Este trabalho trata da aplicação do conceito de elemento singular híbrido na determinação dos fatores de intensidade de tensão e da tensão T em sólidos isotrópicos, sujeitos a um estado plano de tensões ou a um estado plano de deformações. Inicialmente é feita uma breve revisão da aplicação do método de elementos finitos na mecânica da fratura, ressaltando a necessidade da utilização dos elementos finitos singulares. Todas as etapas envolvidas na formulação do superelemento singular híbrido de equilíbrio, introduzido por Tong et al. (85), são detalhadamente desenvolvidas. A formulação abrange superelementos com funções de interpolação lineares, bilineares e quadráticas, possibilitando a sua utilização com vários elementos convencionais formulados pelo método dos deslocamentos. Um código computacional foi implementado e o método aplicado na análise de várias configurações típicas de placas retangulares com trincas, inclusive um painel com reforçadores. Os resultados obtidos apresentam boa concordância com dados da literatura. Por último, é realizada uma comparação com métodos que utilizam os elementos finitos distorcidos ("quarter-point elements"), confirmando a maior precisão dos resultados obtidos com o uso dos elementos singulares híbridos.

Este trabalho teve por objetivo principal verificar a extensão da influência da deformação média na vida em fadiga de baixo ciclo da liga de alumínio AA7175-T1. Devido a sua correlação com a tensão média, verifica-se a validade das equações de Morrow, SWT e Walker. É proposta neste trabalho uma equação que utiliza também a deformação média como parâmetro de cálculo, e esta representa de forma mais adequada o comportamento do material. Para tanto, caracterizou-se a liga AA7175-T1 sob carregamento cíclico, levantando os expoentes e os coeficientes de resistência e ductilidade à fadiga, para previsão da vida em fadiga de baixo ciclo. Os ensaios de tração apresentaram as propriedades mecânicas, tais como a curva monotônica, o coeficiente e o expoente da relação de Ramberg-Osgood. Os ensaios de fadiga geraram curvas de amplitude de deformação pelo número de ciclos até a fratura para diferentes valores de deformações médias. Por meio destas curvas pode-se observar que os valores dos expoentes e dos coeficientes de resistência e ductilidade à fadiga são dependentes do valor de deformação média aplicada nos ensaios. Desta forma, o material estudado foi caracterizado sob fadiga de baixo ciclo para deformação média nula e estes dados foram usados para provar que o parâmetro SWT representa satisfatoriamente os dados de fadiga encontrados, sendo conservativo entre 30 e 1000 ciclos. As equações de Morrow aproximam os dados de deformação média não nula aos de deformação média nula, principalmente aquela referente a SWT, e são conservativas acima de 30 ciclos. Das relações que consideram deformação média através da tensão média, a de Walker é a que melhor representa o comportamento do material independente da deformação média aplicada, acima de 20 ciclos. No entanto, a equação proposta neste trabalho, que apresenta a deformação média como parâmetro de cálculo, caracteriza plenamente o comportamento da liga em estudo para qualquer valor de deformação média.

Os painéis de material compósito são curados (ou consolidados) a temperaturas que podem variar entre 120oC e 400oC, nas quais os laminados estão totalmente livres de tensões. Quando se inicia o resfriamento dos painéis, à medida que o material começa a enrijecer, a diferença das propriedades físicas do material fibroso na direção das fibras e na direção transversal a estas, principalmente o coeficiente de dilatação térmica, provoca o surgimento das chamadas tensões residuais térmicas. No caso de um painel uniforme (sem reforçadores), laminado simetricamente e desprovido de restrições externas, o efeito dos esforços resultantes devido às tensões residuais é nulo. Entretanto, se o painel não for laminado simetricamente ou se a placa for reforçada, os esforços resultantes não são nulos e podem ter uma influência significativa no comportamento mecânico da placa. Os trabalhos sobre tensões residuais térmicas realizados até hoje estudam a carga crítica de flambagem linearizada (problema de autovalor) para estruturas/placas de material compósito. Este trabalho estuda a influência destas tensões residuais na situação de pós-flambagem de placas de grafita-epóxi em compressão, com reforçadores de diferentes tipos e larguras. Além da alteração do modo de flambagem das placas, a presença das tensões residuais térmicas pode proporcionar um alto ganho de rigidez, dependendo do tipo e da largura dos reforçadores empregados. Por exemplo, as placas com reforçadores mais largos, antes com maior rigidez do que aquelas com reforçadores mais estreitos, na presença das tensões residuais são menos rígidas do que as últimas. Para outro tipo de reforçador, a situação pode se inverter - a placa de reforçadores mais estreitos, mais rígida na ausência das tensões residuais, é menos rígida na presença de tais tensões. Ainda, para todos os casos estudados, observa-se que o ganho de rigidez é maior para cargas menos elevadas.

