Orientador: Auteliano Antunes dos Santos Júnior / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-16T08:34:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Buenos_AlexandreAparecido_M.pdf: 7987843 bytes, checksum: e9789b79f50624aea527663a778fd255 (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: O processo de usinagem de materiais metálicos causa tensões residuais que podem alcançar valores significativos e influenciar na vida em serviço de componentes mecânicos. Definir o processo adequado para cada aplicação requer a previsão de quão elevada será a tensão gerada em função das variáveis do processo utilizado. Para a usinagem de chapas planas por fresamento de topo, as tensões e deformações criadas se encontram próximas à superfície, que é onde se iniciam as principais falhas de componentes mecânicos. A fim de conhecer os valores das tensões resultantes é necessário medi-las, mas os métodos destrutivos usuais são trabalhosos, requerem a reconstrução do campo de tensões a partir do alívio das tensões e nem sempre podem ser utilizados. Os métodos não destrutivos mais comuns requerem equipamentos especializados, condições controladas e quase sempre são capazes de determinar as tensões apenas na superfície. Este trabalho propõe um método alternativo para a avaliação da intensidade das tensões geradas pelo processo de usinagem, utilizando ondas longitudinais criticamente refratadas (Lcr) e a teoria acustoelástica. O trabalho consiste em avaliar o efeito da variação dos principais parâmetros de usinagem: a velocidade de corte, o avanço e a profundidade de usinagem. Foram ensaiadas amostras de aço carbono de média resistência ASTM A36, utilizado em componentes estruturais. Tais amostras foram usinadas em diversas combinações de parâmetros, o que permitiu a criação de um conjunto de relações entre os parâmetros e a tensão resultante, e que pode ser usada para a definição do melhor ajuste dos parâmetros para cada aplicação / Abstract: The process of machining of metallic materials generates residual stresses that can reach significant values and influence the service life of mechanical components. The definition of process for every application requires a forecast of how high the stress will be generated according to the process variables used. For the machining of flat sheet using face milling, the stresses and strains are created near the surface, which is where the main failures of the mechanical components start. In order to know the magnitude of stresses it is necessary to measure them, but the usual destructive methods are complex, require the reconstruction of the stress field from the relief stress and can not always be used. The nondestructive methods frequently require specialized equipment, controlled conditions and almost always are be able to determine the stresses on the surface only. This dissertation proposes an alternative method for assessing the intensity of the residual stresses generated by the machining process, using critically refracted longitudinal waves (Lcr) and the acustoelastic theory. The work is to evaluate the effect of variation of the main machining parameters: cutting speed, feed per tooth and depth of cut in machining. We tested samples of carbon steel ASTM A36 of medium strength, used in structural components. These samples were machined in various combinations of parameters, which allowed the creation of a set of relationships between the parameters and the resulting stress. These can be used to define the best fit of the parameters for each application / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientadores: Paulo Roberto Mei, Anselmo Eduardo Diniz / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-12T19:31:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Gravalos_MarcioTadeu_M.pdf: 4613359 bytes, checksum: 86f814729e45d2e34702f6735566c398 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Foram investigados os efeitos das condições de usinagem em operação de torneamento na integridade superficial do aço inoxidável superaustenítico ASTM A744 Gr.CN3MN. A operação de acabamento foi o foco principal, porém também foram realizados estudos com a operação prévia, de desbaste. As principais variáveis no acabamento foram: ângulo de saída da ferramenta, velocidade de corte, profundidade de corte e avanço. No desbaste variou-se somente o ângulo de saída e a velocidade de corte. Os ensaios foram realizados em um torno horizontal CNC, utilizando fluido de corte. Os parâmetros analisados foram: microestrutura por microscopia ótica, rugosidade, encruamento por ensaio de microdureza e tensão residual por difração de raio-X. Para se estudar a resistência à corrosão por pites, superfícies usinadas foram imersas em solução de cloreto de ferro e examinadas no estereoscópio, medindo-se, por área, a densidade de pites e a perda de massa. Os resultados mostraram a presença de tensão residual de tração e de uma camada encruada em todas as superfícies usinadas. A redução da rugosidade elevou a resistência à corrosão por pite. A melhor combinação das condições de corte encontrada para obter os menores valores de rugosidade e de tensão residual de tração, no acabamento, para profundidade de corte de 0,2 ou 0,4 mm, foi a maior velocidade de corte (120 m/min), o menor avanço (0,1 mm/rot) e o maior ângulo de saída (10º), no desbaste; para a