Este trabalho apresenta uma avaliação dos efeitos de juntas soldadas dissimilares sobre forças motrizes de trinca e o desenvolvimento de procedimentos adaptados baseados em critérios mecânicos e micromecânicos para avaliação de defeitos em juntas soldadas incorporando efeitos de dissimilaridades mecânicas. A motivação central reside na forte expansão da indústria nacional de petróleo e a crescente demanda por aumento de produtividade aliado ao aumento na segurança operacional de sistemas dutoviários e estruturas correlatas. Para que tal intento seja atingido, é inicialmente apresentada uma descrição detalhada dos parâmetros de interesse da mecânica da fratura, fundamentos da metalurgia da soldagem e efeitos microestruturais e mecânicos oriundos da presença de soldas dissimilares. São então descritos os principais métodos experimentais de determinação de tenacidade à fratura, detalhados os procedimentos correntes de avaliação de integridade por meio de diagramas FAD e é estudada a teoria da tensão de Weibull. Tais estudos configuram o arcabouço conceitual necessário para o desenvolvimento de uma extensa variedade de ensaios experimentais em juntas soldadas e proposição de correções aos procedimentos correntes de determinação experimental de tenacidade, refinamentos na determinação de cargas limite e o desenvolvimento de um modelo de transferabilidade de tenacidades baseado em tensão de Weibull aplicável a juntas soldadas. Por fim, todas as contribuições são compiladas e incorporadas em um procedimento adaptado do tipo FAD especificamente adaptado à avaliação de estruturas soldadas constituídas de materiais dissimilares. Os resultados experimentais revelam forte e deletéria influência das juntas soldadas na tenacidade e capacidade de carga de estruturas. Por outro lado, o extenso compêndio de fatores eta e rotacionais plásticos rp desenvolvido permite a determinação experimental acurada de tenacidade à fratura para espécimes SE(B) homogêneos e bimateriais. Adicionalmente, a metodologia proposta de determinação de cargas limite incorpora o encruamento dos respectivos materiais e o modelo de transferabilidade baseado em tensão de Weibull permite a estimação acurada da tenacidade de componentes soldados dissimilares a partir dos dados do metal de base e poucas calibrações experimentais. Resultados de uma aplicação exploratória real indicam elevado grau de precisão e corroboram a validade das propostas apresentadas. Assim, os desenvolvimentos do presente trabalho mostram-se como potenciais ferramentas de projeto e avaliação de integridade estrutural. / This work presents an evaluation of weld strength mismatch effects on crack driving forces and proposes an extension of defect assessment procedures for welded structures to include effects of weld strength mismatch. The main motivation is based on the strong expansion of Brazilian petroleum industry and the increasing demand for productivity, safety and reliability of pipelines and correlated structures. In this context, it is initially presented a detailed description of fracture mechanics parameters, welding metallurgy fundamentals and mechanic and microestructural effects due to mismatched welds. Next, the main procedures for experimental evaluation of fracture toughness are addressed followed by a discussion on current integrity assessment standards based on FAD and the Weibull stress methodology. These studies provide the necessary background to conduct a wide variety of experimental tests in welded joints and the proposal of corrections for experimental fracture toughness evaluation in welded joints, corrections for limit load estimation schemes in mismatched structures and a new toughness scaling model based on Weibull stress applicable to welded mismatched joints. Finally, the resulting framework is incorporated into a modified FAD-based procedure specifically designed for integrity assessment of welded mismatched structures. The experimental results reveal strong deleterious effects of mismatched welds on loading capacity and fracture toughness of the analyzed specimens. However, the extensive body of calibrated eta and plastic rotational rp factors allows accurate experimental determination of fracture toughness for homogeneous and bimaterial SE(B) specimens. Additionally, the limit load estimation scheme proposed incorporates the materials hardening capacity while the Weibull-based toughness scaling model incorporating mismatch effects allows accurate estimation of the weldment toughness from base metal data and a simple experimental calibration. Results from an exploratory application indicate a high degree of accuracy and confirm the validity of the proposed methodology as a potential tool for design and integrity assessments of cracked weldments.