Neste trabalho são apresentados os resultados obtidos com a implantação iônica de nitrogênio por imersão em plasma (IIIP ou 3IP) do polietileno de ultra-alto peso molecular (PEUAPM). Um dos principais objetivos do tratamento foi o de promover a melhora das propriedades mecânicas do PEUAPM, principalmente a dureza e o módulo de elasticidade. Tais propriedades foram melhoradas a partir de alterações estruturais, induzidas na superfície do polímero, quando submetido ao bombardeamento por íons de nitrogênio por imersão em plasma. Verificou-se, através da espectroscopia Raman e da espectroscopia de fotoelétrons excitados por raio-X, que a implantação forçada de íons energéticos no polímero causa o rompimento, em sua grande maioria, de ligações carbono-hidrogênio, levando à desidrogenação do material em sua superfície. Em decorrência da desidrogenação do material, e da conseqüente alteração no modo de hibridização de grande parte dos átomos de carbono, que passam de carbonos sp2 para carbonos sp3, há a formação de ligações cruzadas entre cadeias carbônicas adjacentes. Esse fenômeno é associado à formação de uma fina camada de material muito duro sobre a superfície do polímero chamado Carbono tipo Diamante (DLC). A técnica de nanoindentação foi usada para se determinar a dureza e módulo de elasticidade após o tratamento e a técnica AFM usada para se verificar as alterações de rugosidade na superfície do material. Além de se constatar a formação do DLC e a melhora de algumas propriedades mecânicas do material, o trabalho se estende um pouco além, buscando determinar a influência da intensidade dos pulsos e do tempo do tratamento na formação do DLC, com o intuito de apresentar informações que possam indicar ou sugerir condições ótimas de tratamento do PEUAPM por 3IP de nitrogênio.

O principal desafio na tecnologia de processamento de materiais compósitos estruturais é a obtenção de uma adequada interface/interfase entre o reforço e a matriz. Um método para modificar e controlar as propriedades físicas desta região interfacial é pela aplicação de um sizing (recobrimento) na superfície do reforço, antes de sua impregnação com a matriz polimérica. Atualmente, as poliimidas (PI) têm sido utilizadas como sizing, devido às suas altas temperaturas de transição vítrea (210 - 430C ou superior) e de decomposição (> 500C). Outra forma de utilização das PI como interfase está no emprego de uma técnica de processamento de compósitos termoplásticos bastante inovadora: a pré-impregnação via suspensão polimérica. Esta técnica envolve a impregnação do reforço, pelo contato deste em uma suspensão aquosa das partículas davmatriz polimérica de impregnação. Uma vez que, a fabricação de compósitos termoplásticos é dificultada pela alta viscosidade das matrizes fundidas, este método mostra-se bastante atrativo como uma alternativa às técnicas tradicionais de processamento. Além disso, a utilização do precursor da PI, os poli(ácido âmico) (PAA), como agentes responsáveis para promover a suspensão das partículas da matriz polimérica no sistema de pré-impregnação, oferece a vantagem deste, atuar como formador da região interfacial em compósitos. O objetivo do presente trabalho é comparar duas técnicas de processamento de compósitos termoplásticos: por moldagem por compressão a quente e por suspensão polimérica e analisar a influência da região interfacial formada na resistência ao cisalhamento interlaminar (ILSS) dos compósitos preparados. Neste trabalho foram feitas cinco diferentes sínteses de PAA para a utilização no processo de pré-impregnação via suspensão polimérica, pela variação dos dianidridos (BTDA e PMDA) e das diaminas (DHPr, ODA, DDS, Bis-P). O sucesso das síntese e da conversão dos PAA em PI foi confirmado por análise de DSC, TG, MEV, FTIR, GPC e RMN de sólidos. A partir dos PAA sintetizados foram preparadas suspensões com os polímeros PEEK, PPS, PEI e nylon 6/6, que foram utilizadas na preparação de pré-impregnados com tecidos de fibras de carbono. Os resultados de ILSS dos laminados obtidos pelas duas técnicas mostram que, de uma maneira geral, as PI formaram uma região interfacial que melhorou a adesão da fibra de carbono com as matrizes poliméricas estudadas.

