Esta tese fornece uma descrição do comportamento plástico de tubos metálicos de parede fina isotrópicos e anisotrópicos na conformação não convencional de junções metálicas utilizando elastômeros.A força total de conformação associada ao deslocamento do domo das junções são previstas teoricamente e experimentalmente para três materiais de tubos recozidos distintos: Alumínio, Cobre e Latão 70/30. Alguns dos parâmetros plásticos dos materiais dos tubos, assim como o parâmetro do processo escolhido, o fator de atrito, são também analisados com base nessas mesmas forças.Um dispositivo foi também construído e empregado somente para simular o processo unilateral de conformação de junções de cobre, devido à dificuldade já estabelecida na predição do valor do fator de atrito, m. Este dispositivo é capaz de avaliar o fator de atrito usado em um novo modelo analítico para o calculo da força total de conformação, a qual é útil para a definição do ferramental e do equipamento necessário no processo. Esse modelo incorpora a anisotropia, através do emprego de três critérios de escoamentos anisotrópicos diferentes, ou seja, o critério de Hill de 1948, o critério de Hill de 1979 e uma variante desse último critério, estabelecida por Hosford.Finalmente, é estabelecido um melhor entendimento sobre o comportamento ao escoamento plástico de tubos de paredes finas em processamento, o qual traduz o conhecimento necessário para propor soluções visando melhorar a eficiência do processo de conformação de junções de tubos metálicos utilizando elastômeros, assim como permitirá a idealização de novos projetos.

O processo de estiramento consiste na conformação de chapas, barras e seções laminadas ou extrudadas, pelo "esticamento" do material sobre uma ferramenta (bloco) que contém a forma (linha de sistema) desejada. Este processo é utilizado principalmente na fabricação de peças da indústria aeroespacial. Os materiais empregados são ligas de alumínio, titânio, aço e níquel. O estiramento de chapas de ligas de alumínio, com relação à têmpera do material, pode ser realizado em três condições: com o material recozido (condição "O"), com o material na condição final de têmpera (condição "TXXX"), ou após a solubilização do material (condição "W"). A utilização de uma ou outra condição de estiramento está intimamente ligada à complexidade da geometria da peça, à qualidade da ferramenta de estiramento e aos valores de alongamento da liga. O estiramento com o material recozido (condição "O") apresenta os melhores resultados com relação ao retorno elástico (spring back), mas a conformação total da peça resulta em valores elevados de deformação e um ou todos os problemas podem acontecer: ruptura do material, aparecimento de "estrias" (bandas de Lüders) e cascas de laranja (orange peel). A situação ideal, em termos de custos de fabricação e tempo de execução, seria realizar o estiramento da peça na condição final de têmpera do material (TXXX). Entretanto, quando comparadas com os aços, as ligas de alumínio apresentam valores de alongamento inferiores, o que faz com que este material suporte níveis menores de deformação. Com níveis menores de deformação, o retorno elástico será muito grande e a peça não atenderá aos requisitos de forma (linha de sistema) necessários para uma montagem adequada. Como uma alternativa para os problemas encontrados no estiramento de chapas nas condições "O" e "TXXX", desenvolveu-se uma condição intermediária, chamada de "W". Esta condição é metaestável e é obtida após a solubilização da liga de alumínio. O estiramento das chapas de alumínio, nessa condição metaestável, é uma boa solução para as situações citadas, ou seja, aparecimento de defeitos superficiais (estrias e cascas de laranja) ou elevado retorno elástico ou efeito mola (spring back). Faz-se necessário, entretanto, um conhecimento detalhado do processo de estiramento, para garantir uma faixa de dureza na qual se obtém um resultado adequado. Deve-se estirar a chapa para valores de dureza em que não se obtenham defeitos superficiais ou elevados valores de retorno elástico. Este trabalho indica que o estiramento da liga AA 2024 após a solubilização (condição "W") apresenta valores de retorno elástico inferiores aos apresentados pelas outras condições avaliadas ("O" e "T3"), sem aumento significativo da rugosidade superficial, o que indica menor susceptibilidade ao aparecimento de defeitos superficiais, como a casca de laranja (orange peel).

