Fundação de Apoio a Pesquisa e à Inovação Tecnológica do Estado de Sergipe - FAPITEC/SE / Objective: Examine the fatigue resistance of the joint implant-abutment, in straight and anatomical types, submitted to cyclic loads. Material and methods: We used 37 implants (3.75 x 11mm) with morse taper system and 37 abutments, divided into two groups (n = 16: straight abutment, n=21 anatomical abutment, Neodent® Curitiba, Paraná, Brazil). The sets were submitted to cyclic testing using servo-hydraulic equipment, fixing the number of cycles at 5 million. Three sets implant-abutment of each group were subjected to bending tests to determine the maximum load resistance of the samples, which served as a parameter to measure the cyclic tests. We evaluated number of cycles, load and bending moment of the samples. The Fisher’s Test and simple independent test of Mann Whitney were applied. To characterize the survival timings of the test samples, the log-rank test was used. Results: Out of the 31 abutments cyclically tested, 17 (54.8%) fractured in a number of cycles below 5 million established, and 8 (25.8%) belonged to the group of the straight abutments and 9 (29%) of the anatomical abutments, 14 samples (45.2%) resisted the cyclic (5-straight abutments and 9-anatomical abutments). According to Fisher's Exact Test showed no statistical difference between groups (p = 0.394). In relation to the load (N) submitted during the cyclic test, the straight abutments showed larger fracture loads (mean: 566N±59N) that anatomical abutments (mean: 367N±80N). In addition, the minimum and maximum load values occurring in fractured samples of the straight group were higher compared to the anatomical. Regarding the average values of bending moment (Nmm), the Mann Whitney showed variations of the moment in both groups, and the fractured samples behaved slightly significant (p = 0.09). Conclusion: In cyclic fatigue tests, the solid straight abutments obtained average load and bending moment greater than the anatomical abutments. Considering fatigue strength of the fractured samples, there was a significant difference in the load variable and bending moment, with the straight abutment showing higher mean, moreover, for the varying cycles, the two types of abutments (straight and anatomical) behaved mechanically in a similar way. / Objetivo: Analisar a resistência à fadiga dos conjuntos implante/pilar, nos tipos reto e anatômico, submetidos a cargas cíclicas. Material e métodos: Foram utilizados 37 implantes (3.75 x 11mm) com sistema cone morse e 37 pilares, divididos em dois grupos (n=16: pilar reto, n=21: pilar anatômico, Neodent® Curitiba, Paraná, Brasil). Os conjuntos foram submetidos a testes de flexão e testes cíclicos, fixando-se o número de ciclos em 5 milhões, em equipamento servo-hidráulico. Três conjuntos implante/pilar de cada grupo foram submetidos a testes de flexão para determinação da carga máxima de resistência das amostras, que serviu como medida parâmetro para os ensaios cíclicos. Foram avaliados número de ciclos, carga e momento fletor das amostras. O Teste de Fisher e teste independente simples de Mann Whitney foram aplicados. Para caracterizar os tempos de sobrevivência das amostras em ensaio, foi utilizado o Teste Log-Rank. Resultados: Dos 31 pilares testados ciclicamente, 17 (54,8%) fraturaram em um número de ciclos abaixo dos 5 milhões estabelecidos, sendo que 8 (25,8%) pertenciam ao grupo dos pilares retos e 9 (29%) dos pilares anatômicos; 14 amostras (45,2%) resistiram aos testes cíclicos (5-pilares retos (16,1%) e 9-pilares anatômicos (29,1%). De acordo com o Teste Exato de Fisher não houve diferença estatística entre os grupos (p=0,394). Em relação à carga (N) submetida durante o ensaio cíclico, os pilares retos apresentaram cargas maiores de fratura (média: 566N±59N) que os pilares anatômicos (média: 367N±80N). Além disso, os valores mínimos e máximos de carga ocorridos nas amostras fraturadas do grupo reto foram maiores em relação aos anatômicos. Quanto aos valores médios de momento fletor (Nmm), o Teste de Mann Whitney constatou variações do momento nos dois grupos, as amostras fraturadas comportaram-se de maneira ligeiramente significante (p=0,09). Conclusão: Nos ensaios cíclicos de fadiga, os pilares retos sólidos obtiveram médias de carga e de momento fletor maiores que os pilares anatômicos. Considerando resistência à fadiga das amostras fraturadas, houve diferença significante nas variáveis carga e momento fletor, com o pilar reto mostrando maiores médias; além disso, quanto à variável ciclo, os dois tipos de pilares (retos e anatômicos) comportaram-se mecanicamente de maneira semelhante.

