Thesis (MScEng)--Stellenbosch University, 2012. / ENGLISH ABSTRACT: Sliding wear is a complicated form of wear involving different factors. The factors affecting the process are the mechanical properties of the materials, sliding distance, sliding speed, and normal force applied to the contact. An experimental study was conducted to assess the performance of Ti6Al4V in self-mated and various counterface material contact couples subjected to linear reciprocating dry sliding motion. The normal force was varied for all the experiments to understand the effect it had on specific couples. Sliding wear experiments were also conducted on cemented carbides coupled with Ti6Al4V. In certain applications carbide coatings are used and could possibly come into contact with Ti6Al4V. Cemented carbides used in the study were manufactured through spark plasma sintering and liquid phase sintering. An in depth study was conducted to assess the spark plasma sintered materials and compare these to those manufactured through liquid phase sintering. The experimental study revealed that an increase in normal force, in sliding experiments, led to an increase in friction and wear volume loss of the Ti6Al4V pin. In addition the experiments found that Ti6Al4V was prone to adhesion and surface oxidation. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Glyslytasie is 'n gekompliseerde slytasievorm wat verskillende faktore behels.Die faktore wat die proses beïnvloed is die meganiese eienskappe van die materiale,gly-afstand,glyspoed en normale druk(krag) wat op die kontakoppervlakte toegepas word. 'n Eksperimentele studie om die werksverrigting van Ti6Al4V in verenigde en verskeie teenwerkende materiaal kontakpare wat onderwerp is aan lineêre omgekeerde droë gly-aksie te assesseer is uitgevoer.Die normale krag vir al die eksperimente om die effek wat dit op die spesifieke pare gehad het te verstaan is gevarieer. Glyslytasie-eksperimente is ook op gesementeerde karbiedes wat met Ti6Al4V gekoppel is,uitgevoer. In sekere toepassings is karbiedlae gebruik en kon moontlik met Ti6Al4V in kontak gekom het. Gesementeerde karbiedes wat in die studie gebruik is, is deur vonkplasmasinter en vloeibare fase-sinter vervaardig. 'n Indieptestudie is ook uitgevoer om die vonkplasmasintermateriale en dié materiale wat deur vloeibare fasesinter vervaardig is te vergelyk. Die eksperimentele studie het getoon dat 'n toename in normale krag in glyeksperimente gelei het tot 'n toename in wrywing en slytasievolumeverlies van die Ti6Al4V pin. Bykomend tot die eksperimente is gevind dat Ti6Al4V geneig was tot adhesie en oppervlakteoksidasie.

Cemented carbide containing sub carbide phases, M6C and M12C, known as eta-phase, increases the lifetime milling cutters due to increased resistance to comb cracks. When milling, the inserts much sustain high temperatures, meaning edgeline toughness and thermal fatigue resistance are needed. To obtain this, finer grains and higher binder content are needed. In this study, WC-Co cemented carbides with eta-phase and Cr as well as a higher binder content are investigated. The microstructure is the focus, with parameters such as eta-phase particle size and volume fraction, WC grain size being evaluated. Another part of the study is the investigate the effect of Cr on heat treatment. The addition of Cr in a WC-Co cemented carbide with eta-phase has shown to give rise to smaller eta-phase particle sizes and WC grain size as compared to without Cr. Also, increasing the volume fraction of eta-phase has less influence on WC and eta-phase particle size. Heat treated samples without Cr is shown to increase the coercivity of the samples at 700 degrees Celsius, without change in WC grain size. The effect is also leading to an increase in hardness. But with addition of Cr, the effect seems to diminish.

