Tese de mestrado integrado. Engenharia Metalúrgica e de Materiais. Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 2011

Submitted by Elielson Nobrega da Silva (nobrega_elielson@hotmail.com) on 2018-11-09T01:23:55Z No. of bitstreams: 1 Dissertação Ficha 08_11_1.pdf: 3453656 bytes, checksum: a1cff4951db4dde58ae977a59c6423b6 (MD5) / Approved for entry into archive by Silvana Alvarez null (silvana@ict.unesp.br) on 2018-11-19T18:56:22Z (GMT) No. of bitstreams: 1 silva_en_me_sjc.pdf: 3453656 bytes, checksum: a1cff4951db4dde58ae977a59c6423b6 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-11-19T18:56:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 silva_en_me_sjc.pdf: 3453656 bytes, checksum: a1cff4951db4dde58ae977a59c6423b6 (MD5) Previous issue date: 2018-08-21 / A introdução da zircônia na Odontologia deu-se pela necessidade de melhores propriedades mecânicas dos materiais cerâmicos, pois com a crescente demanda estética, os cerâmicos tornaram-se materiais de largo uso, devido às suas propriedades estéticas e mecânicas. Em busca dessas propriedades, vários estudos analisaram a taxa de sobrevivência de restaurações zircônia-porcelana, relatando como uma das causas de falha a fratura precoce da porcelana de cobertura e o aumento significativo nos relatos clínicos de lascamento da porcelana de recobrimento aplicada sobre "coping" de zircônia. Diante desse problema, o objetivo deste trabalho foi determinar a tensão de falha no lascamento a partir de casos de clínicos e experimentais pertinentes a esse fenômeno em próteses fixas livres de metal .Foram coletados dados de artigos dos últimos 15 anos, por meio das bases de dados Pubmed e Google Schoolar, sendo selecionados para essa revisão os que obtiveram melhor abordagem do assunto, dando ênfase às possíveis causas de falhas nas restaurações cerâmicas dos casos clínicos e os ensaios realizados, visando um melhor entendimento desse fenômeno, via análise quantitativa e qualitativa, para melhor utilização e aproveitamento desse material na Odontologia. Para determinação da tensão de falha, foi empregada a mecânica da fratura linear elástica e determinado o fator de correção da trinca com base nas dimensões da trinca.Com a presente pesquisa, nota-se que amplitude de tensão influencia no processo de fratura, embora não tenha apontado exatamente para a causa da fratura. No entanto, pode-se inferir que uma baixa taxa de sobrevivência está relacionada a um grande defeito que, por sua vez, necessitou de uma sobrecarga para conduzir o processo de lascamento. Portanto, melhorias no processo de fabricação podem otimizar as características do material e sua aplicação final para suportar as tensões, a fim de aumentar a taxa de sobrevivência. / The introduction of zirconia in dentistry was due to the need for better mechanical properties of ceramic materials, because of an increasing aesthetic demand. Ceramics became widely used materials due to their aesthetic and mechanical properties. Aiming at these properties, several studies have analyzed the survival rate of zirconia-porcelain restorations, reporting as one of the causes of failure. Early porcelain fracture coverage and a significant increase in clinical reports of veneering porcelain applied over "coping "of zirconia. In view of this problem, the objective of this work was to determine the failure causes of chipping from clinical and experimental cases associated to this phenomenon in fixed metal free prostheses. Data from articles of the last 15 years were collected through the Pubmed and Google Schoolar databases. Those who obtained the best approach to the subject were selected for this analysis, emphasizing the possible causes of failures in the ceramic restorations of the clinical cases and the tests performed. Aiming for a better understanding of this phenomenon, via quantitative and qualitative analysis, to better use this material in dentistry. To determine the failure causes, linear elastic fracture mechanics were used and the crack correction factor was determined based on the crack dimensions. With the present research, it is noticed that stress amplitude influences in the fracture process, although it has not pointed exactly the cause of the fracture. However, it can be inferred that a low survival rate is related to a large defect, this in turn needed an overload to conduct the chipping process. Therefore, the manufacturing process can improve the characteristics of the material and its final application to withstand the stresses in order to increase the survival rate.

