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Embora a ablação a laser venha sendo bastante utilizada em materiais em geral, pouco é entendido sobre o comportamento deste processo perto de uma interface separando dois materiais distintos. Neste contexto, o principal objetivo deste trabalho foi realizar um estudo macroscópico e microscópico dos processos que envolvem a ablação a laser em regime de femtossegundos em materiais homogêneos e estruturados. No caso de materiais estruturados, o estudo focou-se em uma situação de interface, na qual ocorrem mudanças nas propriedades de ablação. Baseado nos resultados, nós pretendemos obter subsídios científicos para entender as aplicações da ablação em regime de pulsos ultracurtos para estruturas estratificadas, tais como de dentes, ossos, interface resina-dente, dente-metal, e outras. Diferentes técnicas experimentais foram idealizadas para determinar a progressão da ablação dentro do material e obter dados extraídos da superfície. Utilizando luz espalhada de uma fonte externa, o processo de ablação foi temporalmente monitorado, permitindo determinar a velocidade de ablação em materiais transparentes, assim como perfis típicos de ablação nestes materiais. Em um segundo experimento, nosso estudo permitiu quantificar a variação da geometria de ablação perto de uma interface separando dois materiais distintos. Nossos dados foram suficientes para prever a ocorrência de uma descontinuidade no perfil da ablação entre dois meios: resina A e resina B, mostrando uma repentina descontinuidade do diâmetro da cavidade ablacionada. Adicionalmente, foi realizada uma análise dos aspectos morfológicos de diferentes tecidos biológicos irradiados e nosso estudo mostrou a eficiência da ablação utilizando laser de femtossegundos no processamento de tecidos duros e a possibilidade de utilizar esses sistemas sem causar danos térmicos e mecânicos nos tecidos remanescentes. Finalmente nós aplicamos a microperfuração a laser para produzir micro-poros na superfície de tecidos biológicos (fígados), melhorando a penetração do medicamento ALA e a aumentando a profundidade de tratamento. / Although laser ablation has been long used in general materials, little is known regarding the behavior of theses process near an interface separating two distinct materials. In this context, the main aim of this work was to perform a microscopic and macroscopic study of the processes that include femtosecond laser ablation in homogeneous and/or structured materials. In the case of structured materials, the study focused on an interface situation, in which sudden changes occurred in the properties. Based on the results, we aimed to obtain scientific subsidies to understand the application of ultrashort pulses to stratified structures, such as teeth, bones, resin-teeth or metal-teeth interface, and others. Distinct experimental techniques were used to determinate the ablation progression into the materials and to obtain data extracted from their surface. By using the scattered light from an external source, the ablation process was monitored temporally, allowing to determine the velocity of ablation in transparent materials, besides determining the typical profiles of ablated cavities in these materials. In a second experiment, our study allowed quantifying the overall variation in the ablation geometry that takes place on the interface of two different materials. Our data were sufficient to predict the occurrence of a discontinuity in the ablation profile on the interface between two media: resin A and resin B, showing a sudden discontinuity of the ablated cavity diameter. In addition, an analysis of the morphological aspects of different biological tissues irradiated by femtosecond laser pulses was performed and a comparative study showed the ablation efficiency of the femtosecond lasers in hard tissues processing and the possibility of using these systems with no thermal and mechanic damage. Finally, we applied a laser micromachining producing micro-pores on the tissue surface, improving the ALA penetration and increasing the treatment depth.

