Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:12Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2012-01-26Bitstream added on 2014-06-13T20:16:13Z : No. of bitstreams: 1 marques_tpz_me_guara.pdf: 7111627 bytes, checksum: 6e3208be9c6bd1d049644a4aa33de525 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Superfícies de fratura apresentam a evolução entrópica durante a propagação de trincas, demonstrando relações entre componentes estruturais, campos de tensões locais e formações típicas de relevo. No caso das ligas metálicas, a evolução das formações topográficas pode indicar as linhas de ação de carga, a dinâmica do processo de fratura, falhas de uso ou de processamento, e outros. Neste trabalho, foram realizadas análises da relação entre a dimensão fractal e a variação do fator intensidade de tensão, da relação entre a dimensão fractal e a posição à frente da trinca, além do estudo da influência da espessura nos valores de dimensão fractal. Esses estudos foram efetuados a partir da topografia das superfícies fraturadas do aço 15-5PH obtidas em ensaios de propagação de trincas por fadiga, conforme ASTM E647. A investigação das fraturas foi feita por meio do método de reconstrução por extensão de foco, com o qual foi possível calcular os valores de dimensão monofractal (Df), dimensão textural (Dt) e dimensão estrutural (Ds), utilizando os mapas de elevações gerados pelo método. Os resultados das análises mostraram que os valores de Ds foram sensíveis à mudança dos micromecanismos de fratura, sendo que eles aumentaram até a transição do estágio II para o estágio III, sofrendo uma leve queda quando a trinca se propagava de forma instável e, em seguida, voltaram a aumentar quando a trinca estava perto de atingir seu tamanho crítico. Também foi observado que os valores de Ds e Dt se comportaram de forma inversa com o aumento da velocidade de propagação da trinca, em que os valores de Ds aumentaram e os de Dt decresceram em relação à evolução de K. Sendo, então, a dimensão estrutural responsável por descrever o comportamento anisotrópico do relevo, devido à evolução... / Fracture surfaces present the entropic evolution during the crack propagation, demonstrating relationship between structural components, local stress fields and typical relief formation. Regarding metallic alloys, the evolution of topographical formations may indicate the load action lines, the dynamism of the fracture process, during the processing or in use failures. In this work, it was performed the analysis of the relation between the fractal dimension and the stress intensity factor deviation, the relation between the fractal dimension and the crack tip position and also the study of the thickness influence in the fractal dimension values. These studies were performed by means of the topography of the 15-5PH steel fracture surfaces obtained throughout the fatigue crack propagation tests, in accordance with ASTM E647. The fractures investigation was executed using the 3-D reconstruction by extended depth of field method, allowing the possibility to calculate the values of the monofractal dimension (Df), textural dimension (Dt) and structural dimension (Ds), using of the elevation maps generated by the method. The analysis results showed that Ds was sensitive to changes on fracture micromechanisms, once they have increased up to the stage II to stage III transition, appearing a smooth reduction during the crack propagation at the unstable region and, after this, the values turned back to increase when the crack was near to achieve the critical length. It was also observed the Ds and Dt values presented an inverse behavior due the increase of the crack propagation velocity, while Ds raised the Dt values diminished related to the K evolution. Hence, the structural dimension is the responsible to describe the anisotropic behavior of the relief due the stress fields evolution in the crack tip... (Complete abstract click eletronic access below)

Orientador: Luis Rogério de Oliveira Hein / Banca: Ana Paulo Rosifini Alves Claro / Banca: Durval Rodrgigues Júnior / Resumo: Superfícies de fratura apresentam a evolução entrópica durante a propagação de trincas, demonstrando relações entre componentes estruturais, campos de tensões locais e formações típicas de relevo. No caso das ligas metálicas, a evolução das formações topográficas pode indicar as linhas de ação de carga, a dinâmica do processo de fratura, falhas de uso ou de processamento, e outros. Neste trabalho, foram realizadas análises da relação entre a dimensão fractal e a variação do fator intensidade de tensão, da relação entre a dimensão fractal e a posição à frente da trinca, além do estudo da influência da espessura nos valores de dimensão fractal. Esses estudos foram efetuados a partir da topografia das superfícies fraturadas do aço 15-5PH obtidas em ensaios de propagação