Diversos critérios de tenacidade à fratura translaminar dinâmica foram determinados para o laminado híbrido metal-fibra TiGra, empregando-se conceitos e metodologias da Mecânica da Fratura Elástica Linear MFEL (fator-K) e da Mecânica da Fratura Elasto-Plástica MFEP (integral-J). Verificou-se que as tenacidades de iniciação elasto-plástica, Jid, e de carga máxima, Jmd, do TiGra são controladas pelo desenvolvimento, ou supressão de delaminações. Os resultados indicaram que o emprego deste material se justifica mais pela sua resistência à propagação de danos (caracterizada por Jmd) do que à iniciação da fratura dinâmica (por Jid). De modo geral, os requisitos de validade de Jid como verdadeira propriedade do material (JId) foram satisfeitos, embora para Jmd boa parte das restrições quanto ao tamanho mínimo do corpo-de-prova tenha sido violada. Mais freqüentemente, velocidades mais rápidas de impacto beneficiaram as tenacidades-J do TiGra, enquanto que temperaturas mais elevadas afetaram negativamente estas propriedades. Quanto à MFEL, a tenacidade KJd do TiGra foi beneficiada pelo incremento na taxa de carregamento sob temperaturas mais elevadas, enquanto que a tenacidade Kid foi negativamente afetada pela taxa de deformação em todas as temperaturas avaliadas. Temperaturas mais altas também degradaram as propriedades de tenacidade-K do TiGra. Em oposição às tenacidades-J, os critérios KJd e Kid não satisfizeram em absoluto os mais exigentes critérios de contenção de plasticidade estabelecidos pela MFEL, se comparados aos propostos pela MFEP. Por fim, o desempenho mecânico do laminado TiGra foi severamente comprometido quando do cômputo da densidade específica para a determinação das tenacidades J e K por unidade de massa, sendo nesta ocasião o laminado híbrido facilmente superado por vários laminados convencionais da classe dos Carbono-Epóxi. / Several dynamic translaminar fracture toughness criteria have been determined for TiGr hybrid fiber-metal laminate through Linear Elastic (K-factor) and Elastic-Plastic (J-integral) Fracture Mechanics (LEFM and EPFM, respectively) concepts and methodologies. Instrumented Charpy impact testing was carried out over a wide range of temperatures under two loading rates. It has been discovered that the elastic-plastic initiation toughness, Jid, and the toughness at maximum load, Jmd, of TiGr are controlled by either delamination favoring or suppression. Impact tests revealed that the in-service use of TiGr must rely on its resistance to dynamic fracture propagation (as characterized by Jmd) rather than on fracture initiation (by Jid). In a broad sense, the requirements for Jid data validity as a material property (JId) were fulfilled, whereas many restrictive demands in regard to the minimum testpiece size were violated by the Jmd criterion. Generally, higher impact velocities were beneficial to TiGrs J-toughnesses, inasmuch as higher temperatures impaired these properties. Regarding the LEFM approach, KJd toughness of TiGr laminate was imparted by faster impacts at higher temperatures, whilst the strain rate negatively influenced the Kid toughness over the whole temperature range tested. Higher temperatures also degraded the K-toughness properties of TiGr hybrid laminate. Differently from J-toughnesses values, the KJd e Kid criteria did not satisfy at all the more stringent criteria set forth by the LEFM approach with regard to plastic constraint, as compared to those established by EPFM. Finally, the mechanical performance of TiGr laminate was overwhelmingly compromised as the materials specific gravity was taken in account to obtain K and J toughness values by unit weight, so that TiGr was by far exceeded in this regard by conventional Carbon/Epoxy composite laminates.

