Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-16T20:48:46Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2016-01-08T13:41:36Z : No. of bitstreams: 1 180629.pdf: 5272867 bytes, checksum: 4bfe16dbaae6489084fc418797c68476 (MD5)

Resumo: O setor de transporte tem buscado materiais mais leves e resistentes para melhorar a autonomia e capacidade de seus veículos. Os materiais compósitos de carbono/epóxi têm superado as expectativas neste setor e volumes significativos já são empregados na aviação. Com a intenção de produzir peças estruturais para a área aeronáutica, esse trabalho propôs a implantação do processo RTM e produção de compósitos com potencial aplicação estrutural. O foco principal do trabalho foi o domínio total na montagem e uso do equipamento RTM para um perfeito funcionamento de forma a evitar erros de processamento. O trabalho envolveu a seleção de fibras de carbono e resina epóxi com a intenção de atingir propriedades superiores às ligas metálicas, principalmente as ligas de alumínio. Para estabelecer os parâmetros de processo a resina foi caracterizada quanto a viscosidade e propriedades físico-químicas. Para avaliar a qualidade do processamento foi utilizada a inspeção por ultrassom A-scan e C-scan e as frações volumétricas foram determinadas através da metodologia da norma ASTM D 3171-09. Já para a caracterização do compósito foram utilizados ensaios mecânicos de tração, flexão, fadiga e posterior análise fractográfica. Análise térmica foi empregada para assegurar que o material foi completamente curado. Ao todo foram avaliados dois tipos de laminados: com 4 camadas do tipo Satin Harness (5HS) com 10 camadas e quasi-isotrópico com 5 camadas / Abstract: The transportation field has searched for lighter and strengthen materials to improve the autonomy and load capacity of their vehicles. Carbon/epoxy composites have overcome the expectations in this field. Appreciable volume production of structural components has been employed in aircrafts. Aiming of producing structural parts for aeronautic field, this research work focuses on the implementation of the RTM process and production of carbon/epoxy composite material. The work had the main objective on managing the assemblage and usage for a perfect operation, in the way to avoid processing errors. The research involved the right choice of carbon fibers and resin system intended to obtain higher specific properties than the metal alloys, mainly the aluminum alloys. Process parameters were established by characterizing the viscosity and physicalchemical properties. The quality assessment was performed by A-Scan and CScan ultrasonic test and volumetric fractions analysis. The volumetric analysis were performed according to the ASTM 3171-09. Besides the evaluation of material performance it was performed tensile, flexure, fatigue tests and further fractographic analysis was carried out using scanning electron microscopy. To ensure complete cure thermal analyze was performed. Two laminate architectures were evaluated: one 10 plies Harness Satin (5HS) and one 5 plies quasi-isotropic laminate / Orientadora: Maria Odila Hilário Cioffi / Coorientador: Herman Jacobus Cornelis Voorwald / Banca: Sérgio Frascino Muller de Almeida / Banca: Maurício Bonadon / Mestre

Resumo: No desenvolvimento de materiais para aplicação aeronáutica estrutural, como no caso de componentes de trens de pouso, deve-se considerar que os mesmos serão submetidos a carregamentos cíclicos. Em especial, estudar a fadiga dos materiais é um parâmetro fundamental. Além disso, para o trem de pouso em operação, o estudo da corrosão é fundamental, principalmente quando se pretende utilizar novos materiais. Atualmente, materiais de alta resistência mecânica, como o aço ABNT 4340, são utilizados em diversos componentes. Devido à necessidade de alta resistência ao desgaste e à corrosão, os componentes são geralmente revestidos por cromo duro e cádmio, respectivamente. Esses tratamentos produzem resíduos, como o Cr+6 e cianetos, por exemplo, gerados após a aplicação dos revestimentos. Este projeto teve origem na necessidade da indústria