which J and crack extension are derived sets the necessary framework to determine crack resistance data from the measured load vs. displacement curves. The extensive plane-strain analyses and key 3D results enable numerical estimates of the nondimensional compliance, u , and parameters n and Y for a wide range of specimen geometries and material properties characteristic of structural and pipeline steels. Laboratory testings of an API 5L X60 steel at room temperature using pin-loaded SE(T) specimens with side-grooves provide the load-displacement data needed to validate the estimation procedure for measuring the crack growth resistance curve for the material. The results presented in the this thesis produce a representative set of solutions which lend further support to develop standard test procedures for constraint-designed SE(T) specimens applicable in measurements of crack growth resistance for pipelines.

Aços resistentes à abrasão possuem uma dureza elevada, sendo amplamente utilizados em aplicações em que o componente ou estrutura é submetido a situações em que é exigida alta resistência mecânica e resistência ao desgaste. Este tipo de aço pode ser aplicado para fabricação de implementos rodoviários, implementos agrícolas, montagem de altos fornos e na indústria de mineração. O presente trabalho visa analisar a influência da baixa temperatura na tenacidade de uma junta de aço resistente à abrasão da série 450HB soldado através do processo ao arco elétrico com arame tubular (Flux-Cored Arc Welding- FCAW). Para tanto foram realizados ensaios de tenacidade ao impacto (Charpy-V) no metal base, metal de solda e ZAC nas temperaturas de 25ºC, 0ºC, -20ºC, -60ºC, -80ºC e -100ºC com o objetivo de levantar a curva de transição dúctil-frágil para cada uma dessas regiões. Também foram realizados ensaios para medição da tenacidade à fratura pelo parâmetro CTOD (Crack Tip Opening Displacement) nas regiões do metal base, metal de solda e ZAC nas temperaturas 25ºC, 0ºC, -20ºC. Adicionalmente foram realizados perfis de microdureza Vickers, dureza Brinell, análise química do metal de base e do metal de solda, caracterização metalográfica (macrografia e micrografias) e análises fractográficas a fim de complementar o estudo da junta soldada. Os resultados mostram melhor desempenho do metal base em relação ao ensaio de impacto, entretanto, o metal de solda apresentou melhores resultados de tenacidade à fratura. A região da ZAC apresentou o pior desempenho entre as regiões em ambos os ensaios de tenacidade realizados. / Abrasion resistant steels have a high hardness, being widely used in applications where the component or structure is subjected to situations where high strength and wear resistance is required. This type of steel can be applied to the production of road equipment, agricultural implements, mounting blast furnaces and in the mining industry. The present work analyzes the influence of low temperature on the toughness of an abrasion resistant steel joint of 450HB series welded through the FCAW (Flux Cored Arc Welding-FCAW) process. It was performed tests of impact toughness (Charpy-V) in the base metal, weld metal and HAZ in the temperatures of 25ºC, 0ºC, -20ºC, -60ºC, -80ºC e -100ºC with the objective to raise the ductile-fragile transition curve for each one of these regions. Tests for measurement of fracture toughness by CTOD (Crack Tip Opening Displacement) parameter in the regions of the base metal, weld metal and HAZ in the temperatures of 25 º C, 0 º C, -20 º C were also performed. In addition, Vickers microhardness profile, Brinell hardness, chemical analysis of the base metal and weld metal, metallographic characterization (macrograph and micrographs) and fractography analysis were performed to complement the study of the welded joint. The results show better performance of the base metal in relation to the impact test, however, the weld metal showed a better fracture toughness. The region of the HAZ showed the worst performance among regions in both toughness tests performed.