Os materiais compósitos de matriz termoplástica vem sendo cada vez mais utilizados na indústria aeronáutica. A praticidade na moldagem e o fato de serem recicláveis e assim ambientalmente amigáveis são duas das vantagens que este tipo de material apresenta sobre os compósitos de matriz termorrígida. Para serem utilizados, dois aspectos importantes de suas propriedades devem ser caracterizados, a vida em fadiga e o efeito ambiental em suas propriedades mecânicas. Sabe-se que os esforços em vôo são muito repetitivos e as diferentes condições ambientais que as aeronaves estão submetidas variam muito, desde -55 C até 80 C, com umidade muito alta ou quase seca. Atuando nesta faixa de temperatura e umidade, foi feita a determinação da resistência ao cisalhamento interlaminar, tração estática e fadiga em condições que variavam entre -55 e 80 C e com umidade absorvida de zero a 75% da umidade no ponto de saturação de absorção de água do material. Foi feita a análise fractográfica das superfícies de fratura após os ensaios mecânicos, determinando-se os modos de falha e identificando-se os aspectos fractográficos nos componentes do material, definindo-se onde o dano foi maior. De modo geral, constatou-se que o modo de falha para os ensaios em fadiga foi frágil com dano predominante na matriz, tanto na condição seca quanto úmida, para amostras à -55 C, frágil tendendo a dúctil nas amostras à 20 C, predominante na matriz e dúctil nas amostras à 80 C, predominante na interface e com dano por abrasão na matriz.

A deposição de filmes finos de DLC com propriedades mecânicas e tribológicas avançadas tem sido um apelo muito forte devido as evidentes aplicações espaciais e industriais onde existem situações de extrema agressividade mecânica e química. Neste trabalho de Doutorado, além das soluções para a área espacial, encontraram-se também, soluções para os segmentos industriais. Em primeiro lugar, tratou-se de estudar as três técnicas de deposição de filmes de DLC que mais se destacaram na literatura e também a partir da experiência da equipe. Assim, as técnicas r.f. PECVD, IBAD e DC Pulsado PECVD foram exaustivamente estudadas e implantadas em nosso laboratório. Estudou-se o crescimento dos filmes de DLC a partir destas técnicas, assim como as propriedades destes filmes como função dos parâmetros de obtenção nas melhores condições de operação destas técnicas sobre substratos metálicos como a liga Ti6Al4V (área espacial) e alguns aços (áreas industriais). Propriedades mecânicas e tribológicas, como dureza, aderência, casamento de coeficiente de dilatação térmica entre o filme e o substrato, coeficiente de atrito, desgaste, carga crítica, etc. foram estudadas para cada uma das técnicas. A técnica de melhor desempenho foi escolhida para os estudos de escalonamento industrial, que culminou no desenvolvimento de um sistema, pela primeira vez, que permitiu crescer filmes de DLC em grandes áreas. Aproveitando, ainda, as propriedades dos filmes obtidos com a técnica DC Pulsado PECVD, fez-se um estudo em um dos maiores apelos tecnológicos que é o de obter filmes de DLC no interior de tubos longos e de forma uniforme em toda sua extensão. As caracterizações espectroscópicas, mecânicas e tribológicas mostraram o sucesso deste estudo.

Este trabalho tem como objetivo projetar e analisar a caverna de pressão traseira de uma aeronave corporativa, propondo uma solução que melhor atenda aos requisitos de projeto. Ao longo do trabalho são aplicadas diversas técnicas utilizadas no meio aeronáutico sendo que tais técnicas são explicadas de maneira a poderem ser reproduzidas e para substanciar as decisões tomadas. O trabalho começa com uma análise dos requisitos de certificação e exigências necessárias a este tipo de aeronave; partindo deste ponto seguem os trabalhos de concepção da caverna. No início da concepção são definidos a geometria da caverna, material e as possíveis configurações. Para a definição da configuração da caverna são levados em conta critérios econômicos, tais como: processo de manufatura, peso estrutural e vida em fadiga. A configuração da caverna de pressão escolhida possui um domo esférico de baixa curvatura, a qual se mostrou a mais interessante por ocupar pouco espaço comparado com as demais configurações abordadas e ter uma distribuição de tensão quase uniforme. O desvio na tensão se deve à fixação da caverna na fuselagem, onde ée utilizado um anel de fixação, o qual facilita a união entre as partes devido esta solução prover maior espaço para a rebitagem. Após a definição da configuração, são feitas análises de tensões, análises de vida em fadiga e tolerância ao dano. Na análise de tensões, verificou-se a necessidade de aumentar a espessura do domo próximo aos locais onde existem concentradores de tensão. Sendo assim, foi definido que este deve ser fabricado com a maior espessura e posteriormente ser usinado quimicamente. Ao final do trabalho, foi possível obter uma configuração da caverna de pressão bastante simples, composta de um anel reforçador e um domo inteiriço, diferentemente de muitas soluções encontradas, onde o domo ée particionado, o que aumentaria o peso e a complexidade da estrutura.