Cutting tool inserts are often coated with thin layers either through chemical vapor deposition (CVD) or physical vapor deposition (PVD) processes. In order to have a better wear resistance cutting tools are mostly subjected to post-coating treatment processes. Shot peening is one of the processes that is used to improve the fatigue life of metallic components. In this study, the finite element (FE) method is employed to model the elastic-plastic deformation and development of residual stress distributions in a cutting tool after the impact of a shot medium. To carry out the work, CVD coated cemented carbide has been chosen to be the workpiece (insert), and the coatings of the chosen insert are Titanium Carbo Nitride (TiCN)  and Aluminum Oxide (Al2O3). Aim of the study is to model a single impact in the shot peening process on a surface of a coated cemented carbide insert while simulating the plastic deformation of the materials. In addition, the objective of the study is also to understand and explain the mechanics of shot peening process and find applicable mechanical properties of the materials for FE modeling. Conjugately, the influence of shot peening process parameters (e.g. velocity, diameter or shape of the peening media) on residual stress distribution has been investigated and the results obtained were compared to the one observed from experiment. The modeling in the study is carried out both with and without initial residual stresses in the materials. The initial residual stresses are estimated by applying a thermal load to the model. The results show that the compressive residual stresses achieved while shot peening by an edge-shaped medium are significantly higher at the surface (i.e. in a coated layer) than compared to a globular medium. In contrast, it is observed that the compressive residual stresses in the cemented carbide are significantly higher and deeper when shot peened with globular medium than the edge-shaped medium. Furthermore, the results of parameteric study demonstrate that the smaller medium induces higher residual stresses at the surface (i.e. in a coated layer) than in the cemented carbide. In contrast, it is observed that the bigger medium induces less residual stresses at the surface (i.e. in a coated layer) and higher residual stresses deeper in the cemented carbide. Whereas, it is observed that the higher residual stresses at the surface (i.e. in a coated layer) and in the cemeneted carbide can be achieved simultaneously by shot peens having a  higher velocity. Residual stress profiles modelled in this report correlate with data from previous studies.   This study has been carried out at Sandvik Coromant, Edge and Surfaces department in Stockholm, Sweden.

O comportamento de solos estruturados por cimentação é fortemente influenciado pelo estado de tensões existente durante a deposição do agente cimentante. Procedimentos rotineiros de extração e preparação de amostras em laboratório geralmente causam danos à estrutura natural do material, impedindo, muitas vezes a observação do comportamento real do ponto de vista de rigidez e de deformabilidade. A simulação, em laboratório, das condições de confinamento durante a formação da estrutura cimentante, torna-se uma condição necessária para o estudo do comportamento desses materiais. Seguindo essa linha, o trabalho busca avaliar a influência da tensão de confinamento (tensão de cura) existente durante a formação da cimentação no comportamento deste material, a partir de ensaios triaxiais drenados consolidados isotropicamente. Assim, neste estudo propõe-se a utilização de um solo artificialmente curado sob tensão, observando em conjunto a essa variável a influência do nível de cimentação bem como os efeitos oriundos da tensão confinantes utilizada na fase de cisalhamento. Procurou-se avaliar características de deformabilidade e resistência, através de uma análise do comportamento dos materiais. A avaliação das superfícies de plastificação foi realizada a partir da análise de pequenas deformações do solo cimentado. A análise tensãodilatância se desenvolveu com base no exame do comportamento do material a deformações relativamente grandes. Os resultados mostraram, no geral, que o comportamento do material cimentado foi fortemente influenciado pela variação da tensão de cura, tanto a pequenas bem como a deformações relativamente grandes. / The behavior of cemented structured soils is strongly influenced by the existing stress state during the addition of the cementation agent. The common procedures for laboratory sampling usually cause damage to the natural structure of the materials, hindering, many times, the identification of the real behavior in regard to deformability and stiffness properties. The simulation, in laboratory environment, of confining conditions during the cement structure formation turns to be a mandatory circumstance for the study of the material’s behavior. Inside this context, this work aims to evaluate the influence of the existing confining stress (stress cure) during the cement formation in the behavior of the material, through isotropic drained triaxial tests. Thus, it suggested in this study the usage of artificially cemented soil cured under stress, with parallel observation of the influence of the cement degree, as well the effects from the confining stress used during the shearing stage. It was also evaluated deformability and strength characteristics through behavior analyses of the materials. An assessment of the yield surfaces was carried on from soil cemented small deformation analysis. The evaluation of stress-dilatancy was developed based on the exam of relatively large deformation behavior. The results showed that the general behavior of this material was strongly influenced by the variation of the stress curing both at small strains and at relatively large strains.