A utilização do eletrodo tubular no processo de soldagem a arco submerso leva a um aumento na produtividade com um custo relativamente baixo, pois não requer investimentos complementares em equipamentos. A mudança do eletrodo sólido para o tubular acarreta variações microestruturais no metal de solda que influenciam as propriedades mecânicas, tais como dureza, tração e tenacidade ao impacto. Este trabalho tem como objetivo principal estudar a tenacidade à fratura dinâmica do metal de solda, mostrando que o uso do eletrodo tubular diminui a propagação de trincas ao impacto, além de melhorar as propriedades de dureza e tração. Para a confecção da junta soldada foi utilizado o aço ASTM-A516 com espessura de 37,5 mm; para o metal de solda, o eletrodo sólido AWS EM12K, com diâmetro de 4,0 mm, e fluxo AWS F6A4 e o eletrodo tubular AWS E71T-5, com diâmetro de 4,0 mm, fabricado em caráter experimental, untamente com os fluxos AWS F6A4 e AWS F7A8 (Fluxo Neutro). Os ensaios de impacto, dureza e tração foram realizados em corpos de prova com e sem alívio de tensão, e o ensaio Charpy instrumentado em corpos de prova entalhados e em corpos de prova entalhados e com trinca por fadiga, nas temperaturas de 25, 200, 400 e 600OC. O metal de solda utilizando eletrodo sólido foi o que mostrou menor percentual de ferrita acicular (54%), enquanto que o utilizando eletrodo tubular e fluxo AWS F6A4 foi o que mostrou maior percentual de ferrita acicular (89%). Os ensaios de dureza mostraram uma influência do microconstituinte ferrita acicular: maior dureza para o maior percentual de ferrita acicular. Os limites de resistência e de escoamento também sofreram o efeito deste microconstituinte, apresentando maiores valores quando os percentuais de ferrita acicular foram maiores. Para a análise da tenacidade para o início de propagação da trinca foram utilizados os métodos da variação da taxa da flexibilidade elástica, o método da energia da carga máxima revisada e o método da energia da carga máxima. Foram calculados os valores de JId e de KJd (K derivado de J). Os únicos valores validados, de acordo com a norma, foram os de JId calculados pelo método da variação da taxa da flexibilidade elástica. Os resultados encontrados, utilizando este método, mostraram, à 600OC, a influência da ferrita acicular, sendo que o metal de solda com maior percentual deste microconstituinte forneceu maior valor de tenacidade. Os valores de JId utilizando o método da variação da taxa da flexibilidade elástica para os corpos de prova com trinca por fadiga ficaram próximos aos resultados encontrados quando o ensaio foi realizado em corpos de prova somente entalhados. Os resultados mostraram que a substituição do eletrodo sólido pelo tubular levou à maior tenacidade e a propriedades mecânicas superiores. / The cored wire application in the submerged arc welding process leads to a increase productivity with relative low cost, because it doesn’t require complementary investments in equipments. Changing from solid to cored wire promotes microstructural modification in the weld metal that enhances mechanical properties, such as hardness, stretching and impact toughness. The principal aim of this work is to study the dynamic fracture toughness of the weld metal. The use of cored wire reduces the impact crack propagation, as well as hardness and strength properties. The welded plate was composed of ASTM-A516 steel with 37.5 mm thickness and for making the weld metal was utilized AWS EM12K wire, with 4.0 mm diameter, and AWS F6A4 flux, and AWS E71T-5 cored wire, with 4.0 mm diameter, making in experimental mode, with AWS F6A4 and AWS F7A8 (Neutral Flux) fluxes. Impact, hardness and tensile tests were carried out in specimens with and without stress relief. The instrumented Charpy tests were carried out at notch and notch plus fatigue crack specimens, at 25, 200, 400 and 600OC temperatures. The solid wire weld metal produced 53.9% of acicular ferrite, while the cored wire weld metal and AWS F6A4 flux produced 88.8% of acicular ferrite. The hardness values were influenced by acicular ferrite and showed higher hardness for acicular ferrite higher values. Tensile strength and yield stress data suffered the same effect of this micro constituent also, they had bigger amount when the acicular ferrite percentiles were bigger. For toughness analysis to crack propagation start were utilized the compliance changing rate method, the energy revised method, and the maximum load energy method. JId and KJd (K derived of J) values were calculated according to the standards. The results met for this method had acicular ferrite influence at 600OC, where the weld metal with the biggest micro constituent had bigger toughness value. The JId values utilized the compliance changing rate method for the precracked specimen got values near to the notched specimen. The change solid wire by the cored wire had better toughness, and it gets better the other mechanical properties.

