Orientador : Amauri Garcia / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-04T03:13:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Spinelli_JoseEduardo_D.pdf: 12716637 bytes, checksum: 79131dc23b1f9de6e4d77299eeff6973 (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: Poucos estudos têm analisado os efeitos da convecção no líquido interdendrítico, bem como a influência da direção de crescimento em relação à gravidade nas variáveis térmicas e estruturais durante a solidificação. Neste trabalho, foi utilizado um dispositivo de solidificação unidirecional vertical descendente, constituído por uma lingoteira de aço inoxidável com diâmetro interno de 60 mm, 157 mm de comprimento e 9 mm de espessura. Na parte superior, foi posicionada uma câmara de refrigeração a água do mesmo material do molde e com espessura útil de 3,0 mm. Após a obtenção dos lingotes e registrados os respectivos perfis térmicos experimentais, foram determinadas as variáveis térmicas de solidificação: coeficiente de transferência de calor metal/molde, velocidades de deslocamento da isoterma liquidus, gradientes térmicos e taxas de resfriamento para a solidificação unidirecional descendente de ligas hipoeutéticas do sistema Sn-Pb (Sn5%Pb, Sn15%Pb e Sn20%Pb). Estas variáveis térmicas são confrontadas com as previsões teóricas de um modelo numérico de solidificação e, em seguida, correlacionadas com os parâmetros estruturais: espaçamentos dendríticos primários, secundários e transição colunar/equiaxial (TCE). Dessa forma, são determinadas equações experimentais de crescimento para a solidificação descendente e verificado um critério de previsão da TCE. Realiza-se também uma análise comparativa dos presentes resultados com aqueles obtidos para solidificação vertical ascendente de ligas de mesma composição. Os resultados comparativos mostram que o efeito convectivo estimula a ocorrência da TCE e ainda é responsável por uma sensível redução dos espaçamentos dendríticos primários. As previsões teóricas de modelos de crescimento dendrítico representativos da literatura são confrontadas com os resultados experimentais / Abstract: Only a few studies have reported influences of interdendritic convection and growth direction on dendrite arm spacings. A downward directional solidification apparatus was used having a stainless steel split mold with an internal diameter of 60 mm, height 157 mm and a 9 mm wall thickness. The upper part of the split mold was closed with a water-cooling chamber made of stainless steel, with a wall thiclmess of 3 mm. A combined theoretical and experimental approach is developed to quantitatively determine the solidification thermal parameters: transient heat transfer coefficients, tip growth rates, thermal gradients and cooling rates during downward unsteady state solidification ofhypoeutectic Sn-Pb alloys. The resulting thermosolutal convection can start in the melt both within the interdendritic region and ahead of the dendrite array. The experimental results have shown that melt convection may be causing pileup of fractioned dendritic arms, which must stimulate the CET occurrence. The results have supported a criterion recently proposed based on a critical tip cooling rate. For upward unidirectional condition this critical value was found to be about 0.014 K/s for hypoeutectic Sn-Pb alloys. In the present study, in conditions of downward solidification, melt convection seems to favor the structural transition, which is anticipated and occurs for a critical cooling rate of about 0.03 K/s, for any of three hypoeutectic alloys experimentally examined. Primary dendritic arm spacings have been affected by the direction of growth, decreasing in conditions of downward vertical solidification when compared with those grown vertically upwards. The main predictive theoretical models for dendritic spacings are compared with the experimental observations / Doutorado / Materiais e Processos de Fabricação / Doutor em Engenharia Mecânica

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Titanium alloys are used for several applications of greater responsibility, for example in the biomedical, aeronautical, energy, security, among others sectors. Several studies have shown that TiNbSn alloys have advantages compared to other titanium alloys with respect to mechanical properties. Studies indicate a possibility of obtaining a tensile strength value as high as that of alloys traditionally used as Ti6Al4V, through cold deformation and aging. In addition, cold deformed TiNbSn alloys may have modulus of elasticity less than half the modulus presented by traditional alloys. These indications point to the possibility of intensifying the production and commercialization of TiNbSn alloys for the manufacture of highly responsible components. Therefore, for these applications, studies on the crack propagation behavior are important and even mandatory in certain circumstances, for example for the manufacture of components that may suffer catastrophic failures. The purpose of this study was