A presente pesquisa teve por objetivo a análise do comportamento de diferentes combinações de liners de um determinado solo com e sem cimentação, submetidos à percolação de líquidos ácidos, com o objetivo de simular o comportamento de campo de liners de aterros especiais, que recebem resíduos à base de pirita. Tal resíduo em contato com água e oxigênio forma solução de ácido sulfúrico. Assim sendo, as pretensões deste trabalho foram a análise do comportamento compressivo de liners formados por um dado tipo de solo compactado, com e sem a adição de cimento, através do emprego de um equipamento de adensamento modificado desenvolvido especialmente para esta pesquisa. Da mesma forma, procedeu-se o estudo dos fenômenos de transporte de contaminantes por meio do liner em estudo, basicamente daqueles que comandam o transporte (difusão, advecção, sorção, retardamento da frente de contaminação e grau de afinidade entre o contaminante e o liner). Ensaios isotrópicos a altas tensões de confinamento também foram realizados a fim de se estudar a possível desestruturação dos liners quando percolados por resíduos ácidos. Os resultados obtidos destacam a desestruturação de amostras naturais do solo estudado quando percolado por rejeitos ácidos, em todas as concentrações estudadas, tanto em ensaios triaxiais isotrópicos quanto em ensaios de carregamento axial com deformações laterais nulas. Conclui-se que as águas ácidas quando percoladas por meio de um solo com presença de finos, tende a proporcionar um efeito de carreamento de partículas, aumentando conseqüentemente a porosidade, fator este que poderia proporcionar a falha operacional de um liner. / The objective of this work is to analyse the behavior of a liner formatted by different combinations of soil and cement, percolated by low pH waters under different hydraulic gradients and concentration of acid in the percolant, aiming to simulate in laboratory what would happen in the field to liners in contact with pyrite wastes, from mineral coal mining. Pyrite wastes in contact with water and oxygen result in sulphuric acid, what makes the objective of this research the study of the compressive behavior of the liner submitted to the percolation of acid waters, by means of a special column equipment developed during this research, which allows applying an axial load to the sample under flux. Also, the variation of the transport of contaminants values were investigated, basically diffusion, advection, sorption, retardation coefficient, distribution coefficient, hydrodynamic dispersion, ground water velocity and hydraulic conductivity). Triaxial Isotropic tests were carried out under high confinant pressures in order to verify the volume changes of the samples due to the low-pH contamination. The results show that liners formatted only by soil had rearrange of their structure due to acid percolations, according to both column and isotropic tests. The value of the hydrodynamic dispersion was considerated being totally dependent on the diffusion, because the hydraulic conductivity of the differente combination was low. The results also show that low-pH percolations make a rearrange of the fine particles into the sample, because after a grain size distribution test, the fine particles from the top of the samples were detected on the bottom of the sample, what increase the porosity on the top of the samples, what could lead the liner to a failure.

O estudo em laboratório do desempenho mecânico de solos artificialmente cimentados está normalmente vinculado à simulação do comportamento de geomateriais naturalmente formados em campo. Por outro lado, o estudo desses novos materiais pode ser também ferramenta útil na previsão do comportamento de aterros de solos artificialmente melhorados. O comportamento de solos cimentados possui considerável influência da densidade e do estado de tensões a que estes materiais estão submetidos durante a fase que compreende a cimentação dessas partículas. Uma alternativa ao estudo da cimentação nestes solos, é a elaboração de um meio em que as amostras possam ser cimentadas sob um estado de tensões específico, e que ao mesmo tempo em que se promove uma redução do índice de vazios do respectivo material. Seguindo nessa analogia, o presente estudo visa apresentar resultados de ensaios triaxiais realizados em amostras de um solo artificialmente cimentado, curadas sob diferentes níveis de tensão e estado de tensões. São abordados os resultados do ponto de vista da rigidez e deformabilidade encontrados para o material. Os resultados demonstraram que a alteração dos estados de tensões de cura, bem como a magnitude das tensões confinantes durante a cura, apresentaram influência no comportamento tensão-deformação-dilatância das amostras artificialmente cimentadas. / The laboratory study of mechanical performance of artificially cemented soils is normally associated with the mechanical behaviour of geomaterials that were created in field. The behaviour of artificially cemented soils has substantial influence of density and the stress state that these materials have been submitted during the particles cementation. Thus, an alternative to the understanding of cement effects in these soils is the preparation of a similar environment where the specimens can be submitted the cementation while a specific stress state is applied, promoting the respective void ratio reduction. Following this approach, this study aims to show the results of triaxial tests carried out in an artificially cemented soil, which was cured at different stress states. The results have shown that the changing of stress state of curing, as well as the intensity of the confining stress during the cure, presented considerably influence in the stress-strain-dilatancy of the artificially cemented samples.