Diversos critérios de tenacidade à fratura translaminar dinâmica foram determinados para o laminado híbrido metal-fibra TiGra, empregando-se conceitos e metodologias da Mecânica da Fratura Elástica Linear MFEL (fator-K) e da Mecânica da Fratura Elasto-Plástica MFEP (integral-J). Verificou-se que as tenacidades de iniciação elasto-plástica, Jid, e de carga máxima, Jmd, do TiGra são controladas pelo desenvolvimento, ou supressão de delaminações. Os resultados indicaram que o emprego deste material se justifica mais pela sua resistência à propagação de danos (caracterizada por Jmd) do que à iniciação da fratura dinâmica (por Jid). De modo geral, os requisitos de validade de Jid como verdadeira propriedade do material (JId) foram satisfeitos, embora para Jmd boa parte das restrições quanto ao tamanho mínimo do corpo-de-prova tenha sido violada. Mais freqüentemente, velocidades mais rápidas de impacto beneficiaram as tenacidades-J do TiGra, enquanto que temperaturas mais elevadas afetaram negativamente estas propriedades. Quanto à MFEL, a tenacidade KJd do TiGra foi beneficiada pelo incremento na taxa de carregamento sob temperaturas mais elevadas, enquanto que a tenacidade Kid foi negativamente afetada pela taxa de deformação em todas as temperaturas avaliadas. Temperaturas mais altas também degradaram as propriedades de tenacidade-K do TiGra. Em oposição às tenacidades-J, os critérios KJd e Kid não satisfizeram em absoluto os mais exigentes critérios de contenção de plasticidade estabelecidos pela MFEL, se comparados aos propostos pela MFEP. Por fim, o desempenho mecânico do laminado TiGra foi severamente comprometido quando do cômputo da densidade específica para a determinação das tenacidades J e K por unidade de massa, sendo nesta ocasião o laminado híbrido facilmente superado por vários laminados convencionais da classe dos Carbono-Epóxi. / Several dynamic translaminar fracture toughness criteria have been determined for TiGr hybrid fiber-metal laminate through Linear Elastic (K-factor) and Elastic-Plastic (J-integral) Fracture Mechanics (LEFM and EPFM, respectively) concepts and methodologies. Instrumented Charpy impact testing was carried out over a wide range of temperatures under two loading rates. It has been discovered that the elastic-plastic initiation toughness, Jid, and the toughness at maximum load, Jmd, of TiGr are controlled by either delamination favoring or suppression. Impact tests revealed that the in-service use of TiGr must rely on its resistance to dynamic fracture propagation (as characterized by Jmd) rather than on fracture initiation (by Jid). In a broad sense, the requirements for Jid data validity as a material property (JId) were fulfilled, whereas many restrictive demands in regard to the minimum testpiece size were violated by the Jmd criterion. Generally, higher impact velocities were beneficial to TiGrs J-toughnesses, inasmuch as higher temperatures impaired these properties. Regarding the LEFM approach, KJd toughness of TiGr laminate was imparted by faster impacts at higher temperatures, whilst the strain rate negatively influenced the Kid toughness over the whole temperature range tested. Higher temperatures also degraded the K-toughness properties of TiGr hybrid laminate. Differently from J-toughnesses values, the KJd e Kid criteria did not satisfy at all the more stringent criteria set forth by the LEFM approach with regard to plastic constraint, as compared to those established by EPFM. Finally, the mechanical performance of TiGr laminate was overwhelmingly compromised as the materials specific gravity was taken in account to obtain K and J toughness values by unit weight, so that TiGr was by far exceeded in this regard by conventional Carbon/Epoxy composite laminates.

A utilização do eletrodo tubular no processo de soldagem a arco submerso leva a um aumento na produtividade com um custo relativamente baixo, pois não requer investimentos complementares em equipamentos. A mudança do eletrodo sólido para o tubular acarreta variações microestruturais no metal de solda que influenciam as propriedades mecânicas, tais como dureza, tração e tenacidade ao impacto. Este trabalho tem como objetivo principal estudar a tenacidade à fratura dinâmica do metal de solda, mostrando que o uso do eletrodo tubular diminui a propagação de trincas ao impacto, além de melhorar as propriedades de dureza e tração. Para a confecção da junta soldada foi utilizado o aço ASTM-A516 com espessura de 37,5 mm; para o metal de solda, o eletrodo sólido AWS EM12K, com diâmetro de 4,0 mm, e fluxo AWS F6A4 e o eletrodo tubular AWS E71T-5, com diâmetro de 4,0 mm, fabricado em caráter experimental, untamente com os fluxos AWS F6A4 e AWS F7A8 (Fluxo Neutro). Os ensaios de impacto, dureza e tração foram realizados em corpos de prova com e sem alívio de tensão, e o ensaio Charpy instrumentado em corpos de prova entalhados e em