Orientador: Itamar Ferreira / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-10T13:08:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Sandor_LeonardoTaborda_D.pdf: 12861330 bytes, checksum: 648e60efeced3118f4ec8272c46bddcc (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Este trabalho propõe uma metodologia para avaliar pontualmente as variações de tenacidade à fratura e taxa de crescimento de trinca de fadiga ao longo da camada cementada de um aço SAE 4320. A pequena espessura dessas camadas impede a retirada de corpos de prova nas dimensões especificadas pelas normas de ensaios de tenacidade à fratura. Assim, para simular uma camada cementada retirou-se amostras de aços SAE 43xx variando-se apenas teor de carbono de 0,20 a 1,00%. Os corpos de prova após eletrodeposição de cobre foram tratados termicamente numa carga de cementação, têmpera e revenimento para serem submetidos aos efeitos térmicos sem absorção de carbono. Os resultados da análise microestrutural, dos ensaios de microdureza, de tração e de tenacidade à fratura e de taxa de crescimento de trinca de fadiga foram agrupados em um único gráfico e comparados com o perfil de cementação de peças de aço SAE 4320 tratadas nas mesmas condições. Foi confirmado que as propriedades de fadiga variam de forma inversamente proporcional à microdureza (HV1) e que a previsão do comportamento de uma trinca numa camada cementada pode ser feita por meio de equação ou diagrama que relacionam a microdureza HV1 com a tenacidade à fratura ou taxa de crescimento de trinca de fadiga (KIC ou da/dN x ??) / Abstract: The purpose of this work is to propose a methodology for evaluating the crack growth rate and the fracture toughness along the SAE 4320 steel carburized layer. Due to the small thickness of those layers, it is impossible to machine specimens from those layers in accordance with standards. For simulating the microstructures of the carburized layer in order to get samples for tensile and the fracture toughness testing, specimens of SAE 43xx, from 0.20 %C to 1.00 %C, steels melted in vacuum induction melting, hot rolled and have been machined, assuming the local influence just the variation of the content of carbon and considering that the contents of the other alloy elements are essentially constant. The specimens after electroplated copper layer were heat treated in an industrial load of carburizing, quenching, and tempering for they be submitted to the thermal effects without absorption of carbon. The results of the microstructure analysis and microhardness, crack growth rate, and the fracture toughness tests were placed in a single graph and compared with the profile of the carburizing of the steel SAE 4320 heat treated in the same conditions. It was confirmed that the crack growth rate and the fracture toughness varies inversely proportional to the microhardness (HV1) and that the forecast of the behavior of a crack in a carburized layer can be made through equation or it designs that relate the microhardness (HV1) with the fracture toughness (KIC or CTODC) and crack growth rate (da/dN X ??) / Doutorado / Materiais e Processos de Fabricação / Doutor em Engenharia Mecânica

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.

Os conceitos de mecânica da fratura têm sido cada vez mais utilizados em projetos de engenharia, permitindo a determinação de tamanhos críticos de defeito ou limites de solicitação em função da presença de trincas. No entanto, para aplicar com sucesso esses conceitos em uma avaliação de integridade estrutural é de suma importância a determinação exata do comportamento a fratura do material. Materiais com comportamento elasto-plástico têm ocupado cada vez mais lugar de destaque em estruturas e componentes críticos de engenharia e a maneira mais utilizada para caracterização da tenacidade à fratura desse tipo de material é a curva J-R. Embora existam métodos normatizados para determinação dessas curvas, esses possuem muitas vezes inconvenientes e limitações que tem justificado o desenvolvimento de vários estudos com vista à determinação de métodos alternativos. Nesse trabalho foi investigada a hipótese de que, a partir do estudo do campo deformacional nas proximidades da ponta de uma trinca, é possível desenvolver uma metodologia para determinação da curva de resistência à fratura de um material com comportamento elasto-plástico. Para tanto, um sistema óptico de medição de deformação baseado na técnica de correlação de imagem digital foi empregado para monitorar a deformação na superfície de corpos de prova do tipo SE(B) durante o ensaio de tenacidade à fratura. O objeto de estudo foi uma junta do aço API X65 soldada por processo de soldagem a laser. Os resultados obtidos demonstram o sucesso da técnica utilizada para obtenção da evolução do campo deformacional durante o ensaio. Além disso, a metodologia empregada possibilitou