profundidade de corte de 2,5 mm e avanço de 0,25 mm/rot., foi a menor velocidade de corte (60 m/min) e o maior ângulo de saída (10º). / Abstract: An investigation was made of the effects of the machining conditions employed in the turning operation on the surface integrity of ASTM A744 Grade CN3MN superaustenitic stainless steel. The main focus was the finishing operation, but studies were also carried out with a prior roughening operation. The main input variables in finishing were: tool rake angle, cutting speed, cutting depth and feed rate. The only input variables in the roughening operation were rake angle and cutting speed. The tests were conducted on a CNC horizontal lathe, using cutting fluid flood. The following parameters were analyzed: microstructure and roughness - examined by optical microscopy; work hardening - determined by microhardness measurements; and residual stress - analyzed by X-ray diffraction. To study the pitting corrosion resistance, machined surfaces were immersed in a ferric chloride solution and examined under a stereoscope, measuring the pits density and mass loss per area. The results revealed the presence of residual tensile stress and a hardened layer on all the machined surfaces. Reducing the roughness caused the pitting corrosion resistance to increase. To obtain the lowest values of roughness and residual tensile stress in finishing at cutting depths of 0.2 or 0.4 mm, the best combination of cutting conditions was the highest cutting speed (120 m/min), the lowest feed rate (0.1 mm/v), and the highest rake angle (10º). In roughening at a cutting depth of 2.5 mm and a feed rate of 0.25 mm/rot., the best combination was the lowest cutting speed (60 m/min) and the highest rake angle (10º). / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica

A soldagem é o processo de união mais utilizado na fabricação de equipamentos pela indústria mecânica. Devido à introdução de calor durante o processo de soldagem, dependente do posicionamento da tocha e consequentemente do tempo, dilatações e contrações não uniformes produzem tensões térmicas no componente em questão, as quais permanecem como residuais ao final do processo, ao se atingir o equilíbrio térmico. O entendimento da formação e comportamento destas tensões se torna importante, pois na presença de carregamentos externos, a integridade estrutural do elemento mecânico pode ser comprometida. Portanto, este estudo visa analisar o comportamento destas tensões térmicas, avaliando ao final a magnitude e distribuição das tensões residuais, tendo como ferramenta o método dos elementos finitos. Inicialmente são apresentados os principais processos de soldagem envolvendo a fusão de materiais por meio de arco elétrico, sendo possível com base em uma explicação teórica, observar e entender a formação das tensões oriundas destes processos. Na sequência uma revisão bibliográfica contendo as principais técnicas para modelamento deste problema pelo método dos elementos finitos é apresentada, navegando por conceitos da análise térmica, que envolve o estudo das temperaturas e mecânica, a qual avalia as tensões formadas. Com toda parte teórica consolidada, um caso exemplo é analisado, simulando desta maneira um processo GTAW pelo programa computacional ANSYS, e comparando os resultados numéricos com os dados experimentais e numéricos obtidos na literatura. Ao final da simulação conclui-se que o modelo analisado reproduz fielmente a distribuição de temperaturas durante o processo e também estima corretamente as tensões residuais na chapa soldada, mostrando que a simulação de processos de soldagem utilizando o método dos elementos finitos se apresenta como uma ferramenta alternativa a indústria no aprimoramento de processos existentes ou desenvolvimento de novos. / Welding is the most used joining process in equipment manufacture by mechanical industry. Due to heat application during welding, varying with torch position and therefore by time, non-uniform expansion and contraction produces thermal stresses, which remains as residual when the component reaches thermal equilibrium. Formation and behavior of these stresses understanding becomes important since on external forces presence the mechanical piece may have it structural integrity compromised. This study aims to analyze thermal stress behavior due to welding evaluating residual stress magnitude and distribution at the process end by the finite element method. First of all fusion welding process by an electric arc are presented and a theoretical explanation about thermal stresses formation during welding is shared. Next is shown a bibliographic research with main techniques to model these problems using the finite element method, including thermal analysis, which involves temperature distribution study, and structural analysis that evaluate resulting stresses. With all theoretical background consolidated an example case of a GTAW process is studied utilizing ANSYS software, comparing numerical results with experimental and numerical data obtained in literature. It is possible to conclude that analyzed model accurately reproduces temperature distribution and also residual stress in the welded specimen proving that a welding process simulation via finite element method is an alternative tool for industry purposes on improving existing process and developing new ones.