Aços de alta resistência e baixa liga (ARBL) são uma alternativa atraente em aplicações estruturais. Devido ao baixo teor de carbono e de elementos de liga (Ni, V e Ti), os aços ARBL apresentam bons níveis de tenacidade e de resistência mecânica, além de boa soldabilidade, permitindo assim, o uso de componentes estruturais mais leves, a economia no consumo de combustível, bem como o desenvolvimento de construções ambientalmente corretas. A boa combinação de propriedades mecânicas permite que os aços ARBL sejam amplamente utilizados na construção naval, na indústria petrolífera e na indústria automotiva. Para estas aplicações, a tecnologia de soldagem é inevitável, a qual produz alterações microestruturais localizadas e redução dos níveis de resistência mecânica, tensões residuais e defeitos indesejáveis, que geram problemas potenciais de segurança e de confiabilidade. Estes defeitos de soldagem acentuam o processo de falha de fadiga, quando componentes mecânicos são submetidos a cargas cíclicas. Neste trabalho, estudou-se a influência do processo de soldagem por arco elétrico com atmosfera de proteção gasosa (GMAW) na microestrutura, propriedades mecânicas e resistência à fadiga do aço ARBL DIN EN 10149 S700MC, aplicando três velocidades de soldagem e dois diferentes metais de adição (AWS ER 70 S – 6 e AWS E 110C-G-M). Para isso, corpos de prova deste aço ARBL e juntas soldadas desses dois metais de adição foram estudadas por meio de análises microestruturais, ensaios de tração uniaxial, microdureza e ensaios de fadiga por tração uniaxial. Os resultados mostraram que a velocidade de soldagem não causou alterações significativas na microestrutura do metal de solda e da zona termicamente afetada, na microdureza e na resistência à tração, quando foi utilizado o mesmo metal de solda. Porém, maiores velocidades de soldagem causaram o aumento do defeito de mordedura. Além disso, verificou-se um aumento da vida em fadiga do componente com a diminuição da velocidade de soldagem. Quando comparadas as amostras soldadas com uma mesma velocidade de soldagem, observou-se um aumento da proporção de ferrita acicular no metal de solda, um aumento da tensão de ruptura e, consequentemente, uma melhora da vida em fadiga do componente, em função do aumento da resistência mecânica do metal de solda. / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico. / High strength and low alloy steels (HSLA) are attractive alternative in structural applications. Due to the low carbon and alloying elements (Ni, V and Ti) contents, HSLA steels show good levels of toughness and mechanical strength, besides good weldability, allowing use of lighter structural components, fuel economy, as well as the development of environmentally-friendly constructions and sustainable societies. The good combination of mechanical properties allows HSLA steels to be widely used in shipbuilding oil industry and automotive industry. For these applications, welding technology is inevitable, however it produces localized microstructural changes and reduction in the levels of mechanical strenght, residual stresses and undesirable defects, which generate potential problems of security and reliability. These welding defects accentuate the fatigue failure process when mechanical components are subjected to cyclic loads. In this work, the influence of the gas metal arc welding process (GMAW) on microstructure, mechanical properties and fatigue life of the HSLA DIN EN 10149 S700MC steel was studied, applying three welding speeds and two different addition metals (AWS ER 70 S-6 and AWS E 110C-G-M). For this purpose, samples of this HSLA steel and welded joints of these two addition metals were studied by microstructural analysis, uniaxial tension tests, microhardness tests and uniaxial tension fatigue tests. The results showed that the welding speed did not cause significant changes in the microstructure of the weld metal and of the heat-affected zone, in the microhardness and in the tensile strength, when the same weld metal was used. However, higher welding speeds caused the increase of the undercut defect. Besides that, an increase in fatigue life of the component with the decrease in welding speed was verified. When welded samples produced with the same welding speed were compared, an increase in the ratio of acicular ferrite in the weld metal zone, in the tensile stress and, consequently, an improvement in the fatigue life of the component was observe as a function of the increase in mechanical resistance of the weld metal.

