Submitted by Izabel Franco (izabel-franco@ufscar.br) on 2016-09-20T18:30:12Z No. of bitstreams: 1 DissJVAE.pdf: 4217973 bytes, checksum: 5bff49bb1884d56f5cb1d7e47edfd24f (MD5) / Approved for entry into archive by Ronildo Prado (ronisp@ufscar.br) on 2016-09-21T18:13:46Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissJVAE.pdf: 4217973 bytes, checksum: 5bff49bb1884d56f5cb1d7e47edfd24f (MD5) / Approved for entry into archive by Ronildo Prado (ronisp@ufscar.br) on 2016-09-21T18:13:57Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissJVAE.pdf: 4217973 bytes, checksum: 5bff49bb1884d56f5cb1d7e47edfd24f (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-21T18:23:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissJVAE.pdf: 4217973 bytes, checksum: 5bff49bb1884d56f5cb1d7e47edfd24f (MD5) Previous issue date: 2015-02-26 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / The friction spot joining (FSpJ) emerges as an alternative and innovative technique for producing polymer-metal hybrid structures. This technique was developed and patented by HZG / Germany in 2012. The process uses a combination of tools that by friction generates heat leading to the formation of a polymer layer through the interface and mechanical interlocking between the joints partners. Previous studies have demonstrated the technical feasibility of producing hybrid joints by FSpJ, however, no studies have demonstrated the influence of the process parameters on the joints properties. This study aimed to produce hybrid joints of 6181-T4 aluminum alloy and carbon fiber reinforced poly(phenylene sulfide) laminate composite (CF-PPS) by FSpJ and investigate the influence of process and aluminum surface treatment on the structure and the mechanical strength of these joints. The proper combination of these parameters resulted in hybrid joints with single lap shear force of up to 1861 N (29 MPa) and 3522 N (55 MPa) for double lap joints. This level of shear strength is similar or superior to others metal / polymeric composite joints produced by conventional joining techniques, demonstrating the potential of the FSpJ. The rotational speed (RS) was the parameter with the greatest influence on the shear strength of the joints, followed by the joining time (JT), tool plunge depth (PD) and joining force (JF). Joints that had predominantly cohesive fracture showed higher shear strength. Joints that were cooled at lower rates showed higher joint shear strength, regardless the heat input, due to lower residual stress at the interface of these joints. Through simple aluminum surface treatment (griding followed by acid pickling) it was possible to achieve an increasing up to 160% in the shear strength of the joints. / A união pontual por fricção (“Friction Spot Joining – FSpJ”) desponta como uma técnica alternativa e inovadora para produzir estruturas híbridas metal-polímero. Esta técnica foi desenvolvida e patenteada pela HZG / Alemanha em 2012. O processo utiliza uma combinação de ferramentas que através da fricção sobre o metal gera calor levando a formação de camada polimérica na interface e de travamento mecânico entre as chapas. Estudos anteriores demonstraram a viabilidade técnica para produção de juntas híbridas, porém, não há estudos demonstrando efetivamente a influência dos parâmetros de união nas propriedades das juntas. Este estudo teve como objetivo produzir juntas híbridas de alumínio 6181-T4 e compósito laminado de poli(sulfeto de fenileno) e fibra de carbono (CF-PPS) por FSpJ, e investigar a influência de parâmetros de processo e tratamento superficial do alumínio sobre a estrutura e a resistência mecânica dessas juntas. A combinação apropriada desses parâmetros resultou em juntas híbridas com força máxima em cisalhamento de até 1861 N (29 MPa) na geometria junta pontual sobreposta simples e de 3522 N (55 MPa) na geometria de junta sobreposta dupla. Esse nível de resistência mecânica é similar ou superior ao de outras juntas metal-compósito polimérico produzidas por técnicas convencionais de união, demonstrando o potencial da técnica FSpJ. A velocidade rotacional (VR) foi o parâmetro com maior influência na resistência ao cisalhamento das juntas, seguida pelo tempo de união (TU), profundidade de penetração (PP) e força de união (FU). As juntas com falha predominantemente coesiva apresentaram resistência ao cisalhamento superior. Foi verificado que juntas produzidas em menores taxas de resfriamento apresentam maior desempenho mecânico, independentemente do aporte térmico utilizado, devido a menor tensão residual na interface dessas juntas. Através de tratamentos superficiais simples no alumínio (lixamento seguido de decapagem ácida) foi possível alcançar aumento de até 160% na resistência ao cisalhamento das juntas.