Objetivos: avaliar espécimes com as seguintes combinações de materiais/processamentos: a) porcelana feldspática aplicada por meio de técnica tradicional sobre infraestrutura de zircônia; b) porcelana feldspática injetada sobre infraestrutura de zircônia, c) porcelana feldspática usinada em sistema CAD-CAM e cimentada (Rapid Layer Technique) sobre infraestrutura de zircônia; d) vitro-cerâmica à base de dissilicato de lítio processada por meio de sistema CAD-CAM e unida à infraestrutura de zircônia por meio da sinterização de um vidro na interface (técnica CAD-on) com relação a: (1) resistência ao lascamento de aresta do material de recobrimento (a influência do tipo de resfriamento foi analisada para os processamentos a e b) e; (2) níveis de tensão residual superficial mensurados nos materiais de recobrimento, por meio de ensaio de fratura por endentação (a influência do tipo de resfriamento foi analisada para os processamentos a e b). Material e métodos: Barras de duas camadas com dimensões de 25 mm de comprimento por 4 mm de largura e com espessuras de porcelana e infraestrutura combinadas de modo a oferecer a razão de 1 mm de cada material foram confeccionadas seguindo as orientações dos fabricantes. O teste de lascamento de aresta foi realizado em uma máquina universal de ensaios, utilizando um endentador Vickers acoplado a essa máquina. A tensão térmica residual superficial foi calculada a partir de endentações feitas na camada de porcelana. Resultados: A resistência ao lascamento (ReA) foi significativamente maior para os espécimes processados pelo sistema CAD-on (ReA = 612,8±271,8 N/mm). Bilayers confeccionadas pelo sistema Rapid Layer Technique apresentaram valor de ReA intermediário de (417,9±187,2 N/mm) e os grupos nos quais foi utilizada porcelana processada pela técnica de sinterização tradicional ou por injeção foram os que apresentaram os menores valores de resistência ao lascamento, com médias de 349,7±116,8 N/mm (tradicional/resfriamento lento) 285,6±117,5 N/mm (tradicional/resfriamento rápido), 298,4±119,9 N/mm (injetado/resfriamento lento) e 263,5±107,9 N/mm (injetado/resfriamento rápido). Para os grupos com porcelana aplicada sobre a infraestrutura pela técnica tradicional e injetada o teste t de Student mostrou que houve um efeito significativo do protocolo de resfriamento, sendo que os espécimes que passaram por resfriamento lento atingiram maiores valores de ReA. Apenas o grupo Rapid Layer Technique apresentou média de tensão superficial correspondente a tensões de tração. Todos os outros grupos apresentaram tensões de compressão na superfície. Conclusões: há um efeito significativo da associação material/processamento na resistência ao lascamento de aresta das bilayers testadas e com relação ao efeito da velocidade de resfriamento (lento e rápido). Os espécimes que passaram por resfriamento lento atingiram maiores valores de resistência ao lascamento, independentemente do método de processamento (tradicional ou injeção). A combinação material/processamento afetou significativamente as tensões residuais superficiais das bilayers testadas, porém, não houve efeito da velocidade de resfriamento no nível de tensões térmicas residuais superficiais para os espécimes processados tanto pela técnica tradicional como pela técnica de injeção. / Objectives: to evaluate specimens with the following materials/processing combinations: a) feldspathic porcelain applied on zirconia through traditional technique; b) feldspathic porcelain applied on zirconia through press-on technique, c) feldspathic porcelain milled in CAD-CAM system and cemented (Rapid Layer Technique) on zirconia infrastructure; D) lithium disilicate glass-ceramic milled in CAD-CAM system and bonded to the zirconia infrastructure by means of a fusion glass-ceramic applied at the interface (CAD-on technique) relating to: (1) edge chipping resistance of the veneering materials (influence of the cooling rate was analyzed for the processing methods a and b) and; (2) surface residual stress levels measured in the veneering materials through indentation fracture method (influence of the cooling rate was analyzed for the processing methods a and b). Materials and methods: Bilayer bars with 25 mm length, 4 mm width and thicknesses of porcelain and infrastructure combined to provide 1 mm ratio of each material were made following manufacturers\' instructions. The edge chipping