Orientador: Marco Lúcio Bittencourt / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-24T09:08:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 LimaeSilva_RafaelAugustode_M.pdf: 10555723 bytes, checksum: 1d037ebafbabc24e214c06ad76c5f54a (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: O trabalho descreve o projeto mecânico convencional de uma biela automotiva de motor de combustão interna e apresenta uma metodologia alternativa baseada em métodos de otimização estrutural com o objetivo de reduzir a massa do componente. Para tal, é feita a descrição de todos os parâmetros de projeto assim como a definição de critérios de projeto. Em virtude da criticidade da aplicação selecionada, motor de ciclo Diesel utilizado em caminhões de trabalho pesado com picos de pressão de combustão de até 240 bar, a biela foi projetada sem bucha utilizando-se extensivamente os métodos numéricos. O Método dos Elementos Finitos foi aplicado para cálculo de tensões, deslocamentos, pressões de contato, flambagem, fadiga e para a síntese modal de componentes utilizados na análise dinâmica de multicorpos com mancais elasto-hidrodinâmicos. Dois modelos de fadiga dos materiais foram estudados: o modelo americano baseado no diagrama de Goodman e tensões principais e o modelo alemão baseado no diagrama de Haigh e efeito do gradiente de tensões multiaxiais; dos quais concluiu-se que o modelo americano é suficiente para o projeto da biela ao passo que o modelo alemão traz oportunidades adicionais de redução de massa. A otimização topológica, otimização de forma e análise de sensibilidade permitiram a obtenção de uma biela 210g (3\%) mais leve e com melhor desempenho dos mancais hidrodinâmicos. Finalmente, concluiu-se que o Método da Otimização Topológica apresenta oportunidades interessantes aos projetistas na fase de conceituação de produtos como alternativa aos desenhos convencionais, no entanto, demanda esforço adicional para o atendimento de todos os critérios de projeto do componente / Abstract: The present work consists of the conventional mechanical design description of an internal combustion engine connecting rod and also the proposal of an alternative methodology based on optimization methods with the objective of reducing the component mass. Therefore, it is performed a detailed view of all design parameters as well as the definition of design criteria. Because of the critical application selected, Diesel engine of heavy duty truck with combustion pressure reaching up to 240bar, the connecting rod was designed without bushing and with extensive use of numerical methods. The Finite Element Method was applied to assess stresses, displacements, contact pressures, buckling, fatigue and to perform the Component Modal Synthesis for multi-body dynamics simulation with elasto-hydrodynamic bearings. Two fatigue models were studied: the American model based on Goodman's diagram and principal stresses and the German model based on Haigh's diagram and multiaxial stress gradient effect; from which it was concluded that the American model is enough to design the connecting rod, while the German model presents additional weight reduction opportunities. The topology optimization, shape optimization and sensitivity analysis enabled a 210g (3\%) lighter connecting rod with improved bearings performance. Finally, it was concluded that the Topology Optimization Method presents good opportunities for the design engineers in the conceptual phases of product development with alternatives to the conventional designs. However, additional effort is necessary to fit the concept into all design criteria / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Metallic materials have considerable importance in biomedical tissue reconstruction structural failed. Currently, the production of new alloys, titanium has been encouraged for biomedical use so as to reduce limitations and elastic modulus of alloy marketed cytotoxicity, in particular Ti-6Al-4V. Alloys Ti-Nb-Sn are an alternative for this purpose. In the current study, alloy Ti-35Nb-2,5SN were