CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / In the last years, the fractal geometry has become widely studied. Its application in several areas increased substantially, particularly in materials engineering and science, aiming the analysis of failures and the study of the mechanical properties of materials. Some studies have shown the relationship between the fracture surfaces and their mechanical properties using the fractal geometry and its properties of fractal dimension and selfsimilarity. In this research, the fracture surface of duplex stainless steel, which was obtained by the Charpy impact test, was studied applying the fractal geometry. Considering the 475ÂC embrittlement, the steel was submitted to thermal aging to obtain the fracture surfaces, whose images were captured by the scanning electron microscope (SEM). In the fractal analysis, a study was made applying the island method and profile analysis through the digitalization of the images and the application of image analyzing software. Emphasis was given on the calculation of the fractal dimension (FD) of the surface, on the energy absorbed during the impact test, on the involved fracture mechanisms and as well on the relationship between FD and thermal aging. In order to better understanding the subject, it was done the review about fracture mechanics, of duplex stainless steel and of fractal geometry. Finishing the research, the obtained fracture surface, the absorbed energy and the obtained values of FD were analyzed. The obtained results demonstrated a relationship between the fractal dimension, the size of the dimples in fracture surfaces and the impact energy to obtain them. / A geometria dos fractais nos Ãltimos anos tem se tornado bastante difundida no meio cientÃfico. O seu emprego em diversas Ãreas aumentou substancialmente, em particular na engenharia e ciÃncia dos materiais, com o objetivo de analisar falhas e estudar as propriedades mecÃnicas dos materiais. Alguns estudos tÃm mostrado a relaÃÃo entre as propriedades mecÃnicas de superfÃcies de fratura com a geometria dos fractais e suas propriedades de dimensÃo fractal e auto-similaridade. Nesta pesquisa, foi estudada, com base na geometria dos fractais, a superfÃcie de fratura do aÃo inoxidÃvel duplex obtida atravÃs do ensaio de impacto Charpy. Considerando a fragilizaÃÃo a 475C, o aÃo foi submetido ao tratamento tÃrmico de envelhecimento para a obtenÃÃo das superfÃcies de fraturas cujas imagens foram captadas no microscÃpio eletrÃnico de varredura (MEV). Na anÃlise fractal foi feito um estudo aplicando os mÃtodos das ilhas e anÃlise de perfil atravÃs da digitalizaÃÃo das imagens e aplicaÃÃo de softwares de anÃlise de imagem. Foi dada Ãnfase na anÃlise do cÃlculo da dimensÃo fractal (Df) da superfÃcie, na energia absorvida no ensaio de impacto, nos mecanismos de fratura envolvidos, bem como na relaÃÃo entre Df e o tratamento tÃrmico de envelhecimento. Para o melhor entendimento do trabalho foi feita uma revisÃo bibliogrÃfica sobre a mecÃnica da fratura, o aÃo inoxidÃvel duplex e a geometria dos fractais. Para finalizar a pesquisa, foi feita a anÃlise da superfÃcie da fratura obtida, da energia absorvia e de valores de Df alcanÃados. Os resultados obtidos demonstraram uma relaÃÃo entre a dimensÃo fractal, o tamanho dos dimples em superfÃcies de fratura e a energia de impacto para a obtenÃÃo das mesmas.

