Dimethacrylate oligomers diluted with styrene reactive diluents (so-called vinyl ester resins) are becoming increasingly important for composites in applications such as transportation vehicles, printed wiring boards and civil infrastructure. This research has focused on the generation and comparative analysis of glassy dimethacrylate networks as a function of oligomer structure, the type of reactive diluent, composition and curing conditions. A novel cycloaliphatic dimethacrylate was synthesized and its networks were compared to oligomeric structures containing dimethacrylates derived from epoxy terminated oligomers (from bisphenol-A and epichlorohydrin). Both types of dimethacrylates co-cured with methyl methacrylate exhibited increases in Mc and fracture toughness as the concentration of methyl methacrylate was increased. By contrast, networks prepared with a styrene diluent displayed reduced toughness with increasing styrene and Mc. Due to the need for long-term composite environmental durability, the effects of moisture and exposure to sunlight are important. Thus, these materials were exposed to ultraviolet light on a rotating drum for 225 days and the exposure was carefully monitored. Initial results from this study suggest that both the networks comprising the aromatic dimethacrylate/styrene structures as well as the cycloaliphatic analogues cured with methyl methacrylate undergo reductions in rubbery moduli upon aging under these conditions. X-Ray photoelectron spectroscopy shows higher levels of oxidation on the bisphenol-A vinyl ester networks cured with styrene, especially those containing dimethylaniline and cobalt naphthenate as accelerators. Scanning electron microscopy indicates a smooth surface for the cycloaliphatic networks cured with methyl methacrylate and a pitted surface for the aromatic networks cured with styrene. Water absorption is also higher for the cycloaliphatic vinyl ester; however, curing with a longer alkyl chain methacrylate (butyl methacrylate) decreases the water absorption to levels comparable to those cured with styrene. / Ph. D.

Crack propagation studies in nanocrystalline alpha-iron samples with grain sizes ranging from 6 to 12 nm are reported at temperatures ranging from 100K to 600K using atomistic simulations. For all grain sizes, a combination of intragranular and intergranular fracture is observed. Mechanisms such as grain boundary accommodation, grain boundary triple junction, grain nucleation and grain rotation are observed to dictate the plastic deformation energy release. Intergranular fracture is shown to proceed by the coalescence of nanovoids formed at the grain boundaries ahead of the crack. The simulations also show that at an atomistic scale the fracture resistance and plastic deformation energy release mechanisms increase with increasing temperature. Finally a softening of the material occurs with decreasing grain size. The elastic properties are found to decrease and the fracture resistance to increase with decreasing grain size. / Master of Science

Neste trabalho são comparados os resultados analíticos de previsão de falha de um vaso nuclear PWR destinado à propulsão naval, contendo oito diferentes tipos de trinca, obtidos segundo a Mecânica da Fratura Elástica-Linear (MFEL) e a correspondente Elasto-Plástica (MFEP). Os resultados são fornecidos em termos da pressão interna e do gradiente de deformações ao longo da espessura da parede do componente estrutural, sendo diretamente aplicáveis às condições impostas e desenvolvidas em ensaios isotérmicos de hidro-pressurização. O elevado nível de conservativismo dos resultados derivados segundo a MFEL, via critério KIC de disparo de clivagem, quando comparados àqueles obtidos por meio da MFEP, através do critério de iniciação de rasgamento dúctil, Ji, e em especial dos critérios J50 e Jinstab.dúctil de falha com base na Teoria da Instabilidade do Rasgamento Dúctil ou Elasto-Plástico (TIRD/TIREP) por intermédio de diagramas J x T (integral-J versus módulo de rasgamento), foi avaliado e quantificado. O intenso efeito das dimensões dos corpos de prova nos resultados obtidos a partir de ambas abordagens, assim como o papel determinante dos entalhes laterais nos ensaios da MFEP foram definitivamente comprovados. Foi também demonstrado o saudável conservativismo das previsões segundo o critério J50 para projeto e serviço seguros de plantas nucleares frente às condições reais em que se verifica analiticamente a instabilidade dúctil do componente trincado, tais como definidas por Jinstab.dúctil, assim como das previsões decorrentes dos processos de extrapolação linear de curvas J-R no espaço J x T quando comparadas às resultantes de extrapolações não-lineares mais frequentemente utilizadas. Com relação aos efeitos exercidos nos resultados de previsão de falha pelo tipo, profundidade e comprimento da trinca contida na parede do vaso de pressão, ficou demonstrado que as trincas de superfície são muito mais críticas que as sub-superficiais de idênticas profundidade e comprimento, assim como que as avaliações de integridade são muito mais sensíveis a mudanças na profundidade da trinca relativamente a alterações no seu comprimento. As aproximações entre os resultados obtidos via J50 e através