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Desenvolvimento de composto de Fe3Al-k nanométrico em matriz de alumínio para revestimento de positado por aspersão térmica chama pó

Gomes, Maria Nalu Verona January 2016 (has links)
Orientador : Prof. Dr. Ramón Sigifredo Cortés Paredes / Coorientadora : Profa. Dra. Neide Kazue Kuromoto / Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 02/12/2016 / Inclui referências : f. 273-289 / Resumo: Intermetálicos do sistema FeAl, principalmente o Fe3Al tem recebido especial atenção por suas propriedades a altas temperaturas, tais como resistência a oxidação, a carbonetação e sulfidização. O alumínio é um dos principais materiais utilizados em revestimentos protetivos contra a corrosão devido a sua afinidade com o oxigênio que quando exposta a atmosfera oxidante forma uma fina camada de Al2O3, resistente a meios corrosivos agressivos. Novos revestimentos compósitos têm sido obtidos a partir da combinação de materiais com diferentes escalas de tamanhos de partículas, tais como micro e nano, resultando em propriedades físicas, mecânicas e químicas melhoradas. A Aspersão Térmica tem sido destacada entre as diferentes técnicas de aplicação de revestimentos de proteção para materiais por possibilitar a deposição de diferentes tipos de materiais na forma de pó. O principal objetivo desta tese foi produzir um compósito Al/Fe3Al-Fe3AlCx com partículas de tamanho micro e nanométricos a fim de verificar a viabilidade de depositar este compósito pelo processo Chama a pó (FSp) sobre substrato de aço para formar um revestimento protetivo. A produção do revestimento compósito foi estruturada em quatro etapas principais: primeira, obtenção do Fe3Al-Fe3AlCx (Fe3Al-?) pela técnica de processamento reativo de líquidos, desenvolvida especialmente para este trabalho; segunda, redução do Fe3Al-? para escala nanométrica por meio de moagem de alta energia; terceira etapa, produção do compósito pela mistura do Fe3Al-? nanométrico e micrométrico em diferentes proporções com alumínio micrométrico, por um processo de Mistura Rápida (MR) também desenvolvida especialmente para esta etapa e; quarta, deposição do compósito por FSp variando a temperatura de pré-aquecimento do substrato e a distância de aplicação. Com as técnicas de análise de microscopia ótica, microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia por energia dispersiva (EDS), difração de raios x foi verificado que o Processamento Reativo de Líquidos foi capaz de produzir intermetálico Fe3Al-?. A moagem de alta energia utilizada neste trabalho obteve partículas de Fe3Al-? de tamanho médio de 80 nm. Pós-compósitos micrométricos (Al/Fe3Al-?) com 20% e 40% de Fe3Al-? (nano) foram misturados com Al (micro) pelo processo de Mistura Rápida (MR). O compósito Al/Fe3Al-? obtido foi depositado com sucesso por FSp com preaquecimento do substrato a temperaturas de 120°C e 200°C e distância de aplicação de 150 mm e 200 mm. O revestimento obtido sobre substrato de aço apresentou espessura de camada de até 600 ?m, aderência ao substrato superior a 14 MPa, porosidade abaixo de 2%, dureza entre 150 e 200 HV e resistência a corrosão superior ao revestimento de alumínio. Palavras-chave: Alumineto de Ferro. Aspersão Térmica. Pós Compósitos. Revestimentos Compósitos. / Abstract: Iron aluminides based on Fe3Al have received particular attention due to its properties at high temperatures, such as resistance to oxidation, carbonation, and sulfidation. Aluminum is one of the main materials used in protective coatings against corrosion due to its affinity for oxygen that when exposed to the oxidizing atmosphere forms a thin layer of Al2O3, resistant to corrosive-aggressive environments. New composite coatings have been obtained from the combination of materials with different particle size scales, such as micro and nano, resulting in improved physical, mechanical and chemical properties. The Thermal Spray has been highlighted among the various techniques of applying protective coatings to materials by enabling the deposition of different types of materials in the form of powder. The primary objective of this thesis was to produce an Al/Fe3Al-Fe3AlCx (Al/Fe3Al-?) composite with micro and nanometric size particles to verify the feasibility of depositing this composite by Flame Spray (FSp) process on steel substrate to form a protective coating. The