Made available in DSpace on 2016-12-08T17:19:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CAPA - SUMARIO.pdf: 307847 bytes, checksum: 431911d5eb22b3080df0c9228cba482d (MD5) Previous issue date: 2011-07-19 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / With increasing competition and reliability in modern equipment, is of vital importance to studies on the structural fatigue life in the time domain and frequency domain, the advance speed and cost reduction in computing greatly simplifies the prediction fatigue life. But it is also necessary to know the modes of fatigue crack growth, and its mechanisms. After a review appropriate to implement a program to estimate the loss of torsional stiffness in a specimen with a crack in Mode II, was developed a device torsional fatigue tests in an attempt to identify the onset of macroscopic crack and study its growth. With learning the operation of the drive system, the system data acquisition device testing, and design and construction of an electronic circuit to shutdown device tests at the beginning of the crack in the specimen, an adequate control and calibration of these components was performed, generating confidence in that joint. This document is the experimentally determined curve of fatigue specimens of SAE 1020 Steel, Grey Cast Iron and Aluminum 6063. They also studied the failure modes of cracks from the beginning until the final rupture of the specimen to verify the failure modes, the crack initiation and propagation of macroscopic materials. It still made a numerical prediction by finite element method the size of the crack. / Com aumento da competitividade e da confiabilidade em equipamentos modernos, é de vital importância os estudos em relação à vida em fadiga estrutural no domínio do tempo e no domínio da freqüência, o avanço da velocidade e redução de custos na área computacional facilita bastante a previsão de vida em fadiga. Mas é necessário também conhecer os modos de crescimento de trinca por fadiga, e seus mecanismos. Após revisão bibliográfica adequada, com implementação de um programa para estimar a perda de rigidez torsional em um corpo de prova com trinca no Modo II, foi desenvolvido um dispositivo de testes de fadiga torsional na tentativa de identificar o início da trinca macroscópica e estudar o seu crescimento. Com o aprendizado do funcionamento do sistema de acionamento, do sistema de aquisição de dados do dispositivo de testes, e a elaboração e construção de um circuito eletrônico para desligamento do dispositivo de testes ao início da trinca no corpo de prova, um adequado controle e calibração destes componentes executou-se, gerando confiabilidade nestes conjuntos. Neste documento é determinada experimentalmente a curva de fadiga de corpos de prova de Aço SAE 1020, Ferro Fundido Cinzento e Alumínio 6063. Também são estudados os modos de falha desde o início da trinca até a ruptura final do corpo de prova para verificar os modos de falha, início e propagação da trinca macroscópica desses materiais. É feita ainda uma previsão numérica através do Método dos Elementos Finitos do tamanho da trinca.

A deposição de filmes finos resistentes ao desgaste é uma prática realizada com bastante frequência para melhorar o comportamento tribológico (atrito, desgaste, lubrificação) de diferentes peças e componentes. Afim de se garantir o adequado funcionamento do sistema revestido (substrato+filme), é importante avaliar o comportamento mecânico do mesmo. Um método para avaliação e estudo do comportamento mecânico destes sistemas é o ensaio de riscamento. O ensaio é utilizado para analisar a fratura superficial do revestimento (falha chamada coesiva), ou a resistência à adesão (falha chamada adesiva), e os modos de falha de revestimentos duros (HV>=5 GPa) e finos (<=30 ?m), depositados sobre substratos cerâmicos ou metálicos. A caracterização de alguns modos de falha nos sistemas revestidos está relacionada com modelos qualitativos de tensões presentes na região de contato e nas bordas do riscamento. Neste trabalho, foi estudado o comportamento das tensões Sxx e Szz desenvolvidas durante o riscamento de sistemas compostos por combinações de revestimentos/substratos. O trabalho foi baseado no desenvolvimento de modelos de simulação em 3D e 2D, utilizando o método dos elementos finitos (MEF), nos quais, uma partícula rígida com características de indentador Rockwell C, aplica carga progressiva até 2 N, ao longo de uma distância de 0,5 mm. No estudo, variou-se a dureza, traduzida em valores de tensão de escoamento