O presente trabalho teve por objetivo o desenvolvimento e aprimoramento da técnica de execução de ensaios mecânicos a altas taxas de deformação (cerca de 1000 a 5000 s-1), por meio do desenvolvimento de um equipamento do tipo Split Hopkinson Bar (SHB), com corpos-de-prova no formato cilíndrico. A construção de tal equipamento fez-se necessária para a obtenção de informações acerca do comportamento dinâmico dos materiais, quando utilizados em condições de impacto, para aplicações de engenharia. Foram definidos os requisitos técnicos para a construção do equipamento SHB para a modalidade de ensaios em tração. Os elementos mecânicos foram projetados, usinados e montados, segundo a configuração de teste adotada. Determinou-se as dimensões e geometrias dos corpos-de-prova, confeccionados em aço ABNT 1020. Realizou-se ainda a instrumentação do equipamento SHB, para a determinação da resposta tensão-deformação dos corpos-de-prova. Adicionalmente, utilizou-se uma câmera de alta velocidade, com capacidade para filmar até 100.000 quadros/s, no intuito de estudar o comportamento do corpo-de-prova durante carregamento dinâmico. Os resultados dos testes realizados indicaram que, apesar da construção mecânica satisfatória do primeiro protótipo, a pressão usada no carregamento (8 kgf/cm²) foi insuficiente para assegurar que a falha do material testado ocorresse durante a propagação do primeiro pulso trativo ao longo do comprimento do corpo-de-prova, que sofreu sucessivos carregamentos até a fratura. Este comportamento é chamado efeito sanfona. Para que o corpo-de-prova se quebrasse após a propagação de apenas um pulso trativo foram sugeridas melhorias na vedação da câmara de gás e o aumento da pressão de trabalho. A utilização de extensômetros de menor grade também foi indicada como melhoria futura. A sincronização entre a câmera de alta velocidade e o sistema de aquisição deverá ser aprimorada, pois é fundamental para a precisão na determinação do instante da colisão entre o projétil e a barra incidente, assim como do instante da ruptura do corpo-de-prova. A continuidade dessa pesquisa, com a busca da solução dos desafios tecnológicos oriundos da construção e teste desse primeiro protótipo, será tema de trabalhos futuros desse grupo de pesquisa. / The present work consist in the development and improvement of execution technique of mechanical tests at high strain rates (about 1000 to 5000 s-1), with an equipment tensile split Hopkinson bar (SHB) using cylindrical specimen. The construction of such equipment was necessary to obtain information about the dynamic behavior of materials, when used under impact conditions, for engineering applications. Technical requirement are defined for construction of SHB equipment for tensile type tests. The mechanical elements were designed, machined and assembled according to the test configuration adopted. Determined the dimensions and geometries the specimens, made of AISI 1020. Also realized the SHB equipment instrumentation to determine the stress-strain response of specimen. Additionally, used a high speed camera, capable of record up to100,000 frames/s, with the aim of study the behavior of specimen during dynamic loading. The results of tests indicate that despite the satisfactory mechanical structure, of the first prototype, the pressure used in the load (8 kgf/cm²) was insufficient to ensure that the material failure occurred during the propagation of the first tensile pulse along the specimen length, which undergo successive loading until the fracture. This behavior is named concertina effect. For the specimen is broke after propagation of only one tensile pulse, improved in sealing the gas gun and an increase the work pressure, wave been suggested. The use of strain gages smaller grid was also suggested as a future improvement. The synchronization between high speed camera and the system of acquisition should be improved, because it is fundamental to the accuracy in determining the instant collision between the hammer and the incident bar as well as the instant failure of specimen. The continuation of this research, with the pursuit of technological solutions arising from the construction and tests this first prototype will be the subject of future work of this research group.

Esta dissertação apresenta um projeto de um dispositivo para levantar dados característicos de materiais submetidos às altas taxas de deformação, dispositivo este que leva o nome do seu idealizador o engenheiro Inglês Sir Bertram Hopkinson. Mais especificamente, esta dissertação está inseparavelmente ligada ao desenvolvimento de um embalado para transporte de elementos radioativos como sendo uma das partes do escopo geral, de um projeto da CAPES em convênio com o Centro de Ciência e Tecnologia de Materiais - CCTM do, Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares IPEN - CNEN/SP, autarquia associada à Universidade de São Paulo. O desenvolvimento do dispositivo faz parte do escopo de obtenção, e levantamento dos dados necessários para o projeto, e a construção do embalado. Esta dissertação versa sobre a concepção mecânica do dispositivo, importante, dividida em duas partes, dimensionamento das barras, que seriam a barra de impacto, a barra de entrada, e a barra de saída, e o dimensionamento do dispositivo de impacto. O dimensionamento das barras envolve conhecimentos do conceito de ondas elásticas em meios sólidos para que o comprimento das barras seja estimado de forma a servir de guia das ondas elásticas, que provocarão a deformação no corpo de prova, e possibilite a boa leitura dessas ondas para análise dos dados. O dispositivo de impacto, este tem que ser robusto o suficiente para produzir a onda de tensão que deforme o corpo de prova, mas não para deformar plasticamente as barras, que terão que continuar durante todo o teste dentro do regime elástico. / This dissertation presents a design of a device to collect characteristic data of materials submitted to the high strain rates, device that takes the name of its idealizer the English engineer Sir Bertram Hopkinson. More specifically, this dissertation is inseparably linked to the development of a package for the transport of radioactive elements as part of the general scope of a CAPES project in partnership with the Materials Science and Technology Center (CCTM), Nuclear and Energy Research Institute IPEN - CNEN / SP, autarchy associated with the University of São Paulo. The development of the device is part of the scope of procurement, and collection of data required for the design, and the construction of the packaging. This dissertation deals with the mechanical design of the device, important, divided into two parts, dimensioning of the bars, which would be the impact bar, the input and output bars and the design of the impact device. The sizing of the bars involves knowledge of the concept of elastic waves in solid media so that the length of the bars is estimated in order to serve as a guide for the elastic waves, which will cause deformation in the test body, and enable a good reading of these waves for analysis of the data. The impact device has to be robust enough to produce the stress wave that deforms the test body but not to deform the bars plastically, which will have to continue throughout the test within the elastic regime.