de trincas por fadiga, conforme ASTM E647. A investigação das fraturas foi feita por meio do método de reconstrução por extensão de foco, com o qual foi possível calcular os valores de dimensão monofractal (Df), dimensão textural (Dt) e dimensão estrutural (Ds), utilizando os mapas de elevações gerados pelo método. Os resultados das análises mostraram que os valores de Ds foram sensíveis à mudança dos micromecanismos de fratura, sendo que eles aumentaram até a transição do estágio II para o estágio III, sofrendo uma leve queda quando a trinca se propagava de forma instável e, em seguida, voltaram a aumentar quando a trinca estava perto de atingir seu tamanho crítico. Também foi observado que os valores de Ds e Dt se comportaram de forma inversa com o aumento da velocidade de propagação da trinca, em que os valores de Ds aumentaram e os de Dt decresceram em relação à evolução de K. Sendo, então, a dimensão estrutural responsável por descrever o comportamento anisotrópico do relevo, devido à evolução... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Fracture surfaces present the entropic evolution during the crack propagation, demonstrating relationship between structural components, local stress fields and typical relief formation. Regarding metallic alloys, the evolution of topographical formations may indicate the load action lines, the dynamism of the fracture process, during the processing or in use failures. In this work, it was performed the analysis of the relation between the fractal dimension and the stress intensity factor deviation, the relation between the fractal dimension and the crack tip position and also the study of the thickness influence in the fractal dimension values. These studies were performed by means of the topography of the 15-5PH steel fracture surfaces obtained throughout the fatigue crack propagation tests, in accordance with ASTM E647. The fractures investigation was executed using the 3-D reconstruction by extended depth of field method, allowing the possibility to calculate the values of the monofractal dimension (Df), textural dimension (Dt) and structural dimension (Ds), using of the elevation maps generated by the method. The analysis results showed that Ds was sensitive to changes on fracture micromechanisms, once they have increased up to the stage II to stage III transition, appearing a smooth reduction during the crack propagation at the unstable region and, after this, the values turned back to increase when the crack was near to achieve the critical length. It was also observed the Ds and Dt values presented an inverse behavior due the increase of the crack propagation velocity, while Ds raised the Dt values diminished related to the K evolution. Hence, the structural dimension is the responsible to describe the anisotropic behavior of the relief due the stress fields evolution in the crack tip... (Complete abstract click eletronic access below) / Mestre

Submitted by JOSÉ ALBERTO DE OLIVEIRA null (allberto_oliveira@yahoo.com.br) on 2017-10-31T22:04:18Z No. of bitstreams: 1 Dissertação de Mestrado - José Alberto de Oliveira (versão final).pdf: 6551312 bytes, checksum: 7dd566d1b98b52a7ee394607476cf4ff (MD5) / Approved for entry into archive by LUIZA DE MENEZES ROMANETTO (luizamenezes@reitoria.unesp.br) on 2017-11-13T12:21:42Z (GMT) No. of bitstreams: 1 oliveira_ja_me_guara.pdf: 6551312 bytes, checksum: 7dd566d1b98b52a7ee394607476cf4ff (MD5) / Made available in DSpace on 2017-11-13T12:21:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 oliveira_ja_me_guara.pdf: 6551312 bytes, checksum: 7dd566d1b98b52a7ee394607476cf4ff (MD5) Previous issue date: 2017-09-04 / A morfologia de superfícies de fratura contém informações importantes do processo de fratura, tais como, o tipo de carregamento e a energia envolvida. Neste contexto, a fractografia quantitativa é uma ferramenta que permite caracterizar superfícies de fratura de forma qualitativa e quantitativa. O objetivo foi avaliar a sensibilidade da dimensão fractal na caracterização de diferentes micromecanismos de fratura, e correlacionar com a energia envolvida no processo de fratura, foram reproduzidas três condições de tratamento térmico do aço SAE 4340, visando obter micromecanismos de fratura característicos da ruptura dúctil e frágil. As superfícies de fratura foram geradas pelo ensaio de impacto charpy, ASTM A370, a temperatura ambiente. Com isso, através do método de reconstrução por extensão de foco na microscopia óptica, as superfícies de fratura foram reconstruídas, como resultado, foram obtidos mapas topográficos do relevo. A caracterização quantitativa da topografia foi realizada por meio da dimensão fractal, utilizando a abordagem monofractal, auto-similaridade, e bifractal que é calcada no conceito da auto-afinidade. As três condições de tratamento térmico foram eficazes, produzindo micromecanismos de