a determinação de expressões matemáticas que permitem associar valores de deformação com valores de integral J e Δa. Essas expressões são válidas para qualquer uma das três distintas regiões da junta soldada e permitem determinar com sucesso a curva J-R a partir da evolução da deformação durante o ensaio de um único corpo de prova. / The use of fracture mechanics has become increasingly popular in damage tolerance analysis or during determination of load limits in engineering components and structures. Nevertheless, the success of applying the concepts of fracture mechanics to investigate structural integrity assessment is highly dependent upon the correct determination of fracture mechanics material properties. The accurate prediction of ductile fracture behavior plays an important role in structural integrity assessment of critical engineering structures, including nuclear reactors, petrochemical vessels and tanks, pipelines in oil and gas industries and aircraft structures. J-R curve has become the most popular material parameters in elastic-plastic fracture mechanics and has been applied widely in practical engineering. There are procedures to determine J-R curves and they are widely presented in books and international standards. However, these procedures sometimes present some practical limitations or restrictions which have prompted research effort to develop alternative methods. In this work the hypothesis that is possible to develop a methodology to determinate J-R curve to materials with elastic-plastic behavior from analysis of near crack tip strain field was verified. For this purpose, an optical strain measurement system (OSMS) was used in order to monitor strains on surface of SE(B) specimens during fracture toughness testing. The methodology was applied to a laser welded joint of API X65 steel. The measurements successfully evaluate the strain field during testing. Besides of this, the methodology proposed allowed the determination of mathematical expressions to associate strain values with values of J-integral and crack extension (Δa). These expressions are valid to characterize these fracture toughness parameters to any one of the three distinct regions of the weld joint and made possible to determine J-R curve by monitoring the surface strain field evolution during a testing of a single specimen.

A armadura de tração de dutos flexíveis é a camada responsável por suportar as cargas axiais destes equipamentos em campo. Com a tendência de aumento das profundidades de exploração e produção de petróleo offshore, principalmente dos campos do pré-sal brasileiro, faz-se necessário o uso de materiais com desempenho superior. Este trabalho buscou avaliar e comparar dois aços de alta resistência mecânica para tal aplicação, um predominantemente perlítico e outro martensítico. Durante a vida em serviço destes componentes, eles sofrem tensões axiais cíclicas associadas ao processo de corrosão, que gera pites como concentradores de tensões. Considerando estes aspectos, os materiais foram avaliados segundo seu comportamento à fadiga sem e com a presença de um pequeno defeito conhecido, que atua como um entalhe e busca simular um pite de corrosão. Além disso, esses materiais foram caracterizados metalúrgica e mecanicamente e sua tenacidade à fratura foi estimada via o método do CTOD. A partir dos dados experimentais, foi quantificada a sensibilidade ao entalhe, guiada essencialmente pelo processo de iniciação de trinca, ao passo que a tenacidade à fratura não foi decisiva. O material martensítico apresentou desempenho superior em fadiga e menor sensibilidade ao entalhe e mostrou-se promissor para a aplicação como arame da armadura de tração. / The tensile armor of flexible pipes is the layer responsible for support axial loads of this equipment in field. With the trend of deep increase in offshore oil exploration and production, mainly in pre-salt fields, the use of materials with high performance becomes necessary. The aim of this dissertation is evaluate and compare two high strength steels for such application, one with perlite and other with martensitic matrix. During service life of these components, they are damaged by cyclic loading associated with corrosion process which promote corrosion pits like stress concentrators. Considering these aspects, the materials were evaluated according their fatigue behavior with and without a small defect that act as a notch and simulates a corrosion pit. In addition, they were characterized metallurgical and mechanically and their fracture toughness was estimated through CTOD test. From experimental data, notch sensitivity was quantified. This was driven by initiation process, and fracture toughness was not decisive. The martensitic material showed higher fatigue performance and lower notch sensitivity and presented itself promising for tensile armor wire application.