Esta dissertação apresenta um projeto de um dispositivo para levantar dados característicos de materiais submetidos às altas taxas de deformação, dispositivo este que leva o nome do seu idealizador o engenheiro Inglês Sir Bertram Hopkinson. Mais especificamente, esta dissertação está inseparavelmente ligada ao desenvolvimento de um embalado para transporte de elementos radioativos como sendo uma das partes do escopo geral, de um projeto da CAPES em convênio com o Centro de Ciência e Tecnologia de Materiais - CCTM do, Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares IPEN - CNEN/SP, autarquia associada à Universidade de São Paulo. O desenvolvimento do dispositivo faz parte do escopo de obtenção, e levantamento dos dados necessários para o projeto, e a construção do embalado. Esta dissertação versa sobre a concepção mecânica do dispositivo, importante, dividida em duas partes, dimensionamento das barras, que seriam a barra de impacto, a barra de entrada, e a barra de saída, e o dimensionamento do dispositivo de impacto. O dimensionamento das barras envolve conhecimentos do conceito de ondas elásticas em meios sólidos para que o comprimento das barras seja estimado de forma a servir de guia das ondas elásticas, que provocarão a deformação no corpo de prova, e possibilite a boa leitura dessas ondas para análise dos dados. O dispositivo de impacto, este tem que ser robusto o suficiente para produzir a onda de tensão que deforme o corpo de prova, mas não para deformar plasticamente as barras, que terão que continuar durante todo o teste dentro do regime elástico. / This dissertation presents a design of a device to collect characteristic data of materials submitted to the high strain rates, device that takes the name of its idealizer the English engineer Sir Bertram Hopkinson. More specifically, this dissertation is inseparably linked to the development of a package for the transport of radioactive elements as part of the general scope of a CAPES project in partnership with the Materials Science and Technology Center (CCTM), Nuclear and Energy Research Institute IPEN - CNEN / SP, autarchy associated with the University of São Paulo. The development of the device is part of the scope of procurement, and collection of data required for the design, and the construction of the packaging. This dissertation deals with the mechanical design of the device, important, divided into two parts, dimensioning of the bars, which would be the impact bar, the input and output bars and the design of the impact device. The sizing of the bars involves knowledge of the concept of elastic waves in solid media so that the length of the bars is estimated in order to serve as a guide for the elastic waves, which will cause deformation in the test body, and enable a good reading of these waves for analysis of the data. The impact device has to be robust enough to produce the stress wave that deforms the test body but not to deform the bars plastically, which will have to continue throughout the test within the elastic regime.