corpos de prova entalhados e com trinca por fadiga, nas temperaturas de 25, 200, 400 e 600OC. O metal de solda utilizando eletrodo sólido foi o que mostrou menor percentual de ferrita acicular (54%), enquanto que o utilizando eletrodo tubular e fluxo AWS F6A4 foi o que mostrou maior percentual de ferrita acicular (89%). Os ensaios de dureza mostraram uma influência do microconstituinte ferrita acicular: maior dureza para o maior percentual de ferrita acicular. Os limites de resistência e de escoamento também sofreram o efeito deste microconstituinte, apresentando maiores valores quando os percentuais de ferrita acicular foram maiores. Para a análise da tenacidade para o início de propagação da trinca foram utilizados os métodos da variação da taxa da flexibilidade elástica, o método da energia da carga máxima revisada e o método da energia da carga máxima. Foram calculados os valores de JId e de KJd (K derivado de J). Os únicos valores validados, de acordo com a norma, foram os de JId calculados pelo método da variação da taxa da flexibilidade elástica. Os resultados encontrados, utilizando este método, mostraram, à 600OC, a influência da ferrita acicular, sendo que o metal de solda com maior percentual deste microconstituinte forneceu maior valor de tenacidade. Os valores de JId utilizando o método da variação da taxa da flexibilidade elástica para os corpos de prova com trinca por fadiga ficaram próximos aos resultados encontrados quando o ensaio foi realizado em corpos de prova somente entalhados. Os resultados mostraram que a substituição do eletrodo sólido pelo tubular levou à maior tenacidade e a propriedades mecânicas superiores. / The cored wire application in the submerged arc welding process leads to a increase productivity with relative low cost, because it doesn’t require complementary investments in equipments. Changing from solid to cored wire promotes microstructural modification in the weld metal that enhances mechanical properties, such as hardness, stretching and impact toughness. The principal aim of this work is to study the dynamic fracture toughness of the weld metal. The use of cored wire reduces the impact crack propagation, as well as hardness and strength properties. The welded plate was composed of ASTM-A516 steel with 37.5 mm thickness and for making the weld metal was utilized AWS EM12K wire, with 4.0 mm diameter, and AWS F6A4 flux, and AWS E71T-5 cored wire, with 4.0 mm diameter, making in experimental mode, with AWS F6A4 and AWS F7A8 (Neutral Flux) fluxes. Impact, hardness and tensile tests were carried out in specimens with and without stress relief. The instrumented Charpy tests were carried out at notch and notch plus fatigue crack specimens, at 25, 200, 400 and 600OC temperatures. The solid wire weld metal produced 53.9% of acicular ferrite, while the cored wire weld metal and AWS F6A4 flux produced 88.8% of acicular ferrite. The hardness values were influenced by acicular ferrite and showed higher hardness for acicular ferrite higher values. Tensile strength and yield stress data suffered the same effect of this micro constituent also, they had bigger amount when the acicular ferrite percentiles were bigger. For toughness analysis to crack propagation start were utilized the compliance changing rate method, the energy revised method, and the maximum load energy method. JId and KJd (K derived of J) values were calculated according to the standards. The results met for this method had acicular ferrite influence at 600OC, where the weld metal with the biggest micro constituent had bigger toughness value. The JId values utilized the compliance changing rate method for the precracked specimen got values near to the notched specimen. The change solid wire by the cored wire had better toughness, and it gets better the other mechanical properties.

O presente trabalho visou determinar a tenacidade à fratura dinâmica, KID, primeiramente pelos conceitos da Mecânica da Fratura Elástica Linear (MFEL) e posteriormente pela Mecânica da Fratura Elasto-Plástica (MFEP), JID, em materiais que em operação podem estar sujeitos a impactos em diferentes temperaturas. Os materiais estudados, de uso na indústria aeronáutica, foram uma liga de titânio Ti6Al4V (norma SAE AMS 4911), na condição recozida e uma liga de aço inoxidável PH 15-5 (norma SAE AMS 5659), na condição H1000. Os corpos de prova pré-trincados e entalhados foram retirados nas orientações L-T e L-S, a fim de que fossem determinadas e comparadas a relação tenacidade/densidade ou tenacidade específica dos materiais estudados. Em seguida os corpos de prova foram ensaiados sob condições de carga dinâmica em uma máquina de ensaio Charpy instrumentado, marca Instron-Wolpert PW30, conforme a norma ASTM-E23, com velocidade de carregamento de 5,52 m/s e nas temperaturas de 23 e 400ºC. Os valores das tenacidades, posteriormente comparados e correlacionados, foram