Ensaios de mecânica da fratura utilizando corpos de prova padronizados apresentam alto nível de restrição à deformação plástica na ponta da trinca, devido a esforços de flexão e a trincas profundas. Em decorrência do emprego desses corpos de prova, há um alto conservadorismo nos resultados obtidos por esses ensaios, quando aplicados em materiais de boa tenacidade. Aplicações cujos defeitos estão submetidos a baixos níveis de constricção e a pequenas margens de segurança fazem com que sejam necessários corpos de prova mais próximos do estado de tensão submetido pela estrutura para realizar adequadamente a análise crítica de engenharia (Engineering Critical Analysis - ECA). Este trabalho visa analisar a influência da geometria de corpos de prova e do tamanho da trinca na tenacidade à fratura do aço API 5DP Tool Joint. Este estudo constitui-se da realização de ensaios de tenacidade à fratura com duas geometrias de corpos de prova (SE(B) e SE(T)) e quatro tamanhos de trinca normalizados (a0/W = 0,40; 0,50; 0,60; e 0,70) com a técnica da flexibilidade no descarregamento (unloading compliance). Foi utilizado o projeto de experimentos (DOE) para obter resultados referentes aos efeitos principais dos dois fatores e de suas interações. Foram calculadas, a partir de triplicatas para cada condição, curvas de resistência e valores únicos de tenacidade à fratura (Integral J e CTOD), sendo que o último foi utilizado para o cálculo da análise de variância (ANOVA). Com base nos resultados obtidos, conclui-se que a geometria de corpo de prova, tamanho da trinca e a interação entre os dois fatores possuem efeito significativo sobre as variáveis resposta (CTOD e Integral J) com nível de significância de 5%. Além disso, obtiveram-se os valores de JIC e δi através das curvas de resistência, mostrando que esses valores independem da geometria e do tamanho da trinca. / Fracture mechanics testing using standardized specimens have a high level of restriction to plastic deformation at the crack tip, due the bending stresses and deep crack lengths. Due to the use of these specimens geometry, there is a high conservatism on the obtained results of fracture toughness testing when applied on high toughness materials. The application of specimens closely modeling to the actual stress conditions in the component under consideration are necessary to evaluate structures containing defects with low levels of constraint and small safety margins to perform appropriately the engineering critical analysis (ECA). This work aims to analyze the influence of specimen geometry and crack length on the fracture toughness of API 5DP Tool Joint steel. This study consists in the execution of fracture toughness testing on two specimen geometries (SE(B) e SE(T)) and four normalized crack lengths (a0/W = 0,40; 0,50; 0,60; and 0,70) with the unloading compliance method. Design of experiments (DOE) was applied to obtain results regarding to the main factors effects and their interactions. From triplicates of each condition, resistance curves and unique values of fracture toughness (J integral and CTOD) were calculated, and the latter result was used to calculate the analysis of variance (ANOVA). The obtained outcomes show that the specimen geometry, crack length and the interaction between these factors have significant effect on the response variables (CTOD and J integral) on a significance level of 5%. In addition, there were obtained the values of JIC e δi through the resistance curves, showing that these values do not depend on the geometry and crack length.

