[pt] Uma das técnicas mais aplicadas para medir tensões residuais em componentes mecânicos é a técnica do furo cego. Esta técnica é de fácil aplicação industrial e é normalizada pela ASTM E 837. Entretanto, devido à concentração de tensões gerada pelo furo, há restrições quanto à aplicação deste método quando as tensões residuais presentes excedem 0.3 da tensão de escoamento do material, Sy. Há na literatura trabalhos que avaliam, por elementos finitos, os erros gerados ao se aplicar diretamente estes coeficientes em componentes com altos níveis de tensões residuais. Em alguns casos, o erro pode chegar a 140%, para tensões da ordem de 0.9 de Sy. Porém, para retrocalcular as tensões residuais estes trabalhos também usam hipóteses válidas apenas no regime elástico, de forma que os resultados por eles apresentados podem ter imprecisões. Neste trabalho propõem-se novas metodologias numéricas para avaliar a validade da norma ASTM E 837 em regime plástico, através de uma modelagem mais realística do alívio de tensão gerado pela usinagem do furo, evitando o uso de hipóteses linear-elásticas. Estas metodologias são: Estado Equivalente, na qual uma tensão equivalente àquela agindo no componente é aplicada na borda do furo; metodologia Morte de Elementos na qual os elementos presentes na região em que o furo será usinado são eliminados numericamente em vários passos, de forma a simular o processo de usinagem; e a metodologia Tensão Substituta, na qual o material presente na região do furo é substituído pela tensão que nele age, a qual é retirada gradativamente. Foram modeladas em elementos finitos placas com furos passantes e cegos, submetidas a carregamentos uniaxiais e biaxiais, desde 0.3 Sy até 0.9 Sy. Além disso, foram utilizados nas simulações materiais tendo limite elástico e de escoamento coincidentes e não coincidentes. Os erros encontrados entre as tensões retrocalculadas e as tensões aplicadas, para todas as situações são menores que encontrados por outros pesquisadores, obtendo-se no pior caso 70 por cento. Finalmente, conclui-se que as metodologias Tensão Substituta e Morte de Elementos são as que simulam de forma mais próxima da realidade o processo de usinagem de um furo em um placa submetida à altas tensões. / [en] One of the most popular techniques applied to measure residual stresses is the hole-drilling technique. The technique is easy to be applied at industry, and is normalized ASTM E 837. However, due to the stress concentration caused by the machined hole, the technique can not be used if the residual stresses are higher than one third of the material yield strength, Sy. There are several researches articles that evaluate the errors aroused from the use of linear-elastic coefficients in case where plastic strains are present. In general, those articles apply the finite element to simulate the process of drilling the hole and stress relief. In certain case it is showed that the error can reach 140% of the applied stress. However,those articles use linear-elastics hypothesis and therefore their predictions can also include mistakes. The present work proposes new numerical methodologies to evaluate the usefulness of the hole- drilling technique, as it is described by the ASTM E 387, in the plastic range. The aim is to model the stress relief caused by the hole`s drilling process in a more realistic way, in order to avoid the use of linear-elastics hypothesis. The proposed methodologies are: Equivalent State, in which is applied in the hole a stress equivalent to that one acting externally on the component; Element Death, in which the drilling process is simulated by eliminating numerically in several steps the material which vanishes during the drilling process, and the Replacement Stress; in which the material in the hole is replaced by the stress that is acting at its walls. Those mentioned methodologies were implemented using a commercial finite element program which simulated plates with through the thickness and blind holes. Those plates have been loaded with three different loadings which varied from 0.3 to 0.9 Sy. Two materials with different stress-strain curves have been used. One of them had the elastic limit equal to the yield limit and the other one has those two limits different. In the worst case the errors found were 70 percent, which is smaller than those found by others researchers. It was concluded that, the Replacement Stress and the Elements Death methodologies are those that best simulate the process of drilling a hole in a plate which is under high stresses.