O presente trabalho consiste basicamente num estudo experimental de juntas híbridas metal-compósito unidas mecanicamente por fixadores. Foram analisadas juntas fabricadas através de uma chapa metálica de titânio unida a uma placa em compósito de fibra de carbono e resina epóxi por fixadores de monel. As juntas avaliadas são juntas simples (\"single lap joint\"), ou seja, as mesmas foram submetidas ao simples cisalhamento. Antes, porém, dos ensaios das juntas, foram fabricados corpos-de-prova (CDPs) do compósito seguindo as especificações das normas ASTM D3039 e ASTM D3518. Os ensaios de tração e cisalhamento dos CDPs de compósito possibilitaram a determinação de propriedades mecânicas, bem como de valores de resistência. Sob posse das propriedades e resistência média, foram executadas simulações computacionais via Método dos Elementos Finitos com o intuito de prever o comportamento mecânico das juntas a serem ensaiadas seguindo a norma ASTM D5961 e, assim, delinear estratégias para os ensaios. Os ensaios das juntas foram realizados, possibilitando assim a avaliação do comportamento mecânico de juntas híbridas e de seus mecanismos de falha. Por fim, as conclusões e as perspectivas para trabalhos futuros foram apresentadas. / This work consists on an experimental investigation of hybrid joints (metal-composite) joined by fasteners. For this work, hybrid joints of titanium joined to composite (carbon fiber with epoxy resin) by monel fasteners were manufactured. Only single lap joints were investigated. However, before manufacturing specimens of joints, composite specimens were tested following the ASTM D3039 e ASTM D3518. The tensile and shear tests provided the mechanical properties and strength values of the composite. Finite element analyses of the hybrid joints were carried out, using average mechanical properties and strength values. These simulations followed the specifications of ASTM D5961 in order to predict the mechanical behavior of the joints during the experimental tests, as well as, provide a good strategy for the test setup. The experimental tests were carried out, observing the mechanical behavior and failure mechanisms of the hybrid joints. Finally, the conclusions and perspective of future works were showed.

O presente trabalho correlacionou diversas funções de respostas em frequência (FRF) de juntas do tipo simples, coladas e fabricadas em titânio-compósito (resina epóxi reforçada por fibra de carbono). As FRFs produzidas foram investigadas (experimental e numericamente) tanto para juntas intactas como para juntas com falha, estas provenientes, por exemplo, do uso em serviço ou então, com resultado do processamento inadequado de um reparo. Com base nessas análises buscou-se, portanto, subsidiar o desenvolvimento de um sistema de monitoramento estrutural a partir da avaliação de seu comportamento dinâmico, medido pelo uso de pastilhas piezelétricas integradas à estrutura. Para que o respectivo objetivo fosse alcançado. Num primeiro momento, a fim de compreender os fenômenos envolvidos, conduziu-se a atividade de revisão bibliográfica, que baseada na consulta dos trabalhos mais recentes publicados sobre a análise de juntas coladas empregando abordagem numérica, analítica e/ou experimental. Em seguida, foram desenvolvidos modelos computacionais preliminares com solução via Método dos Elementos Finitos (MEF), a fim de se obter as diretrizes mínimas para uma proposta de fabricação das juntas híbridas (metal-compósito). Tal estratégia permitiu reduzir efeitos indesejados, que pudessem comprometer os resultados experimentais. Em posse dos resultados computacionais fabricou-se amostras de juntas metal-compósito com e sem dano. Num primeiro momento, foram realizadas análises numéricas através do desenvolvimento de modelos computacionais (com solução via MEF) das juntas, metal-compósito, monitoradas por transdutores piezelétricos. Em seguida, as juntas híbridas foram submetidas a ensaios experimentais dinâmicos, empregando técnicas de monitoramento com auxílio de transdutores piezelétricos e acelerômetros. Por fim, avaliaram-se potencialidades e limitações dos modelos computacionais desenvolvidos, através de estudos de caso, comparando os resultados experimentais com os resultados numéricos. / The herein proposed research has correlates Frequency Response Functions (FRF) of several hybrid titanium-composite (epoxy resin reinforced with carbon fiber) single lap bonded joints. The FRFs were investigated (numerically and experimentally) for joints with and without failures which may arise as the result of in service events or bad maintenance practices. The result of the dynamic analyses provided by the FRFs has substantiated the proposal of a damage detection method using piezoelectric elements capable which are capable to detect minor alterations on the dynamic behavior of the joint. In order to reach the proposed objective, the first action towards the given objective was study the problem through a bibliographic revision of the research subject, for this purpose the most recent published works related to numerical, analytical and experimental analyses of bonded joints were thoroughly evaluated and segregated. Afterwards, models of the joints were proposed using Finite Element Models (FEM) to obtain a preliminary result of the joints behavior to eventually substantiate the manufacturing processes, reducing the amount of material, time and cost of the experiments. Based upon the results of the FEM the coupons were manufactured with and without damages, using the methods and techniques available on the maintenance field for restoration of composite elements. Before proceed to the comparison between the modeled and experimental results, additional models were proposed using previous work\'s results to get results from the piezoelectric monitored joints. Afterwards, all experimental tests were conducted using accelerometers and piezoelectric elements to provide the means through it the advantages and drawbacks of the proposed monitoring method could be checked, by comparison between the experimental and modeled results.