test was performed in an universal testing machine, using a Vickers indenter coupled to it. The surface residual thermal stress was calculated from indentations made on the porcelain layer. Results: The chipping resistance (ReA) was significantly higher for the specimens processed by the CAD-on system (ReA = 612.8±271.8 N/mm). Bilayers made by the Rapid Layer Technique system presented an intermediate ReA mean value of 417.9±187.2 N/mm and the groups in which the porcelain layer was processed by traditional or press-on technique presented the lowest values of chipping resistance, with mean values of 349,7±116,8 N/mm (traditional/slow cooling) 285,6±117,5 N/mm (traditional/fast cooling), 298,4±119,9 N/mm (press-on/slow cooling) and 263,5±107,9 N/mm (press-on/fast cooling). For the groups with porcelain applied on the infrastructure by the traditional and press-on technique, Student\'s t test showed that there was a significant effect of the cooling rate, and the specimens that went through slow cooling rate reached higher ReA values. Only the Rapid Layer Technique group presented mean of surface stresses corresponding to tensile stresses. All other groups exhibited surface compression stresses. Conclusions: there is a significant effect of the material/processing association on the edge chipping resistance of the tested bilayers and regarding the cooling rate effect (slow and fast), the specimens that went through slow cooling rate reached higher values of edge chipping resistance, regardless of the processing method (traditional or press-on). The material/processing combination significantly affected the surface residual stresses of the tested bilayers, however, there was no effect of the cooling rate on the superficial residual thermal stresses levels for the specimens processed by both the traditional technique and the press-on technique.

O processo de injeção sob pressão de ligas de alumínio é empregado para a produção de peças diversas, destinadas principalmente à indústria automobilística. Dentre as principais vantagens deste processo, destaca-se a possibilidade de produção de peças complexas, com seções delgadas, e a alta velocidade de produção. Apesar desses pontos positivos, o reduzido tempo de ciclo e as elevadas temperaturas (~ 700°C) envolvidas promovem danos por fadiga térmica na superfície de trabalho das matrizes. Após milhares de peças produzidas, surgem trincas em regiões críticas, que crescem com o aumento da produção até atingirem condições que inviabilizam o uso da matriz, levando ao seu fim de vida. Na última década, novos aços de alta tenacidade e melhor resistência a quente, bem como tratamentos termoquímicos como a nitretação sob plasma vêm sendo aplicados em tais matrizes, retardando significativamente o fim de vida. Neste contexto, o presente trabalho visou estudar o fim de vida de matrizes de fundição sob pressão, relacionando-o aos aspectos microestruturais da superfície nitretada, tensões residuais inseridas durante processo de nitretação e as condições do processo de fundição. Para o estudo, os aços AISI H13, AISI H11 com redução do teor de Si e AISI H10 modificado, foram temperados e revenidos para dureza na faixa de 44 a 46 HRC e posteriormente nitretados sob plasma em diversas condições de temperatura, tempo e composição da atmosfera gasosa. Foram feitos ensaios de medições de tensões residuais, perfis de dureza, metalografia e difração de Raios-X. Para o estudo de fadiga térmica, foi utilizado o software DEFORM 3DTM para simular os danos ocasionados pelos mecanismos de fadiga térmica nas superfícies das matrizes com a presença e ausência de camada nitretada. Os resultados obtidos mostraram que a variação dos parâmetros de nitretação, tais como: tempo, temperatura e percentual de nitrogênio, afetam o perfil de dureza e de tensões residuais presentes na camada nitretada, bem como os microconstituintes da camada nitretada. Também foi verificado que a variação dos teores de elementos de liga de aços ferramenta para trabalho a quente em relação ao H13, mudam o perfil de dureza e de tensões residuais de compressão das camadas nitretadas. O material nitretado, após ser submetido em temperatura elevada, apresenta redução no nível de tensões residuais de compressão, ocorrendo processo de alívio de tensões. O mesmo efeito não é tão fortemente verificado no perfil de dureza do material. Deste modo, foi possível verificar