aeronáutica nacional em reduzir o uso de materiais revestidos com cromo ou cádmio eletrodepositado que geram resíduos nocivos à saúde e ao meio ambiente. O material escolhido foi o aço inoxidável Custom 465, também de uso aeronáutico, pois apresenta alta resistência mecânica. Considerando os esforços sofridos pelo eixo da roda do trem de pouso, o Custom 465 foi ensaiado em fadiga axial e corrosão em névoa salina. O objetivo é comparar o comportamento do Custom 465 com o do aço ABNT 4340 cadmiado. São também analisados os resultados obtidos em microscopia óptica, para análise microestrutural, e microscopia eletrônica de varredura, para análise fractográfic / Abstract: Considering material development for landing gear aircraft structural components, it should be considered that cyclic loading occurs. One important parameter for design is the fatigue of materials. The study of corrosion is also fundamental specially in the case of new materials application. Currently, high strength materials, especially AISI 4340 steel, are widely used as landing gear components. Due to the high resistance to wear and corrosion requirements, components are usually coated with hard chromium or cadmium. Treatments can produce wastes such as cyanide and Cr+6, for example, generated after the application hard chromium and cadmium coatings, which are harmful to health and environment. This project was originated from the national aircraft industry requirements to reduce the use of coated materials with electroplated chromium or cadmium that produce waste, which is harmful to health or the environment. The selected material is a Custom 465 stainless steel used in the aeronautical field due to its high mechanical strength. Considering the load sustained by the wheel axis of the landing gear, the Custom 465 is tested in axial fatigue and corrosion. The objective is to compare the behavior of the Custom 465 with plated AISI 4340 steel coated with cadmium. Fractographic analysis was conducted using optical and scanning electron microscopy / Orientador: Herman Jacobus Cornelis Voorwald / Coorientadora: Maria Odila Hilário Cioffi / Banca: Carlos Frederico de Oliveira Graeff / Banca: Carlos de Moura Neto / Mestre

Parafusos utilizados para fixação de partes submetidos a carregamentos cíclicos, inerentemente estão sujeitos à falhas por fadiga. O presente trabalho está apoiado no estudo do conjunto carcaça/corrediça de um compressor fixado por parafusos prisioneiros - ISO M24x3. Os prisioneiros que fixam o flange da corrediça falham prematuramente por fadiga. Assim, este trabalho tem como objetivos desenvolver uma metodologia para otimizar o desempenho em fadiga do conjunto parafusado. Numa primeira fase foram realizados ensaios em parafusos de mesmas dimensões, porém de classes e processos de fabricação diferentes, para poder-se avaliar o melhor processo de fabricação no desempenho em fadiga. Observou-se que o processo de laminação da rosca seguido de tratamento térmico é o mais adequado para o caso em estudo. Em uma etapa seguinte, instrumentaram-se os prisioneiros utilizando strain gauges com os componentes em condições de serviço, para avaliar a deformação dos parafusos desde a aplicação do torque de aperto durante a montagem e acionamento do compressor até a operação em sua carga máxima. Observou-se que, apesar dos parafusos estarem submetidos à cargas dentro do regime de segurança, apresentam dispersão da pré-carga e baixa protensão de aperto. Posteriormente, foram realizados outros ensaios em laboratório com dispositivos projetados especialmente para reconstruir o flange do compressor em estudo. O dispositivo procurou traçar as características dimensionais e materiais semelhantes do conjunto carcaça/corrediça. Tem-se como conclusão principal deste trabalho, que na configuração atual de união do flange com a carcaça, resulta num baixo índice de aperto que é verificado através das cargas máximas que são transferidas diretamente ao parafuso. Por fim, verificou-se que aumentando o comprimento do parafuso através da inserção de uma bucha extensora, aumenta a vida em fadiga dos componentes de união.