Com o crescimento dos grandes centros urbanos e expansão da ação do homem sobre a natureza, muitos projetos de engenharia se tornam inviáveis devido a inexistência de solos que atendam as solicitações necessárias no local, elevados custos de transporte e excessivos danos ambientais. Uma das alternativas existentes é a melhoria das condições destes solos e entre as múltiplas técnicas para melhoramento encontram-se os solos artificialmente cimentados, os quais têm como uma de suas mais corriqueiras utilizações em campo a resistência a solicitações cíclicas, principalmente na construção de pavimentos, o reforço de áreas suscetíveis a sismos e a fundação de estruturas costeiras. Assim esta pesquisa estuda o comportamento cíclico de uma determinada areia artificialmente cimentada, aferindo sua resistência a compressão simples, módulo cisalhante, sucção e focando nos parâmetros módulo de resiliência e vida de fadiga e busca correlacioná-los com a razão porosidade/teor volumétrico de cimento. Para tanto, foi projetado e construído um equipamento para realização dos ensaios de fadiga e calibrado outro equipamento já existente para execução de ensaios de módulo de resiliência conforme a norma vigente. Em conjunto com os resultados dos ensaios, são apresentadas uma relação de previsão do módulo com base no modelo composto de estado de tensões e correlações satisfatórias dos parâmetros cíclicos obtidos com a razão porosidade/teor volumétrico de cimento, comprovando a possibilidade de seu uso na previsão do comportamento e dosagem deste solo-cimento. / With the growth of large urban centers and expansion of human activities, many engineering projects become infeasible due to the absence of soils that meet the necessary requests on site, high transportation costs and excessive environmental damage. One of the alternatives is to improve the conditions of these soils and, among multiple improvement techniques, the artificially cemented soil is highlighted. This practice has one of its most usual applications on the field to improve materials strength to cyclic loads, especially in pavement designs, reinforcement of areas susceptible to earthquakes and foundations of coastal structures. This research studies the cyclic behavior of a artificially cemented sand, checking its compressive strength, shear modulus, suction and focusing on the resilient modulus and fatigue life parameters. Additionally it seeks to correlate them with the porosity/volumetric cement content ratio. To this end it was designed and built a device for carrying out the fatigue tests and calibrated another existing equipment to run resilient modulus tests according to current standards. Along with the tests results, a modulus prediction relationship is shown based on the composite model of stress state and good correlations of cyclic parameters obtained with the porosity/volumetric content of cement ratio are observed proving the possibility of its use for predicting behavior and dosage of this soil-cement.

Os ensaios em solos sob altas pressões tiveram seu interesse renovado nos últimos anos em parte devido a trabalhos que anseiam por uma investigação mais profunda da mecânica dos solos fundamental a altas pressões para aplicação de modelos constitutivos em solos granulares. Para desenvolvimento desses modelos é necessária uma completa compreensão do comportamento volumétrico dos solos, assim como a aplicação da teoria do estado crítico aos mesmos, o que requer ensaios em níveis de tensões que são ordens de magnitude maiores que os aplicados na maioria das estruturas de engenharia no caso de solos arenosos. Este trabalho estudou o comportamento mecânico de materiais compósitos constituídos a partir da utilização de um solo arenoso, cimento Portland CP-V e fibras de polipropileno sob altas pressões. O solo utilizado foi uma areia fina de granulometria uniforme extraída de uma jazida localizada no município de Osório - RS. Ensaios de compressão isotrópica sob altas pressões foram realizados em amostras de areia, areia-fibra, areia-cimento e areia-cimentofibra, em uma variedade de volumes específicos iniciais. Os resultados indicaram mudanças no comportamento do material não reforçado devido à inclusão