de Jinstab.dúttil, e entre os resultados obtidos pelos procedimentos de extrapolação linear e não-linear de curvas JMAT-TMAT, são muito mais nítidas para as trincas de superfície menos profundas e, em especial para as embutidas, mesmo aquelas mais críticas. Deste modo, a metodologia aqui aprimorada, destinada em última instância a avaliações de integridade estrutural de vasos PWR em transientes de potência durante a sua vida em serviço, se mostrou absolutamente efetiva no caso das trincas mais prováveis em tais circunstâncias, quais sejam, as de pequenas dimensões e situadas superficialmente na parede do vaso. Ainda, foi verificada a tendência da ocorrência do vazamento do meio pressurizante anteriormente à falha do vaso por instabilidade dúctil nos casos da presença das trincas mais profundas, independentemente de serem elas de superfície ou sub-superficiais e, novamente, de seu comprimento, contribuindo assim para a percepção visual da iminência da falha bem como para eventos de freamento de trinca dúctil, impedindo a falha catastrófica do vaso PWR. Por outro lado, trincas rasas ou meno·s profundas tendem a entrar no regime de instabilidade dúctil muito precocemente, com a essência da propagação se dando de modo instável, causando fratura rápida ou súbita do vaso sem sinal anterior. Finalmente, foi comprovada nesse estudo a aplicabilidade da técnica analítica de normalização linear para o levantamento de curvas J-R, e como consequência JMAT-TMAT, para a avaliação de integridade estrutural de componentes robustos falhando de modo dúctil após considerável, e mensurável, crescimento estável de trinca; também, foi aqui proposto o ajuste logarítmico de dados de curvas J-R, em oposição ao hoje consensualmente utilizado via lei de potência, de modo a computar os efeitos do fenômeno de saturação de J, permitindo assim extrapolações conservativas e seguras para as condições em que se verifica a falha do componente nuclear. / In this work the analytical results related to a nuclear pressure vessel failure conditions as obtained by Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM) and the Elastic-Plastic Fracture Mechanics (EPFM) were compared for eigth different crack types. The results are supplied in terms of internal pressure and strain gradient through the wall thickness of the structural component, and might be directly applied to isothermal hydrotests experiments. The high conservatism of LEFM approach, by using KIC criterion of cleavage triggering, as compared to results obtained via Ji of ductile crack initiation from EPFM approach, and specially to the J50 and Jduct.instab. criteria based on ductile Tearing Instability Theory through J x T (J-integral x tearing modulus) diagrams, was evaluated and quantified. The overriding effect of specimens size over LEFM and EPFM results were definitely proved, as well as the very strong influence of side-grooving the EPFM specimens. It was demonstrated the healthy conservatism of the predictions following the J50 criterion for safe design and service in the nuclear industry facing the real conditions where ductile instability takes place as analytically defined by Jduct.instab.. In the same way the conservatism of the predictions from the linear extrapolation procedure of J-R curves on J x T space, as compared with the most common non-linear process was proved as well. With respect to the effect exerted by type, depth and length of the crack over the results it was demonstrated that surface cracks are more critical than the embedded ones with identical dimensions, being the analytical evaluation much more sensitive to changes in the crack depth than in its length. The approximations among the results obtained from J50 and Jduct.instab. criteria as well as among the results from the linear and non-linear extrapolation procedure are best verified for the less depth surface cracks and specially for the embedded cracks even the largest ones. So, the methodology here improved, aimed in last instance to structural integrity assessment of PWR vessels on power transients during their service life has been shown to be a powerful tool in evaluating the most expected cracks under such circunstances, that is, those having small dimensions and located on surface wall. Still, it was demonstrated the trend for leak-before-ductile instability in the presence of the deepest surface and internal cracks, allowing the visual perception of the threshold of the vessel failure and the development of crack arrest events avoiding catastrofic rupture of the component. Otherwise, shallow cracks are prone to get very fast in the unstable regime of growth, with the essence of the propagation occuring under this condition, conducting to suddenly fracture of the vessel without any prior evidence. Finally, it was proved in this study the accuracy of the linear normalization technique in deriving J-R curves for the assessment of structural integrity of massive components which fail in a ductile way after undergo large stable crack extensions; it was suggested here the logarithmic fit of J-R data points taking in account more properly the J-saturation phenomena and leading to more safe and conservative extrapolation results when compared to resulting from power-law fit.