abstract: A new critical plane-energy model is proposed in this thesis for multiaxial fatigue life prediction of homogeneous and heterogeneous materials. Brief review of existing methods, especially on the critical plane-based and energy-based methods, are given first. Special focus is on one critical plane approach which has been shown to work for both brittle and ductile metals. The key idea is to automatically change the critical plane orientation with respect to different materials and stress states. One potential drawback of the developed model is that it needs an empirical calibration parameter for non-proportional multiaxial loadings since only the strain terms are used and the out-of-phase hardening cannot be considered. The energy-based model using the critical plane concept is proposed with help of the Mroz-Garud hardening rule to explicitly include the effect of non-proportional hardening under fatigue cyclic loadings. Thus, the empirical calibration for non-proportional loading is not needed since the out-of-phase hardening is naturally included in the stress calculation. The model predictions are compared with experimental data from open literature and it is shown the proposed model can work for both proportional and non-proportional loadings without the empirical calibration. Next, the model is extended for the fatigue analysis of heterogeneous materials integrating with finite element method. Fatigue crack initiation of representative volume of heterogeneous materials is analyzed using the developed critical plane-energy model and special focus is on the microstructure effect on the multiaxial fatigue life predictions. Several conclusions and future work is drawn based on the proposed study. / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Mechanical Engineering 2016

Embora a ablação a laser venha sendo bastante utilizada em materiais em geral, pouco é entendido sobre o comportamento deste processo perto de uma interface separando dois materiais distintos. Neste contexto, o principal objetivo deste trabalho foi realizar um estudo macroscópico e microscópico dos processos que envolvem a ablação a laser em regime de femtossegundos em materiais homogêneos e estruturados. No caso de materiais estruturados, o estudo focou-se em uma situação de interface, na qual ocorrem mudanças nas propriedades de ablação. Baseado nos resultados, nós pretendemos obter subsídios científicos para entender as aplicações da ablação em regime de pulsos ultracurtos para estruturas estratificadas, tais como de dentes, ossos, interface resina-dente, dente-metal, e outras. Diferentes técnicas experimentais foram idealizadas para determinar a progressão da ablação dentro do material e obter dados extraídos da superfície. Utilizando luz espalhada de uma fonte externa, o processo de ablação foi temporalmente monitorado, permitindo determinar a velocidade de ablação em materiais transparentes, assim como perfis típicos de ablação nestes materiais. Em um segundo experimento, nosso estudo permitiu quantificar a variação da geometria de ablação perto de uma interface separando dois materiais distintos. Nossos dados foram suficientes para prever a ocorrência de uma descontinuidade no perfil da ablação entre dois meios: resina A e resina B, mostrando uma repentina descontinuidade do diâmetro da cavidade ablacionada. Adicionalmente, foi realizada uma análise dos aspectos morfológicos de diferentes tecidos biológicos irradiados e nosso estudo mostrou a eficiência da ablação utilizando laser de femtossegundos no processamento de tecidos duros e a possibilidade de utilizar esses sistemas sem causar danos térmicos e mecânicos nos tecidos remanescentes. Finalmente nós aplicamos a microperfuração a laser para produzir micro-poros na superfície de tecidos biológicos (fígados), melhorando a penetração do medicamento ALA e a aumentando a profundidade de tratamento. / Although laser ablation has been long used in general materials, little is known regarding the behavior of theses process near an interface separating two distinct materials. In this context, the main aim of this work was to perform a microscopic and macroscopic study of the processes that include femtosecond laser ablation in homogeneous and/or structured materials. In the case of structured materials, the study focused on an interface situation, in which sudden changes occurred in the properties. Based on the results, we aimed to obtain scientific subsidies to understand the application of ultrashort pulses to stratified structures, such as teeth, bones, resin-teeth or metal-teeth interface, and others. Distinct experimental techniques were used to determinate the ablation progression into the materials and to obtain data extracted from their surface. By using the scattered light from an external source, the ablation process was monitored temporally, allowing to determine the velocity of ablation in transparent materials, besides determining the typical profiles of ablated cavities in these materials. In a second experiment, our study allowed quantifying the overall variation in the ablation geometry that takes place on the interface of two different materials. Our data were sufficient to predict the occurrence of a discontinuity in the ablation profile on the interface between two media: resin A and resin B, showing a sudden discontinuity of the ablated cavity diameter. In addition, an analysis of the morphological aspects of different biological tissues irradiated by femtosecond laser pulses was performed and a comparative study showed the ablation efficiency of the femtosecond lasers in hard tissues processing and the possibility of using these systems with no thermal and mechanic damage. Finally, we applied a laser micromachining producing micro-pores on the tissue surface, improving the ALA penetration and increasing the treatment depth.