O processo de soldagem por fricção com pino consumível possui como campo de aplicação a área de reparo e manutenção de estruturas. Por ser uma técnica desenvolvida recentemente, o conhecimento relativo à sua aplicação ainda não está completamente fundamentado. Dessa forma é necessário que se entenda o comportamento das juntas soldadas para determinar a viabilidade de sua utilização. Atualmente uma das ferramentas existentes para isso é o emprego dos conceitos de mecânica da fratura, que possibilitam a determinação de valores quantitativos de tenacidade. A partir disso objetiva-se identificar qual é a resposta frente à tenacidade à fratura que diferentes materiais desempenham quando soldados por fricção com pino consumível. No presente trabalho foi utilizada cpmo parâmetro de análise a medição de tenacidade à fratura pelo método de CTOD (Crack Tip Opening Displacement) em juntas soldadas com diferentes materiais de pino consumível e metal base. Essas medições concentraram-se nos materiais originais do pino, do metal de base e na região adjacente à interface lateral das juntas. Os materiais estudados foram o aço BS EN10025, os inoxidáveis austeníticos AISI 316L e ASTM F138, e o duplex UNS S31803. Adicionalmente foram realizadas análises fractográfica, macro e microestrutural, bem como ensaios de microdureza visando o entendimento do comportamento das juntas soldadas. Os resultados de CTOD indicaram que as microestruturas originadas com a soldagem, bem como a presença de inclusões de MnS, influenciam significativamente a tenacidade. / The Friction Hydro Pillar Processing has as a field of application in the area of repair and maintenance of structures. However as it is a technique developed recently, knowledge on its application is not fully established. Thus, it is necessary to understand the behavior of the joints in order to determine the feasibility of use. Nowadays one of the existing tools for this is the use of the concepts of fracture mechanics that allow the determination of quantitative values of toughness. From that this work aims to analyse fracture toughness in different materials welded by Friction Hydro Pillar Process. The analysis of fracture toughness was performed by the method CTOD (Crack Tip Opening Displacement) in samples welded with different materials of stud and base material. These measurements were concentrated in the original materials of and the interface zone of the welds. The materials investigated were BS EN10025, austenitic stainless steels AISI 316L and ASTM F138, the duplex stainless steel UNS S31803. Additionally were performed macro and microstructural characterization and microhardness tests aimed to understanding the behavior of joints. The CTOD results indicated that the microstructures as well as the presence of MnS inclusions significantly influence the toughness.

Orientador: Itamar Ferreira / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-06T19:34:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Sant'Anna_PedroCarneiro_D.pdf: 9344836 bytes, checksum: 94a9ee7db0c54b4a0cb6d76fffb44467 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Investigou-se o efeito de tratamentos térmicos intercríticos na microestrutura e propriedades mecânicas do aço API 5L X65 comumente utilizado em tubulações soldadas para transporte de óleo e gás. Vários pesquisadores demonstraram a existência de zonas frágeis na região intercrítica da zona afetada pelo calor (ZAC) de aços C-Mn e ARBL (alta resistência e baixa liga), produzidas durante o procedimento de soldagem de passe único e passes múltiplos. Além dos efeitos nocivos da martensita e da bainita superior, o microconstituinte formado por martensita-austenita retida, denominado constituinte M-A, é usualmente apontado como sendo o principal responsável pela degradação da tenacidade à fratura de alguns destes aços. Após os tratamentos térmicos de homogeneização e normalização, amostras do aço API 5L X65 foram submetidas a tratamentos térmicos intercríticos, realizados a 780 °C por 20 minutos e resfriadas com taxas equivalentes às dos insumos de calor obtidos em soldagens por arco submerso em chapas de 12 mm. As propriedades mecânicas foram avaliadas por meio dos ensaios de tração, dureza, resistência ao impacto Charpy e tenacidade à fratura CTOD. As características microestruturais foram analisadas por meio de microscopia ótica e microscopia eletrônica de varredura. O tratamento térmico de homogeneização foi eficiente para eliminar o bandeamento e a linha de segregação central da chapa. Verificou-se que o constituinte M-A está presente em todas as condições de resfriamento dos tratamentos térmicos realizados na região intercrítica, incluindo aquelas que promoveram alta tenacidade à fratura. A redução da taxa de resfriamento aumenta a quantidade do constituinte M-A até um determinado limite, pois ele se decompõe em ferrita + carbonetos. Pode-se concluir que os baixos níveis de tenacidade à fratura e ductilidade estão relacionados com a fração volumétrica da martensita obtida em altas taxas de resfriamento ou ao constituinte M-A com caráter martensítico. A condição intercrítica resfriada com taxa de 