Neste trabalho são comparados os resultados analíticos de previsão de falha de um vaso nuclear PWR destinado à propulsão naval, contendo oito diferentes tipos de trinca, obtidos segundo a Mecânica da Fratura Elástica-Linear (MFEL) e a correspondente Elasto-Plástica (MFEP). Os resultados são fornecidos em termos da pressão interna e do gradiente de deformações ao longo da espessura da parede do componente estrutural, sendo diretamente aplicáveis às condições impostas e desenvolvidas em ensaios isotérmicos de hidro-pressurização. O elevado nível de conservativismo dos resultados derivados segundo a MFEL, via critério KIC de disparo de clivagem, quando comparados àqueles obtidos por meio da MFEP, através do critério de iniciação de rasgamento dúctil, Ji, e em especial dos critérios J50 e Jinstab.dúctil de falha com base na Teoria da Instabilidade do Rasgamento Dúctil ou Elasto-Plástico (TIRD/TIREP) por intermédio de diagramas J x T (integral-J versus módulo de rasgamento), foi avaliado e quantificado. O intenso efeito das dimensões dos corpos de prova nos resultados obtidos a partir de ambas abordagens, assim como o papel determinante dos entalhes laterais nos ensaios da MFEP foram definitivamente comprovados. Foi também demonstrado o saudável conservativismo das previsões segundo o critério J50 para projeto e serviço seguros de plantas nucleares frente às condições reais em que se verifica analiticamente a instabilidade dúctil do componente trincado, tais como definidas por Jinstab.dúctil, assim como das previsões decorrentes dos processos de extrapolação linear de curvas J-R no espaço J x T quando comparadas às resultantes de extrapolações não-lineares mais frequentemente utilizadas. Com relação aos efeitos exercidos nos resultados de previsão de falha pelo tipo, profundidade e comprimento da trinca contida na parede do vaso de pressão, ficou demonstrado que as trincas de superfície são muito mais críticas que as sub-superficiais de idênticas profundidade e comprimento, assim como que as avaliações de integridade são muito mais sensíveis a mudanças na profundidade da trinca relativamente a alterações no seu comprimento. As aproximações entre os resultados obtidos via J50 e através de Jinstab.dúttil, e entre os resultados obtidos pelos procedimentos de extrapolação linear e não-linear de curvas JMAT-TMAT, são muito mais nítidas para as trincas de superfície menos profundas e, em especial para as embutidas, mesmo aquelas mais críticas. Deste modo, a metodologia aqui aprimorada, destinada em última instância a avaliações de integridade estrutural de vasos PWR em transientes de potência durante a sua vida em serviço, se mostrou absolutamente efetiva no caso das trincas mais prováveis em tais circunstâncias, quais sejam, as de pequenas dimensões e situadas superficialmente na parede do vaso. Ainda, foi verificada a tendência da ocorrência do vazamento do meio pressurizante anteriormente à falha do vaso por instabilidade dúctil nos casos da presença das trincas mais profundas, independentemente de serem elas de superfície ou sub-superficiais e, novamente, de seu comprimento, contribuindo assim para a percepção visual da iminência da falha bem como para eventos de freamento de trinca dúctil, impedindo a falha catastrófica do vaso PWR. Por outro lado, trincas rasas ou meno·s profundas tendem a entrar no regime de instabilidade dúctil muito precocemente, com a essência da propagação se dando de modo instável, causando fratura rápida ou súbita do vaso sem sinal anterior. Finalmente, foi comprovada nesse estudo a aplicabilidade da técnica analítica de normalização linear para o levantamento de curvas J-R, e como consequência JMAT-TMAT, para a avaliação de integridade estrutural de componentes