Este trabalho trata do fenômeno da recuperação elástica de chapas metálicas dobradas. O problema da recuperação elástica é muito comum na indústria de conformação mecânica e de também extrema importância, pois, muitos componentes estruturais são fabricados pelo processo de dobramento de chapas, sendo posteriormente interligados por meio de elementos de união. Entretanto, a falta de precisão dimensional dessas chapas dobradas pode resultar num pré-tensionamento das juntas e elementos de união, devido à montagens forçadas. Como conseqüência haverá uma redução na vida esperada para o componente estrutural, associado ao aumento das tensões de trabalho. Por isso, processos não convencionais com uso de elastômero foram desenvolvidos e são utilizados na indústria aeronáutica, permitindo menor recuperação elástica dos componentes conformados, no entanto, para a maioria desses processos não há uma modelagem teórica. Assim, este trabalho tem como objetivo propor um modelo para avaliar a recuperação elástica de chapas metálicas dobradas pelo processo de dobramento não convencional, afim de se evitar o ajuste do processo pelo procedimento experimental (tentativa e erro) nas indústrias de conformação, que resulta em aumento de custos e refugo de material. Além disso, uma comparação entre os dois processos de dobramento é executada com objetivo de verificar experimentalmente a recuperação elástica das chapas dobradas por ambos os processos. Quanto aos resultados obtidos, observou-se que o modelo proposto fornece resultados satisfatórios. A comparação experimental de ambos os processos comprovou a menor recuperação elástica das chapas dobradas pelo processo não-convencional. Finalmente, foi proposta uma interpretação do fenômeno da recuperação elástica à nível microscópico.

O presente trabalho apresenta um modelo matemático para o processo de dobramento contínuo por rolos em chapas metálicas. Para a análise do modelo proposto assume-se a região elastoplástica que, durante o processo, apresenta uma geometria não regular que é considerada, aproximadamente, constante do desenvolvimento do presente trabalho. Considera-se parâmetros importantes no desenvolvimento do modelo proposto, para o processo de dobramento contínuo por rolos, sendo os seguintes: a recuperação elástica da chapa após o processo de conformação; as forças principais do processo e a potência de acionamento. Esses parâmetros são determinados em função das propriedades mecânicas e geométricas de chapa metálica, da geometria da máquina para a execução do processo e dos parâmetros de anisotropia do material que, junto com os parâmetros de atrito entre o rolo e a superfície da chapa metálica, são condições necessárias para o desenvolvimento da presente teoria. No presente trabalho verifica-se, experimentalmente, a performance de vários materiais para diferentes condições de processo e espessuras de chapas. Os materiais analisados são os seguintes: aço inoxidável, cobre, ligas de alumínio e latão. Compara-se os resultados experimentais, obtidos para o processo de dobramento contínuo executado em duas máquinas, e os resultados obtidos por diferentes teorias desenvolvidas por pesquisadores da área de conformação, com os resultados obtidos pela presente teoria. Outros parâmetros relevantes ao processo são apresentados e discutidos durante o desenvolvimento do presente trabalho.