19 °C/s foi a que promoveu melhor relação resistência mecânica e tenacidade à fratura. Deve-se, portanto, selecionar procedimentos de soldagem que reduzam a fração volumétrica da martensita e do constituinte M-A / Abstract: The intercritical heat treatment effect on the microstructure and mechanical properties of the API 5L X65 steel, widely used in oil and gas pipeline, was investigated. Many researchers have suggested the existence of local brittle zones in the intercritical heat treatment zone (haz) of C-Mn and HSLA (high strenth low alloy) steels of single and multipass welding. Beyond deleterious effect of the martensite and upper bainite, the martensite and retained austenite microstructure, named MA constituent, is usualy pointed as being responsible for the toughness degradation of some of these steels. The specimens were submitted to homogenization and normalizing heat treatments, and then they were submitted to intercritical heat treatments performed at 780 oC for 20 minutes; after that the specimens were cooled using different cooling rates. The cooling rates were equivalent to the heat input obtained with 12 mm steel plate submerged arc weld. The tension, Vickers hardness, Charpy impact and CTOD tests were conducted. Microstructure characterizations were performed by using optical and scanning electron microscopy. Homogenization heat treatment was efficient to eliminate banding and the centerline segregation. It was verified that M-A constituent is present in all intercritical heat treatment conditons, including those of high fracture toughness. The cooling rate reduction increases the amount of M-A constituent until a certain limit, then it decomposes in ferrite + carbides. It was concluded that low toughness and ductility levels are closely related with the volume fraction of martensite obtained in high colling rates or with M-A constituent with a martensite character. The intercritical condition with 19°C/s cooling rate promoted the best correlation between strength and fracture toughness. To improve the intercrictical HAZ toughness of welds, it is suggested to select a welding procedure that diminishes the proportion of martensite and M-A constituent / Doutorado / Materiais e Processos de Fabricação / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Itamar Ferreira / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-07T07:25:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Loffredo_MariadeCastroMonteiro_M.pdf: 4723408 bytes, checksum: 22a5230741a7e90d0484c7bbd9f21129 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: As fraturas de ¿stress¿ são fraturas causadas pela fadiga óssea em pessoas jovens e saudáveis e que fazem treinamentos físicos rigorosos, como os chamados atletas de elite. Por essa razão, as causas para ocorrerem tais fraturas ainda são indefinidas. Sabe-se que sua fisiopatologia é caracterizada pela nucleação e propagação de micro-trincas na cortical óssea. Dessa forma, foi proposto neste estudo identificar algumas propriedades mecânicas do osso cortical que se aproximem das condições de tensão geradas nas atividades físicas. Foi, então, estudado o comportamento de uma barra retangular de osso cortical bovino no ensaio de flexão em três pontos para identificar o módulo de ruptura e o módulo de elasticidade do osso. O ensaio de tenacidade à fratura também foi conduzido por meio do ensaio de flexão em três pontos em corpos-de-prova com um entalhe usinado transversalmente ao eixo longitudinal dos espécimes. Os resultados mostraram que apesar do osso cortical ser um material mecanicamente resistente, com módulo de ruptura (MOR) médio de 227,5 MPa, ele possui níveis razoavelmente baixos de tenacidade à fratura, KIc médio de 9,6 MPa.m1/2. A análise fractográfica dos espécimes ensaiados mostrou que o osso apresenta alguns mecanismos de fratura característicos e que suas microestruturas estabelecem funções na nucleação e propagação da trinca, tornando o osso mais ou menos tenaz / Abstract: Stress fractures are caused by fatigue exercising in bones that occur in young health people who are submitted to rigorous physical training. It¿s known that its path physiology is characterized by initiation and propagation of microcracks. Thus, the purpose of this study is to identify some of the mechanical properties of cortical bone that approach to the tension conditions originated in physical activities. A rectangular beam of bovine cortical bone was then tested in three-point bending to determine the values of modulus of rupture and Young¿s modulus of bone. Fracture toughness tests were conducted in single-edge-notched specimens. Results showed that bone is a strength material, with averaged modulus of rupture of 227.5 MPa, and a low value of fracture toughness averaged in 9.6 MPa.m1/2. The fractographic analyses of tested specimens showed that bones have some characteristic fracture mechanisms during failure and its microstructures influence the initiation and propagation of cracks, making it more or less resistant to crack propagation / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica

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.