Face à importância do conhecimento da tenacidade à fratura dos materiais metálicos sob estado plano de tensão, este trabalho analisa a influência do comportamento plástico na força de resistência à propagação de trinca destes materiais, permitindo estimar a curva R através de propriedades plásticas obtidas com ensaio de tração simples. Este estudo é feito através do equacionamento da taxa de energia dissipada com deformação plástica durante crescimento estável da trinca, considerando que o comportamento plástico do material é representado pela expressão constitutiva de Swift. Visto que as propriedades plásticas assumem uma importência significativa nesta análise, é desenvolvido um método que determina computacionalmente, a partir dos dados obtidos com o ensaio de tração, o coeficiente resistência (A), o coeficiente de encruamento (n) e o encruamento inicial (e0). O parâmetro (e0) é introduzido neste estudo com o propósito de levar em consideração o efeito do estado mecânico-metalúrgico do material. Fica caracterizado que a força de resistência à propagação de trinca é dependente do parâmetro de crescimento estável (D), que representa a taxa de extensão da zona plástica que se desenvolve na vizinhança da extremidade da trinca, durante o estágio de crescimento estável. Fica caracterizado também que a previsão da curva R do material a partir do conhecimento das propriedades plásticas, depende da determinação da extensão da zona plástica do início da propagação, e de um fator de correção, que considera o efeito da espessura sobre a forma da região deformada plasticamente.

No presente trabalho utilizou-se o aço 300M, a fim de constatar os processos de fragilização (da martensita revenida e ao revenido), quando o mesmo é exposto a certas faixas de temperatura. Para isto, o material foi submetido a duas condições diferentes de tratamento térmico: temperado e revenido (40 min a 350C) e temperado, revenido (40 min a 600C) e envelhecido (18 h a 430C). Após serem tratados térmicamente foram feitos ensaios Charpy nas temperaturas: -196C, -100C, -50C, -150C, -220C. Estes ensaios tiveram como objetivo o levantamento de curvas de transição dúctil/frágil. Foram observadas as superfícies de fratura das amostras ensaiadas no MEV, a fim de determinar os mecanismos de propagação e iniciação de fratura. Além disso, amostras polidas e atacadas também foram observadas para caracterizar as microestruturas obtidas com maior detalhe. O revenimento em 350C não causou uma FMR (fragilização da martensita revenida) sensível, podendo ser justificada pela transformação dos carbonetos E em cementita ter sido apenas parcial no 300M. O revenimento em 600C e envelhecimento posterior causou fragilização no material, parecendo indicar que foi causada pela presença conjunta de segregação de fósforo e precipitação de carbonetos nos contornos de grão pré-austeníticos.

Aços constituem a categoria de material metálico mais utilizada industrialmente. Sua grande aplicação deve-se a diversos fatores, como produção em larga escala, baixo custo, por possuírem uma vasta faixa de propriedades mecânicas, entre outros. O aço SAE/AISI 4340 é tratável termicamente, baixa liga, contendo níquel, cromo e molibdênio, combina excelente temperabilidade com alta ductilidade, tenacidade e resistência, possui alta resistência à fadiga e à fluência. O fenômeno de fratura por fluência é um dos grandes problemas da área industrial devido ao crescente nível de exigência das condições de operação empregadas em usinas de geração de energia, instalações químicas e em componentes estruturais aplicados nas indústrias aeroespaciais. Com o objetivo de compreender o mecanismo de fluência e caracterizar microestruturalmente o aço 4340, elaborou-se corpos-de-prova de seção cilíndrica para ensaios de fluência com 500C (200 MPa), 550C (200, 250 e 300 MPa) e 600C (200 MPa), a partir de uma barra de aço laminado, na condição como recebido. Foram traçadas as curvas de fluência e determinadas as taxas de fluência de segundo estágio para as condições ensaiadas, foi obtido o expoente de tensão n para 550C e a energia de ativação Q para 200MPa. A caracterização microestrutural do material depois do ensaio de fluência foi feita através de microscopia óptica. O expoente de tensão de 8.02 e a energia de ativação de 372.2 kJ/mol indicam que o mecanismo de fluência se dá por movimentação de discordâncias. O aumento da temperatura e o aumento da tensão causam aumento exponencial da taxa de fluência.

Faz-se no presente trabalho um estudo de Mecânica da Fratura em discos, cilindros compactos e cascas cilíndricas. Em primeiro plano apresentam-se resultados quantitativos do modo I de carregamento da trinca com resultados que apresentam um procedimento prático e simples para se obter o fator intensidade de tensão, Ki, concentrando-se principalmente na obtenção do fator intensidade de tensão adimensional Y. É apresentada uma solução para discos com trinca radial na borda submetidos a carregamentos de tração discretos. São apresentadas soluções para cilindros compactos com as seguintes geometrias de trincas: i) trinca superficial submetida a tração e momento; ii) trinca exissimétrica externa submetida a tração; e iii) trinca circular interna sob tração e torção. São apresentadas, ainda, soluções para cascas cilíndricas, tanto com trincas passantes como com trincas não passantes, e, para ambos os casos, analisam-se os carregamentos de tração, momento, e pressão interna aplicados ao cilindro. E em segundo plano apresentam-se estudos qualitativos sobre modos mistos de carregamento da trinca com suas características e peculiaridades próprias, onde são analisados a velocidade e a direção de propagação da trinca, e os corpos-de-prova utilizados para pesquisa experimental de modos mistos.