production of the composite coating was structured in four main steps. First, obtaining Fe3Al-Fe3AlCx (Fe3Al-?) by the Reactive Liquid Processing technique, specially developed for this work. Second, reduction of the Fe3Al-? for nanoscale by High Energy Milling. Third, the production of the composite by the nanometric Fe3Al-? mixture in different proportions with micrometric aluminum, by a fast mixing process also developed, especially for this thesis. Fourth, deposition of the composite by FSp varying the preheating temperature of the substrate and the application distance. With the techniques of Optical Microscopy, Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive X-ray Spectrometry (EDS), X-ray diffraction, it was verified that the Reactive Liquid Processing was able to produce Fe3Al-? intermetallic. The High Energy Milling used in this work obtained Fe3Al-? particles with an average size of 80 nm. Micrometric (Al / Fe3Al-?) powder composites with 20% and 40% Fe3Al-? (nano) were mixed with Al (micro) by the fast mixing process. The Al /Fe3Al-? composite was successfully deposited by FSp with preheating of the substrate at temperatures of 120°C and 200°C and application distance at 150 mm and 200 mm. The coating obtained on steel substrate showed a layer thickness of up to 600 ?m, adhesion to the substrate greater than 14 MPa, porosity below 2%, hardness between 150 and 200 HV and corrosion resistance superior to the aluminum coating. Keywords: Iron aluminide. Thermal Spray. Composite Powders. Composite Coatings.
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A numerical-experimental study of Taylor-Couette flows of fabric-water solutions

Loyola, Felipe Rezende de January 2017 (has links)
Orientador : Prof. Dr. Eng. Christian Johann Losso Hermes / Coorientador : Prof. Dr. Waldyr de Lima e Silva Junior / Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 09/06/2017 / Inclui referências : f. 225-234 / Resumo: Escoamentos periódicos de fluidos newtonianos e não-newtonianos estão presentes em um grande número de aplicações, particularmente em lavadoras domésticas de eixo vertical. O processo de lavação depende do transporte de massa e quantidade de movimento do agitador para o fluido. Nesses casos, o escoamento segue o padrão de Taylor-Couette, cuja característica é um escoamento confinado entre dois cilindros rotativos. O presente trabalho está focado na simulação numérica de escoamentos periódicos e em regime permanente de fluidos newtonianos e não-newtonianos (fluidos de Herschel-Bulkley) com base nas equações tridimensionais de conservação de massa e de quantidade de movimento. Uma geometria simplificada é utilizada como domínio físico para as análises numéricas. Além disso, o perfil de rotação (deslocamento angular e velocidade) foi imposto externamente ao modelo como condições de contorno, já que o padrão de escoamento é dependente deste parâmetro, bem como das propriedades reológicas do fluido. As simulações foram baseadas no Método dos Volume Finitos, utilizando o algoritmo PRIME para o acoplamento de pressão-velocidade e a técnica BiCGSTAB, que usa o algoritmo de Thomas como pré-condicionador, para a solução numérica das equações. Além disso, testes experimentais foram realizados para a obtenção das propriedades reológicas das misturas de água e tecidos. Esses experimentos recaem no problema inverso de Couette, onde as curvas de taxa de deformação e tensão de cisalhamento são obtidas a partir dos resultados de torque e velocidade angular. Os resultados numéricos foram verificados contra os resultados experimentais e também contra resultados obtidos na literatura aberta apresentando uma concordância satisfatória para as velocidades e torques tanto para os fluidos newtonianos como para os não-newtonianos. Palavras-Chave: Reometria. Misturas água-tecido. CFD. Lavanderia. Escoamentos periódicos. / Abstract: Periodic flows of Newtonian and non-Newtonian fluids are present in a wide range of applications, particularly in household vertical axis washing machines. The washing process relies on the mass and momentum transport from the agitator to the fluid stream. In such cases, the flow follows a pattern that recalls the Taylor-Couette one, whose main feature is the confinement between two rotating cylinders. The present study concerns the numerical simulation of steady-state and periodic flows