O presente trabalho teve por objetivo o desenvolvimento e aprimoramento da técnica de execução de ensaios mecânicos a altas taxas de deformação (cerca de 1000 a 5000 s-1), por meio do desenvolvimento de um equipamento do tipo Split Hopkinson Bar (SHB), com corpos-de-prova no formato cilíndrico. A construção de tal equipamento fez-se necessária para a obtenção de informações acerca do comportamento dinâmico dos materiais, quando utilizados em condições de impacto, para aplicações de engenharia. Foram definidos os requisitos técnicos para a construção do equipamento SHB para a modalidade de ensaios em tração. Os elementos mecânicos foram projetados, usinados e montados, segundo a configuração de teste adotada. Determinou-se as dimensões e geometrias dos corpos-de-prova, confeccionados em aço ABNT 1020. Realizou-se ainda a instrumentação do equipamento SHB, para a determinação da resposta tensão-deformação dos corpos-de-prova. Adicionalmente, utilizou-se uma câmera de alta velocidade, com capacidade para filmar até 100.000 quadros/s, no intuito de estudar o comportamento do corpo-de-prova durante carregamento dinâmico. Os resultados dos testes realizados indicaram que, apesar da construção mecânica satisfatória do primeiro protótipo, a pressão usada no carregamento (8 kgf/cm²) foi insuficiente para assegurar que a falha do material testado ocorresse durante a propagação do primeiro pulso trativo ao longo do comprimento do corpo-de-prova, que sofreu sucessivos carregamentos até a fratura. Este comportamento é chamado efeito sanfona. Para que o corpo-de-prova se quebrasse após a propagação de apenas um pulso trativo foram sugeridas melhorias na vedação da câmara de gás e o aumento da pressão de trabalho. A utilização de extensômetros de menor grade também foi indicada como melhoria futura. A sincronização entre a câmera de alta velocidade e o sistema de aquisição deverá ser aprimorada, pois é fundamental para a precisão na determinação do instante da colisão entre o projétil e a barra incidente, assim como do instante da ruptura do corpo-de-prova. A continuidade dessa pesquisa, com a busca da solução dos desafios tecnológicos oriundos da construção e teste desse primeiro protótipo, será tema de trabalhos futuros desse grupo de pesquisa. / The present work consist in the development and improvement of execution technique of mechanical tests at high strain rates (about 1000 to 5000 s-1), with an equipment tensile split Hopkinson bar (SHB) using cylindrical specimen. The construction of such equipment was necessary to obtain information about the dynamic behavior of materials, when used under impact conditions, for engineering applications. Technical requirement are defined for construction of SHB equipment for tensile type tests. The mechanical elements were designed, machined and assembled according to the test configuration adopted. Determined the dimensions and geometries the specimens, made of AISI 1020. Also realized the SHB equipment instrumentation to determine the stress-strain response of specimen. Additionally, used a high speed camera, capable of record up to100,000 frames/s, with the aim of study the behavior of specimen during dynamic loading. The results of tests indicate that despite the satisfactory mechanical structure, of the first prototype, the pressure used in the load (8 kgf/cm²) was insufficient to ensure that the material failure occurred during the propagation of the first tensile pulse along the specimen length, which undergo successive loading until the fracture. This behavior is named concertina effect. For the specimen is broke after propagation of only one tensile pulse, improved in sealing the gas gun and an increase the work pressure, wave been suggested. The use of strain gages smaller grid was also suggested as a future improvement. The synchronization between high speed camera and the system of acquisition should be improved, because it is fundamental to the accuracy in determining the instant collision between the hammer and the incident bar as well as the instant failure of specimen. The continuation of this research, with the pursuit of technological solutions arising from the construction and tests this first prototype will be the subject of future work of this research group.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:10:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 1871.pdf: 8952094 bytes, checksum: 0efd2a0c46e79e4b2cfa975b94333f02 (MD5) Previous issue date: 2008-02-29 / Financiadora de Estudos e Projetos / The alloys of Fe-Mn-Al system have been rather studied in last few years indicating good potential for application, with the benefit of exhibiting 10 to 15% less density, coupled to good performance related to its mechanical properties and strength at room and cryogenic temperatures, being an alternative for replacing some alloys of the Fe-Cr-Ni system, in certain situations. However, the literature presents a very limited amount of information about the mechanical properties of these materials at high temperatures, as in the case of hot tensile and creep testing. The superplasticity phenomenon remains as an entirely unexplored issue for this kind of steel. This work was planned with the objective of undertaking for the first time a systematic study on the superplastic behavior of an austenitic steel of this system, with chemical composition Fe 24.5Mn 6.5Al 1.5Si 1.1C (weight %). The material was prepared by different termomechanical processing routes, so as to obtain sheets with thickness around 1 mm, having a fine grained equiaxial, dual phase austenite / ferrite structure, with grain size around 3 µm. The material was submitted to both tensile testing ( at constant crosshead speed ) and creep testing ( at constant load ), on a temperature range from 600 to 1000oC, and strain rates raging from 10-6 to 1 s-1. A set of tensile tests was carried out monotonically using separate specimens until rupture under different combinations of crosshead speed and temperature. In another set the specimens were subjected to a sequence of