to evaluate the fatigue crack propagation behavior of TiNbSn alloys system cold deformed and aged. In this study, the cold-rolled Ti35Nb2Sn, Ti42Nb2Sn and Ti42Nb alloys were produced with 80% true deformation and aged at 400 ° C for 48 hours. da/dN x ΔK tests were carried out and it was observed that the Ti422 and Ti420 alloys, both aged, had the best results of crack propagation resistance in the Paris regime and in the crack propagation threshold. That is, the increase of Niobium and the aging treatment produces alloy of greater crack propagation resistance. These results were attributed to the great cracks tortuosity. This tortuosity leads to a greater roughness induced crack closure effect. The threshold values increased with the aging process due to the increase in the modulus of elasticity values. / Ligas de titânio são utilizadas para várias aplicações de maior responsabilidade, como por exemplo, nos setores biomédico, aeronáutico, energia, segurança, entre outros. Diversos estudos vem demonstrando que as ligas TiNbSn apresentam vantagens se comparadas a outras ligas de titânio com respeito a propriedades mecânicas. Estudos indicam a possibilidade de obter valor de resistência a tração tão elevado quanto de ligas tradicionalmente usadas como Ti6Al4V, através de deformação a frio e envelhecimento. Além disso, as ligas TiNbSn deformadas a frio podem apresentar módulo de elasticidade inferior a metade do módulo apresentado por ligas tradicionais. Esses indícios apontam para a possibilidade de intensificar a produção e comercialização de ligas TiNbSn para a fabricação de componentes de alta responsabilidade. Portanto, para essas aplicações, estudos sobre o comportamento de propagação de trincas são importantes e até mandatórios em certas circunstâncias, como por exemplo para a fabricação de componenetes que possam sofrer falhas catastróficas. O objetivo do presente estudo foi avaliar o comportamento de propagação de trincas por fadiga das ligas do sistema TiNbSn deformadas a frio e envelhecidas. Neste estudo, foram produzidas as ligas Ti35Nb2Sn, Ti42Nb2Sn e Ti42Nb laminadas a frio com 80% de deformação verdadeira e envelhecidas a 400 °C por 48 horas. Ensaios da/dN x ΔK foram realizados e foi visto que as ligas Ti422 e Ti420, ambas envelhecidas, apresentaram os melhores resultados de resistência à propagação de trincas no regime de Paris e no limiar de propogação de trinca. Ou seja, o aumento de Nióbio e o tratamento de envelhecimento produzem liga de maior resitência a propagação de trinca. Esses resultados foram atribuídos à grande tortuosidade das trincas. Essa tortuosidade leva a um maior efeito de fechamento de trinca induzido pela rugosidade da fratura. Os valores de limiar aumentaram com o processo de envelhecimento devido ao aumento dos valores de módulo de elasticidade.

Submitted by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2018-03-28T15:17:24Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_AnaliseParametrosInfluencia.pdf: 18364469 bytes, checksum: e4c99cfc3b8fff9e8bd927b2fd1dbf3a (MD5) / Approved for entry into archive by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2018-04-02T14:40:37Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_AnaliseParametrosInfluencia.pdf: 18364469 bytes, checksum: e4c99cfc3b8fff9e8bd927b2fd1dbf3a (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-02T14:40:37Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_AnaliseParametrosInfluencia.pdf: 18364469 bytes, checksum: e4c99cfc3b8fff9e8bd927b2fd1dbf3a (MD5) Previous issue date: 1992 / Constitui objetivo fundamental deste trabalho, a análise teórico-experimental de todos os fatores relativos ao sistema metal/molde que apresentem influência direta ou indireta sobre a qualidade superficial de lingotes. Para tanto, foi necessário simular-se condições de transferência de calor e de solidificação na primeira etapa de resfriamento do processo de lingotamento contínuo. O que foi feito através da construção de um dispositivo de lingotamento estático formado por um conjunto constituído de duas partes principais, que são: um molde de cobre refrigerado a água e um molde de refratário que permite alimentação do metal líquido pela base, de tal forma a simular o movimento relativo entre o lingote e o molde no processo de lingotamento contínuo. Inicialmente é abordado a análise das hipóteses teóricas, formuladoras dos prováveis mecanismos de formação de marcas superficiais, através de ensaios de resfriamento e solidificação com compostos orgânicos. Em seguida, foram examinados parâmetros térmicos de influência, tais como a força motriz de distorção térmica (?) e o coeficiente global de transferência de calor (hg) e o superaquecimento. Além destes aspectos analisou-se ainda, a influência da composição química (ligas com diferentes intervalos de solidificação) e da velocidade de lingotamento. Finalmente, todos os parâmetros de influência são analisados conjuntamente para estabelecer-se o mecanismo básico da formação de marcas superficiais durante o lingotamento.