of Newtonian and non-Newtonian (Herschel- Bulkley) fluids based on the three-dimensional conservation equations of mass and momentum. A simplified Taylor-Couette geometry is used as the physical domain for the numerical analyses. In addition, the agitation profile (angular swept and speed) was imposed externally as boundary condition as the flow patterns rely on it, and also on the rheological properties of the fluid. Simulations were carried out by means of a homemade finite-volume-based code (which used the PRIME method for the sake of velocity-pressure coupling, and the BiCGSTAB solver together with the Thomas algorithm as a preconditioner, for solving the linear set of equations). Furthermore, experimental tests were carried out in a purpose-built facility in order to gather the rheological properties of the fabric-water suspensions. The experiments rely on the Couette inverse problem, in which the shear curves are obtained from the torque and velocity data. The simulation model was verified against experimental and numerical data obtained in-house or elsewhere indicating a satisfactory agreement between numerical and experimental torques and velocities. Keywords: Rheometry. Fabric-water suspensions. CFD. Laundry. Periodic Flows.
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Revestimento NiCrSiBC : microestrutura e comportamento tribológico em elevadas temperaturas

Silva, Leandro João da January 2014 (has links)
Orientadora : Ph.D. Ana Sofia C. M. D'Oliveira / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 15/12/2014 / Inclui referências / Resumo: A deposição de revestimentos soldados envolve a interação com o substrato metálico: diluição. Independente da técnica, alguma diluição sempre ocorrerá. De fato, é importante que ocorra para garantir a ligação metalúrgica entre o revestimento e o substrato. Entretanto, na maioria das vezes, a diluição causa alterações na composição química e consequentemente na microestrutura e desempenho do revestimento. Apesar de existirem alguns estudos do efeito da diluição sobre o desempenho da liga NiCrSiBC à temperatura ambiente, em elevadas temperaturas o assunto ainda está em aberto. Assim, o presente trabalho teve por objetivo avaliar o efeito da diluição sobre a microestrutura e o comportamento tribológico em elevadas temperaturas da liga NiCrSiBC processada por plasma com arco transferido (PTA) sobre aço inoxidável AISI 304. O impacto da diluição sobre a microestrutura dos revestimentos foi avaliado por meio de EDX, DRX, MEV-EDS, microscopia óptica e dureza; o comportamento tribológico, através de ensaios de desgaste por deslizamento, na configuração esfera sobre disco, a 400, 550 e 700º C. Os resultados mostraram que o aumento da diluição suprimiu a formação do boreto Cr5B3 e em consequência disso, a dureza reduziu. O comportamento tribológico foi determinado pelo efeito combinado da diluição e temperatura de ensaio. A diluição modifica a resistência a oxidação e o tipo de óxido formado; a temperatura determina a quantidade de oxidação e ambos influenciam a formação de elementos interfaciais. Com o aumento da temperatura, os revestimentos com maior diluição apresentaram melhor desempenho devido a formação de uma tribocamada compacta que cobre grande parte da trilha de desgaste. Esse comportamento está relacionado com a menor resistência a oxidação dos revestimentos com maior diluição e teor de Fe, o que leva a uma maior geração de debris e pode ser traduzido em maior quantidade de matéria prima para formação da tribocamada. Palavras-chave: Revestimentos soldados. Colmonoy-6®. Diluição. Desempenho. Comportamento tribológico em elevadas temperaturas. / Abstract: Hardfacing involves the interaction with substrate steel being coated: dilution. Irrespective of the technique, some dilution always occur. In fact, it is required to ensure the metallurgical bond between the coating and the substrate. Usually dilution causes changes on the chemical composition, microstructure and as consequence on the performance of coating. Although these effects have been study at room temperature, the impact of dilution on the high temperature performance is an open subject. This work assessed the effect of dilution on the high temperatures wear behavior of NiCrSiBC alloy processed by plasma transferred arc (PTA) on stainless steel AISI 304. The impact of dilution on the microstructure