Devido às altas tensões envolvidas nos mecanismos de fadiga por contato, o uso de aços de alta dureza é uma exigência na fabricação de mancais de rolamento. Se a dureza de uma das partes em contato é baixa (sendo menor que 58 HRC), a ocorrência da descamação de camadas superficiais torna-se iminente no material menos duro. Estes defeitos superficiais podem, eventualmente, levar o componente a fraturar na direção radial se as tensões circunferenciais trativas forem relativamente elevadas. Os rolamentos que apresentam estes tipos de falhas são fabricados com o aço SAE 52100 temperado e revenido, com têmpera total. Recentemente tem sido sugerida a utilização do aço SAE 52100 processado por tratamento isotérmico para a obtenção de bainita inferior já que esta microestrutura apresenta boa tenacidade e resistência à fadiga associadas a uma alta dureza. Neste trabalho, foram realizados tratamentos térmicos utilizando o aço SAE 52100 a fim de obter microestruturas cujas matrizes fossem, predominantemente, martensita revenida ou bainita inferior. Para a condição martensítica, utilizou-se o tratamento térmico convencional de têmpera e revenido com três temperaturas de revenido para a obtenção de diferentes quantidades de austenita retida na matriz martensítica. Para a condição bainítica, utilizou-se o tratamento de austêmpera para a obtenção de bainita inferior com alto nível de dureza O comportamento mecânico do aço SAE 52100, tratado termicamente nas quatro condições, foi avaliado através de ensaio de tração e ensaio de impacto Charpy. O comportamento em fadiga, por sua vez, foi avaliado através de ensaios de propagação de trinca por fadiga realizados em corpos de prova tensão compacto. Para a determinação da influência da razão de carregamento (R=Kmin/Kmax) sobre o comportamento em fadiga este parâmetro foi variado entre 0,1 e 0,5. Foram realizadas análises fractográficas em todas as superfícies de fratura e de fadiga. Os resultados dos testes indicaram um melhor comportamento em fadiga para o aço SAE 52100 com microestrutura bainítica. No entanto para um R = 0,5, este material apresentou comportamento semelhante ao martensítico de mesmo nível de dureza na região limiar de fadiga. Observou-se o fenômeno de fechamento de trinca nos testes realizados com R de 0,1 e 0,3, sendo este efeito mais pronunciado para o menor valor de R.

A abordagem convencional do comportamento em fadiga dos parafusos desconsidera o material a ser unido (os membros). Uma conexão parafusada, entretanto, deve ser analisada como um sistema completo, levando em consideração as características dos fixadores: porca, parafuso e arruelas, bem como o material a ser fixado. Neste trabalho foi analisado, através de ensaios cíclicos, o comportamento em fadiga de duas espécies de materiais fixados: aço e alumínio; e o agente de variação da tensão média foi o torque aplicado. Foram realizadas análises a partir de uma amostragem de parafusos convencionais ISO M6X1 para averiguar a confiabilidade da amostra. Tais análises consistiram em ensaios estáticos de tração, ensaios de dureza, análises químicas e microestruturais. Posteriormente foram construídas as curvas de Wöhler advindas de ensaios de fadiga realizados através de um dispositivo especial, construído de modo a possibilitar uma montagem com aplicação de torque. O valor da tensão induzida pela fixação foi obtida a partir das medidas de deformação dos parafusos. A conclusão básica deste trabalho foi que maiores valores de torque determinam maior vida em fadiga de uma união, independentemente do material fixado. Por outro lado, trabalhando-se no regime elástico, é possível dimensionar um parafuso a partir do conhecimento da solicitação externa a ser aplicada e da natureza dos materiais fixados. / The traditional approach to fatigue behavior of mechanical fasteners disregards the material of the joint to be fastened. A bolted joint, however, must be examined as a complete system, the characteristics of the fastening system, bolt, nut and washer, as well as, the clamped material should be considered. In this work the fatigue behavior of two clamped materials: steel and aluminum; and different preload conditions were studied. Conventional threaded ISO M6X1 screws were used in this study. To assure sample reliability tensile tests, hardness, chemical composition and microestrutural analysis were performed on screws from the same lot used for this work. A series of Wöhler curves, stress vs. number of cycles to failures, were plotted from data obtained using an special accessory that allowed a different preload to be applied on the screws for each test condition. The stress applied on the screw was calculated from the strain observed on the bolt. The main conclusion of this work was that higher torque resulted in an increment in the fatigue life of mechanically fastened joint, regardless of the clamped material. In the elastic regime, the design of a bolted joint is possible knowing the external loads applied to the system and the nature of the material to be clamped.

