Tese de doutoramento. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2004

O crescente desempenho das aeronaves aliado ao desenvolvimento de materiais cada vez mais leves e flexíveis tem levado os projetistas a utilizar coeficientes de segurança estruturais cada vez menores, o que pode tornar as superfícies aerodinâmicas mais susceptíveis a fenômenos aeroelásticos, entre eles o flutter, que deve ser cuidadosamente investigado com ensaios em solo e em voo durante o desenvolvimento e certificação de aeronaves. Para tais ensaios, é importante uma instrumentação adequada, que possa prever o aparecimento de vibrações indesejadas e possa agir de forma menos intrusiva possível, de forma a não modificar o comportamento dinâmico do sistema. Esse trabalho propõe o uso do imageamento infravermelho como instrumento para detecção de flutter, analisando se essa técnica é adequada para tal aplicação e quais as vantagens e desvantagens de seu uso. Para isso é feita uma revisão da literatura pertinente, apresentando conceitos de flutter, mecânica estrutural e tecnologia infravermelho, e em seguida é apresentada uma estrutura conhecida para se testar a técnica referida. São realizados simulações e testes na estrutura para levantamento das suas características e finalmente testes em túnel de vento, onde se verifica o funcionamento desta técnica, seus pontos positivos e pontos que requerem melhorias. / The increasing performance of aircraft together with the development of increasingly lightweight and flexible materials has led designers to use smaller structural safety factors, which can make the aerodynamic surfaces more susceptible to aeroelastic phenomena, including flutter, which should be carefully investigated with ground and flight tests during the aircraft development and certification. For such assays, it is important to use proper instrumentation, which can predict the occurrence of unwanted vibrations to act in less intrusive way possible, in order to not modify the system dynamic behavior. This work proposes the use of infrared imaging as a tool for detection of flutter, analyzing whether this technique is suitable for such application, the advantages and disadvantages of their use. For this, a review of the relevant literature is made, presenting flutter concepts, structural mechanics and infrared technology, and then a known structure used to test the technique is presented. Simulations and tests to survey the structure characteristics are presented as well as tests in the wind tunnel, performing the operation of this technique in order to address its positive points and areas that needs improvement.

O presente trabalho pode ser considerado como uma primeira tentativa de investigar e caracterizar um material polimético com "energia armazenada" e também de observar, através de técnicas de TMA e DSC, o "comportamento de memória" e as características de estado termodinâmico em não equilíbrio de um material com memória. A metodologia utilizada para viabilizar este trabalho foi primeiramente o estudo dimensional da deformação de pequenas amostras de polietileno (PE) e polipropileno (PP) seguida por estudo de múltiplos ciclos térmicos, utilizando TMA e DSC como técnicas de caracterização. Observou-se que a deformação não linear destes polímeros, por aplicação de forças de compressão, na região intermediária entre suas Tg e Tm respectivas, produz sistemas com energia armazenada. Foi possível observar, através deste procedimento, transições artificiais relacionadas à mudanças irreversíveis da capacidade térmica (Cp) pedo coeficiente de expansão térmica linear. O processo de recuperação termomecânica e a "memória termomecânica" dos sistemas sob estudo foram aspectos também abordados neste trabalho. Os resultados obtidos através das técnicas de DSC e TMA permitiram uma clara diferenciação entre o comportamento dos materiais com energia armazenada devido à deformação mecânica e materiais relaxados através de aquecimento até a fusão, seguida por resfriamento até a temperatura inicial. / This study can be considered as a first attempt to investigate and characterize a polymeric material with “stored energy”. The “memory behaviour” and the characteristics of the non-equilibrium thermodynamic state of materials with memory like polyethylene (PE) and polypropylene (PP) are investigated using TMA an DSC techniques. The methodology used are the follows: first, the dimensional deformation study of small PP and PE probes produced through application of well defined forces and second, the study of the deformed probes through a series of consecutive cycles of the temperature scanning up to a maximum value and cooling it down the initial temperature using TMA and DSC techniques. It was found a nonlinear deformation of polymers like polyethylene and polypropylene, through application of pressure in the range between the glass transition and the melting temperature, produce systems with stored energy. Studies of the deformed probes by the above procedure showed artificial transitions related to irreversible changes of the thermal capacity (Cp) and the linear thermal expansion coefficient. The thermomechanical recuperation process and the “thermomechanical memory” of the materials under investigation have been observed.