fratura característicos da fratura dúctil, isto é, predominância de microvazios e da fratura frágil com predominância de clivagem. A abordagem monofractal se mostrou sensível a mudança de morfologia da superfície de fratura, no entanto, a sensibilidade foi pequena para morfologias similares, ou seja, na distinção entre quasi-clivagem e clivagem. Por outro lado, na abordagem bifractal a sensibilidade da dimensão fractal textural foi mais expressiva, evidenciando a diferença entre quasi-clivagem e clivagem. / The fracture surface morphology contains important information about the fracture process, such as the type of loading and the energy involved. In this context, quantitative fractography is a tool that allows qualitative and quantitative characterization of fracture surfaces. In order to evaluate the sensitivity of the fractal dimension in the characterization of different fracture micromechanisms and to correlate with the energy involved in the fracture process, three thermal treatment conditions of the steel SAE 4340 were reproduced in order to obtain fracture micromechanisms characteristic of the ductile and fragile fracture. The fracture surfaces were generated by the charpy impact test, ASTM A370, at room temperature. Thus, through the method of reconstruction by extension of focus in optical microscopy, the fracture surfaces were reconstructed, as a result, topographic maps of the relief were obtained. The quantitative characterization of the topography was performed through the fractal dimension, using the monofractal, self-similarity, and bifractal approach that is based on the concept of self-affinity. The three heat treatment conditions were effective, producing fracture micromechanisms characteristic of the ductile fracture, that is, predominance of microvoids and fragile fracture with predominance of cleavage. The monofractal approach was shown to be sensitive to change in fracture morphology, however, sensitivity was small for similar morphologies, in the distinction between quasi-cleavage and cleavage. On the other hand, in the bifractal approach the sensitivity of the fractal textural dimension was more expressive, evidencing the difference between quasi-cleavage and cleavage.

This work is focused on the realization of experiment allowing simultaneous loading under mode II and III in a single circular specimen. Proposed experiment allowed to minimize crack closure during the cyclic loading and obtained values of thresholds of stress intensity range can be considered to be very close to effective values. This was attained by means of an unique experimental devices and procedure of preparation of pre-crack of specimen with circumferential notch, which was made of stainless austenitic steel. The obtained values were compared with theoretical models with the support of molecular dynamics and ab-anitio calculation. Based on observation was found out, that fatigue crack propagation is controlled by decohesion model in austenitic steel. The morphology of fracture surfaces was studied by means of optical chromatographie and 3D stereophotogrammetry, which allowed a comparison of created morphology under shear modes II and III. Morphology of fracture surface formed (static and cyclic loading) by pre-crack was also studied by means of selected roughness parameters. The mechanism of deflection (kink) of crack growth under mode II was defined.

Este trabalho discutiu a relação entre o espaçamento inter-estrias , isto é, a taxa de propagação da trinca microscópica SL (local) e SP (projetada) e a taxa de propagação macroscópica , da/dN, obtido após o ensaio de propagação de trinca por fadiga. Corpos de prova compacto C(T) foram extraídos na orientação LT do centro de uma placa laminada de liga de alumínio SAE-AMS 7475 T7351 onde posteriormente foram realizados ensaios de fadiga sob carga ou &#916K constantes, à temperatura ambiente de acordo com a Norma ASTM-E647 (1993). Para o ensaio sob carga constante foram obtidos os dados do estágio II e III da curva da/dN vs. &#916K. Para o ensaio de fadiga sob &#916K constante, quatro níveis de &#916K foram utilizados com taxas de crescimento de trinca variando entre 0,15 à 2,4 &#956m/ciclo. Adicionalmente foram realizados ensaios de tenacidade à fratura, KIC nas direções LT e TL conforme a Norma ASTM-E1820 (1999). A análise fratográfica por microscopia eletrônica de varredura foi conduzida no ensaio de fadiga a &#916K constante para determinar os espaçamentos inter-estrias. As taxas de propagação macroscópica e microscópica foram comparadas e boas correlações foram obtidas para um intervalo entre 0,1 a 1,0 &#956m/ciclo. Através da técnica proposta por Berkovitz (1995), o espectro de carregamento foi estimado através da técnica de parametrização do fator K e os resultados foram comparados ao espectro de carregamento real imposto pela máquina de ensaio. Utilizando