Submitted by Caroline Periotto (carol@ufscar.br) on 2016-09-26T18:13:21Z No. of bitstreams: 1 DissMS.pdf: 7587278 bytes, checksum: b78af0b72b6cb2a9f5e605c25bfac1d1 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-09-27T20:12:11Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissMS.pdf: 7587278 bytes, checksum: b78af0b72b6cb2a9f5e605c25bfac1d1 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-09-27T20:12:18Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissMS.pdf: 7587278 bytes, checksum: b78af0b72b6cb2a9f5e605c25bfac1d1 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-27T20:12:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissMS.pdf: 7587278 bytes, checksum: b78af0b72b6cb2a9f5e605c25bfac1d1 (MD5) Previous issue date: 2016-02-29 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Conselho Nacional de Pesquisa (CNPq) / This master thesis aims to study hybrid joints of polyetherimide (PEI) and aluminum 6082-T6 produced by Friction-based Injection Clinching Joining (FICJ). The influences of the process parameters in the frictional heat and polymer degradation were analyzed through a half factorial design. The degradation of PEI was evaluated by size exclusion chromatography (SEC), differential scanning calorimetry (DSC) and infrared spectroscopy (FTIR). The effect of degradation in the joint microstructure and mechanical properties was also analyzed. The macro and microstructural characteristics were evaluated by optical microscopy and Vickers hardness. The static mechanical properties were determined by lap shear testing and cross tensile testing. It has been shown that the F-ICJ causes degradation through multiple chains scissions. Additionally, a thermomechanically affected zone, with lower hardness, and defects such as pores and weld lines are formed. The mechanical performance, mainly in cross tensile testing, is negatively affected by degradation and presence of defects. These results contribute to the optimization and application of F-ICJ to join hybrid structures. / Nesta dissertação de mestrado fabricou-se juntas híbridas de polieterimida (PEI) e alumínio 6082-T6 por rebitagem por injeção baseada em energia friccional (Friction-based Injection Clinching Joining - F-ICJ). Foi analisada a influência dos parâmetros de processo na geração de calor por fricção e na degradação polimérica através de planejamento de experimentos fatorial fracionário. O nível de degradação do PEI foi avaliado por cromatografia de exclusão por tamanho (SEC), calorimetria exploratória diferencial (DSC) e espectroscopia de infravermelho (FTIR). Estudou-se o efeito da degradação em características macro e microestruturais e nas propriedades mecânicas estáticas das juntas. As características macro e microestruturais foram avaliadas por meio de microscopia ótica e microdureza Vickers. A propriedade mecânica estática foi determinada por ensaio de cisalhamento de juntas sobrepostas e de tração da cabeça do rebite. Mostrou-se que o processo F-ICJ causou degradação por cisão de cadeias múltiplas. Adicionalmente, há criação de uma zona termomecanicamente afetada com menor microdureza e formação de defeitos, como poros e linhas de solda. O desempenho mecânico principalmente, em ensaio de tração da cabeça do rebite é negativamente afetado pela degradação e presença de defeitos. Estes resultados contribuem para a otimização e aplicação da técnica F-ICJ, na união de estruturas híbridas.