do revestimento e do substrato, da mesma forma, analisou-se o efeito da tensão residual do revestimento, o efeito da espessura, o atrito, e a rugosidade, na superfície e na interface do sistema. O fato de obter valores de tensão que ultrapassam o valor do escoamento do revestimento pressupõe a possível ocorrência de falhas nos sistemas revestidos. Os resultados obtidos por simulação indicaram que as combinações de revestimento com tensão de escoamento baixa (Sy<3000 MPa) levam a experimentar tensões ao nível da tensão de escoamento do revestimento. Os revestimentos com tensão de escoamento Sy>5000 MPa apresentaram valores de tensão inferiores aos da tensão do revestimento, bem como o uso de tensão residual de -3 GPa no revestimento, assim como o aumento da espessura do revestimento têm grande importância nos sistemas revestidos, em particular nos casos em que a tensão de escoamento no revestimento é Sy>=5000MPa. O efeito do coeficiente de atrito leva à obtenção de valores de tensão (Sxx ou Szz) suficientemente altos na maioria das combinações, sendo esta a variável de estudo que levou ao maior número de vezes que foi atingido o valor da tensão de escoamento do revestimento. Da mesma forma, a rugosidade afeta os valores de tensão Sxx (interior do sulco). Ao aumentar a rugosidade do sistema aumenta a possibilidade de ultrapassar valores da tensão do revestimento na superfície e na interface do conjunto. Finalmente, pela complexidade do número de variáveis que afetam o ensaio, a simulação numérica sugere que o fato de analisar unicamente a dureza dos materiais, assim como as diferentes variáveis de forma isolada, não permite a reprodução de um mapa de falhas próximo ao proposto na literatura. / The deposition of wear resistant thin films is a common practice to improve the tribological behavior (friction, wear, lubrication) of several mechanical components. In order to guarantee the adequate performance of the coated systems, it is important to evaluate the mechanical behavior. A method for evaluation and study of the coated systems is the scratch test. The test is used to analyze the fracture of the coating (cohesive failure), or the adhesion of the coating (adhesive failure), and the failure modes of hard coatings (HV>=5 GPa) and thin (<=30 ?m) deposited on ceramic or metallic substrates. The characterization of some failure modes in coated systems is related to qualitative stress models at the contact region and the scratch edges. In this work, the behavior of the Sxx and Szz stresses developed during the scratch test was analyzed in different combinations of coatings/substrates. The work was based on the development of 3D and 2D simulation models using the finite element method (FEM). In the simulation, a rigid particle (with the geometry of Rockwell C indenter) applied progressive load to 2N along a 0.5 mm distance. In the study, the hardness was expressed as yield stress values in the coating and the substrate. In addition, it was examined the effect of coating residual stress (-3 GPa), as well as the effect of the thickness, the friction coefficient, and roughness of the surface and interface in the stresses behavior. The fact of obtaining tension values, which exceed the yield stress of coating implies the possible occurrence of failure. The results obtained by simulation indicated that the coating combinations with low yield stress (Sy < 3000 MPa) lead to Sxx and Szz stress values in the level of the coated yield stress. The coatings with yield stress Sy > 5000 MPa enable to obtain low Sxx and Szz values. The use of the residual stresses (-3 GPa) as well as increasing the thickness of the coating are very important factors in the coated systems, especially in the case of coatings with Sy > 5000 MPa. The effect of the friction coefficient leads to stress values (Sxx or Szz) sufficiently high in most of the combinations. This factor is the most important variable leading to the greater number of times that the value of the coating yield stress was reached. The roughness is responsible for Sxx stress values (inside groove). Increasing the roughness of the system increased the possibility of exceeding stress values in the surface and interface coating. Finally, by the complexity of the number of variables that affect the scratch test, the numerical simulation suggests that the fact of only analyzing the hardness of materials, as well as other isolated variables of the scratch test does not allow reproduction of a map of failures similar to that proposed in the literature.