O presente trabalho pode ser considerado como uma primeira tentativa de investigar e caracterizar um material polimético com "energia armazenada" e também de observar, através de técnicas de TMA e DSC, o "comportamento de memória" e as características de estado termodinâmico em não equilíbrio de um material com memória. A metodologia utilizada para viabilizar este trabalho foi primeiramente o estudo dimensional da deformação de pequenas amostras de polietileno (PE) e polipropileno (PP) seguida por estudo de múltiplos ciclos térmicos, utilizando TMA e DSC como técnicas de caracterização. Observou-se que a deformação não linear destes polímeros, por aplicação de forças de compressão, na região intermediária entre suas Tg e Tm respectivas, produz sistemas com energia armazenada. Foi possível observar, através deste procedimento, transições artificiais relacionadas à mudanças irreversíveis da capacidade térmica (Cp) pedo coeficiente de expansão térmica linear. O processo de recuperação termomecânica e a "memória termomecânica" dos sistemas sob estudo foram aspectos também abordados neste trabalho. Os resultados obtidos através das técnicas de DSC e TMA permitiram uma clara diferenciação entre o comportamento dos materiais com energia armazenada devido à deformação mecânica e materiais relaxados através de aquecimento até a fusão, seguida por resfriamento até a temperatura inicial. / This study can be considered as a first attempt to investigate and characterize a polymeric material with “stored energy”. The “memory behaviour” and the characteristics of the non-equilibrium thermodynamic state of materials with memory like polyethylene (PE) and polypropylene (PP) are investigated using TMA an DSC techniques. The methodology used are the follows: first, the dimensional deformation study of small PP and PE probes produced through application of well defined forces and second, the study of the deformed probes through a series of consecutive cycles of the temperature scanning up to a maximum value and cooling it down the initial temperature using TMA and DSC techniques. It was found a nonlinear deformation of polymers like polyethylene and polypropylene, through application of pressure in the range between the glass transition and the melting temperature, produce systems with stored energy. Studies of the deformed probes by the above procedure showed artificial transitions related to irreversible changes of the thermal capacity (Cp) and the linear thermal expansion coefficient. The thermomechanical recuperation process and the “thermomechanical memory” of the materials under investigation have been observed.

O presente trabalho pode ser considerado como uma primeira tentativa de investigar e caracterizar um material polimético com "energia armazenada" e também de observar, através de técnicas de TMA e DSC, o "comportamento de memória" e as características de estado termodinâmico em não equilíbrio de um material com memória. A metodologia utilizada para viabilizar este trabalho foi primeiramente o estudo dimensional da deformação de pequenas amostras de polietileno (PE) e polipropileno (PP) seguida por estudo de múltiplos ciclos térmicos, utilizando TMA e DSC como técnicas de caracterização. Observou-se que a deformação não linear destes polímeros, por aplicação de forças de compressão, na região intermediária entre suas Tg e Tm respectivas, produz sistemas com energia armazenada. Foi possível observar, através deste procedimento, transições artificiais relacionadas à mudanças irreversíveis da capacidade térmica (Cp) pedo coeficiente de expansão térmica linear. O processo de recuperação termomecânica e a "memória termomecânica" dos sistemas sob estudo foram aspectos também abordados neste trabalho. Os resultados obtidos através das técnicas de DSC e TMA permitiram uma clara diferenciação entre o comportamento dos materiais com energia armazenada devido à deformação mecânica e materiais relaxados através de aquecimento até a fusão, seguida por resfriamento até a temperatura inicial. / This study can be considered as a first attempt to investigate and characterize a polymeric material with “stored energy”. The “memory behaviour” and the characteristics of the non-equilibrium thermodynamic state of materials with memory like polyethylene (PE) and polypropylene (PP) are investigated using TMA an DSC techniques. The methodology used are the follows: first, the dimensional deformation study of small PP and PE probes produced through application of well defined forces and second, the study of the deformed probes through a series of consecutive cycles of the temperature scanning up to a maximum value and cooling it down the initial temperature using TMA and DSC techniques. It was found a nonlinear deformation of polymers like polyethylene and polypropylene, through application of pressure in the range between the glass transition and the melting temperature, produce systems with stored energy. Studies of the deformed probes by the above procedure showed artificial transitions related to irreversible changes of the thermal capacity (Cp) and the linear thermal expansion coefficient. The thermomechanical recuperation process and the “thermomechanical memory” of the materials under investigation have been observed.