robustos falhando de modo dúctil após considerável, e mensurável, crescimento estável de trinca; também, foi aqui proposto o ajuste logarítmico de dados de curvas J-R, em oposição ao hoje consensualmente utilizado via lei de potência, de modo a computar os efeitos do fenômeno de saturação de J, permitindo assim extrapolações conservativas e seguras para as condições em que se verifica a falha do componente nuclear. / In this work the analytical results related to a nuclear pressure vessel failure conditions as obtained by Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM) and the Elastic-Plastic Fracture Mechanics (EPFM) were compared for eigth different crack types. The results are supplied in terms of internal pressure and strain gradient through the wall thickness of the structural component, and might be directly applied to isothermal hydrotests experiments. The high conservatism of LEFM approach, by using KIC criterion of cleavage triggering, as compared to results obtained via Ji of ductile crack initiation from EPFM approach, and specially to the J50 and Jduct.instab. criteria based on ductile Tearing Instability Theory through J x T (J-integral x tearing modulus) diagrams, was evaluated and quantified. The overriding effect of specimens size over LEFM and EPFM results were definitely proved, as well as the very strong influence of side-grooving the EPFM specimens. It was demonstrated the healthy conservatism of the predictions following the J50 criterion for safe design and service in the nuclear industry facing the real conditions where ductile instability takes place as analytically defined by Jduct.instab.. In the same way the conservatism of the predictions from the linear extrapolation procedure of J-R curves on J x T space, as compared with the most common non-linear process was proved as well. With respect to the effect exerted by type, depth and length of the crack over the results it was demonstrated that surface cracks are more critical than the embedded ones with identical dimensions, being the analytical evaluation much more sensitive to changes in the crack depth than in its length. The approximations among the results obtained from J50 and Jduct.instab. criteria as well as among the results from the linear and non-linear extrapolation procedure are best verified for the less depth surface cracks and specially for the embedded cracks even the largest ones. So, the methodology here improved, aimed in last instance to structural integrity assessment of PWR vessels on power transients during their service life has been shown to be a powerful tool in evaluating the most expected cracks under such circunstances, that is, those having small dimensions and located on surface wall. Still, it was demonstrated the trend for leak-before-ductile instability in the presence of the deepest surface and internal cracks, allowing the visual perception of the threshold of the vessel failure and the development of crack arrest events avoiding catastrofic rupture of the component. Otherwise, shallow cracks are prone to get very fast in the unstable regime of growth, with the essence of the propagation occuring under this condition, conducting to suddenly fracture of the vessel without any prior evidence. Finally, it was proved in this study the accuracy of the linear normalization technique in deriving J-R curves for the assessment of structural integrity of massive components which fail in a ductile way after undergo large stable crack extensions; it was suggested here the logarithmic fit of J-R data points taking in account more properly the J-saturation phenomena and leading to more safe and conservative extrapolation results when compared to resulting from power-law fit.