crosshead speed changes at the ultimate tensile stress level, at a certain temperature. In both case the parameter m (strain rate sensitivity exponent) could be determined. The creep experiments enabled obtaining parameters like n (the stress exponent), Qf (the apparent activation creep energy) and ó0 (the threshold stress). Values of åf (maximum elongation observed at rupture) could be also obtained from both the tensile test and creep tests. The results from both procedures, i.e. tensile and the creep testing, were compared together showing good agreement with each other. The largest values of åf (around 660 %) associated to the largest m values (around 0,54) were observed at 800°C, for strain rates in the range from 10-4 to 10-3 s-1 ( in the case of tensile testing) and applied stress in the range from 20 to 50 MPa ( in the case of creep testing). Tensile tests carried at constant strain rate and creep tests carried out at constant stress allowed even greater values of these parameters to be achieved, at the maximum strain rate sensitivity region. A tensile test performed at constant Ý = 2,47 x 10-4 s-1 produced a maximum elongation at rupture åf = 750% and a creep test with constant σ = 30 MPa a maximum elongation åf = 737 % (without rupture of the specimen). Measurements of activation energy from creep tests indicated that the Fe-Mn- Al alloy exhibits values around that of grain boundary self diffusion of Fe in Austenite, in agreement with which is expected from the superplastic flow process. The analysis of creep test results also revealed that the material presents a Threshold Stress (óo ) around 6 7 MPa from 700 to 800ºC, and óo . 30 MPa at 900ºC. In this way, all the data from the variation of strain rate with stress ( Norton diagram ) could be rationalized by a single stress exponent n = 2, which is typical of the grain boundary sliding mechanism. Metallographic observation by optical microscopy on specimens from both the tensile and creep tests indicated that the grain size structure remains equiaxial and essentially stable even after the great levels of deformation attained at the various temperatures, which confirms the superplastic behavior condition achieved in this work. / Os aços austeníticos do sistema Fe-Mn-Al, bastante estudados nos últimos anos, indicam bom potencial de aplicação devido a vantagens como densidade (cerca de 15% menor que a dos aços inoxidáveis tradicionais), e boas propriedades mecânicas em temperaturas ambiente e criogênica, apresentando-se, em alguns casos, como alternativa de substituição de certas ligas do sistema Fe-Cr-Ni. No entanto, a literatura apresenta muito pouca informação sobre suas propriedades mecânicas em altas temperaturas, como no caso de tração a quente e fluência, por exemplo. O fenômeno de escoamento superplástico, em especial, permanece inteiramente inexplorado neste tipo de aço. Este trabalho teve como principal objetivo caracterizar sistematicamente pela primeira vez o comportamento superplástico de um aço austenítico desse tipo, com composição Fe 24.5Mn 6.5Al 1.5Si 1.1C (% peso). O material foi preparado utilizando-se diferentes rotas de processamento termomecânico, para obtenção de chapas com espessura da ordem de 1 mm, com estrutura de grãos finos e equiaxiais, tendo duas fases: austenita / ferrita, com tamanho médio em torno de 3 µm. O material foi ensaiado tanto em máquinas de tração (com velocidades constante do travessão) como de fluência (a carga constante) numa faixa de temperatura de 600°C a 1000°C, envolvendo taxas de deformação variando de 10-6 a 1 s-1. Em um dos métodos de ensaios de tração, diferentes amostras foram ensaiadas até a ruptura em velocidades e temperaturas distintas. Numa outra modalidade do mesmo ensaio, as amostras foram submetidas a uma seqüência de saltos de velocidade de tração, ao atingir a carga máxima, em uma certa temperatura. Em ambos os casos, foi possível determinar o parâmetro m (expoente de sensibilidade à taxa de deformação). Os ensaios de fluência permitiram obter valores dos parâmetros n (expoente de tensão), Qf (energia de ativação aparente de fluência) e ó0 (tensão limiar). Com os ensaios que foram prolongados até a ruptura (tração a quente e fluência) determinou-se também valores de åf (alongamento máximo na ruptura). Os resultados tanto dos ensaios de tração como de fluência foram comparados entre si e apresentaram boa concordância em ambos os procedimentos. Os maiores valores de åf (da ordem de 660 %) associados aos maiores valores de m (da ordem de 0,54) foram observados a 800ºC, para taxas de deformação na faixa de 10-4 a 10-3 s-1 (no caso dos ensaios de tração) e tensões aplicadas entre 20 a 50 MPa ( no caso dos ensaios de fluência). Ensaios de tração a taxa de deformação constante e de fluência a tensão constante, nessa temperatura, permitiram obter valores ainda maiores desses parâmetros, na região de máxima sensiblidade à taxa de deformação. No caso de um ensaio de tração com Ý = 2,47 x 10-4 s-1 chegou-se a åf = 750% e no caso de fluência com σ = 30 MPa atingiu-se um valor de åf = 737 % (sem ruptura da amostra). Medidas de energia de ativação a partir dos ensaios de fluência indicaram que a liga Fe-Mn-Al apresenta valores próximos dos de autodifusão em contornos de grão do Fe na Austenita, concordando com o que se espera do processo de escoamento superplástico. A análise dos resultados de fluência indicou também que o material apresenta uma Tensão Limiar (óo) variando de 6 7 MPa nas temperaturas de 700 a 800ºC, e de . 30 MPa a 900ºC, podendo todos os dados de variação da Taxa de Deformação com a Tensão ( diagrama de Norton ) ser racionalizados por um único expoente de tensão n = 2, típico do mecanismo de escorregamento de contornos de grãos. Observações metalográficas por microscopia ótica das amostras ensaiadas tanto em tração como fluência indicaram que a estrutura granular permanece equiaxial e praticamente estável, mesmo após os grandes alongamentos atingidos em cada temperatura, caracterizando a condição superplástica conseguida neste trabalho para a liga Fe-Mn-Al.