que nos primeiros ciclos de injeção de alumínio, os mecanismos responsáveis por retardar a nucleação das trincas térmicas são a presença de tensões residuais de compressão na superfície do material e maior dureza local, dada pela maior dureza a quente existente no perfil de dureza da camada nitretada. Para estágios mais avançados de ciclagem térmica, apenas a maior dureza local será responsável por retardar a nucleação das trincas térmicas. A simulação demonstrou que o dano gerado durante processo de fadiga térmica é mais intenso no processo em que a matriz permanece exposta por tempos mais longos em elevadas temperaturas. O conhecimento destas características pode auxiliar a retardar o dano na superfície da matriz, via alterações do processo de fundição, ou das características dos aços ferramenta, dada pela tenacidade e resistência a quente da liga empregada na matriz, ou dos tratamentos térmicos e ou dos tratamentos de superfície, como a nitretação sob plasma, aplicados às matrizes. / The process of pressured injection of aluminum alloys is made use of in the production of sundry parts, meant mainly for the automotive industry. Among the main advantages of such process there stands out the possibility of production of complex parts, with thin sections, and at a high output speed. Despite these positive points, the reduced cycle time and high temperatures (~ 700°C) involved cause damage due to the thermal fatigue on the working surface of dies. After a great number of parts made there appear cracks in these areas that grow with the production increase up to reaching conditions that make the use of the die no longer viable, thus leading to its death. In the last decade, new unyielding, better heat resistant steels, as well as thermochemical treatments like plasma nitriding, have been applied to such dies, significantly hindering their death. In this context, the present paper has aimed at studying the death of pressured die casting by relating it to the microstructural aspects of the surface, residual tensions inserted during the nitriding process and the die casting conditions. For the study, AISI H13, AISI H11 with Si content reduction, and DIN WNr. 1.2367 steels were quenched and tempered to hardness in the range of 44 to 46 HRC and later subjected to plasma nitriding in different conditions of temperature, time, and gas atmosphere composition. Measurement tests of residual tensions, hardness profiles, metallography, and X-Ray diffraction have been carried out. For the thermal fatigue study, the software DEFORM 3D has been used to simulate damages caused by the thermal fatigue on the surface of dies in the presence or absence of surface nitriding. Results obtained have shown that the variation of nitriding parameters, such as time, temperature, and nitrogen percent, affect the hardness and residual tension profiles present in the surface nitriding, as well as in its microcomponents. It has also been ascertained that the variation of content of elements of steel tool alloys for heat work in relation to H13 one changes the profile of hardness and residual tensions of compression of nitriding treated surface. The resulting material, after being subjected to high temperature, presents a reduction of level in the residual tensions of compression, bringing about a process of tensions relief. The same effect is not so strongly verified in the material hardness profile. Accordingly, it has been possible to ascertain that in the first cycles of aluminum injection, the mechanisms responsible for slowing down the nucleation of thermal cracks are the presence of residual compression tensions on the material surface and higher spot hardness, given the higher heated hardness existing in the hardness profile of nitriding treated surface. For more advanced thermal cycling stages just the higher spot hardness will account for hindering the nucleation of thermal cracks. The simulation has demonstrated that the thermal fatigue process is more intense in process in which the die is exposed to high temperature for a longer time. The knowledge of these characteristics may help hinder the die surface damage through modifications in the casting process, or in the characteristics of tool steel (given the toughness and heat resistance of the alloy used in the die), or in the thermal treatments, or in the surface treatments, like plasma nitriding applied to dies.