Neste trabalho, são desenvolvidas novas técnicas aproximadas de análise de confiabilidade para grelhas de concreto armado levando-se em consideração as probabilidades de falha de vários modos importantes. Realiza-se um acoplamento entre os métodos de Monte Carlo, elementos finitos e procedimentos de otimização para considerar esses modos de falha importantes e classificá-los. Esse acoplamento também permite a redução do número de chamadas ao modelo de elementos finitos. Os cenários de falha são caracterizados como o encurtamento excessivo do concreto e o alongamento do aço. Estes cenários determinam a capacidade última da estrutura, e podem ser representados por um coeficiente escalar que multiplica todas as ações presentes na estrutura. Para a determinação desses estados estruturais últimos, um procedimento incremental-iterativo é utilizado. A análise de confiabilidade é realizada em diferentes conjuntos de realizações aleatórias das variáveis de projeto. O conjunto de respostas estruturais e de realizações permite a determinação dos coeficientes da superfície de respostas da estrutura. O acoplamento realizado permite também o tratamento com estruturas de concreto com elevado número de modos de falha. Aplicam-se as técnicas em exemplos de grelhas de concreto armado / In this work, new local approaches of reliability analysis applied to reinforced concrete grid structures are developed, taking into account several critical cross-section failure probabilities. Monte Carlo simulations are coupled with finite element analyses and optimization techniques with techniques to take into account the failure in the most important cross-sections, in order to classify the severity of failure modes. The failure scenario is depicted when either a concrete fiber or a steel bar reaches the predefined conventional limit. This scenario gives the structural ultimate capacity, which can be represented by a scalar coefficient multiplying all the loads acting on the structure. To achieve the failure scenario, an incremental and iterative procedure is used. To carry out the reliability analysis, the mechanical analysis has to be performed for different sets of random variable realizations of the mechanical, material and geometrical properties. The set of ultimate coefficients obtained from several mechanical analyses defines the response surface. The coupling between Monte Carlo simulations and response surface techniques applied in this work aims to reduce significantly the number of the finite element model calls, and hence to deal with real, or high-scale, reinforced concrete grids where large number of failure components can be found. The proposed procedure is then applied to reinforced concrete grids in order to show some more complex reinforced concrete examples

Neste trabalho, são desenvolvidas novas técnicas aproximadas de análise de confiabilidade para grelhas de concreto armado levando-se em consideração as probabilidades de falha de vários modos importantes. Realiza-se um acoplamento entre os métodos de Monte Carlo, elementos finitos e procedimentos de otimização para considerar esses modos de falha importantes e classificá-los. Esse acoplamento também permite a redução do número de chamadas ao modelo de elementos finitos. Os cenários de falha são caracterizados como o encurtamento excessivo do concreto e o alongamento do aço. Estes cenários determinam a capacidade última da estrutura, e podem ser representados por um coeficiente escalar que multiplica todas as ações presentes na estrutura. Para a determinação desses estados estruturais últimos, um procedimento incremental-iterativo é utilizado. A análise de confiabilidade é realizada em diferentes conjuntos de realizações aleatórias das variáveis de projeto. O conjunto de respostas estruturais e de realizações permite a determinação dos coeficientes da superfície de respostas da estrutura. O acoplamento realizado permite também o tratamento com estruturas de concreto com elevado número de modos de falha. Aplicam-se as técnicas em exemplos de grelhas de concreto armado / In this work, new local approaches of reliability analysis applied to reinforced concrete grid structures are developed, taking into account several critical cross-section failure probabilities. Monte Carlo simulations are coupled with finite element analyses and optimization techniques with techniques to take into account the failure in the most important cross-sections, in order to classify the severity of failure modes. The failure scenario is depicted when either a concrete fiber or a steel bar reaches the predefined conventional limit. This scenario gives the structural ultimate capacity, which can be represented by a scalar coefficient multiplying all the loads acting on the structure. To achieve the failure scenario, an incremental and iterative procedure is used. To carry out the reliability analysis, the mechanical analysis has to be performed for different sets of random variable realizations of the mechanical, material and geometrical properties. The set of ultimate coefficients obtained from several mechanical analyses defines the response surface. The coupling between Monte Carlo simulations and response surface techniques applied in this work aims to reduce significantly the number of the finite element model calls, and hence to deal with real, or high-scale, reinforced concrete grids where large number of failure components can be found. The proposed procedure is then applied to reinforced concrete grids in order to show some more complex reinforced concrete examples