O presente trabalho consiste basicamente num estudo experimental de juntas híbridas metal-compósito unidas mecanicamente por fixadores. Foram analisadas juntas fabricadas através de uma chapa metálica de titânio unida a uma placa em compósito de fibra de carbono e resina epóxi por fixadores de monel. As juntas avaliadas são juntas simples (\"single lap joint\"), ou seja, as mesmas foram submetidas ao simples cisalhamento. Antes, porém, dos ensaios das juntas, foram fabricados corpos-de-prova (CDPs) do compósito seguindo as especificações das normas ASTM D3039 e ASTM D3518. Os ensaios de tração e cisalhamento dos CDPs de compósito possibilitaram a determinação de propriedades mecânicas, bem como de valores de resistência. Sob posse das propriedades e resistência média, foram executadas simulações computacionais via Método dos Elementos Finitos com o intuito de prever o comportamento mecânico das juntas a serem ensaiadas seguindo a norma ASTM D5961 e, assim, delinear estratégias para os ensaios. Os ensaios das juntas foram realizados, possibilitando assim a avaliação do comportamento mecânico de juntas híbridas e de seus mecanismos de falha. Por fim, as conclusões e as perspectivas para trabalhos futuros foram apresentadas. / This work consists on an experimental investigation of hybrid joints (metal-composite) joined by fasteners. For this work, hybrid joints of titanium joined to composite (carbon fiber with epoxy resin) by monel fasteners were manufactured. Only single lap joints were investigated. However, before manufacturing specimens of joints, composite specimens were tested following the ASTM D3039 e ASTM D3518. The tensile and shear tests provided the mechanical properties and strength values of the composite. Finite element analyses of the hybrid joints were carried out, using average mechanical properties and strength values. These simulations followed the specifications of ASTM D5961 in order to predict the mechanical behavior of the joints during the experimental tests, as well as, provide a good strategy for the test setup. The experimental tests were carried out, observing the mechanical behavior and failure mechanisms of the hybrid joints. Finally, the conclusions and perspective of future works were showed.

O presente trabalho correlacionou diversas funções de respostas em frequência (FRF) de juntas do tipo simples, coladas e fabricadas em titânio-compósito (resina epóxi reforçada por fibra de carbono). As FRFs produzidas foram investigadas (experimental e numericamente) tanto para juntas intactas como para juntas com falha, estas provenientes, por exemplo, do uso em serviço ou então, com resultado do processamento inadequado de um reparo. Com base nessas análises buscou-se, portanto, subsidiar o desenvolvimento de um sistema de monitoramento estrutural a partir da avaliação de seu comportamento dinâmico, medido pelo uso de pastilhas piezelétricas integradas à estrutura. Para que o respectivo objetivo fosse alcançado. Num primeiro momento, a fim de compreender os fenômenos envolvidos, conduziu-se a atividade de revisão bibliográfica, que baseada na consulta dos trabalhos mais recentes publicados sobre a análise de juntas coladas empregando abordagem numérica, analítica e/ou experimental. Em seguida, foram desenvolvidos modelos computacionais preliminares com solução via Método dos Elementos Finitos (MEF), a fim de se obter as diretrizes mínimas para uma proposta de fabricação das juntas híbridas (metal-compósito). Tal estratégia permitiu reduzir efeitos indesejados, que pudessem comprometer os resultados experimentais. Em posse dos resultados computacionais fabricou-se amostras de juntas metal-compósito com e sem dano. Num primeiro momento, foram realizadas análises numéricas através do desenvolvimento de modelos computacionais (com solução via MEF) das juntas, metal-compósito, monitoradas por transdutores piezelétricos. Em seguida, as juntas híbridas foram submetidas a ensaios experimentais dinâmicos, empregando técnicas de monitoramento com auxílio de transdutores piezelétricos e acelerômetros. Por fim, avaliaram-se potencialidades e limitações dos modelos computacionais desenvolvidos, através de estudos de caso, comparando os resultados experimentais com os resultados numéricos. / The herein proposed research has correlates Frequency Response Functions (FRF) of several hybrid titanium-composite (epoxy resin reinforced with carbon fiber) single lap bonded joints. The FRFs were investigated (numerically and experimentally) for joints with and without failures which may arise as the result of in service events or bad maintenance practices. The result of the dynamic analyses provided by the FRFs has substantiated the proposal of a damage detection method using piezoelectric elements capable which are capable to detect minor alterations on the dynamic behavior of the joint. In order to reach the proposed objective, the first action towards the given objective was study the problem through a bibliographic revision of the research subject, for this purpose the most recent published works related to numerical, analytical and experimental analyses of bonded joints were thoroughly evaluated and segregated. Afterwards, models of the joints were proposed using Finite Element Models (FEM) to obtain a preliminary result of the joints behavior to eventually substantiate the manufacturing processes, reducing the amount of material, time and cost of the experiments. Based upon the results of the FEM the coupons were manufactured with and without damages, using the methods and techniques available on the maintenance field for restoration of composite elements. Before proceed to the comparison between the modeled and experimental results, additional models were proposed using previous work\'s results to get results from the piezoelectric monitored joints. Afterwards, all experimental tests were conducted using accelerometers and piezoelectric elements to provide the means through it the advantages and drawbacks of the proposed monitoring method could be checked, by comparison between the experimental and modeled results.