O presente trabalho tem como objetivo a caracterização experimental e modelagem constitutiva do comportamento de metais CFC (Cúbicos de Face Centrada) policristalinos quando submetidos a altas taxas de deformação. O material empregado no desenvolvimento do trabalho é uma liga de alumínio comercialmente pura: o alumínio AA1050. No âmbito da presente investigação, os experimentos são conduzidos à temperatura ambiente. O desenvolvimento experimental tem por objetivo evidenciar as principais características constitutivas que descrevem o comportamento macroscópico desta classe de metais quando submetidos a processos de deformação envolvendo altas taxas de deformação: (i) o endurecimento induzido pela deformação; (ii) o endurecimento induzido pela taxa de deformação; e (iii) a sensibilidade instantânea em relação à taxa de deformação. Para a caracterização de cada uma destes aspectos constitutivos, são realizados experimentos específicos utilizando equipamentos desenvolvidos, em sua maioria, no contexto da presente investigação. De forma geral, os experimentos consistem em ensaios de compressão envolvendo uma ampla faixa de taxas de deformação, variando desde condições quasi-estáticas a taxas na ordem de 104 s−1. Os resultados experimentais, juntamente com evidências experimentais macro e microscópicas disponíveis na literatura, dão suporte ao desenvolvimento de um modelo constitutivo elasto-viscoplástico. A formulação constitutiva segue uma abordagem semi-física, na qual a escolha das variáveis inelásticas e proposição de suas regras de evolução são qualitativamente guiadas por considerações metalúrgicas baseadas no acúmulo e organização de discordâncias O modelo proposto, embora consista em uma abordagem simplificada quando comparado a modelos de base física, é capaz de representar separadamente cada uma das características constitutivas destacadas anteriormente. Com base nos resultados experimentais aqui obtidos, o modelo elasto-viscoplástico proposto é então ajustado e posteriormente validado. Na sequência é desenvolvida a formulação numérica relacionada ao modelo proposto. A abordagem como um todo é inserida em um contexto de deformações finitas seguindo uma descrição Lagrangiana Total. O desenvolvimento numérico descreve o procedimento utilizado para solução de problemas de equilíbrio não lineares seguindo uma formulação incremental implícita empregando o método dos elementos finitos. Em um contexto local, é utilizado um esquema de integração implícito seguindo um mapeamento exponencial. A linearização das equações de mapeamento de retorno possibilita a derivação analítica do módulo tangente consistente. O modelo constitutivo, bem como o procedimento numérico, são utilizados para a solução de problemas numéricos clássicos como: ensaio de compressão em condições de deformações homogêneas, e compressão envolvendo contato com atrito. As simulações numéricas avaliam tanto a capacidade constitutiva do modelo proposto em descrever o comportamento de estruturas quando deformadas sob condições envolvendo elevadas taxas de deformação, quanto à eficiência do procedimento numérico a partir de análises de convergência Em conclusão, com o procedimento experimental adotado é possível evidenciar as principais características macroscópicas inerentes ao comportamento de metais quando submetidos a processos de deformação envolvendo altas velocidades. Além disso, com base nos resultados analíticos e numéricos, observa-se que o modelo constitutivo proposto é capaz de reproduzir de forma satisfatória os comportamentos evidenciados experimentalmente. / The present work aims at performing the experimental characterization and constitutive modeling associated with the mechanical behavior of polycrystalline FCC (Face Centered Cubic) metals when subjected to high strain-rate deformations. The material to be employed in the experiments is a commercially pure aluminum alloy: aluminum AA1050. Within the present investigation context, experiments are performed at room temperatures. The primary objective of the laboratory experiments is to assess the main constitutive features associated with the macroscopic mechanical behavior observed for FCC metals subjected to high strain-rate deformation processes: (i) strain-hardening; (ii) strain-rate-hardening; and (iii) instantaneous rate-sensitivity. In order to characterize each constitutive feature, experiments using equipments specifically devised to achieve the objectives are performed. The laboratory investigation consists of compression tests involving a wide strain-rate range, from quasi-static conditions to strain-rates of the order of 104 s−1. Experimental results together with micro and macroscopic experimental evidences available in the literature give support to the development of a elastic-viscoplastic model. The stress-strain formulation follows a semi-physical approach, in which inelastic variables and their evolution equations are qualitatively motivated by metallurgical considerations based on the storage and arrangement of dislocations. Although its simplified nature when compared to physically-based models, the proposed model is capable of representing separately each one of the constitutive features highlighted early In addition, in analogy to the stress-strain proposition, a model describing the material hardness evolution in terms of strain and strain-rate histories is also provided. Based on the obtained experimental results, the proposed elastic-viscoplastic and hardness evolution models are adjusted and then validated. The corresponding stress-strain numerical formulation is developed in a subsequent step. The approach as a whole is integrated into finite strain framework following a Total Lagrangian description. The procedure employed to solve nonlinear equilibrium problem follows an implicit incremental formulation implemented in the context of the finite element method. At a local level, an implicit integration scheme based on an exponential mapping is adopted. From linearization of return mapping equations, an analytical consistent tangent modulus is obtained. Both constitutive model and numerical approach are employed to simulated classical problems: a compression test involving homogeneous deformation and a compression test involving contact and frictional conditions. Numerical simulations evaluate the constitutive capabilities associated with the proposed model when predicting the structural behavior at high strain-rate loadings. Furthermore, numerical efficiency and robustness related to the present procedure are also assessed by means of convergence analysis. While the adopted experimental procedure gave fundamental evidences of the main macroscopic features inherent in the metallic material behavior when subjected to high strain-rate deformations, the analytical and numerical results demonstrated that the proposed constitutive model is able to suitably reproduce the observed behavior.