Thermoelectric materials are playing an increasingly significant role in the global effort to develop sustainable energy technologies. Consequently, the demand for materials with greater thermoelectric efficiency has stimulated the development of state-of-the-art interstitially doped skutterudite-based materials. However, since intermetallics are often embrittled by interstitial substitution, optimal skutterudite-based device design, manufacture, and operation require thorough assessment of the fracture toughness of interstitially doped skutterudites. This research determines whether the fracture toughness of skutterudites is sacrificed upon interstitial doping. Both pure and interstitially doped cobalt antimonide skutterudites were synthesized via a solid-state technique in a reducing atmosphere with antimony vapor. Their crystal structures were analyzed by X-ray diffraction, and then sintered by hot uniaxial pressing into dense pellets. The electronic properties of the sintered samples were characterized. Fracture toughness of the pure Co₄Sb₁₂ and interstitially doped In₀.₁Co₄Sb₁₂ samples was evaluated by the Vicker's indentation technique and by loading beam-shaped singe-edge vee-notched bend specimens (SEVNB) in 4-point flexure. The intrinsic crack-tip toughness of both materials was determined by measuring the crack-tip opening displacements (COD's) of radial cracks introduced from Vicker's indentations. The intrinsic crack-tip toughness of both pure Co₄Sb₁₂ and interstitially doped In₀.₁Co₄Sb₁₂ were found to be similar, 0.523 and 0.494 MPa√m, respectively. The fracture toughness of both pure and interstitially doped skutterudites, derived from SEVNB specimens in 4-point flexure were also found to be statistically identical, 0.509 and 0.574 MPa√m , respectively, and are in agreement with the intrinsic crack-tip toughness values. However, the magnitude of the toughness was found to be much lower than previously reported. Moreover, fracture toughness values derived from Vickers's indentations were found to be misleading when compared to the results obtained from fracture toughness tests carried out on the micronotched (SEVNB) specimens loaded in 4-point flexure. / Graduation date: 2012

No presente trabalho foi realizado um estudo comparativo entre as ligas AA7050- T7451 e AA2050-T84, bem como entre as direções L-T e T-L para analisar o comportamento das ligas, quando submetidos à temperatura ambiente e criogênica. Para realizar a análise comparativa entre as ligas e entre as direções, foram utilizados corpos de prova tipo C(T) (Compacto Tension), pré-trincados em fadiga. A análise comportamental das ligas foram avaliadas através dos ensaios de tenacidade à fratura, KIC, Curva KR, fadiga, da/dN. A microestrutura foi caracterizada através da microscopia ótica, microscopia eletrônica de varredura e microscopia eletrônica de transmissão. Foi observado que na direção L-T há uma maior resistência à propagação da trinca em relação à direção T-L, no que diz respeito à Curva KR, tanto para temperatura ambiente quanto para temperatura criogênica. Quando comparou-se as duas ligas na direção L-T em temperatura ambiente, ambas apresentaram um fator de intensidade de tensão similar. Os resultados dos ensaios de fadiga mostraram que a direção T-L é mais sensível à razão de carga. Analisando os resultados entre as direções L-T e T-L, observou-se que as duas ligas apresentaram comportamento anisotrópico. / A comparative study was made of the AA7050-T7451 and AA2050-T84 alloys and of the L-T and T-L directions to analyze the behavior of the alloys when subjected to room and cryogenic temperatures. The comparative analyses of the alloys and directions were performed using fatigue-precracked compact tension (CT) test specimens. The behavior of the alloys was analyzed based on fracture toughness, KIC, KR curve, fatigue, and da/dN tests. Their microstructure was characterized by optical microscopy, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy. The KR curve indicated that resistance to crack propagation was higher in the L-T direction than in the T-L direction at both room and cryogenic temperatures. In a comparison of the two alloys in the L-T direction at room temperature, they were found to present a similar stress intensity factor. The results of the fatigue tests demonstrated that the T-L direction is more sensitive to the load ratio. An analysis of the results in the L-T and T-L directions indicated that the two alloys exhibited anisotropic behavior.