A maioria dos laminados de material composto é sensível a entalhes de forma geral e comporta-se, na presença de orifícios circulares, como os metais na presença de trincas. Neste trabalho, foi desenvolvido urn programa experimental visando caracterizar a sensibilidade ao entalhe e a tolerância ao dano de laminados de carbono/epoxy. Todos os laminados forarn construídos com tecido, e as diferentes famílias ensaiadas permitiram avaliar o efeito da presença de camadas a 45 no sau comportamento. Os resultados experimentais foram correlacionados com alguns critérios de ruptura existentes para laminados entalhados, e a validade das hipóteses básicas utilizadas em cada um deles foi analisada. Finalmente, foi proposta uma alteração na aplicação do critério de Mar e Lin, permitindo avaliar o comportamento à fratura de laminados com urn percentual qualquer de camadas a 45 baseando-se no comportamento dos dois laminados extremos: com 100% das camadas a 0/90 e 100% a 45. x

O conceito do elemento distorcido tem sido adotado para construção de elementos especiais, que são utilizados no método convencional de elementos finitos, na análise elástica do fator de intensidade de tensão (FIT) para trincas. O uso desta técnica permite obter tensões e deformações singulares na ponta da trinca e conduz a razoáveis precisões. O elemento triangular e quadrilátero distorcido têm sido empregados junto com vários métodos de cálculo do FIT. Entre esses métodos inclui-se o cálculo da energia de Griffith, integral J, técnica da derivada da rigidez e da extrapolação do deslocamento. Neste trabalho considera-se a geometria de uma chapa retangular com duas trincas simétricas de borda. Para os diversos modelos elaborados os fatores de intensidade de tensão são avaliados para diferentes malhas usando vários métodos de cálculo. Finalmente, os resultados são comparados com dados de literatura para estimativa da precisão, a fim de prover diretrizes para o melhor método. Para estes casos é observado que o uso dos elementos distorcidos junto com o cálculo do fator K pelos métodos da extensão virtual da trinca fornecem, ainda, os resultados mais precisos, enquanto que o método de extrapolação do deslocamento, aplicado junto com o elemento triangular distorcido, é de fácil implementação e ainda permanece com razoável precisão.

Este trabalho tem como objetivo estudar os modelos clássicos de concentração de tensões no regime linear elástico, através do auxílio de técnicas numéricas de modelagem, neste caso a aproximação via Método dos Elementos Finitos, adicionalmente aos estudos clássicos da "Teoria da Elasticidade", corroborando e ajustando os dados hoje existentes que se propõem a modelar as configurações mais usuais. Também possui como objetivo estudar e esclarecer as incongruências encontradas em algumas das diversas fontes tradicionais, estabelecendo uma direção que auxilie na utilização destas fontes em cálculo estrutural. Desta forma, foi realizada uma ampla investigação da literatura de referência disponível sobre o assunto, além de um estudo dedicado à metodologia numérica adotada neste trabalho, com o objetivo de se garantir a acurácia e a confiabilidade dos dados gerados para os resultados apresentados.

O presente trabalho visa à caracterização, à avaliação e à comparação das propriedades mecânicas e microestruturais das juntas soldadas dos aços ultra-alta resistência baixa liga SAE 4140, 300M e dissimilar (SAE 4140/300M), utilizando processo de soldagem a arco transferido a plasma, através da técnica keyhole, em único passe, com metal de adição. Foram analisadas amostras dos aços soldados similares e dissimilares nas condições como recebido e tratados termicamente, e dos aços sem solda, nas condições temperado e revenido. Foram adotados critérios de aceitação macroestrutural da solda para verificar defeitos na região da solda, utilizando a técnica de inspeção visual e a radiografia, conforme norma AWS D17.1. A análise microestrutural da junta soldada foi realizada, após ataque químico, com solução de Nital 3%, com objetivo de identificar os microconstituintes, utilizando a Microscopia Ótica (MO). A superfície de fratura dos aços foi avaliada através da Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV). Os resultados permitem compreender que predominam microestruturas de martensita nas juntas soldadas nas condições como recebido e tratados termicamente. Foram verificadas dendritas na zona fundida. O ensaio de microdureza Vickers apresentou, nas condições como recebido, elevados valores de dureza nas regiões da zona fundida e da zona termicamente afetada, devido ao endurecimento com a microestrutura martensita. O tratamento de revenimento diminuiu os valores de microdureza da condição anterior (como recebido), devido ao alívio de tensões. Na condição temperado e revenido, foi possível observar valores de microdureza mais uniformes em todas as regiões soldadas, já que ocorreu a recuperação e recristalização dos grãos. Nos aços dissimilares, foram constatados valores de microdureza semelhantes nas regiões da junta soldada, exceto no metal base. Os resultados do ensaio de tração indicam que o aço dissimilar possui excelentes propriedades mecânicas. Na condição temperado e revenido, o aço dissimilar possui propriedades semelhantes aos aços sem solda 300M e SAE 4140. As imagens da fractografia permitem relatar que todas as fraturas dos aços soldados ocorreram no metal base, com predominância de fratura dúctil, exceto a fratura mista, ocorrida no aço soldado 300M nas condições como recebido e revenido. No aço dissimilar, a fratura aconteceu no lado do aço SAE 4140, devido à composição química.