obtidos de acordo com as expressões matemáticas mencionadas na literatura. A razão entre as energias estimadas de iniciação (Ei) e de propagação (Ep), (Ei/Ep), foi obtida a partir dos gráficos de carga-deslocamento x tempo. A determinação e caracterização dos aspectos macro e microscópicos da fratura foram realizadas através de microscopia ótica e de varredura. Em seguida, confrontaram-se os valores e os aspectos preponderantes dos mecanismos de fratura apresentados por cada material. / The present work aimed to evaluate the dynamic fracture toughness, KID, firstly using the Linear Elastic Fracture Mechanics parameter, (LEFM), and secondly using the Elasto-Plastic Fracture Mechanics (EPFM), JID. The materials used in this work are from aeronautic grade and are subjected to in service impact loads and temperature variation. The materials are a titanium alloy Ti6Al4V (standard SAE AMS 4911), in the annealed condition and a PH 15-5 stainless steel (standard SAE AMS 5659), H1000 condition. Both precracked and notched specimens were taken in the L-T and L-S directions, for the evaluation and comparison of the toughness/density ratio, i. e., the specific dynamic fracture toughness of the materials studied. Therefore, the specimens were tested under dynamic load using an Instron-Wolpert PW30 Instrumented Charpy Equipment, following the ASTM-E23 standard, with load speed of 5,52 m/s at 23 and 400ºC. The fracture toughness values were compared using mathematical expression from literature. The ration between the initiation (Ei) and propagation (Ep) energies, (Ei/Ep), was obtained from the load-displacement x time. The characterization of the macro and microscopic aspects of the fracture mechanisms were carried out using optical microscope and scan electronic microscope. The fracture toughness values and the fractographic observations were correlated and compared for the two materials studied.

O presente trabalho visou determinar a tenacidade à fratura dinâmica, KID, primeiramente pelos conceitos da Mecânica da Fratura Elástica Linear (MFEL) e posteriormente pela Mecânica da Fratura Elasto-Plástica (MFEP), JID, em materiais que em operação podem estar sujeitos a impactos em diferentes temperaturas. Os materiais estudados, de uso na indústria aeronáutica, foram uma liga de titânio Ti6Al4V (norma SAE AMS 4911), na condição recozida e uma liga de aço inoxidável PH 15-5 (norma SAE AMS 5659), na condição H1000. Os corpos de prova pré-trincados e entalhados foram retirados nas orientações L-T e L-S, a fim de que fossem determinadas e comparadas a relação tenacidade/densidade ou tenacidade específica dos materiais estudados. Em seguida os corpos de prova foram ensaiados sob condições de carga dinâmica em uma máquina de ensaio Charpy instrumentado, marca Instron-Wolpert PW30, conforme a norma ASTM-E23, com velocidade de carregamento de 5,52 m/s e nas temperaturas de 23 e 400ºC. Os valores das tenacidades, posteriormente comparados e correlacionados, foram obtidos de acordo com as expressões matemáticas mencionadas na literatura. A razão entre as energias estimadas de iniciação (Ei) e de propagação (Ep), (Ei/Ep), foi obtida a partir dos gráficos de carga-deslocamento x tempo. A determinação e caracterização dos aspectos macro e microscópicos da fratura foram realizadas através de microscopia ótica e de varredura. Em seguida, confrontaram-se os valores e os aspectos preponderantes dos mecanismos de fratura apresentados por cada material. / The present work aimed to evaluate the dynamic fracture toughness, KID, firstly using the Linear Elastic Fracture Mechanics parameter, (LEFM), and secondly using the Elasto-Plastic Fracture Mechanics (EPFM), JID. The materials used in this work are from aeronautic grade and are subjected to in service impact loads and temperature variation. The materials are a titanium alloy Ti6Al4V (standard SAE AMS 4911), in the annealed condition and a PH 15-5 stainless steel (standard SAE AMS 5659), H1000 condition. Both precracked and notched specimens were taken in the L-T and L-S directions, for the evaluation and comparison of the toughness/density ratio, i. e., the specific dynamic fracture toughness of the materials studied. Therefore, the specimens were tested under dynamic load using an Instron-Wolpert PW30 Instrumented Charpy Equipment, following the ASTM-E23 standard, with load speed of 5,52 m/s at 23 and 400ºC. The fracture toughness values were compared using mathematical expression from literature. The ration between the initiation (Ei) and propagation (Ep) energies, (Ei/Ep), was obtained from the load-displacement x time. The characterization of the macro and microscopic aspects of the fracture mechanisms were carried out using optical microscope and scan electronic microscope. The fracture toughness values and the fractographic observations were correlated and compared for the two materials studied.