Structural studies with CaCu3Ti4O12 (CCTO) are made since the 1970s, however investigations about their electrical properties only started recently. At 2000, it was reported a high permittivity of ~ 12000 (at 1 KHz) in ceramics of this material which remained constant between the room temperature to ~ 200 °C, and whose physical explanations be still controversial in the scientific society. High dielectric constants allow smaller capacitive components, enabling the size reduction of the electronic devices. In this way, CCTO has attracted the interest of many researchers as technological as scientific point of view. One of the main problem that limit its immediate application as dielectric in ceramic capacitors is its high dielectric loss (~ 0,15) near at room temperature. On the other hand, this material has been prepared by several researchers mainly by the solid state reaction method, in the temperature range of 1000 °C to 1050 °C, with thermal treatment up to 48 h. As result, some secondary phases have be found as in the calcined powders as in the sintered ceramics. Thus, other synthesis methods have been proposed and tested in the last years. In this work, we have studied the CCTO synthesis by a route based on Pechini s method and its sintering using a new method, in which a CO2 laser is used as the main heating source. Besides, the dielectric properties of CCTO ceramics were investigated in order to verify the influence of this sintering process on the ceramic properties as well as onto the understanding of the involved physical mechanisms. The laser sintered ceramics presented high relative density (95 ± 1%), with homogeneous microstructure and dielectric constant at about 2000 with low dielectric loss (0,06) at 1 kHz, when sintered at 1,3 W/mm2. The dielectric loss value obtained in this work is among the lowest ever recorded. Based on our results was also proposed a mechanism to aid in the understanding of the giant dielectric constant in CCTO. Finally, we believe that laser sintering can be an important tool for the optimization of the dielectric properties of CCTO ceramics and consequently future applications in the capacitors and electronic devices industry, whose worldwide consumption is increasing. / Estudos estruturais com o CaCu3Ti4O12 (CCTO) são feitos desde os anos 1970, contudo investigações acerca de suas propriedades elétricas somente se iniciaram recentemente. Em 2000, foi reportado uma alta permissividade de ~ 12000 (a 1 kHz) em cerâmicas deste material, que permanecia constante da temperatura ambiente a ~ 200 °C, cujas explicações físicas ainda são bem controversas na comunidade científica. Constantes dielétricas altas permitem menores componentes capacitivos, oferecendo assim a oportunidade de diminuir o tamanho de dispositivos eletrônicos. Desta forma, o CCTO tem atraído muito o interesse de pesquisadores, tanto do ponto de vista tecnológico quanto científico. Um dos principais problemas que limitam sua imediata aplicação como dielétrico em capacitores cerâmicos é a sua alta perda dielétrica (~ 0,15) próximo à temperatura ambiente. Por outro lado, este material tem sido preparado por diversos pesquisadores principalmente pelo método da reação de estado sólido, no intervalo de temperatura de 1000 °C a 1100 °C, com tratamentos térmicos de até 48 h. Como resultado, algumas fases secundárias têm sido encontradas tanto no pó calcinado quanto na cerâmica sinterizada. Dessa forma, outros métodos de síntese vêm sendo procurados e testados nos últimos anos. Neste trabalho, estudamos a síntese do CCTO por uma rota baseada no método Pechini e sua sinterização usando um novo método, no qual um laser de CO2 é usado como principal fonte de aquecimento. Além disso, estudamos as propriedades dielétricas das cerâmicas de CCTO, a fim de verificar a influência deste novo processo de sinterização em suas propriedades bem como no entendimento dos mecanismos físicos envolvidos. As cerâmicas sinterizadas a laser apresentaram alta densidade relativa (95 ± 1%), com microestrutura homogênea e constante dielétrica em torno de 2000 e baixa perda dielétrica (0,06) a 1 kHz, quando sinterizadas a 1,3 W/mm2. O valor de perda dielétrica obtida neste trabalho está entre os mais baixos já registrados. Baseando-se em nossos resultados também foi proposto um mecanismo para auxiliar no entendimento da constante dielétrica gigante no CCTO. Finalmente, acreditamos que a sinterização a laser pode ser uma importante ferramenta para a otimização das propriedades dielétricas de cerâmicas de CCTO e consequentemente futuras aplicações na indústria de capacitores e dispositivos eletrônicos, cujo consumo mundial é cada vez maior.