of the coatings was evaluated by EDX, XRD, SEM-EDS, optical microscopy and hardness; high temperature wear behavior through ball on disc sliding wear test. The results showed that dilution increases suppressed the formation of Cr5B3 borides formation and as consequence hardness decreased. Wear behavior was determined by combined effect of dilution and test temperature. Dilution alters oxidation resistance and the kind of oxides formed; test temperature the amount of oxidation, and both determine tribolayers formation. With increasing of temperature, the coating with higher dilution exhibited the better performance than coatings with lower dilution due a compacted tribolayer formation which almost covering the wear track. This behavior is related with poor oxidation resistance of coating s with higher dilution and Fe content. It drives to a higher debris generation, which can be translated in higher amount of feedstock to tribolayer formation. Keywords: Hardfacing. Colmonoy-6®. Dilution effect. Performance; High temperature wear behavior.
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Modelo teórico experimental do comportamento mecânico de tubulações de distribuição de gás natural em PEAD PE-100

Simon, Cristian Luiz January 2017 (has links)
Orientador : Prof. Dr. Julio Cézar de Almeida / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 20/09/2017 / Inclui referências : fls. 66-69 / Resumo:O uso do polietileno de alta densidade (PEAD) como matéria prima na fabricação de tubulações para distribuição e consumo de gás natural está em ascensão devido ao crescimento das redes de distribuição no Brasil. A melhoria nos processos de polimerização do PEAD possibilita a obtenção de compostos de melhor qualidade e por conta disso, maior resistência. Os ensaios previstos para o projeto das tubulações desconsideram, entretanto, a existência de eventuais defeitos nas paredes externas dos tubos. Dessa forma, o trabalho apresenta uma metodologia numérico-experimental baseada em ensaios de pressão destrutivos em corpos de prova (tubos de PEAD) com entalhes longitudinais e num modelo parametrizado utilizando Redes Neurais Artificiais. O respectivo modelo permite a correlação entre a pressão e tensão de ruptura, deformação e tempo até a falha, possibilitando o cálculo das deformações pelo princípio da correspondência viscoelástica mediante a aproximação das curvas obtidas experimentalmente. Os parâmetros do material são estimados a partir de dados da literatura, evidenciando a influência da taxa de deformação no comportamento viscoelástico do PEAD. Os resultados obtidos mostram que os corpos de prova com entalhes a partir de 20% da espessura apresentam ruptura frágil. A partir de 30% da espessura da parede a pressão de ruptura cai drasticamente, evidenciando com isso uma possível redução na previsão da vida útil de tubulações de PEAD. Palavras-chave: Gás natural. Tubulações de polietileno de alta densidade. Testes de pressão. Viscoelasticidade. Redes neurais artificiais. / Abstract: Polyethylene has been widely used as a raw material in piping lines of natural gas distribution due to the growth of network in Brazil. Production of quality HDPE polymers is improved by using new polymerization techniques producing better mechanical properties. The current tests do not forecast the effects of inherent flaws in outside pipe wall. Thus, the work presents a numerical-experimental methodology based on destructive pressure tests on test bodies (HDPE pipes) with longitudinal notches and on a parameterized model using Artificial Neural Networks. The respective model allows the correlation between pressure and rupture stress, strains and time to failure, and also the calculation of the deformations by the Correspondence Principle of viscoelasticity matching by approximation of the curves obtained experimentally. The material properties were estimated from literature data, evidencing the influence of the strain rate on the viscoelastic behavior of HDPE. The obtained results show that the specimens with notches from 20% of the wall thickness show brittle fracture. Above 30% of the wall thickness the rupture pressure drops dramatically, thus evidencing a possible decrease in the remaining lifetime of HDPE pipes. Keywords: Natural gas. High-density polyethylene pipes. Pressure tests. Viscoelasticity. Artificial neural networks.