Esta tese avalia o potencial de filmes de carbeto de silício (SiC) produzidos por duas técnicas assistidas por plasma, PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) e RF magnetron sputtering, para o desenvolvimento de sensores piezoresistivos. Os trabalhos desenvolvidos abrangeram todas as etapas de síntese e caracterização dos filmes, bem como o estudo das etapas de processamento para a confecção de resistores e de sensores de pressão. A técnica de PECVD foi utilizada para produzir um conjunto de cinco amostras de filmes de SiC a partir da mistura dos gases SiH4, CH4 e Ar sob diferentes fluxos de SiH4. A dopagem in situ do filme foi realizada pela introdução do gás nitrogênio durante o processo de deposição. Um conjunto de seis amostras foram produzidas por RF magnetron sputtering de um alvo estequiométrico de SiC (99.5% de pureza) em atmosfera de Ar e N2 sendo que durante as deposições apenas o fluxo de nitrogênio foi variado. Os filmes de SiC obtidos pelas duas técnicas foram submetidos a um processo de recozimento térmico em atmosfera de argônio a 1000C por 1h. As propriedades químicas, estruturais, morfológicas, elétricas, mecânicas e ópticas dos filmes de SiC, antes e após o recozimento, foram estudadas por espectroscopia de retroespalhamento de Rutherford (RBS), espectroscopia Raman, espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR), difração por raios-X (XRD), microscopia de força atômica (AFM), quatro pontas, nanoindentação e medidas de transmissão/ reflexão visando determinar os filmes com características adequadas para o desenvolvimento de sensores. Processos de corrosão por plasma RIE (reactive ion etching) dos filmes depositados utilizando uma mistura dos gases SF6 e O2 também foram estudados para se produzir às estruturas dos sensores. Com o objetivo de estudar as propriedades piezoresistivas dos filmes depositados, foram fabricados resistores de SiC com contatos elétricos de Ti/Au. Um arranjo experimental foi montado para determinar a variação da resistência elétrica do resistor em função da tensão mecânica aplicada. Um resistor de SiC foi colado próximo à extremidade engastada de uma viga de aço em balanço e sobre a extremidade livre foram aplicadas diferentes forças. A resistência elétrica do resistor foi medida para cada força aplicada sobre a viga. Esse experimento possibilitou determinar o coeficiente piezoresistivo e o gauge factor dos filmes depositados. A influência da temperatura sobre a resistência elétrica dos resistores foi avaliada da temperatura ambiente até 250C. Por fim, é apresentada uma metodologia para projeto, fabricação e encapsulamento de um protótipo de sensor de pressão piezoresistivo baseado em filme amorfo de SiC. O protótipo desenvolvido foi testado e apresentou uma sensibilidade média de 2,7 mV/psi.

O presente trabalho tem como objetivo desenvolver os parâmetros de processo de junção de topo, no estado sólido, de chapas de alumínio 2024-T3 de espessura 1,6 mm, para aplicação aeronáutica por meio do Friction Stir Welding - FSW, a fim de obter ao mesmo tempo boas propriedades mecânicas e velocidades apreciáveis de soldagem. O processo de FSW foi patenteado, em 1991, pelo The Welding Institute (TWI) da Inglaterra. A técnica consiste na união realizada no estado sólido, não ocorrendo fusão dos materiais. Uma ferramenta especialmente projetada, similar a um pino, tem a função de aquecer e "misturar", as bordas de duas peças que se quer unir. A ferramenta tem ainda um ombro que não penetra no material a ser soldado, mas gira sobre ele, gerando atrito e conseqüentemente energia térmica para plastificar o material. Para o desenvolvimento deste trabalho, foram realizadas as seguintes etapas: revisão bibliográfica do FSW; desenvolvimento dos parâmetros de processo (velocidade de rotação e transversal, e força axial da ferramenta de soldagem) e a relação com a temperatura de soldagem; realização de testes práticos; caracterização das juntas soldadas; ensaios mecânicos. Pela inspeção visual das soldas, foram ajustados os parâmetros de processo, visando obter soldas livres de defeitos superficiais, empenamento reduzido e aprovação em ensaio de dobramento logo após a soldagem. Então, partiu-se para caracterização das propriedades da junta, por meio de ensaios não-destrutivos de líquidos penetrantes, metalografia e ensaios mecânicos de tração. Com os parâmetros de soldagem validados e temperatura de soldagem medida, foram identificadas as variáveis de processo e partiu-se para ou aumento da velocidade de soldagem e ajuste destas variáveis relacionadas, realizadas nova campanha de soldagem, caracterização e ensaios mecânicos para validar este novo conjunto otimizado de parâmetros. Avalia-se, então, a relação entre os parâmetros de processo e as propriedades mecânicas. Obtêm-se soldas com velocidades apreciáveis de soldagem e com boas propriedades mecânicas. Observa-se que o método de seleção dos parâmetros é preponderantemente empírico e o método de otimização de velocidade, por meio da correlação com a temperatura de soldagem, mostra-se robusto e evidencia um aumento não linear entre a velocidade de rotação e velocidade transversal da ferramenta de soldagem.