As tensões residuais influenciam o comportamento mecânico dos metais e ligas. O campo de tensões pode determinar o desempenho do material. Então, torna-se de grande importância o estudo e a determinação das tensões residuais. O método padrão da difração de raios X para medir tensões s residuais (Método sen2ψ ) apresenta limitações na determinação de tensões caracterizadas por alto gradiente. È por isso que o estudo do gradiente de tensão superficial é um dos mais importantes problemas teóricos e experimentais em mecânica, especialmente no caso da análise de tensões superficiais que surgem após vários tipos de tratamentos superficiais, como: processamento por laser e tecnologia de implantação iônica. A simulação computacional e os métodos numéricos nos dão a possibilidade de resolver os problemas da determinação dos parâmetros do gradiente de tensão. Neste trabalho foi desenvolvida e aplicada a modelação e simulação computacional para o estudo do comportamento de materiais na presença de distribuições de tensão caracterizadas por alto gradiente. Foi aplicada a modelagem para diferentes tipos de tensões com gradiente para metais puros e ligas metálicas. Foi determinada uma forma para usar a modelagem no caso de materiais compósitos e são apresentados resultados para o caso do silumínio, mostrando o comportamento similar deste material compósito aos materiais puros como aço e alumínio. Usando a análise de Fourier, foi determinada a função de distorção nos casos de perfis alargados pela existência de gradiente de tensão. Foi determinada também a relação entre as funções de atenuação e de tensão na função de distorção e são apresentados resultados para diferentes tipos de distribuições de tensão. Ademais, foi desenvolvida uma metodologia para a determinação dos parâmetros do gradiente de tensão usando a simulação computacional das linhas de difração desenvolvida neste trabalho. A metodologia desenvolvida é baseada na simulação dos perfis de difração distorcidos pelo gradiente de tensão superficial e na análise destas distorções. Das metodologias desenvolvidas para a determinação de distribuições de tensões para o caso de gradiente, a que usa transformada de Fourier é matematicamente correta, porem apresenta dificuldades na determinação das funções de gradiente para casos de distribuições muito complexas e na determinação dos relacionamentos das escalas das funções envolvidas no processo de deconvolução. A alta complexidade deste método e os problemas numéricos que acarreta nos levam a propor a metodologia desenvolvida usando as larguras integrais dos perfis de difração para a determinação aproximada da função de distribuição de tensões. Esta metodologia é de simples aplicação e a sua precisão dependerá da quantidade de dados determinados na simulação direta para a obtenção dos gráficos de calibração. / The residual stress influences the mechanical behavior of metals and alloys. The stress field can determine the material performance. Then, become of great importance the study and determination of residual stress field. The standard X-ray diffraction method for residual stress measurement ent ( sen2ψ Method) presents limitations in the strong stress gradient determination. For that reason, the superficial stress gradient determination is one of the most important theoretical and experimental problem in engineering, especially in the analysis of the stress gradients due to surfaces treatments as laser or ionic implantation. The computational simulation and numerical methods give us the possibility of solve this problems. In this work is developed and applied two methods of modeling and simulation for the study of the material behavior with strong stress gradient. Is applied this modeling technique for different stress distribution in pure metals and metallic alloys. Is established a methodology for the composite material cases and is presents the results for the case of siluminium, showing that the behavior is similar to the other metals testing as steel and aluminum. Also, using Fourier analysis is determined the distortion function for the broadened profiles in the presence of stress gradient. In this work is shown the relation between the attenuation and stress distribution functions in the distortion. Is shown, results for several stress distribution functions. Moreover, is developed a methodology for the determination of stress gradient parameters using the computational simulation of the diffraction lines also developed in this work. The methodology is based in the simulation of the profiles broadened by stress gradient and the analysis of these distortions. Of the developed methodologies for the determination of stress distribution functions for the gradient case, the one that uses Fourier analysis is mathematically correct, but presents difficulties in the determination of the gradient functions for cases of complex stress distributions and in the scales determination of the functions involved in the deconvolution process. The high complexity of this method and the numeric problems that it carries leaves as, to propose the use of the developed methodology using the integral breath of the diffraction profiles for the approximate determination of the stress distribution function. The methodology application is simple and its accuracy will depend on the amount of data determined in the direct simulation to obtain the calibration graphics.