Orientadores: Sergio Tonini Button, Lisandro Pavie Cardoso / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-04T00:43:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Martins_JairoAparecido_D.pdf: 8682650 bytes, checksum: 27ebe62387c0117dc7b3f4e812feec64 (MD5) Previous issue date: 2004 / Resumo: A evolução dos materiais, de seus processos de transformação e de diversos componentes mecânicos vêm requerendo cada vez mais o desenvolvimento de técnicas e métodos para sua análise. A transformação de materiais por deformação plástica origina tensões internas chamadas tensões residuais que podem vir a alterar a resposta do componente e/ou sistema quando em uso. Este trabalho tem como objetivo a análise dessas tensões residuais em válvulas dinâmicas estampadas por difração de raios- X e pelo método de elementos finitos. Dentro deste contexto, foi desenvolvido um método alternativo ao usual sen2", para a determinação de tensões residuais por difração de raios- X em pequenas áreas, esse utiliza o método de análise da difração de raios-X usualmente empregada na determinação de tensões residuais em filme finos . Os resultados obtidos na difração de raios-X mostraram-se compatíveis com o processo de deformação estudado e também com os resultados da simulação numérica pelo método de elementos finitos. A comprovação prática desses resultados deu-se pela realização de ensaios de durabilidade em bancada por flexão alternada reversa de uma válvula dinâmica nas seguintes condições de fabricação: a) estampada, b) estampada e deformada plasticamente em regiões de alta solicitação mecânica e c) estampada, deformada plasticamente e com um processo abrasivo adicional empregado para a eliminação de regiões potencialmente danosas ao componente previamente verificadas na simulação. Os resultados obtidos nesses ensaios comprovaram a validade dos métodos empregados para a análise das tensões residuais / Abstract: The continuous development of engineering materials, the new manufacturing processes, and the more complex mechanical parts have required constandy improvement of techniques and methods able to make analyses fast and easy. Metal forming with dimensional changes by plastic deformation results internal stresses, named residual stresses, which can significandy a:ffect the mechanical performance of parts and systems. The main objective of this work is to develop a method to analyze the residual stresses in stamped dynamical valves by X-ray diffraction and by the finite element method. In this context it was developed a sin2", alterna tive method based on the method common1y applied to the determination of residual stresses in metallic thin fUms. The results obtained from X-ray diffraction are coherent to those obtained in the stamping processes and in the simulation by the finite element method. These results were also compared to results from fatigue tests carried out with a laboratory bench (cantilever alterna te reversed bending) with dynamic valves in the conditions: a) as blanked , b) blanked and plastica11y deformed on the regions subjected to high 10005, and c) blanked, plastica11y deformed and grinded to eliminate potential dangerous regions as revea1ed in the simulation. The results obtained in the fatigue tests confumed the validity of the methods applied in this work to analyze the residual stresses / Doutorado / Materiais e Processos de Fabricação / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Renato Pavanello / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-22T02:09:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Carvalho_JaquelineMarade_M.pdf: 2818774 bytes, checksum: ba5db01d12d12b0c11ed46efc327569b (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Este trabalho apresenta um modelo numérico do comportamento mecânico elasto-plástico e de fadiga de juntas soldadas de topo em chapas finas de liga de alumínio usando a técnica de Friction Stir Welding. O modelo leva em consideração a presença de tensões residuais transversais e longitudinais em relação à linha da solda. Foi utilizado o Método dos Elementos Finitos (MEF) para construção dos modelos aproximados bi e tridimensionais, ambos considerando a não linearidade geométrica e não linearidade física. Uma das principais vantagens do MEF foi à possibilidade de trabalhar com propriedades diferentes dos materiais em elementos adjacentes, utilizando um modelo de chapa fino soldada composta por três regiões. A região do material base que não foi alterada pelo processo de soldagem, a região térmica afetada, que foi alterada apenas pela temperatura e a região do núcleo da solda onde foi alterada pela temperatura e pelo atrito entre a ferramenta de soldagem e a peça. Para a lei constitutiva do material foi utilizada a lei de Hooke em combinação com a Lei da Potência, isotrópica e homogênea, aplicadas em cada região, obtendo-se respostas mecânicas locais. A resposta mecânica global foi obtida, aplicando-se a regra da mistura às regiões da solda, considerando o comportamento de um corpo de prova soldado, que compreende diferentes camadas de material, semelhante a um modelo de associação de rigidezes em série. Os dados experimentais locais e globais, dados