O presente trabalho tem como objetivo a caracterização experimental e modelagem constitutiva do comportamento de metais CFC (Cúbicos de Face Centrada) policristalinos quando submetidos a altas taxas de deformação. O material empregado no desenvolvimento do trabalho é uma liga de alumínio comercialmente pura: o alumínio AA1050. No âmbito da presente investigação, os experimentos são conduzidos à temperatura ambiente. O desenvolvimento experimental tem por objetivo evidenciar as principais características constitutivas que descrevem o comportamento macroscópico desta classe de metais quando submetidos a processos de deformação envolvendo altas taxas de deformação: (i) o endurecimento induzido pela deformação; (ii) o endurecimento induzido pela taxa de deformação; e (iii) a sensibilidade instantânea em relação à taxa de deformação. Para a caracterização de cada uma destes aspectos constitutivos, são realizados experimentos específicos utilizando equipamentos desenvolvidos, em sua maioria, no contexto da presente investigação. De forma geral, os experimentos consistem em ensaios de compressão envolvendo uma ampla faixa de taxas de deformação, variando desde condições quasi-estáticas a taxas na ordem de 104 s−1. Os resultados experimentais, juntamente com evidências experimentais macro e microscópicas disponíveis na literatura, dão suporte ao desenvolvimento de um modelo constitutivo elasto-viscoplástico. A formulação constitutiva segue uma abordagem semi-física, na qual a escolha das variáveis inelásticas e proposição de suas regras de evolução são qualitativamente guiadas por considerações metalúrgicas baseadas no acúmulo e organização de discordâncias O modelo proposto, embora consista em uma abordagem simplificada quando comparado a modelos de base física, é capaz de representar separadamente cada uma das características constitutivas destacadas anteriormente. Com base nos resultados experimentais aqui obtidos, o modelo elasto-viscoplástico proposto é então ajustado e posteriormente validado. Na sequência é desenvolvida a formulação numérica relacionada ao modelo proposto. A abordagem como um todo é inserida em um contexto de deformações finitas seguindo uma descrição Lagrangiana Total. O desenvolvimento numérico descreve o procedimento utilizado para solução de problemas de equilíbrio não lineares seguindo uma formulação incremental implícita empregando o método dos elementos finitos. Em um contexto local, é utilizado um esquema de integração implícito seguindo um mapeamento exponencial. A linearização das equações de mapeamento de retorno possibilita a derivação analítica do módulo tangente consistente. O modelo constitutivo, bem como o procedimento numérico, são utilizados para a solução de problemas numéricos clássicos como: ensaio de compressão em condições de deformações homogêneas, e compressão envolvendo contato com atrito. As simulações numéricas avaliam tanto a capacidade constitutiva do modelo proposto em descrever o comportamento de estruturas quando deformadas sob condições envolvendo elevadas taxas de deformação, quanto à eficiência do procedimento numérico a partir de análises de convergência Em conclusão, com o procedimento experimental adotado é possível evidenciar as principais características macroscópicas inerentes ao comportamento de metais quando submetidos a processos de deformação envolvendo altas velocidades. Além disso, com base nos resultados analíticos e numéricos, observa-se que o modelo constitutivo proposto é capaz de reproduzir de forma satisfatória os comportamentos evidenciados experimentalmente. / The present work aims at performing the experimental characterization and constitutive modeling associated with the mechanical behavior of polycrystalline FCC (Face Centered Cubic) metals when subjected to high strain-rate deformations. The material to be employed in the experiments is a commercially pure aluminum alloy: aluminum AA1050. Within the present investigation context, experiments are performed at room temperatures. The primary objective of the laboratory experiments is to assess the main constitutive features associated with the macroscopic mechanical behavior observed for FCC metals subjected to high strain-rate deformation processes: (i) strain-hardening; (ii) strain-rate-hardening; and (iii) instantaneous rate-sensitivity. In order to characterize each constitutive feature, experiments using equipments specifically devised to achieve the objectives are performed. The laboratory investigation consists of compression tests involving a wide strain-rate range, from quasi-static conditions to strain-rates of the order of 104 s−1. Experimental results together with micro and macroscopic experimental evidences available in the literature give support to the development of a elastic-viscoplastic model. The stress-strain formulation follows a semi-physical approach, in which inelastic variables and their evolution equations are qualitatively motivated by metallurgical considerations based on the storage and arrangement of dislocations. Although its simplified nature when compared to physically-based models, the proposed model is capable of representing separately each one of the constitutive features highlighted early In addition, in analogy to the stress-strain proposition, a model describing the material hardness evolution in terms of strain and strain-rate histories is also provided. Based on the obtained experimental results, the proposed elastic-viscoplastic and hardness evolution models are adjusted and then validated. The corresponding stress-strain numerical formulation is developed in a subsequent step. The approach as a whole is integrated into finite strain framework following a Total Lagrangian description. The procedure employed to solve nonlinear equilibrium problem follows an implicit incremental formulation implemented in the context of the finite element method. At a local level, an implicit integration scheme based on an exponential mapping is adopted. From linearization of return mapping equations, an analytical consistent tangent modulus is obtained. Both constitutive model and numerical approach are employed to simulated classical problems: a compression test involving homogeneous deformation and a compression test involving contact and frictional conditions. Numerical simulations evaluate the constitutive capabilities associated with the proposed model when predicting the structural behavior at high strain-rate loadings. Furthermore, numerical efficiency and robustness related to the present procedure are also assessed by means of convergence analysis. While the adopted experimental procedure gave fundamental evidences of the main macroscopic features inherent in the metallic material behavior when subjected to high strain-rate deformations, the analytical and numerical results demonstrated that the proposed constitutive model is able to suitably reproduce the observed behavior.