o espaçamento inter-estrias local, SL, e para valores de &#916K menores que 23 MPam 1/2 (região de Paris), a estimativa de carregamento exibiu um erro menor que 15%. As vidas estimadas em propagação fornecidas pelas taxas microscópicas de propagação de trinca foram comparadas à vida real de propagação obtida a partir da taxa de propagação de trinca macroscópica e o erro absoluto entre ambos os valores foi menor que 15,7 %. Estes resultados sugerem que a vida em fadiga e o espectro de carga podem ser adequadamente estimados utilizando o espaçamento inter-estrias local, SL. / This work discusses the relationship between striation spacing, i.e. the microscopic crack propagation rate, SL (local) e SP (projected), as measured in post-mortem fractographic inspection of fatigue fractured surfaces, and the macroscopic crack propagation rate, da/dN, as monitored during fatigue crack growth tests. Compact tensile specimens C(T) were extracted in LT orientation from the core of a laminated plate of a SAE-AMS 7475-T7351 Al alloy and subsequently fatigue tested either at constant load or at constant &#916K, at room temperature, according to ASTM-E647. For constant amplitude loading fatigue tests, da/dN- &#916K data points were obtained for Regions II and III of crack growth curve. For constant &#916K fatigue tests, four &#916K levels were selected to give crack growth rates typically ranging from 0.15 to 2.4 &#956m/cycle. Additionally, KIC fracture toughness tests were performed in both LT and TL directions, according to ASTM E1820. SEM fractographic analysis was conducted on constant &#916K fatigue specimens, in order to determine striation spacing created during the fatigue test. Macro- and microscopic crack growth rates were compared and good correlation have been obtained for data within the range from 0,1 to 1,0 &#956m/ciclo. Using the technique proposed by Berkovitz, loading history was estimated by the K-factor parametrization and the results were compared to the true loading spectrum imposed by the testing machine. Using the local striation spacing SL and for &#916K values lower than 23 MPam 1/2 (Paris region), the estimated loading exhibits an error less than 15%. Propagation life estimated by local striation spacing (microscopic crack growth rate) was compared to the true propagation life obtained from macroscopic crack growth rate values and the absolute difference between them was less than 15,7%. These results suggest that both life and loading history can be adequately estimated using the local SL striation spacing values.

Le but de la thèse est de déterminer l’historique de chargement d’une pièce rompue ou fissurée en service, par analyse des surfaces de fissuration. Pour les analyses de défaillances, les enjeux sont de définir le rôle du chargement dans la défaillance et de déterminer la fraction de durée de vie atteinte lors de la détection de la fissure. Un enjeu complémentaire est d’enrichir la base de données de chargements en service. L’organe choisi pour cette étude est l’essieu-axe ferroviaire. Ainsi, la sollicitation étudiée est en flexion rotative et les matériaux considérés sont les aciers A4T (25CrMo4) et A1N (C40). Suite à une revue bibliographique, quatre méthodes d’analyse quantitative des surfaces de fissuration ont été ciblées et testées, deux ont été retenues et développées. La première est basée sur la quantification des faciès de rupture (stries de fatigue, cupules, fissures secondaires…). La seconde s’appuie sur l’analyse des contraintes résiduelles (fractographie X) en profondeur pour déterminer l’épaisseur de matériau plastifié sous la surface de rupture. Cette profondeur correspond au sillage plastique induit par la propagation de la fissure et est fonction du chargement recherché. / The aim of the thesis is to determine the loading history of a broken or cracked piece in service, by analysing the cracking surfaces. For failure analyses, the issues are to define the role of the loading in the failure and to determine the fraction of lifespan reached when the crack is detected. An additional issue is to expand the in-service loadings database. The component chosen for this study is the railway axle. Thus, the studied stress is in alternate bending and the considered materials are the steels A4T (25CrMo4) and A1N (C40). Following a bibliographic review, four methods for quantitative analysis of cracking surfaces were targeted and tested, two of which were selected and developed. The first one is based on the quantification of fractographic features (fatigue striations, dimples, secondary cracks...). The second is based on the in-depth analysis of the residual stresses (X-ray fractography) to determine the thickness of plasticized material below the fracture surface. This depth corresponds to the plastic wake induced by the crack propagation and is a function of the sought loading.