A obtenção de cerâmicas de SiC pela sinterização com a presença de aditivos que promovam a formação de uma fase líquida (SFL) durante o processo tem sido uma forma adequada para garantir a menor temperatura de sinterização. Pelo fato de o SiC ser frágil, a busca por melhores propriedades mecânicas e avaliação correta das mesmas, para ser aplicado em ambientes agressivos, é contínua. Com base nisso, na primeira etapa, foram estudados, quanto à molhabilidade sobre o SiC, os sistemas AlN/Re2O3 (Re = Dy, Yb) para serem utilizados como aditivos. Os ângulos de contato medidos foram menores que 10° e considerados adequados para a SFL. O SiC sinterizado com esses aditivos permitiu produzir microestruturas diferentes com o aumento da temperatura. Na segunda etapa, foram sinterizadas amostras na forma de pastilhas em várias temperaturas, cujas condições que apresentaram os melhores resultados de massa específica real e densidade relativa foram tomadas como referência para a sinterização na forma de barras prismáticas. Na terceira etapa, essas amostras foram avaliadas quanto à sua tenacidade à fratura (KIC) pelo método da barra entalhada em V, dureza e resistência à flexão. O comportamento de KIC foi avaliado em função da profundidade e raio de curvatura dos entalhes. Os valores variaram entre 2,59 e 3,64 MPam1/2. Verificou-se que os valores de KIC confiáveis foram aqueles encontrados com pequeno raio de curvatura na ponta do entalhe. Quando o raio foi grande, o mesmo não manteve a singularidade da raiz quadrada da ponta do entalhe, e forneceu valores de KIC superestimados. Foram realizados testes para determinar KIC em ar atmosférico e em água, cujos resultados foram menores em água que em ar, com queda entre 2,56 e 11,26%. A maior resistência sob flexão determinada em 4 pontos foi de 482 MPa. Observou-se correlação direta do tamanho dos grãos nos valores de KIC, dureza e módulo de ruptura das cerâmicas de SiC. / Obtaining SiC ceramics by sintering in the presence of additives that promote a liquid phase formation (LPS) during the process has been a proper manner to ensure the lowest sintering temperature. Because SiC is brittle, an ongoing search for better mechanical properties and proper evaluation of these properties for application in aggressive environments maintained. Thus, in the first stage we studied AlN/Re2O3 systems (Re = Dy, Yb), as to their wettability on SiC, for use as additives. The measured contact angles were smaller than 10° and considered suitable for the LPS. The sintered SiC with these additives allowed the production of different microstructures with the increase in temperature. In the second stage, pellet-shaped samples were sintered at various temperatures, and the conditions showing the best density results were taken as reference for sintering prism-shaped bars. In the third stage, these samples were evaluated for toughness (KIC) by single edge V-notched beam method, hardness, and flexural strength. The behavior of KIC was assessed for notch depth and notch radius of curvature. Values ranged between 2.59 and 3.64 MPa/m1/2. The reliable values of KIC were those found with small radius of curvature at the notch tip. When the radius was large, it did not maintain the singularity of the square root of notch tip and provided overestimated KIC values. Tests were performed to determine KIC in atmospheric air and water, and results were lower in water than in air, dropping between 2.56 and 11.26%. The greatest strength under the 4-point bending test was 482 MPa. We observed a direct correlation of grains size in KIC values, hardness and bending strength of SiC ceramics.

Aços ferríticos ligados ao cromo e molibdênio, como o ASTM A335 P22, são largamente utilizados nos geradores de vapor em plantas termoelétricas ao redor do mundo e podem apresentar trincas por fadiga durante sua operação. A montagem dos componentes dos geradores de vapor em campo é realizada através de técnicas manuais de soldagem e tem sido apontada como um fator crítico para a qualidade destes equipamentos quando algum parâmetro de soldagem é negligenciado durante o processo. A região soldada de um aço ligado sofre grande influência do ciclo térmico durante a soldagem, cujos elementos de liga mesmo em pequenas quantidades presentes no aço e metal da solda aumentam a temperabilidade, e que dessa forma favorece a formação de microestruturas bainíticas ou martensíticas na região soldada. Neste estudo, uma solda realizada de acordo com o procedimento qualificado, com pré-aquecimento e alivio de tensões pós-soldagem, foi comparada com uma solda realizada sem os tratamentos de pré-aquecimento e alivio de tensões, e foi comparada ainda com uma solda realizada sem os tratamentos térmicos de pré-aquecimento e alivio de tensões e com aporte de calor acima do determinado pelo procedimento. Para isto, o desempenho de cada solda foi analisado quanto ao desempenho nos ensaios de tração, dobramento lateral (requisitos de qualificação de procedimento pelo código ASME IX), e nos ensaios complementares de resistência ao impacto charpy e tenacidade à fratura de cada região principal da solda (Material base, ZTA e Metal de adição). A tenacidade à fratura de cada uma das regiões foi determinada através da técnica da mecânica da fratura elasto-plástica do Deslocamento da Abertura da ponta da trinca, \"Crack Tip Open Displacement\" (CTOD), aplicada a materiais dúcteis. O resultado deste estudo comparativo mostra que mesmo negligenciando os limites dos parâmetros do procedimento de soldagem especificado para o aço ASTM A335 P22, com espessura de 21mm e 304,8mm de diâmetro, o procedimento teria sido aprovado nos ensaios de qualificação estabelecidos pela norma (tração e dobramento lateral). Contudo, os resultados dos ensaios de Impacto charpy e CTOD realizados nas regiões da solda, mostraram que o metal de adição apresentou