de entrada para o modelo, foram obtidos da literatura. Os modelos foram verificados pelas comparações das propriedades mecânicas tais como tensão de escoamento (a 0,2% de deformação), módulo de elasticidade, tensão última e parâmetros de encruamento: K e n. Finalmente a curva S-N da chapa soldada foi estimada baseando-se na análise estática e em dados experimentais de fadiga, a partir de um procedimento de correção efetuado usando-se os resultados da simulação. Esta metodologia foi aplicada a um caso de um corpo de prova solicitado por cargas axiais / Abstract: This work presents a numerical model of an elasto-plastic mechanical behavior and fatigue of a thin metal sheets butt welded aluminum alloy joint by Friction Stir Welding. The model take into account the presence of transverse and longitudinal residual stresses with respect to the weld line. The Finite Element Method (FEM) was used to build two and tridimensional model, both with geometric and physical nonlinearities. Using the FEM, it is possibility to work with different properties of materials in adjacent elements, using three different zones. The basic material zone, that wasn't changed by the weld process, a heat affected zone, that it was changed only by the temperature variations and a nugget zone, where it was changed by the temperature variation and friction between the tool weld and the sheets. The constitutive law used to represent the material behavior is the Hooke's Law combining with Power Law, isotropic and homogeneous; it was adopted in each specific zone giving local responses. The global response has obtained applying a mixture rule in welded plate, considering the weld specimen behavior which consists of different layers of material, like a simple spring-in-series model. The experimental local and global data, used for calibrate the model, was obtained of literature. The models was verified by comparing of mechanical properties like yield stress (0,2% offset yield strain), Young modulus, ultimate stress, strength coefficient K and strain hardening exponents n. Finally, the S-N curve of welded plate was estimated based on static analysis and fatigue test, from the procedure of correction accomplished using the results simulation. This methodology was applied to the case of specimen it loaded by axial forces / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestra em Engenharia Mecânica

O objetivo deste trabalho é analisar a distribuição das tensões residuais que resultam da combinação das variações volumétricas resultantes dos gradientes térmicos e das transformações de fase que ocorrem durante a têmpera de cilindros de aço AISI/SAE 1045, 4140 e 4340. O modelo matemático usado para este objetivo utiliza o programa AC3 de modelagem de tratamentos térmicos (curvas de transformação, curvas de resfriamento, microestrutura e a dureza do material), para alimentar um modelo de elementos finitos, considerando acoplamento termo-mecânico e comportamento não linear elasto-plástico, para previsão de tensões residuais em cilindros de aço AISI/SAE 1045, 4140 e 4340 temperados em água. São apresentados, também, os resultados de observações metalográficas e perfis de dureza que confirmam qualitativamente as previsões do programa AC3. A verificação do modelo numérico por elementos finitos foi efetuada através da medição das tensões residuais nos cilindros de aço com o emprego da técnica de difração de raios X. A simulação numérica, através do método dos elementos finitos comprova, nos três casos estudados, a existência de tensões residuais de compressão na região superficial após o processo de têmpera e indica de maneira quantitativa e qualitativa que as tensões mais significativas são as tangenciais. Os resultados obtidos a partir do modelo numérico mostraram uma aderência significativa em comparação com os resultados experimentais. / The aim of this work is to analyze the distribution of residual stresses resulting from combination of volumetric changes due to heat gradients and phase changes occurring during the quenching process of AISI/SAE 1045, 4140 and 4340 steel cylinders. The mathematical model used for this objective uses the AC3 program for modeling thermal treatments (transformation curves, cooling curves, microstructure and material hardness), whose results were fed into a finite element model, considering thermal-mechanical coupling and non-linear elastic-plastic behavior for forecasting of residual stresses in AISI/SAE 1045, 4140 and 4340 steel cylinders quenched in water. The observed microstructures and measured hardness confirmed qualitatively the previsions of the AC3 program. The results of finite element modeling were compared to experimental measurements of residual stresses measured at the surface, using X-Ray diffraction techniques. The finite element numerical simulation shows, for the three studied cases, the presence of compressive residual stresses in the surface region after a quenching process and indicates qualitatively and quantitatively that the most significant stresses are the tangential ones. The results obtained from the numerical model showed a significant adherence in comparison with the experimental results.