Os reatores de hidroprocessamento utilizados em refinarias de petrÃleo sÃo, geralmente, compostos de um metal de base revestido com dupla camada de aÃo inoxidÃvel austenÃtico. Estes materiais tÃm diferentes propriedades termo-elÃsticas, que causam elevadas tensÃes de revestimento durante o desligamento do reator, podendo levar à nucleaÃÃo e propagaÃÃo de trincas. AlÃm disso, a parede do reator està sujeita a um ambiente corrosivo, rico em hidrogÃnio, a alta pressÃo e temperatura. Desta forma, existe a possibilidade de fragilizaÃÃo por hidrogÃnio, o que causaria uma reduÃÃo da ductilidade, da intensidade de tensÃo limite para propagaÃÃo de trincas e do tempo de falha do material. Para um melhor estudo destes problemas, o trabalho foi dividido em duas partes: simulaÃÃo computacional da parede do reator e ensaios experimentais. Primeiramente, foi realizada uma simulaÃÃo computacional da parede de um reator de hidroprocessamento tÃpico, composto pelo metal de base 21/4Cr-1Mo (ASTM A387 Grau 22 Classe 2) e dupla camada de revestimento de aÃo inoxidÃvel da tipo 309 (amanteigamento) e 347. Esta simulaÃÃo mostrou, atravÃs da distribuiÃÃo de tensÃes ao longo da parede do reator, com e sem a presenÃa de trinca, a potencialidade das tensÃes tÃrmicas de revestimento em propagar trincas. Na parte experimental, o aÃo em estudo (21/4Cr-1Mo) foi caracterizado no estado hidrogenado e comparado com os resultados obtidos para o estado nÃo-hidrogenado. AlÃm disso, a fragilizaÃÃo por hidrogÃnio foi quantificada por meio da determinaÃÃo da tenacidade à fratura do material, nos dois estados, atravÃs do uso da integral-J. Os resultados computacionais comprovaram a alta probabilidade de uma trinca de revestimento chegar na interface com o metal de base apÃs alguns ciclos liga-desliga. No entanto, possivelmente esta trinca là permaneceria plastificada. Jà os resultados experimentais confirmaram a alta suscetibilidade à fragilizaÃÃo por hidrogÃnio do material em estudo. / Os reatores de hidroprocessamento utilizados em refinarias de petrÃleo sÃo, geralmente, compostos de um metal de base revestido com dupla camada de aÃo inoxidÃvel austenÃtico. Estes materiais tÃm diferentes propriedades termo-elÃsticas, que causam elevadas tensÃes de revestimento durante o desligamento do reator, podendo levar à nucleaÃÃo e propagaÃÃo de trincas. AlÃm disso, a parede do reator està sujeita a um ambiente corrosivo, rico em hidrogÃnio, a alta pressÃo e temperatura. Desta forma, existe a possibilidade de fragilizaÃÃo por hidrogÃnio, o que causaria uma reduÃÃo da ductilidade, da intensidade de tensÃo limite para propagaÃÃo de trincas e do tempo de falha do material. Para um melhor estudo destes problemas, o trabalho foi dividido em duas partes: simulaÃÃo computacional da parede do reator e ensaios experimentais. Primeiramente, foi realizada uma simulaÃÃo computacional da parede de um reator de hidroprocessamento tÃpico, composto pelo metal de base 21/4Cr-1Mo (ASTM A387 Grau 22 Classe 2) e dupla camada de revestimento de aÃo inoxidÃvel da tipo 309 (amanteigamento) e 347. Esta simulaÃÃo mostrou, atravÃs da distribuiÃÃo de tensÃes ao longo da parede do reator, com e sem a presenÃa de trinca, a potencialidade das tensÃes tÃrmicas de revestimento em propagar trincas. Na parte experimental, o aÃo em estudo (21/4Cr-1Mo) foi caracterizado no estado hidrogenado e comparado com os resultados obtidos para o estado nÃo-hidrogenado. AlÃm disso, a fragilizaÃÃo por hidrogÃnio foi quantificada por meio da determinaÃÃo da tenacidade à fratura do material, nos dois estados, atravÃs do uso da integral-J. Os resultados computacionais comprovaram a alta probabilidade de uma trinca de revestimento chegar na interface com o metal de base apÃs alguns ciclos liga-desliga. No entanto, possivelmente esta trinca là permaneceria plastificada. Jà os resultados experimentais confirmaram a alta suscetibilidade à fragilizaÃÃo por hidrogÃnio do material em estudo. / The hydroprocessing reactors used in petroleum refineries are usually composed of a base metal coated with a double layer of austenitic stainless steel. These materials have different thermo-elastic properties that cause high stress coating during shutdown of the reactor, leading to nucleation and propagation of cracks. Furthermore, the wall of the reactor is subject to a corrosive environment, hydrogen-rich, high pressure and temperature. Thus, there is the possibility of hydrogen embrittlement, which would reduce the ductility, the stress intensity threshold for the propagation of cracks and the failure time of the material. For a better study of these problems, the work was divided into two parts: computer simulation of the reactor wall and experimental. First, we conducted a computer simulation of the wall of a typical hydroprocessing reactor, comprising the base metal 21/4Cr-1Mo (ASTM A387 grade 22 Class 2) and double layer coating of stainless steel type 309 (buttering) and 347 . This simulation showed by the stress distribution along the wall of the reactor, with and without the presence of a crack, the potential of the thermal stress cracks spread coating. In the experimental part, the steel under study (21/4Cr-1Mo) was hydrogenated in the state characterized and compared with results obtained for the non-hydrogenated state. Furthermore, the hydrogen embrittlement was quantified by determining the fracture toughness of the material, in both states, through the use of J-integral. The computational results confirmed the high probability of a crack reaching the interface coating with the base metal after a few cycles on-off. However, there remain possibly this crack plasticized. Since the experimental results confirm the high susceptibility to hydrogen embrittlement of the material under study. / The hydroprocessing reactors used in petroleum refineries are usually composed of a base metal coated with a double layer of austenitic stainless steel. These materials have different thermo-elastic properties that cause high stress coating during shutdown of the reactor, leading to nucleation and propagation of cracks. Furthermore, the wall of the reactor is subject to a corrosive environment, hydrogen-rich, high pressure and temperature. Thus, there is the possibility of hydrogen embrittlement, which would reduce the ductility, the stress intensity threshold for the propagation of cracks and the failure time of the material. For a better study of these problems, the work was divided into two parts: computer simulation of the reactor wall and experimental. First, we conducted a computer simulation of the wall of a typical hydroprocessing reactor, comprising the base metal 21/4Cr-1Mo (ASTM A387 grade 22 Class 2) and double layer coating of stainless steel type 309 (buttering) and 347 . This simulation showed by the stress distribution along the wall of the reactor, with and without the presence of a crack, the potential of the thermal stress cracks spread coating. In the experimental part, the steel under study (21/4Cr-1Mo) was hydrogenated in the state characterized and compared with results obtained for the non-hydrogenated state. Furthermore, the hydrogen embrittlement was quantified by determining the fracture toughness of the material, in both states, through the use of J-integral. The computational results confirmed the high probability of a crack reaching the interface coating with the base metal after a few cycles on-off. However, there remain possibly this crack plasticized. Since the experimental results confirm the high susceptibility to hydrogen embrittlement of the material under study.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de NÃvel Superior / Pontes de aÃo normalmente estÃo sujeitas a carregamentos cÃclicos de amplitude variÃvel, com tipo e freqÃÃncia de trÃfego ao acaso. Dessa forma, a nucleaÃÃo e a propagaÃÃo de trincas nos elementos estruturais de uma ponte podem ser resultantes das flutuaÃÃes de carregamentos. ApÃs determinar a localizaÃÃo e o tamanho de uma falha existente, tem-se de imediato a preocupaÃÃo com a previsÃo de sua propagaÃÃo a fim de se ter um tempo conveniente para o reparo. Desta maneira, os conceitos de mecÃnica da fratura e fadiga sÃo fundamentais para o correto entendimento do problema. Neste trabalho à feito o desenvolvimento de um modelo computacional para a anÃlise do crescimento de trincas utilizando-se os modelos do Valor MÃdio QuadrÃtico e Ciclo-a-Ciclo. Nas simulaÃÃes realizadas, observa-se a influÃncia dos carregamentos de amplitudes variÃveis sobre a previsÃo de vida da estrutura. Foram consideradas como variÃveis de entrada do programa, diferentes tamanhos iniciais de trincas e diferentes histÃrias de carregamentos. Dessa forma, pÃde-se avaliar a dispersÃo dos resultados de previsÃo de vida da estrutura, com a variaÃÃo dos diferentes parÃmetros de entrada. / Steel bridges are usually subject to variable amplitude cyclic loading, with type and frequency of traffic at random. Thus, the nucleation and propagation of cracks in structural elements of a bridge may be due to fluctuations in shipments. After determining the location and size of a fault existing, has the immediate concern to the prediction of its propagation in order to have a convenient time for repair. Thus, the concepts of fracture mechanics and fatigue are essential for a proper understanding of the problem. This work is done by developing a computational model for the analysis of crack growth models using the mean square value and Cycle-by-cycle. In the simulations, we observe the influence of variable amplitude loading on the expected life of the structure. Were considered as input variables of the program, different initial crack sizes and different loading histories. Thus, we could evaluate the dispersion of expected life of the structure with the variation of different input parameters.