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2018. / Submitted by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2018-08-07T21:48:07Z No. of bitstreams: 1 2018_ArthurPinheiroBarcelos.pdf: 14201406 bytes, checksum: 22cffe289d9dbf4258328e4dcf14fa84 (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2018-08-08T19:06:21Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2018_ArthurPinheiroBarcelos.pdf: 14201406 bytes, checksum: 22cffe289d9dbf4258328e4dcf14fa84 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-08T19:06:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2018_ArthurPinheiroBarcelos.pdf: 14201406 bytes, checksum: 22cffe289d9dbf4258328e4dcf14fa84 (MD5) Previous issue date: 2018-08-07 / As Ligas com Memória de Forma (LMF) apresentam dois comportamentos termomecânicos diferenciados que podem ser explorados para o desenvolvimento de muitas aplicações: o efeito memória de forma e a pseudoelasticidade. O efeito memória de forma é caracterizado por deformações reversíveis originárias de variações de temperatura do material devido a transformações martensíticas termoelásticas. Esse princípio de funcionamento estimula a aplicação de LMF como atuadores, apresentando algumas vantagens em relação a outros atuadores convencionais devido à sua excepcional redução de peso e volume de projetos. A escassez na literatura de métodos definitivos para prever a vida útil do atuador de LMF motiva o estudo de seu comportamento cíclico e fadiga. Os atuadores baseados em ligas com memória de forma podem acumular deformações plásticas e sofrer ruptura, além de perder gradualmente a capacidade de recuperação da forma, conhecida como fadiga funcional, associada às repetidas transformações induzidas por temperatura. Nesse âmbito, a fadiga estrutural e a fadiga funcional de fios NiTi SmartFlex® submetidos à transformação de fase martensítica induzida termicamente sob tensão mecânica constante são investigadas. Foram realizados 24 ensaios de ciclagem termomecânica em diferentes condições de aquecimento e resfriamento e sob quatro diferentes níveis de tensão axial. A influência dessas condições de ensaio foram analisadas, a degradação do efeito memória de forma foi visualizada em curvas de evolução da deformação e a fadiga estrutural foi estudada por meio de três diferentes curvas de ajuste: curvas S-N, curvas que relacionam a deformação plástica com a vida em fadiga baseadas nas relações de Coffin-Manson e curvas baseadas no modelo de plano crítico de Smith, Watson e Topper. Conclui-se que o aumento na taxa de aquecimento e resfriamento e na tensão mecânica pode resultar em falha precoce do material. No âmbito de fadiga funcional, as condições estabelecidas nos ensaios resultaram em alteração na deformação recuperável inferior a 1% para o material estudado. / Shape Memory Alloys (SMA) presents two exceptional thermomechanical behaviors that can be used for development of many applications: shape memory effect and superelasticity. The shape memory effect is characterized by reversible deformation under thermal load due to thermoelastic martensitic transformations. This operation principle encourages the application of SMA as actuators, presenting some advantages over other conventional actuators because of their weight and volume saving. The lack of definite methods for predicting SMA actuator lifetime motivates the study of its cyclic behavior and fatigue. SMA actuators may accumulate plastic deformations and suffer rupture, in addition to gradually losing shape recovery, known as functional fatigue, associated with the repeated thermal induced transformations. The structural thermomechanical fatigue and functional fatigue of NiTi SmartFlex® wires undergoing thermally induced martensitic phase transformation with constant stress are investigated. An amount of 24 thermomechanical cycling tests were performed under different heating and cooling conditions and under four different axial stress levels. The influence of these test conditions was analyzed, the wire strain evolution was evaluated to determine the degradation of shape memory effect and three power law curves were used to fit fatigue failure data: S-N curves, plastic strain versus fatigue life curves based on Coffin-Manson relation, and curves based on the critical plane model of Smith, Watson, and Topper. It can be concluded that the application of high heating/cooling rate and high stress can result in early failure of the material. The test conditions did not imply significant functional fatigue (recoverable strain below 1%).