O presente trabalho tem como objetivo a caracterização experimental e modelagem constitutiva do comportamento de metais CFC (Cúbicos de Face Centrada) policristalinos quando submetidos a altas taxas de deformação. O material empregado no desenvolvimento do trabalho é uma liga de alumínio comercialmente pura: o alumínio AA1050. No âmbito da presente investigação, os experimentos são conduzidos à temperatura ambiente. O desenvolvimento experimental tem por objetivo evidenciar as principais características constitutivas que descrevem o comportamento macroscópico desta classe de metais quando submetidos a processos de deformação envolvendo altas taxas de deformação: (i) o endurecimento induzido pela deformação; (ii) o endurecimento induzido pela taxa de deformação; e (iii) a sensibilidade instantânea em relação à taxa de deformação. Para a caracterização de cada uma destes aspectos constitutivos, são realizados experimentos específicos utilizando equipamentos desenvolvidos, em sua maioria, no contexto da presente investigação. De forma geral, os experimentos consistem em ensaios de compressão envolvendo uma ampla faixa de taxas de deformação, variando desde condições quasi-estáticas a taxas na ordem de 104 s−1. Os resultados experimentais, juntamente com evidências experimentais macro e microscópicas disponíveis na literatura, dão suporte ao desenvolvimento de um modelo constitutivo elasto-viscoplástico. A formulação constitutiva segue uma abordagem semi-física, na qual a escolha das variáveis inelásticas e proposição de suas regras de evolução são qualitativamente guiadas por considerações metalúrgicas baseadas no acúmulo e organização de discordâncias O modelo proposto, embora consista em uma abordagem simplificada quando comparado a modelos de base física, é capaz de representar separadamente cada uma das características constitutivas destacadas anteriormente. Com base nos resultados experimentais aqui obtidos, o modelo elasto-viscoplástico proposto é então ajustado e posteriormente validado. Na sequência é desenvolvida a formulação numérica relacionada ao modelo proposto. A abordagem como um todo é inserida em um contexto de deformações finitas seguindo uma descrição Lagrangiana Total. O desenvolvimento numérico descreve o procedimento utilizado para solução de problemas de equilíbrio não lineares seguindo uma formulação incremental implícita empregando o método dos elementos finitos. Em um contexto local, é utilizado um esquema de integração implícito seguindo um mapeamento exponencial. A linearização das equações de mapeamento de retorno possibilita a derivação analítica do módulo tangente consistente. O modelo constitutivo, bem como o procedimento numérico, são utilizados para a solução de problemas numéricos clássicos como: ensaio de compressão em condições de deformações homogêneas, e compressão envolvendo contato com atrito. As simulações numéricas avaliam tanto a capacidade constitutiva do modelo proposto em descrever o comportamento de estruturas quando deformadas sob condições envolvendo elevadas taxas de deformação, quanto à eficiência do procedimento numérico a partir de análises de convergência Em conclusão, com o procedimento experimental adotado é possível evidenciar as principais características macroscópicas inerentes ao comportamento de metais quando submetidos a processos de deformação envolvendo altas velocidades. Além disso, com base nos resultados analíticos e numéricos, observa-se que o modelo constitutivo proposto é capaz de reproduzir de forma satisfatória os comportamentos evidenciados experimentalmente. / The present work aims at performing the experimental characterization and constitutive modeling associated with the mechanical behavior of polycrystalline FCC (Face Centered Cubic) metals when subjected to high strain-rate deformations. The material to be employed in the experiments is a commercially pure aluminum alloy: aluminum AA1050. Within the present investigation context, experiments are performed at room temperatures. The primary objective of the laboratory experiments is to assess the main constitutive features associated with the macroscopic mechanical behavior observed for FCC metals subjected to high strain-rate deformation processes: (i) strain-hardening; (ii) strain-rate-hardening; and (iii) instantaneous rate-sensitivity. In order to characterize each constitutive feature, experiments using equipments specifically devised to achieve the objectives are performed. The laboratory investigation consists of compression tests involving a wide strain-rate range, from quasi-static conditions to strain-rates of the order of 104 s−1. Experimental results together with micro and macroscopic experimental evidences available in the literature give support to the development of a elastic-viscoplastic model. The stress-strain formulation follows a semi-physical approach, in which inelastic variables and their evolution equations are qualitatively motivated by metallurgical considerations based on the storage and arrangement of dislocations. Although its simplified nature when compared to physically-based models, the proposed model is capable of representing separately each one of the constitutive features highlighted early In addition, in analogy to the stress-strain proposition, a model describing the material hardness evolution in terms of strain and strain-rate histories is also provided. Based on the obtained experimental results, the proposed elastic-viscoplastic and hardness evolution models are adjusted and then validated. The corresponding stress-strain numerical formulation is developed in a subsequent step. The approach as a whole is integrated into finite strain framework following a Total Lagrangian description. The procedure employed to solve nonlinear equilibrium problem follows an implicit incremental formulation implemented in the context of the finite element method. At a local level, an implicit integration scheme based on an exponential mapping is adopted. From linearization of return mapping equations, an analytical consistent tangent modulus is obtained. Both constitutive model and numerical approach are employed to simulated classical problems: a compression test involving homogeneous deformation and a compression test involving contact and frictional conditions. Numerical simulations evaluate the constitutive capabilities associated with the proposed model when predicting the structural behavior at high strain-rate loadings. Furthermore, numerical efficiency and robustness related to the present procedure are also assessed by means of convergence analysis. While the adopted experimental procedure gave fundamental evidences of the main macroscopic features inherent in the metallic material behavior when subjected to high strain-rate deformations, the analytical and numerical results demonstrated that the proposed constitutive model is able to suitably reproduce the observed behavior.