A crescente necessidade por parte da indústria óptica e eletrônica por componentes que possuam características como elevada precisão de forma e acabamento em materiais frágeis, vem despertando um grande interesse nas pesquisas dos processos de usinagem de ultraprecisão. Neste sentido, a retificação e o torneamento de materiais frágeis com ferramentas de diamante têm se destacado como substitutos dos processos tradicionais de fabricação de precisão como a lapidação e polimento. Propõe-se o estudo da retificação de ultraprecisão de materiais frágeis através da realização de ensaios de corte em uma retificadora de ultraprecisão com rebolo de diamante de forma a estabelecer os parâmetros de corte compatível com a remoção dúctil de material. Foram usinadas amostras de silício monocristalino através de retificação tangencial de mergulho plana sob diferentes condições de usinagem para posteriormente avaliar a integridade superficial da peça. A amostra foi montada sob um aparato especial com uma inclinação conhecida a fim de se realizar um corte em cunha. Com isso, três situações distintas de remoção de material foram investigadas: totalmente dúctil, dúctil-frágil e totalmente frágil. O parâmetro de corte variado foi a profundidade de corte; o avanço e velocidade de corte foram mantidos constantes. / The requirements of components that demand high precision finishes and form in brittle materials has roused a huge interest in the ultraprecision machining process in the optical and electronic industries. The diamond grinding and turning of brittle materials have been used more and more as replacements to the tradicional lapping and polishing. The study of ultraprecision grinding of brittle materials is proposed. Cutting experiments on an ultraprecision grinding machine using a diamond wheel were carried out stablish cutting parameters compatible with ductile material removal. Silicon samples were machined through flat plunging tangencial grinding under different machining conditions and the sample surface integrity was assessed. The sample was mounted on a special apparatus with a known inclination so as to carry out a edge cutting. Thereby, three different material removal situations were investigated: whole ductile, ductile/brittle, whole brittle. The depth of cut was the parameter varied. Feedrate and cutting speed of the wheel were held constant.

Dans un contexte d’évaluation de la criticité des chargements, les travaux de thèse ont les objectifs suivants : prendre en compte les phénomènes sous-jacents à le rupture ductile : les phénomènes de dissipation volumique (plasticité et endommagement) et surfaciques (fissuration). On s'intéresse également à régulariser la solution vis-à-vis du maillage, à prédire le phénomène de transition de mode de rupture plan vers un mode de propagation oblique observé pour certains essais. La méthode utilisée est basée sur la méthode des discontinuités fortes. Un des enjeux majeurs de ces travaux est d’étendre son champ d'application au cadre de la modélisation de la rupture ductile, notamment en présence de plasticité et d'endommagement dans le volume. Une première partie des travaux est consacré à l'établissement d'un modèle en hypothèse de petites déformations, avec un modèle matériau de plasticité et d'endommagement couplé de Lemaitre pour le volume et un modèle cohésif endommageable pour le comportement surfacique. Les deux modes de rupture I et II ont été considérés dans les essais numériques. Des résultats montrant les capacités de régularisation de la méthode employée ont été présentés pour divers essais. Une seconde partie des travaux a été consacré à la formulation d'un modèle en hypothèse de grandes transformations, avec également des résultats probants en termes de régularisation de la dépendance à la taille de maille. Les deux éléments présentés ont été implémentés en formulation implicite et explicite, dans FEAP (Finite Element Analysis Program), logiciel académique développé à UC Berkeley par Taylor, et plus récemment dans le logiciel de calcul Eléments Finis Abaqus. / In the context of loadings criticality analysis, the thesis work have the following objectives : to take into account the underlying phenomena to ductile fracture : the volumetrie (plasticity and damage) and surfacic (fracture) dissipativ mechanisms. We also aim at regularizing the solution with regards to meshing, predicting the transition from a straigh crack propagation to a slant fracture mode observed for certain tests. The chosen method relies on the stron discontinuity method. One of the major challenges of this work is to extend its framework to the ductile fractur modeling framework, by accounting for plasticity and damage in the bulk. The first part of this work is dedicated to th establ'ishment of a model in small strain hypothesis, with a material model that takes into account coupied plasticity an damage in the QUik and a damageable model for the cohesive surfacic behavior. Both modes 1 and Il have been taken int) account in thnumerical examples. Results attesting the regularizing capabilities of the method are presented fo different tests. The second part of this work is dedicated to the formulation of a finite strain mode!, and results showin the good regularizing capabilities of the method are also shown. Both elements have been implemented in FEAP (Finit Element Analysis Program), an academie software developed at UC Berkeley by Taylor, and more recently in the finit element software Abaqus.