Este trabalho analisou o desempenho em fadiga de dois grupos de soldas aluminotérmicas. As soldas representam uma inovação ao processo por possuírem um ângulo de 30 e 45º em relação à seção transversal do trilho. A avaliação das soldas foi realizada seguindo recomendações de normas nacional e internacional de soldagem de trilhos e projeto para componentes submetidos a carregamentos cíclicos. As normas utilizadas foram: NBR 11449 standard - Trilho "Vignole" - Solda - Determinação da resistência à fadiga EN 14730- 1:2003 Railway Applications - Track Welding of Rails - Part 2.1. Approval of Aluminothermic Welding Processes e BSI 7608:1993 - BSI 7608:1993 - "Code of Practice for Fatigue Design and Assessment of Steel Structures". A análise das soldas compreendeu ensaio de fadiga em quatro pontos, análise metalográfica, ensaio de dureza e análise de falhas. As soldas com ângulo de 45 graus apresentaram melhor desempenho do que as juntas com ângulo de 30 graus. Para os dois ângulos, os resultados dos ensaios de fadiga são iguais ou superiores em comparação com soldas transversais ensaiadas em condições similares. A nova geometria da solda atende as exigências da norma nacional, ainda que, defeitos superficiais do tipo falta de fusão e bordamento da solda (flashing/finning) tenham diminuído o desempenho das juntas aluminotérmica em ângulo. As soldas possuem microestrutura e geometria recomendadas. O processo produz soldas com ZAC estreitas, o que confirma a vantagem do processo no controle de defeitos do tipo canoamento nas condições de serviço das ferrovias de carga pesada. O processo de solda aluminotérmica em ângulo possui grande potencial para se tornar um novo método de soldagem aplicável em ferrovias de carga pesada. Algumas modificações nos procedimentos de soldagem e material de consumo, contudo, devem ser realizadas para aumentar a vida em fadiga das soldas. / This work analyzed the fatigue performance of two aluminothermic welds groups. The welds represent an innovation in process because they utilize a 30 and 45 degree angle joint. The welding evaluation was performed according to recommendations from NBR 11449 standard - Trilho "Vignole" - Solda - Determinação da resistência à fadiga (Fatigue resistance evaluation) and international standards EN 14730-1:2003 Railway Applications - Track Welding of Rails - Part 2.1. Approval of Aluminothermic Welding Processes and BSI7608:1993 - BSI 7608:1993 - "Code of Practice for Fatigue Design and Assessment of Steel Structures". The welding analysis included: four points bending fatigue tests, metallographical analysis, hardness test and failure analysis. The 45 degree angle joint shown better performance than 30 degree For both geometries the fatigue tests results are similar or superior in comparison to conventional welding found in literature. The new joint design fit the brazilian fatigue requirements, although superficial welding defects of the flashing/finning and lack of fusion type have diminished the welds performance. The microstructure and weld profile are as recommended. This new approach to welding process produces a narrow HAZ, which is advantageous to controlling defects such as weld batter effect in the weld profile during service in heavy haul railroads. Aluminothermic angle welding has great potential to be a new welding technique applicable to group maintenance of heavy haul railroads. However, some improvements in the welding procedure, mold materials and design should be made to increase the fatigue life of the angle welding technique.