A deposição de filmes finos resistentes ao desgaste é uma prática realizada com bastante frequência para melhorar o comportamento tribológico (atrito, desgaste, lubrificação) de diferentes peças e componentes. Afim de se garantir o adequado funcionamento do sistema revestido (substrato+filme), é importante avaliar o comportamento mecânico do mesmo. Um método para avaliação e estudo do comportamento mecânico destes sistemas é o ensaio de riscamento. O ensaio é utilizado para analisar a fratura superficial do revestimento (falha chamada coesiva), ou a resistência à adesão (falha chamada adesiva), e os modos de falha de revestimentos duros (HV>=5 GPa) e finos (<=30 ?m), depositados sobre substratos cerâmicos ou metálicos. A caracterização de alguns modos de falha nos sistemas revestidos está relacionada com modelos qualitativos de tensões presentes na região de contato e nas bordas do riscamento. Neste trabalho, foi estudado o comportamento das tensões Sxx e Szz desenvolvidas durante o riscamento de sistemas compostos por combinações de revestimentos/substratos. O trabalho foi baseado no desenvolvimento de modelos de simulação em 3D e 2D, utilizando o método dos elementos finitos (MEF), nos quais, uma partícula rígida com características de indentador Rockwell C, aplica carga progressiva até 2 N, ao longo de uma distância de 0,5 mm. No estudo, variou-se a dureza, traduzida em valores de tensão de escoamento do revestimento e do substrato, da mesma forma, analisou-se o efeito da tensão residual do revestimento, o efeito da espessura, o atrito, e a rugosidade, na superfície e na interface do sistema. O fato de obter valores de tensão que ultrapassam o valor do escoamento do revestimento pressupõe a possível ocorrência de falhas nos sistemas revestidos. Os resultados obtidos por simulação indicaram que as combinações de revestimento com tensão de escoamento baixa (Sy<3000 MPa) levam a experimentar tensões ao nível da tensão de escoamento do revestimento. Os revestimentos com tensão de escoamento Sy>5000 MPa apresentaram valores de tensão inferiores aos da tensão do revestimento, bem como o uso de tensão residual de -3 GPa no revestimento, assim como o aumento da espessura do revestimento têm grande importância nos sistemas revestidos, em particular nos casos em que a tensão de escoamento no revestimento é Sy>=5000MPa. O efeito do coeficiente de atrito leva à obtenção de valores de tensão (Sxx ou Szz) suficientemente altos na maioria das combinações, sendo esta a variável de estudo que levou ao maior número de vezes que foi atingido o valor da tensão de escoamento do revestimento. Da mesma forma, a rugosidade afeta os valores de tensão Sxx (interior do sulco). Ao aumentar a rugosidade do sistema aumenta a possibilidade de ultrapassar valores da tensão do revestimento na superfície e na interface do conjunto. Finalmente, pela complexidade do número de variáveis que afetam o ensaio, a simulação numérica sugere que o fato de analisar unicamente a dureza dos materiais, assim como as diferentes variáveis de forma isolada, não permite a reprodução de um mapa de falhas próximo ao proposto na literatura. / The deposition of wear resistant thin films is a common practice to improve the tribological behavior (friction, wear, lubrication) of several mechanical components. In order to guarantee the adequate performance of the coated systems, it is important to evaluate the mechanical behavior. A method for evaluation and study of the coated systems is the scratch test. The test is used to analyze the fracture of the coating (cohesive failure), or the adhesion of the coating (adhesive failure), and the failure modes of hard coatings (HV>=5 GPa) and thin (<=30 ?m) deposited on ceramic or metallic substrates. The characterization of some failure modes in coated systems is related to qualitative stress models at the contact region and the scratch edges. In this work, the behavior of the Sxx and Szz stresses developed during the scratch test was analyzed in different combinations of coatings/substrates. The work was based on the development of 3D and 2D simulation models using the finite element method (FEM). In the simulation, a rigid particle (with the geometry of Rockwell C indenter) applied progressive load to 2N along a 0.5 mm distance. In the study, the hardness was expressed as yield stress values in the coating and the substrate. In addition, it was examined the effect of coating residual stress (-3 GPa), as well as the effect of the thickness, the friction coefficient, and roughness of the surface and interface in the stresses behavior. The fact of obtaining tension values, which exceed the yield stress of coating implies the possible occurrence of failure. The results obtained by simulation indicated that the coating combinations with low yield stress (Sy < 3000 MPa) lead to Sxx and Szz stress values in the level of the coated yield stress. The coatings with yield stress Sy > 5000 MPa enable to obtain low Sxx and Szz values. The use of the residual stresses (-3 GPa) as well as increasing the thickness of the coating are very important factors in the coated systems, especially in the case of coatings with Sy > 5000 MPa. The effect of the friction coefficient leads to stress values (Sxx or Szz) sufficiently high in most of the combinations. This factor is the most important variable leading to the greater number of times that the value of the coating yield stress was reached. The roughness is responsible for Sxx stress values (inside groove). Increasing the roughness of the system increased the possibility of exceeding stress values in the surface and interface coating. Finally, by the complexity of the number of variables that affect the scratch test, the numerical simulation suggests that the fact of only analyzing the hardness of materials, as well as other isolated variables of the scratch test does not allow reproduction of a map of failures similar to that proposed in the literature.