de fibras e/ou cimento. Foram observadas linhas de compressão normal distintas e paralelas para cada mistura. Os comprimentos das fibras, medidos após a aplicação de altas tensões, mostraram que algumas fibras sofreram quebra e outras extensão, indicando que as fibras trabalham em compressão isotrópica. Um aumento do modulo volumétrico devido à presença de ambos: fibras e cimento foi observado. Uma redução na quebra das partículas devido à presença de fibras também foi observada. Para o estudo do estado crítico, ensaios triaxiais isotropicamente consolidados drenados levados a deformações cisalhantes de até 40% foram realizados. As envoltórias de estado crítico dos materiais reforçados no plano p': q apresentaram-se bi-lineares. As linhas de estado crítico no plano v:lnp' para a areia com e sem reforço mostraram-se inicialmente distintas e curvilíneas certo nível de tensões, a partir do qual convergiram para uma única LEC. O material cimentado apresentou o mesmo comportamento do material não cimentado no estado crítico, assim como o material cimentado reforçado em relação ao solo reforçado sem cimentação. Mesmo a tensões confinantes baixas as fibras apresentaram alongamento e ruptura para o nível de deformações cisalhantes atingidas. O aumento da tensão de confinamento ocasionou progressiva ruptura das fibras e a perda gradual da sua atuação benéfica sobre o comportamento do solo. A cimentação pode aumentar a eficiência deste sistema melhorando o ancoramento das fibras, permitindo que as fibras atuem mais efetivamente na matriz, ao menos para as tensões mais baixas. / Nowadays the interest in soil testing under high stresses has been renewed dueto the greater depths reached by foundation structures as well as the need of a better understanding of fundamental soil behaviour and its application in soil models for granular materiais. To develop these models it is necessary a complete understanding of the volumetric behaviour of soils and the application of Critical State theory, which for granular materiais require triaxial tests at stresses much higher than those typical on the majority of the engineering structures. This work studied the mechanical behaviour of composite materiais, using sand, Portland cement CP-V and polypropylene fibres, under high stresses. The soil used in this study is an uniform fine sand extracted from a quarry in Osório - RS. High stress isotropic triaxial tests were undertaken in samples of sand, sand-fibre, sand-cement and sand-cement-fibre in a variety of initial specific volumes. Comparison between the test results indicated changes on the behaviour of the un-reinforced material due to the inclusion of fibres and/or cement. Distinct and parallel normal compression lines were observed for every mixture. The fibre lengths, measured after high pressure application, have shown that some fibres suffered an elongation and others were broken, indicating that fibres work in tension under isotropic compression. An increase in bulk modulus was observed in the presence of both: fibres and cement. Reduced amounts of particle breakage were also found in the mixtures containing fibres. To better determine critical state the samples were sheared up to 40% of shear deformation after the isotropic consolidation took place. The critical state envelopes of the reinforced materials, in the stress space p': q, have shown a bi-linear behaviour. The critical state line in the space v:lnp' for the sand and reinforced sand was distinct and curved and converged to a stress threshold, becoming linear and unique. On the critical state the cemented material have shown the same behaviour as the uncemented soil. The same happened to the cemented reinforced material related to the reinforced soil. It can be seen that even at small stresses the fibres present elongation and rupture after reaching high strains. The increase in confining stress led to a progressive rupture ofthe fibres anda gradual loss of the benefit of having fibres mixed in the soil. Cementation can increase the efficiency of the system, improving the bonding between fibres and soil particles, this allow the fibres to be more effective in the soil matrix, at least at low stress levels.