O aumento da vida em fadiga em peças submetidas a esforços cíclicos devido à aplicação de processos de tratamento mecânico superficial já é bastante conhecido, tanto no meio industrial quanto no meio acadêmico. Para molas, o processo de shot-peening se torna etapa essencial no processo de fabricação, porém um estudo sistemático do efeito do shot-peening na vida em fadiga se faz necessário. O objetivo deste trabalho é aprofundar o conhecimento nos processos de jateamento superficial do tipo shot-peening para molas em lâminas de veículos, através da análise de tensões residuais por difração de raios-x e ensaios de fadiga em uma série de amostras que sofreram dez diferentes receitas de processos de jateamento. Dos dez diferentes processos, o de jateamento com granalha esférica fundida de aço com 1,0mm de diâmetro seguido de um segundo jateamento com granalha esférica fundida de aço de 0,3mm de diâmetro levou a uma maior vida em fadiga das amostras. A análise por difração de raios-x comprovou que a importância das tensões residuais de compressão se dá até a uma profundidade de 0,05mm, influenciando diretamente no modo de nucleação de trincas de fadiga. Acima desta profundidade, as tensões residuais induzidas por shot-peening não têm influência no modo de propagação destas trincas, e por consequência na vida em fadiga das peças. Correlações entre os resultados e a alta dureza e diminuída ductilidade do material utilizado são discutidas. / The improvement of fatigue life in parts subjected to cyclic stresses by application of mechanical surface treatment processes is already well known, both in the industry and in the academy. Dealing with automotive springs, the shot peening process becomes an essential step in manufacturing these parts. In the case of leaf springs, however, a systematic investigation of the effect of shot peening on fatigue life is still required. The aim of this work is to improve the knowledge of shot peening on leaf springs for vehicles, through the analysis of residual stresses by x-ray diffraction and fatigue tests on a series of samples that were subjected to ten different peening schedules. Among the investigated processes, the usage of 1.0 mm diameter cast steel shot followed by a second peening with 0.3 mm diameter cast steel shot leads to better performance, regarding fatigue life. X-ray diffraction analysis shows that this improved performance may be attributed to residual compressive stress maintained until a depth of 0.05 mm below the surface, which directly influences the fatigue crack nucleation. Residual stresses induced by shot-peening in larger depths, have no influence on sample fatigue life, showing that crack propagation is not affected by the induced residual stresses. Consequently, the durability of parts is improved by shot-peening exclusively due to this influence on crack nucleation at samples surface. Correlations with the increased hardness and decreased ductility of the employed material are discussed.

Neste trabalho foram realizadas algumas deposições de filmes de Nitreto de Titânio sobre substrato de aço inoxidável. Foi utilizado o processo conhecido como triodo magnetron sputtering. Os parâmetros de deposição foram mantidos entre as deposições, exceto pela voltagem de bias no substrato, que foi variada de uma deposição para outra. Medições in-situ das tensões residuais no filme depositado foram realizadas. As medições foram feitas através do método da curvatura do substrato, utilizando-se um sensor capacitivo posicionado dentro da câmara de deposição. Embora o dispositivo não tenha sido capaz de quantificar os valores de tensão, foi possível identificar a natureza das mesmas, indicando se elas são de caráter trativo ou compressivo. Comprovou-se a possibilidade do uso de sistemas capacitivos para medições em sputtering. Observou-se que os filmes depositados apresentaram tensões de caráter trativo durante as deposições. / In this work, a series of depositions of titanium nitride thin films was conducted in a triode unbalanced magnetron sputtering chamber. Similar parameters were selected during each deposition, except for the substrate bias voltage, which was different for every deposition. An in-situ measurement of film residual stresses was carried out as the depositions proceeded. This measurement was based on substrate curvature, which was assessed by a home-built capacitive sensor positioned inside the sputtering chamber. Although the measurement device was not able to quantify the stress values, it was possible to identify if they were tensile or compressive. It was proved the possibility of using capacitive measurement devices in sputtering processes. It was possible to observe that the films underwent tensile stresses during the deposition.