Submitted by Eduarda Figueiredo (eduarda.ffigueiredo@ufpe.br) on 2015-03-10T14:51:17Z No. of bitstreams: 2 TESE COMPLETA Renato Castro_ biblioteca.pdf: 5223231 bytes, checksum: 9faaba65fe169b6609c1ee3b1c65d60c (MD5) license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-03-10T14:51:17Z (GMT). No. of bitstreams: 2 TESE COMPLETA Renato Castro_ biblioteca.pdf: 5223231 bytes, checksum: 9faaba65fe169b6609c1ee3b1c65d60c (MD5) license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Previous issue date: 2012-08 / FACEPE / Aços de alta resistência e baixa liga (ARBL) têm sido melhorados por meio do desenvolvimento de composição química e, principalmente, pelo uso de processos de manufatura avançados. Neste trabalho, sequências termomecânicas foram aplicadas em um aço tipo API 5L X-80, a fim de se obter microestrutura com predominância de ferrita acicular. Após aquecimento até 950 ºC por 15 min., as amostras foram laminadas, em temperatura de não recristalização da austenita, alcançando redução de espessura de 10% a 35%. Em seguida foram resfriadas bruscamente em água ou mantidas em banho de chumbo para a decomposição isotérmica a diferentes temperaturas (400 - 600 ºC). Imagens obtidas por microscopia eletrônica revelaram que a microestrutura de ferrita acicular, caracterizada pela excelente combinação de resistência e tenacidade, foi obtida predominantemente em condições de resfriamento contínuo. Os tratamentos isotérmicos resultaram em uma microestrutura complexa, com presença de ferrita poligonal, ferrita granular e constituinte M-A, além da ferrita acicular. Por meio de análises de EBSD estudou-se o efeito do tratamento termomecânico nos aspectos microestruturais e cristalográficos do material, sendo possível relacionar a modificação do perfil de desorientação dos contornos com aspectos morfológicos da ferrita acicular. Esta microestrutura apresentou elevada frequência de grau de desorientação de baixo ângulo, elevado nível de discordâncias e alto grau de desorientação local. Verificou-se, também, que a formação de fronteiras CSL (coincident site lattice) pode ser estimulada por meio de tratamento termomecânico, especialmente as do tipo Ʃ3 cuja presença é favorável ao aumento da resistência no material. Foi possível relacionar a modificação do perfil de desorientação com o aumento da quantidade de fronteiras CSL e identificar que a deformação tem um papel relevante no desenvolvimento ou inibição dessas fronteiras, no entanto são necessários mais estudos para esclarecer os mecanismos de sua formação.