O empenamento de um componente mecânico pode ser definido como a distorção geométrica quando o material é submetido a um estado de desequilíbrio das tensões iniciais ou residuais internas, estando livre da ação de forças e vínculos externos. Depois de empenada, a peça apresenta novamente novo estado de equilíbrio de tensões, obtido agora com a nova configuração geométrica, ou seja, a distorção. Essas tensões residuais resultam da interação entre tempo, temperatura, deformações e microestrutura em processos termo-mecânicos. O propósito deste trabalho consiste em apresentar uma comparação entre dois algoritmos numéricos usados para converter remoção de camadas e deflexão de viga associada em níveis de tensões residuais longitudinais e transversais da matéria-prima, induzidas durante o processo de laminação. Neste trabalho é empregado o método dos elementos finitos, utilizando os pacotes comerciais MSC.Patran e MSC.Marc para predizer o empenamento em peças usinadas. As tensões residuais da matéria-prima, obtidas pelo Método de Remoção de Camadas e usando Algoritmos de Flavenot e Flavenot Modificado (teoria presente), são aplicadas como input no modelo de elementos finitos para realizar a simulação do empenamento em peças. São feitas comparações entre as flechas previstas pelo Algoritmo Clássico de Flavenot e Algoritmo Modificado com as flechas medidas experimentalmente. Constata-se que as tensões residuais obtidas pelo Algoritmo de Flavenot não são plenamente satisfatórias, uma vez que as flechas calculadas via MEF não correspondem adequadamente aos valores obtidos nos ensaios de remoção de camadas. Para verificação final da eficiência da metodologia desenvolvida partiu-se para a predição e análise do empenamento de uma peça real fabricada a partir de placas laminadas em alumínio aeronáutico, sujeitas a um estado inicial de tensões residuais. É usado o Algoritmo de Flavenot Modificado, desenvolvido neste trabalho, para a determinação das tensões residuais longitudinais e transversais da matéria-prima. São feitas comparações entre o empenamento calculado e os valores medidos em pontos escolhidos desta peça. A comparação entre a deformação obtida pelo modelo de elementos finitos e a deflexão real medida na peça, apresenta valores próximos, demonstrando a boa precisão do algoritmo numérico modificado. O algoritmo desenvolvido neste trabalho mostra-se mais adequado que o classicamente usado. Com tais informações dos níveis e perfil das tensões residuais torna-se possível, na fase que antecede a fabricação, incorporar estes valores em modelos de elementos finitos para simular o empenamento das peças e também prover um melhor entendimento do processo de manufatura. Com o controle do empenamento, garante-se que os produtos sejam fabricados com uma baixa vulnerabilidade relativa, propiciando competitividade e preço.

Trincas longitudinais em aviões com fuselagens pressurizadas são sujeitas a carregamento de membrana e de flexão. A interação entre estes dois carregamentos no assim chamado "efeito de inchamento" ou "bulging effect", o qual pode elevar significantemente o fator de intensidade de tensão na ponta da trinca e reduzir a resistência residual. A filosofia de construção tolerante ao dano requer uma determinação realista do estado e tensões na vizinhança das trincas em fuselagens aeronáuticas. Entretanto, poucos estudos têm sido feitos para avaliar a significância do efeito "bulging" para trincas em fuselagens estreitas (narrow-body) representativos da aviação regional e a conseqüência de não inclusão destes efeitos na predição das tensões e subseqüente análise de tolerância ao dano. De particular interesse no efeito de "bulging" nas fuselagens que tem sido reparadas. Reparos acrescentam novos pontos de iniciação de trincas para a estrutura e podem também alterar a resposta ao "bulging" da fuselagem. O exame do efeito "bulging" no fator de intensidade de tensões e o cálculo de resistência residual em estruturas reparadas, o Federal Aviation Administration está estudando o efeito "bulging" em fuselagens aeronáuticas estreitas (narrow-body). O efeito de "bulging" foram calculados usando uma análise não linear por elementos finitos. O fator de intensificação de tensões foram calculadas utilizando o Método de Fechamento da Trinca. Neste estudo, uma escotilha foi colocada na fuselagem aeronáutica estreita (narrow-body) e foi reparada com um reforço interno preso por rebites. Uma trinca foi posicionada na linha mais crítica de rebites. Típicos resultados do estudo são apresentados para o efeito no fator de "bulging" para vários diferentes parâmetros, tais como carregamento, tamanho de trinca e a presença de reforços são discutidos.