Este trabalho trata da aplicação do conceito de elemento singular híbrido na determinação dos fatores de intensidade de tensão e da tensão T em sólidos isotrópicos, sujeitos a um estado plano de tensões ou a um estado plano de deformações. Inicialmente é feita uma breve revisão da aplicação do método de elementos finitos na mecânica da fratura, ressaltando a necessidade da utilização dos elementos finitos singulares. Todas as etapas envolvidas na formulação do superelemento singular híbrido de equilíbrio, introduzido por Tong et al. (85), são detalhadamente desenvolvidas. A formulação abrange superelementos com funções de interpolação lineares, bilineares e quadráticas, possibilitando a sua utilização com vários elementos convencionais formulados pelo método dos deslocamentos. Um código computacional foi implementado e o método aplicado na análise de várias configurações típicas de placas retangulares com trincas, inclusive um painel com reforçadores. Os resultados obtidos apresentam boa concordância com dados da literatura. Por último, é realizada uma comparação com métodos que utilizam os elementos finitos distorcidos ("quarter-point elements"), confirmando a maior precisão dos resultados obtidos com o uso dos elementos singulares híbridos.

Túneis de vento são ferramentas fundamentais para o estudo da dinâmica dos gases e possibilitam testes de comportamento aerodinâmico de protótipos em regime de escoamento hipersônico. Um tubo de choque é constituído basicamente de uma seção de alta pressão (Driver) e outra de baixa pressão (Driven) separadas por um diafragma de ruptura metálico que atua como uma válvula de pressão rápida conectando ambas as seções. Se acrescentar uma tubeira e um tanque de exaustão, este tubo de choque se torna um túnel de vento hipersônico. A pressão de ruptura do diafragma determina a velocidade de escoamento do gás na seção de baixa pressão e que pode variar desde Mach 6 até Mach 25 no túnel de vento hipersônico instalado no IEAv. Usualmente, o controle da pressão de ruptura é obtido usinando-se microranhuras em forma de cruz na superfície do diafragma metálico que tem por função direcionar a sua fratura e promover sua rápida abertura. A usinagem mecânica das microranhuras é um processo lento e que, com o desgaste natural da ferramenta de corte, apresenta sérios problemas de manutenção das dimensões das microranhuras. Como forma de solucionar este problema é proposta e desenvolvida neste trabalho uma nova técnica de fabricação de microranhuras em diafragmas metálicos utilizando-se um laser pulsado de baixa potência média e com alta taxa de repetição de pulsos. O processo de usinagem a laser permite a obtenção de microranhuras com dimensões reprodutíveis e controláveis com precisão inferior a 0,1 mm, o que favorece o controle preciso da pressão de ruptura do túnel de vento. A gravação das microranhuras foi efetuada em chapas finas de aço AISI 1020 utilizando um laser a fibra de itérbio pulsado com uma potência média de 20 W, largura de pulso de 150 ns e taxa de repetição de 20 kHz. Com este laser foram obtidas microranhuras com larguras inferiores a 0,05 mm e profundidade precisamente controlada entre 0,3 mm e 0,7 mm, controlando com uma mesa CNC com velocidade de usinagem entre 0,5 mm/s e 8,0 mm/s. Os testes de ruptura dos diafragmas de aço foram realizados em um dispositivo hidráulico acionado por pistão desenvolvido neste trabalho e também no túnel de vento hipersônico T1 do IEAv. A pressão de ruptura dos diafragmas obtida com o dispositivo hidráulico foram equivalentes àquela obtida nos testes efetuados no T1. Dessa forma mostra-se ser possível desenvolver e qualificar os diafragmas sem a necessidade de testes no T1, reduzindo o seu custo de fabricação. Com a técnica de gravação a laser utilizada no trabalho a pressão de ruptura no túnel de vento hipersônico pode ser controlada precisamente no intervalo de pressão entre 30 bar e 120 bar, com grande redução no tempo de fabricação e sem perda de reprodutibilidade.