Devido às altas tensões envolvidas nos mecanismos de fadiga por contato, o uso de aços de alta dureza é uma exigência na fabricação de mancais de rolamento. Se a dureza de uma das partes em contato é baixa (sendo menor que 58 HRC), a ocorrência da descamação de camadas superficiais torna-se iminente no material menos duro. Estes defeitos superficiais podem, eventualmente, levar o componente a fraturar na direção radial se as tensões circunferenciais trativas forem relativamente elevadas. Os rolamentos que apresentam estes tipos de falhas são fabricados com o aço SAE 52100 temperado e revenido, com têmpera total. Recentemente tem sido sugerida a utilização do aço SAE 52100 processado por tratamento isotérmico para a obtenção de bainita inferior já que esta microestrutura apresenta boa tenacidade e resistência à fadiga associadas a uma alta dureza. Neste trabalho, foram realizados tratamentos térmicos utilizando o aço SAE 52100 a fim de obter microestruturas cujas matrizes fossem, predominantemente, martensita revenida ou bainita inferior. Para a condição martensítica, utilizou-se o tratamento térmico convencional de têmpera e revenido com três temperaturas de revenido para a obtenção de diferentes quantidades de austenita retida na matriz martensítica. Para a condição bainítica, utilizou-se o tratamento de austêmpera para a obtenção de bainita inferior com alto nível de dureza O comportamento mecânico do aço SAE 52100, tratado termicamente nas quatro condições, foi avaliado através de ensaio de tração e ensaio de impacto Charpy. O comportamento em fadiga, por sua vez, foi avaliado através de ensaios de propagação de trinca por fadiga realizados em corpos de prova tensão compacto. Para a determinação da influência da razão de carregamento (R=Kmin/Kmax) sobre o comportamento em fadiga este parâmetro foi variado entre 0,1 e 0,5. Foram realizadas análises fractográficas em todas as superfícies de fratura e de fadiga. Os resultados dos testes indicaram um melhor comportamento em fadiga para o aço SAE 52100 com microestrutura bainítica. No entanto para um R = 0,5, este material apresentou comportamento semelhante ao martensítico de mesmo nível de dureza na região limiar de fadiga. Observou-se o fenômeno de fechamento de trinca nos testes realizados com R de 0,1 e 0,3, sendo este efeito mais pronunciado para o menor valor de R.

O presente trabalho tem como objetivo verificar a influência das inclusões metálicas de bismuto na tenacidade e no comportamento em fadiga de um aço SAE 1045. O bismuto foi adicionado em três corridas com teores de 0,04-0,06% e com a intenção de melhorar a usinabilidade do aço SAE 1045 amplamente aplicado na indústria de autopeças e metal-mecânica, com a finalidade de aumento de produtividade e redução nos custos finais de fabricação dos componentes usinados. A avaliação da tenacidade foi realizada na direção longitudinal e transversal ao sentido de laminação. A avaliação do comportamento em fadiga foi realizado na orientação L-R. As técnicas empregadas no desenvolvimento deste trabalho foram ensaios de tração e dureza, microscopia eletrônica, análise de imagens, fractografias em MEV, ensaio Charpy e levantamento das curvas da/dN versus ∆K. Os resultados dos ensaios indicaram um pequeno efeito do bismuto na tenacidade e fadiga do aço SAE 1045 na temperatura ambiente. Além disso, verifica-se um efeito sinérgico entre o bismuto e o enxofre. Logo, as indústrias de autopeças tem uma alternativa em termos de aço SAE 1045 com usinabilidade melhorada, onde a aplicação deste aço exige uma avaliação das condições e solicitações em que o componente irá trabalhar. / The aim of this work was to analyze the effects of the metallic inclusions of bismuth in SAE 1045 steel. The study focused on the toughness o f the steel and the role o f metallic inclusions in fatigue crack growth. Bismuth was added in the three heat in a range of 0,04-0,06% with the main goal being to improve the machinability o f SAE 1045 steel. This steel is utilized in many autoparts and therefore an increase in machinability o f this steel would help to reduce production costs. Toughness was measured and analyzed in transversal and longitudinal planes in relation to the rolling direction. Fatigue crack propagation studies were performed on L-R orientation. The methods applied were hardness, tensile and Charpy tests for mechanical evaluation. Scanning Eletronic Microscopic and Digital Image Analysis techniques were used for metallurgical evaluation. Fatigue crack growth behaviour was characterized by crack growth rate da/dN versus stress intensity range ∆K curves. The results of this study showed that bismuth inclusions did exert a little influence on the toughness and fatigue crack propagation of SAE 1045 steel at room temperatures. Therefore the Autoparts Industry has a good altemative for making parts with SAE 1045 with the best machinability. But the use o f this kind o f steel demands an analysis o f conditions and work stress that the parts will suffer.