Estudos anteriores mostram que a produção de ligas de NiTi com efeito de memória de forma por fusão em feixe de elétrons é um processo viável. A baixa contaminação por impurezas, tais como carbono e oxigênio, é a principal característica deste processo, que resulta em teor de carbono tão baixo quanto 100ppm em peso. Neste trabalho, um lingote de 150 mm de diâmetro, produzido por este processo, pioneiro no mundo, foi transformado em fios e tiras e caracterizado em termos de efeito de memória de forma. A conformação inicial foi feita através dos processos de forjamento e laminação a quente e, posteriormente, por forjamento rotativo a quente e trefilação, mostrando também a viabilidade de conformação termomecânica. Os resultados de recuperação de forma foram excelentes, com recuperação total para uma deformação de 9%. Este resultado é inédito na literatura mundial para um material policristalino e pode ser atribuído à alta pureza do lingote de partida. Mostrou-se também neste trabalho que a heterogeneidade de composição pode provocar o aparecimento de picos de transformação martensítica multiestágio, comprovados por análise de microestrutra, análise térmica e ensaios de tração.

Esta tese fornece uma descrição do comportamento plástico de chapas e tubos metálicos de parede fina, isotrópicos e anisotrópicos, na conformação não convencional utilizando elastômeros. Em particular, neste trabalho empregou-se o programa robusto de elementos finitos, Deform 3D, para a simulação numérica dos processos de conformação não convencionais de junções metálicas e dobramento de chapas com o uso de elastômeros. Desta forma, as forças de conformação totais associadas ao deslocamento do domo das junções foram adequadamente previstas; analiticamente, numericamente e então comparadas a dados experimentais, para três materiais de tubos recozidos distintos: Alumínio, Cobre e Latão 70/30. No geral, a concordância entre os resultados previstos, analiticamente e numericamente, em relação aos dados experimentais analisados foi muita boa, podendo a simulação ser caracterizada como um benchmark. Em especial, no caso do dobramento de chapas, as forças de conformação totais, o ângulo de dobramento e a recuperação elástica foram numericamente previstos e comparados com os dados experimentais obtidos por Braga (2009), observando-se boa concordância para três materiais de chapas: Alumínio, Aço e Latão 70/30 considerados. Além disso, neste trabalho é apresentada uma nova equação para determinação do comprimento do elastômero (modelo analítico), de modo que não haja falhas no processo de conformação de junções metálicas, que leva em consideração as propriedades mecânicas dos materiais dos tubos, através do emprego da lei do escoamento associado de Levy-Mises. Adicionalmente, é apresentado um novo modelo analítico para predição do fator de atrito (m), que é estabelecido a partir da relação entre o atrito tubo/matriz no processo de conformação de tubos utilizando elastômeros. Finalmente, a introdução desses novos modelos analíticos idealizados, junto com as predições analíticas, numéricas e experimentais que foram estabelecidas ao longo do trabalho ajuda a melhorar o entendimento do comportamento ao escoamento plástico de chapas e tubos de paredes finas em processamento; fato que traduz o conhecimento necessário para propor soluções visando melhorar a eficiência do processo de conformação não convencional de chapas e junções de tubos metálicos utilizando elastômeros, assim como permite a idealização de novos projetos.

A presente tese aborda duas modelagens teóricas para a conformação de Junções em "T" em tubos metálicos de parede fina, utilizando elastômeros. Enquanto um modelo utiliza a teoria do Limite Superior (Upper Bound Theory), outra emprega o método dos blocos (Slab Method) conjugado com a teoria de cascas. Em ambas as técnicas a previsão da carga de conformação, tensões e deformação são possíveis. Para verificação experimental um equipamento especial foi desenvolvido, construído e automatizado, e empregado na conformação de Junções em "T", a partir de tubos metálicos de alumínio, cobre e latão 70/30. O dispositivo foi automatizado de tal forma que o movimento dos estágios dos punções são simultâneos, empregando-se um mecanismo de quatro-barras, que foi projetado especificamente. Tal mecanismo, foi baseado na chamada "Folga do processo", que controla a relação entre a pressão aplicada no tubo e no elastrômero. Medidas de dureza, e análise metalográfica em tubos recozidos e após a conformação mostraram que o processo além de aumentar a resistência do material devido ao encruamento existente, proporcionam uma certa uniformidade das propriedades mecânicas. É também analisada a influência de outras variáveis no processo.