Foi estudado, através de ensaio de tração, o Nb policristalino com teor de hidrogênio de 0 a 50 partes por milhão em peso (ppm-p) nas temperaturas de 223, 273 e 293 K. Os ensaios de tração a velocidades constantes foram realizados com taxas iniciais de deformaçao de 4,2 X 10-5 e 42 X 10-5 s-1 , e os parâmetros de ductilidade e resistência mecânica foram analisados em função da concentração de hidrogênio. Foram também obtidos o coeficiente de sensitividade a taxa de deformação (m) e o volume de ativação (V) através de ensaios de tração, alternando-se abruptamente a taxa de deformação entre os valores acima mencionados, em sucessivos pontos da curva tensão-deformação. Para o cálculo destes dois últimos parâmetros foi proposta uma análise detalhada, considerando-se os efeitos elásticos e o encruamento durante a deformação plástica uniforme. Todo o estudo foi acompanhado por análise fratográfica Que permitiu verificar três comportamentos de ruptura da liga Nb-H, dependendo do teor de hidrogênio e da temperatura. A 223K foi observado que há uma forte redução de ductilidade do Nb para teores de hidrogênio até 10 ppm-p, sendo que para este teor o seu comportamento foi totalmente frágil / Tensile testing at 223, 273 and 293 K was carried out on polycrystalline Nb dopped from 0 to 50 parts per million in weight (ppm-wt) of Hydrogen. The tensile testing at constant velocity was done at 4,2 X 10 -5 and 42 X 10-5 s-1 of initial strain rate, and the ductility and strength parameters was analysed as a function of the hydrogen content. It was also obtained the strain rate sensitivity (m) and the activation volume (V), from tensile testing, cycling between the two above specified strain rates, at several points of the stress-strain curve. For the calculation of this two last parameters it was proposed a detailed analysis, considering the elastic effect and the work hardening during the uniform plastic deformation. All these studies was followed by fratographic analysis that alowed the identification of three rupture behavior for the Nb-H alloy, depending of the temperature and the hydrogen content. At 223 K, it was observed that there is a strong embrittlement of Nb for hydrogen content up to 10 ppm-wt, and for this value the behavior was completely brittle

Foi estudado, através de ensaio de tração, o Nb policristalino com teor de hidrogênio de 0 a 50 partes por milhão em peso (ppm-p) nas temperaturas de 223, 273 e 293 K. Os ensaios de tração a velocidades constantes foram realizados com taxas iniciais de deformaçao de 4,2 X 10-5 e 42 X 10-5 s-1 , e os parâmetros de ductilidade e resistência mecânica foram analisados em função da concentração de hidrogênio. Foram também obtidos o coeficiente de sensitividade a taxa de deformação (m) e o volume de ativação (V) através de ensaios de tração, alternando-se abruptamente a taxa de deformação entre os valores acima mencionados, em sucessivos pontos da curva tensão-deformação. Para o cálculo destes dois últimos parâmetros foi proposta uma análise detalhada, considerando-se os efeitos elásticos e o encruamento durante a deformação plástica uniforme. Todo o estudo foi acompanhado por análise fratográfica Que permitiu verificar três comportamentos de ruptura da liga Nb-H, dependendo do teor de hidrogênio e da temperatura. A 223K foi observado que há uma forte redução de ductilidade do Nb para teores de hidrogênio até 10 ppm-p, sendo que para este teor o seu comportamento foi totalmente frágil / Tensile testing at 223, 273 and 293 K was carried out on polycrystalline Nb dopped from 0 to 50 parts per million in weight (ppm-wt) of Hydrogen. The tensile testing at constant velocity was done at 4,2 X 10 -5 and 42 X 10-5 s-1 of initial strain rate, and the ductility and strength parameters was analysed as a function of the hydrogen content. It was also obtained the strain rate sensitivity (m) and the activation volume (V), from tensile testing, cycling between the two above specified strain rates, at several points of the stress-strain curve. For the calculation of this two last parameters it was proposed a detailed analysis, considering the elastic effect and the work hardening during the uniform plastic deformation. All these studies was followed by fratographic analysis that alowed the identification of three rupture behavior for the Nb-H alloy, depending of the temperature and the hydrogen content. At 223 K, it was observed that there is a strong embrittlement of Nb for hydrogen content up to 10 ppm-wt, and for this value the behavior was completely brittle