[pt] O conhecimento dos esforços de flexão e normal provocados por movimentação de solo é importante para a análise de integridade estrutural de dutos. A existência de tensões residuais é um dos principais obstáculos para obtenção de resultados precisos na determinação de tais esforços. Este trabalho foi desenvolvido com o objetivo de analisar o comportamento das tensões residuais de fabricação em tubos ao longo de sua circunferência e de seu comprimento. Foram feitas medições de tensões residuais em corpos de prova de um tubo novo e de outros retirados de operação utilizando a técnica de furo cego e uma nova técnica de seccionamento. As medições foram realizadas ao longo da circunferência e em diferentes seções dos tubos. As medições com a técnica de seccionamento proposta, denominada técnica do furo elíptico, mostraram-se coerentes com as medições com o furo cego, principalmente para as tensões longitudinais. A partir dos resultados obtidos nos experimentos realizados, foram feitas recomendações e propostas metodologias para separar as tensões residuais de fabricação das tensões atuantes no duto em operação. Para cada método proposto foi feita uma simulação para avaliar seus erros. As tensões residuais de fabricação circunferenciais e longitudinais possuem magnitudes consideráveis (por vezes até próximas à resistência ao escoamento dos tubos). Desprezá-las em medições realizadas em campo, como é feito na maioria das vezes para calcular os esforços existentes, pode acarretar grandes erros na determinação dos esforços agindo sobre o duto. Os resultados das simulações mostraram que, se as tensões residuais forem baixas, os esforços de trabalho obtidos desconsiderando-as são próximos dos valores reais. No mais, os procedimentos propostos para a determinação dos esforços, mediante a separação das tensões residuais existentes, apresentaram erros menores ou, no mínimo, próximos aos encontrados quando o cálculo foi feito negligenciando-se as tensões residuais. / [en] The knowledge of the bending and axial efforts caused by soil movement is important for the structural integrity analysis of pipelines. The existence of residual stresses is one of the main obstacles for obtaining good results in the determination of such efforts. This work was developed to analyze the behavior of the residual stresses of manufacturing in pipes throughout its circumference and length. Measurements of residual stresses had been made in samples of a new pipe and others samplers removed from operation, using the hole drilling technique and a new sectioning technique. The measurements had been carried throughout the circumference and different sections of the pipes. The measurements with the sectioning technique proposed, called elliptical hole technique, are coherent with the measurements of the hole drilling technique, mainly for the longitudinal stresses. From the experimental results, recommendations had been made and methodologies had been proposed to separate the manufacturing residual stresses from the operating stresses in the pipelines. For each method considered in this work, a simulation was made to evaluate its errors. The circumferential and longitudinal residual stresses of manufacturing have considerable magnitudes (sometimes next to the yield strength of the pipes). Not considering the residual stresses in measurements carried through in situ to calculate the existing loads, as it is made most of the time, can cause significant errors in the determination of the efforts acting on the pipeline. The results of the simulations had shown that, if the residual stresses are low, the work loads obtained when the residual stresses are not considered are comparable with the correct loads. The procedures proposed for the determination of loads, considering the separation of the existing residual stresses, had presented smaller errors or closer to those when the calculation was made neglecting the residual stresses.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Tensões residuais são uma das principais causas de falhas em componentes mecânicos submetidos a processos de fabricação. O objetivo do trabalho foi medir as tensões residuais presentes em um tubo quadrado soldado por resistência elétrica de alta frequência e caracterizar microestruturalmente o seu material. Para a caracterização, foram utilizadas técnicas de microscopia óptica (MO), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e análise química quantitativa. Para a medição das tensões residuais, foi utilizado o método do furo cego, baseado na norma ASTM E837-08, onde rosetas (strain-gages) são coladas à peça para medir as deformações geradas devido à usinagem de um pequeno furo no local de medição. As deformações foram associadas às tensões residuais através de equações baseadas na Lei de Hooke. A caracterização revelou uma microestrutura composta basicamente de ferrita e perlita, típica de aços com baixo teor de carbono, corroborando com a especificação fornecida pelo fabricante. As tensões residuais encontradas foram trativas e mostraram-se elevadas, com alguns valores acima do limite de escoamento do material. / Residual stresses are one of the main failure causes in mechanical components submitted to manufacture process. The aim of this work was to measure the residual stresses present in a seame welded tube welded using a high frequency electrical resistance and to microstruturally characterize its material. Optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM) and quantitative chemical analysis techniques were used for the characterization. The hole-drilling method was applied obeying the ASTM E837-08 norm to measure the residual stresses, where strain-gages are glued to the sample to measure the deformations caused due to the machining of a small hole in the measurement point. The deformations were linked to the residual stresses using the Hookes Law equations. The characterization basically showed a composite microstructure of ferrite and perlite, tipical in lowcarbon steels, as the specification supplied by the manufacturer. The residual stresses found were tensile and high, with some values above the material yield strength.