tenacidade bem a baixo do que foi observado para a ZTA e para o material base. Desta forma a realização do pré-aquecimento e tratamento de alívio pós-soldagem produziu microestruturas de menor dureza, mas que não refletiu em um aumento da tenacidade do metal de adição. / Ferritic alloy steels with chromium and molybdenum, as ASTM A335 P22, are widely used in steam generators in power plants around the world and may have broken fatigue during operation. The assembly of the components of the steam generators in the field is performed by manual welding techniques and has been identified as a critical factor for the quality of these devices when some parameter is ignored during the welding process. The welded region of an alloy is influenced thermal cycle during welding, alloying elements present in the steel and weld metal increases hardenability, and thus favors the formation of bainíticas or martensitic microstructures in the welded region. In this study, a weld made according to the procedure qualified, pre-heating and post-weld relief of stress was compared with a weld treatments performed without preheating and relieving stress, and was further compared with a solder heat treatments performed without preheating and stress relief heat input and determined by the above procedure. For this, the performance of each weld was analyzed for performance in tensile tests, lateral bending (qualification requirements of ASME IX by procedure code), and testing of Charpy impact resistance and toughness of each major region of the fracture weld (base material, HAZ and weld metal). The fracture toughness of each region was determined by fracture mechanics technique of elastic-plastic fracture Crack Tip Open Displacement (CTOD) applied to ductile materials. The result of this comparative study shows that even neglecting the parameters limits of the welding procedure specified for ASTM A335 P22 with thickness of 21mm and diameter of 304.8 mm, the procedure would have passed in qualification tests established by ASME IX (tensile and lateral bending). However, the results of Charpy impact and the CTOD tests performed in weld regions showed that the weld metal had a very low tenacity than was observed in the HAZ and the base material. Thus the realization of pre-heating and post-weld treatment relief produced microstructures with lower hardness but that was not reflected in an increase in the toughness of weld metal.

Foi avaliada a influência da microestrutura na tenacidade à fratura de dois grupos de aços de Alta Resistência e Baixa Liga (ARBL), soldados, com diferentes composições microestruturais. Os metais de solda designados por A1/A2 exibiram uma microestrutura composta por ferrita acicular circundada por ferrita de contorno de grão, com alguma formação de ferrita Widmanstätten e microfases, denominada de microestrutura do tipo clássica. Os metais de solda designados por B1/B2 exibiram um microestrutura composta por bainita, martensita de baixo teor de carbono e microfases, denominada de microestrutura do tipo de ripas. Estes dois tipos de microestruturas são normalmente encontradas nas soldas de alta resistência empregadas em estruturas e componentes de grande responsabilidade. A avaliação da tenacidade à fratura foi realizada pela utilização dos conceitos da integral-J e CTOD. A técnica empregada para a medida do crescimento da trinca, foi a da variação da flexibilidade elástica em corpos de prova SE[B] e C(T). Os valores da tenacidade à fratura dos dois grupos de soldas, para ambas geometrias de corpos de prova, foram determinados e comparados. As análises microestruturais, do metal de solda e das superfícies de fratura dos corpos de prova ensaiados, foram realizadas por meio de microscopia ótica e eletrônica de varredura, com o objetivo de se correlacionar os valores de tenacidade à fratura com a microestrutura dos metais de solda. Foi verificado que os metais de solda A1/A2 que possuem uma microestrutura clássica, apresentaram tenacidade superior aos metais de solda B1/B2, que possuem uma microestrutura do tipo de ripas. / The influence of the microstructure on the fracture toughness behaviour of two groups of multipass High Strength Low Alloy (HSLA) steel weld metals, presenting different microstructure composition, was evaluated. The weld metals A1/A2 exhibited a microstructure composed by acicular ferrite, allotriomorphic ferrite, Widmanstätten ferrite and microphases, and the weld metals B1/B2 presented a microstructure composed by bainite, low carbon martensite and microphases. The fracture toughness evaluation was carried out using J-integral and CTOD concepts and the elastic compliance technique in both SE[B] and CT testpieces. The fracture toughness values for both groups of welds and testpiece geometry were determined and compared. The weld metals microstructures and fracture surfaces analysis were performed using optical and scanning electronic microscope techniques, to correlate the determined fracture toughness values, with the local microstructure around the fatigue crack tip. It was verified that the weld metals A1/A2 exhibited fracture toughness values superior to the ones obtained from weld metals B1/B2.