Os ensaios de propagação de trinca por fadiga em meios corrosivos apresentam um desafio para os laboratórios, onde os métodos de medição mais utilizados (e.g. Medidor de Propagação de Trinca e Clip Gauge) para a medição do comprimento da trinca, se deterioram. O método de Queda de Potencial (QP) pode ser uma alternativa viável e de boa precisão para este propósito, porém deve ser demonstrado que o laboratório tem capacidade de obter elevada precisão e acurácia através do método. Este trabalho tem o objetivo principal de avaliar uma metodologia para a determinação do comprimento de trinca curta durante ensaios de fadiga para caracterização das propriedades de materiais utilizados como dutos de coleta na indústria do petróleo em ambientes corrosivos. Os demais objetivos são: · Consolidar o método de QP para o monitoramento do comprimento da trinca em Corpo de Prova (CP) tipo SENB com trinca curta; · Apresentar as curvas ao ar de propagação de trinca da/dN x ΔK obtidas em ensaios nos materiais 13Cr5Ni2Mo, 25Cr7Ni e API 5L X60; · Identificar melhorias no procedimento dos ensaios para elevar a precisão e acurácia das curvas de taxa de propagação de trinca. Foram realizados ensaios de propagação de trinca em três aços diferentes, isto é, inoxidáveis Supermartensítico e superdúplex e Aço Carbono, sendo registrados os dados do Medidor de Propagação de Trinca (gabarito) e da técnica de QP (método a ser avaliado). Foram validadas as equações necessárias para determinar o tamanho de trinca do CP em função da diferença de potencial transversalmente à trinca com o Medidor de Propagação de Trinca e foram apresentadas as curvas ao ar de taxa de propagação de trinca x ΔK dos materiais estudados. Foi observada uma forte correlação entre os dois métodos de medição de trinca. Acreditamos que as pequenas diferenças observadas nos valores de tamanho de trinca entre as duas técnicas se devem, principalmente à: · Efeito de tunelamento na frente da trinca, já que cada método mede a trinca em diferentes regiões do CP; · Imprecisões na distância do ponto na soldagem dos fios do multímetro (que mede o potencial para técnica de QP) à trinca. As curvas de propagação de trinca foram similares à curva de dois estágios para aços da norma BS 7910 (R ≥ 0,5) na maior parte da curva. Entretanto, em ΔK próximos a 15 MPa.m1/2 (faixa inicial de ΔK aplicado), os aços apresentaram taxas de propagação significativamente inferiores à curva da norma. Foram indicados possíveis motivos para os desvios da curva e sugeridas melhorias nos procedimentos dos ensaios para elevar a precisão e acurácia na obtenção das curvas da/dN x ΔK. / Fatigue crack growth rate (FCGR) tests in corrosive environments are a challenge for laboratories, where the most used techniques (e.g. Clip Gage and Crack Propagation Sensor) for crack size measurements, deteriorate. Potential Drop (PD) technique is a high precision viable alternative, however, it must be demonstrated that the laboratory has capacity to obtain high precision and accuracy through the method. This study has the main objective of evaluate a methodology to determine the short crack size during fatigue tests to properties chacacterization of materials used as oil gathering pipes in the oil and gas industry in corrosivive environment. The other objectives are: · Consolidate the PD technique for crack size monitoring in short crack SENB specimen configurations; · Introduce the 13Cr5Ni2Mo, 25Cr7Ni and API 5L X60 crack propagation rate curves (da/dN x ΔK) tested in air; · Identify test procedures improvements to enhance precision and accuracy of FGCR test curves. FCGR tests were performed in three different steels, i.e. Supermartensitic, Superduplex and Carbon Steel, where Crack Propagation Sensor (template) and PD technique (evaluated method) data were registered. Equations to determine specimen crack size in function of the potential difference measured transversally to the crack were validated with the Crack Propagation Sensor and FCGR curves in air for the studied materials were presented. A strong correlation between both crack size measurement techniques was observed. It is believed that small differences in measured crack size between techniques are mainly due to: · The tunneling effect in the crack front, both methods measuring the crack in different specimen regions · The imprecisions in the distance of the welding point of the multimeter wires used in PD to the crack. The FCGR curves behavior were similar to the two stage curve in air (R ≥ 0.5) from BS 7910 standard for the most of the curve. However, when ΔK was close to 15 MPa.m1/2 (initial applied ΔK range), the steels presented significantly lower propagation rate compared to the standard curve. It was pointed out possible reasons for this deviation and tests procedures improvements were suggested in order to increase FCGR test precision and accuracy.