obtained by melting the arc, solubilized at 1000 ° C for 12 hours, hot-rolled with 40% reduction in water and cooled. The content of nitrogen and oxygen was verified by melting in an atmosphere of inert gas. The microstructures were characterized by optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction. The characteristics in fatigue and corrosion - fatigue alloy were determined according to the guidelines noted in ASTM E466. Specimens were machined and fatigue SN curves obtained in air and in an environment with 0.9% NaCl. The micromechanics of fracture were analyzed by scanning electron microscope (SEM). The results were compared with published data for beta stabilized alloys and discussed the potential application of new alloys. / Os materiais metálicos biomédicos apresentam notável importância na reconstrução de tecidos estruturais que falharam. Atualmente, a produção de novas ligas de titânio tem sido incentivada para uso biomédico a fim de reduzir as limitações quanto ao módulo de elasticidade e citotoxicidade das ligas comercializadas, em particular a liga Ti-6Al-4V. As ligas de Ti-Nb-Sn surgem como alternativa para esta finalidade. No estudo atual, ligas de Ti-35Nb-2,5Sn foram obtidas por fusão a arco voltaico, solubilizadas, laminadas a quente com 40 % de redução e resfriadas em água. O teor de nitrogênio e oxigênio foi verificado por fusão em ambiente de gás inerte. As microestruturas foram caracterizadas por microscopia ótica, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e difração de raios-X. Corpos de prova de fadiga foram usinados e submetidas a ensaio para obtenção de curvas S-N ao ar e em ambiente com 0,9 % de NaCl e baixa frequência. Os micromecanismos de fratura foram analisados em microscópio eletrônico de varredura (MEV). Os resultados foram comparados com os dados publicados na literatura para outras ligas beta estabilizadas e foram discutidos os potenciais de aplicação das novas ligas. Os resultados dos ensaios mostraram que o limite de fadiga tende a coincidir com a tensão limite para o início do movimento de discordâncias.

Fatigue and fracture assisted by the environment are responsible for the majority of failures in implants. Due to low tribological properties of titanium alloys, the thermal oxidation technique has been evaluated to improve the surface hardness and consequently, to improves the tribological properties of Ti6Al4V alloy. However, despite improved tribological properties of the Ti6Al4V alloy, there is a tendency to reduction of the fatigue limit of the oxide layer. The combined action of body fluid and cyclic loads also need to be investigated. This study evaluated the effect of thermal oxidation in the fatigue limit of the Ti6Al4V in environment containing 0.9% NaCl. It was observed a reduction in the fatigue limit for thermally oxidized Ti6Al4V alloy and it is suggested that the reduction in fatigue properties of alloy is associated with the brittleness of oxide layer. / Os processos de fadiga e fraturas assistidas pelo ambiente são responsáveis pela maioria das falhas em implantes. Devido às baixas propriedades tribológicas do titânio e suas ligas, a técnica de oxidação térmica tem ganhado destaque por conferir um aumento da dureza superficial e consequentemente melhorar as propriedades tribológicas da liga Ti6Al4V. Entretanto apesar da melhoria das propriedades tribológicas existe uma tendência na redução do limite de fadiga quando há presença de uma camada de óxido na superfície da liga Ti6Al4V. Ainda a ação combinada de fluidos corpóreos e de carregamento precisa ser investigada. Neste estudo foi avaliado o efeito da oxidação térmica combinado a aplicação de carregamento cíclico ao ar e em meio contendo 0,9 % NaCl. Foi observada uma redução no limite de resistência à fadiga para a liga Ti6Al4V oxidada termicamente. O meio contendo 0,9 % de NaCl não influenciou significativamente a resistência em fadiga de corpos de prova oxidados termicamente e sugere-se que a redução nas propriedades de fadiga da liga está associada à fragilidade da camada de óxido.