As tensões residuais influenciam o comportamento mecânico dos metais e ligas. O campo de tensões pode determinar o desempenho do material. Então, torna-se de grande importância o estudo e a determinação das tensões residuais. O método padrão da difração de raios X para medir tensões s residuais (Método sen2ψ ) apresenta limitações na determinação de tensões caracterizadas por alto gradiente. È por isso que o estudo do gradiente de tensão superficial é um dos mais importantes problemas teóricos e experimentais em mecânica, especialmente no caso da análise de tensões superficiais que surgem após vários tipos de tratamentos superficiais, como: processamento por laser e tecnologia de implantação iônica. A simulação computacional e os métodos numéricos nos dão a possibilidade de resolver os problemas da determinação dos parâmetros do gradiente de tensão. Neste trabalho foi desenvolvida e aplicada a modelação e simulação computacional para o estudo do comportamento de materiais na presença de distribuições de tensão caracterizadas por alto gradiente. Foi aplicada a modelagem para diferentes tipos de tensões com gradiente para metais puros e ligas metálicas. Foi determinada uma forma para usar a modelagem no caso de materiais compósitos e são apresentados resultados para o caso do silumínio, mostrando o comportamento similar deste material compósito aos materiais puros como aço e alumínio. Usando a análise de Fourier, foi determinada a função de distorção nos casos de perfis alargados pela existência de gradiente de tensão. Foi determinada também a relação entre as funções de atenuação e de tensão na função de distorção e são apresentados resultados para diferentes tipos de distribuições de tensão. Ademais, foi desenvolvida uma metodologia para a determinação dos parâmetros do gradiente de tensão usando a simulação computacional das linhas de difração desenvolvida neste trabalho. A metodologia desenvolvida é baseada na simulação dos perfis de difração distorcidos pelo gradiente de tensão superficial e na análise destas distorções. Das metodologias desenvolvidas para a determinação de distribuições de tensões para o caso de gradiente, a que usa transformada de Fourier é matematicamente correta, porem apresenta dificuldades na determinação das funções de gradiente para casos de distribuições muito complexas e na determinação dos relacionamentos das escalas das funções envolvidas no processo de deconvolução. A alta complexidade deste método e os problemas numéricos que acarreta nos levam a propor a metodologia desenvolvida usando as larguras integrais dos perfis de difração para a determinação aproximada da função de distribuição de tensões. Esta metodologia é de simples aplicação e a sua precisão dependerá da quantidade de dados determinados na simulação direta para a obtenção dos gráficos de calibração. / The residual stress influences the mechanical behavior of metals and alloys. The stress field can determine the material performance. Then, become of great importance the study and determination of residual stress field. The standard X-ray diffraction method for residual stress measurement ent ( sen2ψ Method) presents limitations in the strong stress gradient determination. For that reason, the superficial stress gradient determination is one of the most important theoretical and experimental problem in engineering, especially in the analysis of the stress gradients due to surfaces treatments as laser or ionic implantation. The computational simulation and numerical methods give us the possibility of solve this problems. In this work is developed and applied two methods of modeling and simulation for the study of the material behavior with strong stress gradient. Is applied this modeling technique for different stress distribution in pure metals and metallic alloys. Is established a methodology for the composite material cases and is presents the results for the case of siluminium, showing that the behavior is similar to the other metals testing as steel and aluminum. Also, using Fourier analysis is determined the distortion function for the broadened profiles in the presence of stress gradient. In this work is shown the relation between the attenuation and stress distribution functions in the distortion. Is shown, results for several stress distribution functions. Moreover, is developed a methodology for the determination of stress gradient parameters using the computational simulation of the diffraction lines also developed in this work. The methodology is based in the simulation of the profiles broadened by stress gradient and the analysis of these distortions. Of the developed methodologies for the determination of stress distribution functions for the gradient case, the one that uses Fourier analysis is mathematically correct, but presents difficulties in the determination of the gradient functions for cases of complex stress distributions and in the scales determination of the functions involved in the deconvolution process. The high complexity of this method and the numeric problems that it carries leaves as, to propose the use of the developed methodology using the integral breath of the diffraction profiles for the approximate determination of the stress distribution function. The methodology application is simple and its accuracy will depend on the amount of data determined in the direct simulation to obtain the calibration graphics.