Este trabalho discutiu a relação entre o espaçamento inter-estrias , isto é, a taxa de propagação da trinca microscópica SL (local) e SP (projetada) e a taxa de propagação macroscópica , da/dN, obtido após o ensaio de propagação de trinca por fadiga. Corpos de prova compacto C(T) foram extraídos na orientação LT do centro de uma placa laminada de liga de alumínio SAE-AMS 7475 T7351 onde posteriormente foram realizados ensaios de fadiga sob carga ou &#916K constantes, à temperatura ambiente de acordo com a Norma ASTM-E647 (1993). Para o ensaio sob carga constante foram obtidos os dados do estágio II e III da curva da/dN vs. &#916K. Para o ensaio de fadiga sob &#916K constante, quatro níveis de &#916K foram utilizados com taxas de crescimento de trinca variando entre 0,15 à 2,4 &#956m/ciclo. Adicionalmente foram realizados ensaios de tenacidade à fratura, KIC nas direções LT e TL conforme a Norma ASTM-E1820 (1999). A análise fratográfica por microscopia eletrônica de varredura foi conduzida no ensaio de fadiga a &#916K constante para determinar os espaçamentos inter-estrias. As taxas de propagação macroscópica e microscópica foram comparadas e boas correlações foram obtidas para um intervalo entre 0,1 a 1,0 &#956m/ciclo. Através da técnica proposta por Berkovitz (1995), o espectro de carregamento foi estimado através da técnica de parametrização do fator K e os resultados foram comparados ao espectro de carregamento real imposto pela máquina de ensaio. Utilizando o espaçamento inter-estrias local, SL, e para valores de &#916K menores que 23 MPam 1/2 (região de Paris), a estimativa de carregamento exibiu um erro menor que 15%. As vidas estimadas em propagação fornecidas pelas taxas microscópicas de propagação de trinca foram comparadas à vida real de propagação obtida a partir da taxa de propagação de trinca macroscópica e o erro absoluto entre ambos os valores foi menor que 15,7 %. Estes resultados sugerem que a vida em fadiga e o espectro de carga podem ser adequadamente estimados utilizando o espaçamento inter-estrias local, SL. / This work discusses the relationship between striation spacing, i.e. the microscopic crack propagation rate, SL (local) e SP (projected), as measured in post-mortem fractographic inspection of fatigue fractured surfaces, and the macroscopic crack propagation rate, da/dN, as monitored during fatigue crack growth tests. Compact tensile specimens C(T) were extracted in LT orientation from the core of a laminated plate of a SAE-AMS 7475-T7351 Al alloy and subsequently fatigue tested either at constant load or at constant &#916K, at room temperature, according to ASTM-E647. For constant amplitude loading fatigue tests, da/dN- &#916K data points were obtained for Regions II and III of crack growth curve. For constant &#916K fatigue tests, four &#916K levels were selected to give crack growth rates typically ranging from 0.15 to 2.4 &#956m/cycle. Additionally, KIC fracture toughness tests were performed in both LT and TL directions, according to ASTM E1820. SEM fractographic analysis was conducted on constant &#916K fatigue specimens, in order to determine striation spacing created during the fatigue test. Macro- and microscopic crack growth rates were compared and good correlation have been obtained for data within the range from 0,1 to 1,0 &#956m/ciclo. Using the technique proposed by Berkovitz, loading history was estimated by the K-factor parametrization and the results were compared to the true loading spectrum imposed by the testing machine. Using the local striation spacing SL and for &#916K values lower than 23 MPam 1/2 (Paris region), the estimated loading exhibits an error less than 15%. Propagation life estimated by local striation spacing (microscopic crack growth rate) was compared to the true propagation life obtained from macroscopic crack growth rate values and the absolute difference between them was less than 15,7%. These results suggest that both life and loading history can be adequately estimated using the local SL striation spacing values.

Práce je zaměřena na šíření únavových trhlin v módech II, III a II + III v prahové oblasti v kovových materiálech. Byly provedeny experimenty pro ARMCO železo, titan, nikl a austenitickou ocel na třech druzích vzorků pro zatěžování trhliny ve smykových módech. Byl použit zvláštní způsob vytváření iniciační trhliny, který eliminoval efekt zavírání trhliny na začátku smykového zatěžování. Ve všech zkoumaných materiálech byly efektivní prahové hodnoty v módu II přibližně 1,7 krát nižší než v módu III. Měřením úhlů lokálních odklonů a natočení lomových faset s použitím stereofotogrammetrie v SEM bylo usuzováno na tendenci trhliny k vyhýbání do lokálního módu I. Nejmenší úhly byly zjištěny u ARMCO železa pro trhliny v módech II i III, středně velké úhly u titanu a niklu a největší úhly (vyhnutí do čistého módu I) byly pozorovány u austenitické oceli. Tyto rozdíly lze vysvětlit různým počtem dostupných skluzových systémů v krystalových mřížkách daných materiálů. Poměry mezi naměřenými prahovými hodnotami v módu I, II a III byly srovnány s předpověďmi teoretických modelů. Byl navržen analytický vztah pro efektivní prahové hodnoty v módu II, který byl v dobré shodě s experimentálními výsledky. Pomocí efektivních prahových hodnot bylo vyčísleno kritérium pro vyhýbání do módu I, které vedlo ke kritickému úhlu odklonu 40° souvisejícímu s přechodem z lokálního smykového módu do otevíracího módu.