Made available in DSpace on 2016-12-08T17:19:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Introducao.pdf: 448655 bytes, checksum: 598f8294a6f16ff80e9151c41d1a27f9 (MD5) Previous issue date: 2011-12-15 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Residual stresses in polymeric parts are a great source of uncertainties for the design of industrial components. They are originated mainly during the injection molding process. Some of the problems related to this phenomenon are reduction to the mechanic strength, cracks propagation and warpage. Many efforts are employed to minimize these residual stresses and, to achieve that, an essential step is its measuring. There are methods and devices already available to measure residual stress in metallic materials, but in the field of polymeric material, many aspects remain unexplored. In the present work, a device to measure strain gage signals was built, which was employed to determine residual stresses according to the most established techniques nowadays. Injection simulation techniques were utilized to estimate the build-up of residual stresses in polymeric test specimens under different manufacturing setups. Statistical analysis was performed to select the most favorable parameters for parts tensioning. Test specimens were fabricated in the selected process conditions. Samples weight measurements confirmed statistically that the process parameters selected have significantly altered the parts final mass. Residual stress measurements were carried out by employing the hole drilling technique in the manufactured specimens, thus being determined tensile residual stresses from 2.7 MPa by 6.2 MPa, in the layers closest to the parts surface. The typical profile for residual stress distribution, as described in literature, was observed in the experiments performed. / Tensões residuais em peças poliméricas são grande fonte de incertezas para o projeto de componentes industriais. São causadas principalmente durante o processo de injeção. Alguns dos problemas relacionados a esse fenômeno são a diminuição da resistência mecânica, surgimento de trincas e empenamento das peças. Muitos esforços são empregados na minimização dessas tensões residuais e, para isso, uma etapa indispensável é a sua medição. Existem métodos e equipamentos já disponíveis para medição de tensões residuais em materiais metálicos, porém, no campo dos materiais poliméricos ainda há muitos aspectos a serem melhor explorados. Neste trabalho foi construído um dispositivo para medição de sinais de extensiometria, o qual foi utilizado para determinação de tensões residuais segundo as técnicas mais utilizadas atualmente para metais. Técnicas de simulação de injeção foram utilizadas para estimar o surgimento de tensões residuais em corpos-de-prova poliméricos sob diversas condições de fabricação. Análise estatística foi realizada para selecionar as condições de fabricação mais propícias ao tensionamento das peças. Corpos-de-prova foram fabricados nas condições de processo selecionadas. Medições de peso das amostras confirmaram estatisticamente que os parâmetros de processo utilizados alteraram significativamente a massa final das peças. Medições de tensões residuais foram realizadas aplicando-se a técnica do furo cego nas amostras fabricadas, determinando-se tensões residuais de tração entre 2,7 MPa e 6,2 MPa, nas camadas próximas às superfície das amostras. O perfil típico de tensões residuais previsto em literatura foi observado nos experimentos realizados.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Tensões residuais são uma das principais causas de falhas em componentes mecânicos submetidos a processos de fabricação. O objetivo do trabalho foi medir as tensões residuais presentes em um tubo quadrado soldado por resistência elétrica de alta frequência e caracterizar microestruturalmente o seu material. Para a caracterização, foram utilizadas técnicas de microscopia óptica (MO), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e análise química quantitativa. Para a medição das tensões residuais, foi utilizado o método do furo cego, baseado na norma ASTM E837-08, onde rosetas (strain-gages) são coladas à peça para medir as deformações geradas devido à usinagem de um pequeno furo no local de medição. As deformações foram associadas às tensões residuais através de equações baseadas na Lei de Hooke. A caracterização revelou uma microestrutura composta basicamente de ferrita e perlita, típica de aços com baixo teor de carbono, corroborando com a especificação fornecida pelo fabricante. As tensões residuais encontradas foram trativas e mostraram-se elevadas, com alguns valores acima do limite de escoamento do material. / Residual stresses are one of the main failure causes in mechanical components submitted to manufacture process. The aim of this work was to measure the residual stresses present in a seame welded tube welded using a high frequency electrical resistance and to microstruturally characterize its material. Optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM) and quantitative chemical analysis techniques were used for the characterization. The hole-drilling method was applied obeying the ASTM E837-08 norm to measure the residual stresses, where strain-gages are glued to the sample to measure the deformations caused due to the machining of a small hole in the measurement point. The deformations were linked to the residual stresses using the Hookes Law equations. The characterization basically showed a composite microstructure of ferrite and perlite, tipical in lowcarbon steels, as the specification supplied by the manufacturer. The residual stresses found were tensile and high, with some values above the material yield strength.