O crescente desempenho das aeronaves aliado ao desenvolvimento de materiais cada vez mais leves e flexíveis tem levado os projetistas a utilizar coeficientes de segurança estruturais cada vez menores, o que pode tornar as superfícies aerodinâmicas mais susceptíveis a fenômenos aeroelásticos, entre eles o flutter, que deve ser cuidadosamente investigado com ensaios em solo e em voo durante o desenvolvimento e certificação de aeronaves. Para tais ensaios, é importante uma instrumentação adequada, que possa prever o aparecimento de vibrações indesejadas e possa agir de forma menos intrusiva possível, de forma a não modificar o comportamento dinâmico do sistema. Esse trabalho propõe o uso do imageamento infravermelho como instrumento para detecção de flutter, analisando se essa técnica é adequada para tal aplicação e quais as vantagens e desvantagens de seu uso. Para isso é feita uma revisão da literatura pertinente, apresentando conceitos de flutter, mecânica estrutural e tecnologia infravermelho, e em seguida é apresentada uma estrutura conhecida para se testar a técnica referida. São realizados simulações e testes na estrutura para levantamento das suas características e finalmente testes em túnel de vento, onde se verifica o funcionamento desta técnica, seus pontos positivos e pontos que requerem melhorias. / The increasing performance of aircraft together with the development of increasingly lightweight and flexible materials has led designers to use smaller structural safety factors, which can make the aerodynamic surfaces more susceptible to aeroelastic phenomena, including flutter, which should be carefully investigated with ground and flight tests during the aircraft development and certification. For such assays, it is important to use proper instrumentation, which can predict the occurrence of unwanted vibrations to act in less intrusive way possible, in order to not modify the system dynamic behavior. This work proposes the use of infrared imaging as a tool for detection of flutter, analyzing whether this technique is suitable for such application, the advantages and disadvantages of their use. For this, a review of the relevant literature is made, presenting flutter concepts, structural mechanics and infrared technology, and then a known structure used to test the technique is presented. Simulations and tests to survey the structure characteristics are presented as well as tests in the wind tunnel, performing the operation of this technique in order to address its positive points and areas that needs improvement.

Os ensaios tradicionais de fadiga realizados à temperatura constante nem sempre são capazes de reproduzir os mecanismos atuantes na solicitação anisotérmica. Por isto, novas técnicas mais avançadas de ensaios à temperatura variável foram desenvolvidas recentemente como a Fadiga Térmica (FT) e a Fadiga Termomecânica (FTM). A parte experimental deste trabalho incluiu a implementação e a descrição da metodologia de um sistema de ensaio para a FTM. Além disto, também foi determinada a propriedade mecânica de fadiga de baixo ciclo para o aço inoxidável AISI 420, utilizado na fabricação de palhetas de turbinas a gás para a geração de energia em usinas de açúcar e álcool. Os ensaios de fadiga isotérmica foram realizados a 490&#176C, ou seja, na máxima temperatura do ciclo anisotérmico. Já os ensaios anisotérmicos foram realizados na faixa de temperatura entre 260-490&#176C e nas condições em fase e fora de fase. A curva tensão deformação cíclica foi obtida pelo método convencional para os ensaios isotérmicos, sendo que o material sofreu endurecimento cíclico. Os ensaios em fase apresentaram vida ligeiramente menor do que os ensaios fora de fase. Não foram observados mecanismos ativados pela temperatura como fluência e oxidação, na faixa de temperatura dos ensaios anisotérmicos, assim, o mecanismo determinante para o processo de falha dos corpos de prova foi a fadiga pura. O comportamento dos resultados de FTM fora de fase foi melhor estimado pelo modelo de acúmulo de dano do que os resultados para a condição em fase. A análise microestrutural e fratográfica após os ensaios de fadiga revelou que os carbonetos de cromo continuaram dispersos na matriz. As trincas nuc1earama partir da superfície externa dos corpos de prova tubulares e se propagaram transgranularmente para o interior do metal. / The traditional fatigue test performed at elevated and constant temperature not always is able to reproduce the mechanisms acting during thermal loading. Therefore, new advanced testing techniques at variable temperatures were recently developed, and they are called Thermal Fatigue (TF) and Thermomechanical Fatigue (TMF). The experimental part of this work includes the TMF methodology implementation and description, as well as the Isothermal Fatigue (IF) and TMF results from an AISI 420 stainless steel, regularly used to produce gas turbine blades for power generation in sugar and alcohol industry. The isothermal fatigue tests were carried out at 490&#176C, the maximum temperature reached during the thermal cycle, and the TMF tests were performed in the temperature range of 260-490&#176C, in the inphase and out-of-phase loading conditions. The cyclic stress-strain curve was obtained by the conventional method, and the results showed that this material strain hardens. The TMF in phase tests exhibited a fatigue life shorter than the out-of-phase tests. It was not observed, in this range of temperature, any temperature activated micromechanism of failure, such as creep or oxidation mechanisms. Therefore, it was concluded that the only mechanisms acting during the TMF tests was fatigue. The damage accumulation model better fit the TMF results behavior, for the out-ofphase loading condition than the in-phase results. The microstructural and fractographic analyses showed that the chromium carbides continued generally distributed on the matrix after both types of fatigue testing. It was also noted that the fatigue cracks always were nucleated at the specimen external surface, and propagated transgranularly into the materials substrate.