Com uma necessidade cada vez maior da utilização de materiais mais sustentáveis na construção civil, existe uma grande busca por novas substâncias que possam suprir as nossas necessidades de maneira mais “limpa”. O presente trabalho tem como foco propor uma metodologia de dosagem para a obtenção de solos artificialmente cimentados, com determinadas resistências e rigidezes, de maneira que eles sejam duráveis, com a adição de diferentes resíduos. O solo inicialmente estudado é a areia de Osório e os resíduos são a cal de carbureto e o pó de vidro. A cal de carbureto consiste basicamente de hidróxido de cálcio e o pó de vidro de sílica em estado amorfo, gerando assim uma combinação adequada para a ocorrência das reações pozolânicas. A metodologia de dosagem proposta relaciona as propriedades dos materiais com o fator η/Biv0,28, aos sete dias de cura, sendo η a porosidade do solo artificialmente cimentado e, Biv o teor volumétrico de agente cimentante no interior do mesmo (neste caso pó de vidro e cal de carbureto). O expoente externo 0,28 se assemelha ao encontrado em outras metodologias de dosagem para solos artificialmente cimentados com cimento Portland Com a finalidade de validar a metodologia proposta, para condições distintas das analisadas, foram executados ensaios com diferentes períodos de cura (180 dias), diferentes resíduos (cinza de casca de arroz) e um solo distinto (arenito Botucatu), chegando também a correlações do comportamento mecânico destes materiais com o fator η/Biv0,28. Os dados obtidos nesta pesquisa foram comparados com os resultados de outros pesquisadores que utilizaram cal com cinza volante de usinas de carvão juntamente com cal hidratada e de outros trabalhos que utilizaram cimento Portland, todos para criar solos artificialmente cimentados, e, mais uma vez, a metodologia proposta se mostrou eficaz. Foi possível ainda normalizar em função de um valor médio todos os resultados de rigidez, resistência e durabilidade obtendo assim equações únicas em função de η/Biv0,28 para todos os materiais analisados, chegando a uma correlação com mais de 1000 pontos no caso da resistência. / With a growing need for the use of more sustainable materials in construction, there is a great search for new substances that can meet our needs in a "cleaner" way. The present work aims to propose a dosing methodology for obtaining artificially cemented soils, with certain strengths and stiffness, so that they are durable, with the addition of different residues. The initially studied soil is the Osório sand and the residues are carbide lime and glass powder. The carbide lime basically consists of calcium hydroxide and the glass powder consists of silica in the amorphous state, thus generating a great combination for the occurrence of the pozolanic reactions. The proposed dosage methodology relates the properties of the materials with the factor η/Biv0.28, at the seven days of curing, in which η is the porosity of the artificially cemented soil and Biv is the volumetric content of the cementitious agent inside it (in this case powder glass and carbide lime) The external exponent 0.28 resembles that found in other dosing methodologies for artificially cemented soils with Portland cement. The methodology led to a unique correlation for all the dosages used. To validate the hypothesis which was raised, tests were carried out with different curing periods (180 days), different residues (rice husk ash) and a different soil (Botucatu sandstone), reaching optimum correlations. The data obtained in this research were compared with the results of other researchers who used lime with fly ash from coal plants together with hydrated lime and from other works that used Portland cement, all to create artificially cemented soils, and, once again, the proposed methodology proved to be excellent. It was also possible to normalize all the results of stiffness, strength and durability thus obtaining unique equations as a function of η/Biv0.28 for all materials analyzed, reaching a correlation with more than 1000 points.

O estudo em laboratório do desempenho mecânico de solos artificialmente cimentados está normalmente vinculado à simulação do comportamento de geomateriais naturalmente formados em campo. Por outro lado, o estudo desses novos materiais pode ser também ferramenta útil na previsão do comportamento de aterros de solos artificialmente melhorados. O comportamento de solos cimentados possui considerável influência da densidade e do estado de tensões a que estes materiais estão submetidos durante a fase que compreende a cimentação dessas partículas. Uma alternativa ao estudo da cimentação nestes solos, é a elaboração de um meio em que as amostras possam ser cimentadas sob um estado de tensões específico, e que ao mesmo tempo em que se promove uma redução do índice de vazios do respectivo material. Seguindo nessa analogia, o presente estudo visa apresentar resultados de ensaios triaxiais realizados em amostras de um solo artificialmente cimentado, curadas sob diferentes níveis de tensão e estado de tensões. São abordados os resultados do ponto de vista da rigidez e deformabilidade encontrados para o material. Os resultados demonstraram que a alteração dos estados de tensões de cura, bem como a magnitude das tensões confinantes durante a cura, apresentaram influência no comportamento tensão-deformação-dilatância das amostras artificialmente cimentadas. / The laboratory study of mechanical performance of artificially cemented soils is normally associated with the mechanical behaviour of geomaterials that were created in field. The behaviour of artificially cemented soils has substantial influence of density and the stress state that these materials have been submitted during the particles cementation. Thus, an alternative to the understanding of cement effects in these soils is the preparation of a similar environment where the specimens can be submitted the cementation while a specific stress state is applied, promoting the respective void ratio reduction. Following this approach, this study aims to show the results of triaxial tests carried out in an artificially cemented soil, which was cured at different stress states. The results have shown that the changing of stress state of curing, as well as the intensity of the confining stress during the cure, presented considerably influence in the stress-strain-dilatancy of the artificially cemented samples.