O polietileno de média densidade (PEMD) é um polímero termoplástico parcialmente cristalino, cujo uso tem crescido bastante em aplicações de engenharia, como em tubos plásticos para sistemas de distribuição de água e de gás. Sob carga constante, entretanto, este material pode eventualmente apresentar fratura por fluência, por meio de um mecanismo de crescimento lento de trincas, provocando acentuadas perdas por vazamento nos sistemas. Os métodos atuais empregados pela indústria para estimar a durabilidade dos tubos são caros, demorados, pouco práticos e imprecisos. Busca-se o desenvolvimento de técnicas mais eficientes, sendo que os métodos da mecânica da fratura são promissores no sentido de descrever a etapa de propagação da trinca. Ensaios de mecânica da fratura, entretanto, requerem a introdução de pré-trincas nos corpos de prova. Sabe-se que as técnicas artificiais de introdução de pré-trincas causam algum tipo de dano na matriz polimérica, que pode ou não afetar os resultados dos ensaios, dependendo dos eventos que ocorrerem após o carregamento inicial. A principal propriedade requerida de um método de introdução de pré-trinca, portanto, é reprodutibilidade. Neste estudo foram aplicados três importantes métodos de mecânica da fratura ao PEMD e investigados os efeitos de diferentes técnicas de introdução de pré-trincas sobre os resultados dos ensaios e sobre as estruturas de deformação na matriz do material na ponta da trinca. Os ensaios de tenacidade à fratura no estado plano de deformação - KIc - foram realizados em condições criogênicas, em vista do comportamento dúctil do material à temperatura ambiente, sendo que a estratégia mostrou-se satisfatória. Os resultados dos ensaios de Integral-J sugerem que o método pode não ser aplicável ao PEMD, devido ao peculiar mecanismo de fratura do material. O método do trabalho essencial de fratura - EWF - se aplica bem ao PEMD. Os resultados dos ensaios de KIc e EWF demonstraram que diferentes técnicas de introdução de pré-trincas provocam diferentes estruturas de deformação no material na ponta da trinca e afetam os resultados de ensaios de fratura no PEMD. Os resultados de EWF demonstraram ainda que o processamento também afeta as propriedades de fratura do material. É proposta uma nova técnica para a introdução de pré-trincas, com características mais naturais, a qual requer estudos complementares para seu aperfeiçoamento. / Medium density polyethylene (MDPE) is a semicrystalline thermoplastic polymer that has been increasingly used in engineering applications, as plastic pipes for water and gas distribution systems. Under constant load, however, this material may occasionally present creep failure, by means of a mechanism of slow crack growth, leading to leakage losses in the systems. Current methods used by industry to estimate durability of pipes are expensive, time consuming, non practical and inaccurate. The development of more efficient methods is a common target and fracture mechanics methods are promising in describing the crack propagation stage. Fracture mechanics testing methods, however, require the introduction of pre-cracks into the specimens. It is known that artificial methods of introducing pre-cracks produce some damage on the polymeric matrix, which may or not affect the results of tests, depending on the events that occur after the initial loading. Main propriety required of a pre-crack introducing method, therefore, is reproducibility. In this study three important fracture mechanics methods were applied to MDPE and the effects of different methods of pre-cracking over test results and over deformation structures of material matrix at the crack tip were investigated. Plane-strain fracture toughness - KIc tests were performed under cryogenic conditions, in view of the ductile behavior of material at room temperature and this strategy was well succeed. Results of Integral-J tests suggest that this method may not be applicable to MDPE, due to the peculiar fracture mechanism of the material. The essential work of fracture method EWF is well suited to study MDPE. The results of KIc and EWF tests showed that different pre-cracking methods cause different deformation structures in the material at the crack tip and affect the fracture tests with MDPE. EWF results showed also that the processing affect the fracture properties of materials too. It is proposed a new method for introducing pre-cracks, with more natural characteristics that requires complementary studies for its improving.