Os ensaios tradicionais de fadiga realizados à temperatura constante nem sempre são capazes de reproduzir os mecanismos atuantes na solicitação anisotérmica. Por isto, novas técnicas mais avançadas de ensaios à temperatura variável foram desenvolvidas recentemente como a Fadiga Térmica (FT) e a Fadiga Termomecânica (FTM). A parte experimental deste trabalho incluiu a implementação e a descrição da metodologia de um sistema de ensaio para a FTM. Além disto, também foi determinada a propriedade mecânica de fadiga de baixo ciclo para o aço inoxidável AISI 420, utilizado na fabricação de palhetas de turbinas a gás para a geração de energia em usinas de açúcar e álcool. Os ensaios de fadiga isotérmica foram realizados a 490&#176C, ou seja, na máxima temperatura do ciclo anisotérmico. Já os ensaios anisotérmicos foram realizados na faixa de temperatura entre 260-490&#176C e nas condições em fase e fora de fase. A curva tensão deformação cíclica foi obtida pelo método convencional para os ensaios isotérmicos, sendo que o material sofreu endurecimento cíclico. Os ensaios em fase apresentaram vida ligeiramente menor do que os ensaios fora de fase. Não foram observados mecanismos ativados pela temperatura como fluência e oxidação, na faixa de temperatura dos ensaios anisotérmicos, assim, o mecanismo determinante para o processo de falha dos corpos de prova foi a fadiga pura. O comportamento dos resultados de FTM fora de fase foi melhor estimado pelo modelo de acúmulo de dano do que os resultados para a condição em fase. A análise microestrutural e fratográfica após os ensaios de fadiga revelou que os carbonetos de cromo continuaram dispersos na matriz. As trincas nuc1earama partir da superfície externa dos corpos de prova tubulares e se propagaram transgranularmente para o interior do metal. / The traditional fatigue test performed at elevated and constant temperature not always is able to reproduce the mechanisms acting during thermal loading. Therefore, new advanced testing techniques at variable temperatures were recently developed, and they are called Thermal Fatigue (TF) and Thermomechanical Fatigue (TMF). The experimental part of this work includes the TMF methodology implementation and description, as well as the Isothermal Fatigue (IF) and TMF results from an AISI 420 stainless steel, regularly used to produce gas turbine blades for power generation in sugar and alcohol industry. The isothermal fatigue tests were carried out at 490&#176C, the maximum temperature reached during the thermal cycle, and the TMF tests were performed in the temperature range of 260-490&#176C, in the inphase and out-of-phase loading conditions. The cyclic stress-strain curve was obtained by the conventional method, and the results showed that this material strain hardens. The TMF in phase tests exhibited a fatigue life shorter than the out-of-phase tests. It was not observed, in this range of temperature, any temperature activated micromechanism of failure, such as creep or oxidation mechanisms. Therefore, it was concluded that the only mechanisms acting during the TMF tests was fatigue. The damage accumulation model better fit the TMF results behavior, for the out-ofphase loading condition than the in-phase results. The microstructural and fractographic analyses showed that the chromium carbides continued generally distributed on the matrix after both types of fatigue testing. It was also noted that the fatigue cracks always were nucleated at the specimen external surface, and propagated transgranularly into the materials substrate.