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Revestimento de liga de níquel inconel 625 por plasma com arco transferido (PTA) sobre aços API 5L X70 e AISI 316L

Antoszczyszyn, Tiago José January 2014 (has links)
Orientador : Prof. Dr. Adriano Scheid / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 17/12/2014 / Inclui bibliografia / Resumo: A Liga de Niquel do tipo Inconel 625 e usada em componentes de turbinas aeronauticas ou de geracao de energia e equipamentos na industria do petroleo, especialmente devido a sua tenacidade aliada a elevada resistencia a corrosao. Frequentemente, revestimentos com esta liga de Niquel sao utilizados para proteger a superficie de componentes de aco. As propriedades dos revestimentos dependem da composicao quimica e da microestrutura, influenciados por sua vez pelos parametros de processo na deposicao e pela composicao do aco a ser revestido. O processo de Plasma com Arco Transferido (PTA) vem sendo estudado para o processamento de revestimentos para diversas aplicacoes, com diversas vantagens associadas. A presente dissertacao avaliou o impacto da diluicao sobre a microestrutura e propriedades da liga de Niquel IN 625 depositada por Plasma com Arco Transferido (PTA) sobre dois substratos: aco carbono API 5L X70 e aco inoxidavel AISI 316 L. Diferencas relacionadas a interacao com o substrato foram maximizadas pela analise de revestimentos com cordao unico, processados com tres correntes de deposicao: 120, 150 e 180 A. A liga de Niquel atomizada foi fundida e tratada termicamente com o objetivo de avaliar o impacto da diluicao na dureza e fases formadas comparativamente a uma amostra de referencia sem diluicao. Microscopia Eletronica de Varredura, Laser Confocal e difracao de raios-X foram utilizados para caracterizar a microestrutura. A diluicao foi determinada pelo metodo da razao de areas e a dureza Vickers medida na secao transversal dos revestimentos. Os resultados indicaram a diluicao aumenta com o aumento da corrente de deposicao e tambem e fortemente influenciada pelo substrato. Diluicao entre 5 e 29% foi medida para os revestimentos processados sobre aco API 5L X70 e entre 22 e 51% para o substrato de mais baixa baixa condutividade termica, AISI 316 L. Os revestimentos apresentaram microestrutura composta por dendritas de ƒ× (Ni-CFC) e regiao interdendritica enriquecida em Molibdenio e Niobio, contendo carbonetos. Diferencas na microestrutura e propriedades dos revestimentos podem ser associados com a interacao com cada substrato. A maior fracao de carbonetos e menor diluicao promoveram maior dureza nos revestimentos processados sobre API 5L X70, enquanto a baixa condutividade termica do aco AISI 316 L levou a maior diluicao e maior teor de ferro em solucao solida nestes revestimentos, induzindo a menor dureza do deposito. Apesar disso, a corrente de deposicao levou a maior variacao na dureza, comparativamente ao tipo de substrato de aco. Ja o desempenho em desgaste dos revestimentos foi afetado significativamente tanto pela corrente de deposicao quanto pelo substrato de aco. Melhor desempenho foi verificado para os revestimentos depositados sobre aco carbono API 5L X70, como consequencia da menor diluicao, maior refino da estrutura e maior fracao de carbonetos presentes. Palavras-chave: Plasma com Arco Transferido (PTA) Liga de Niquel, Liga 625, relacao Microestrutura-Propriedades. / Abstract: Nickel-based alloy Inconel 625 is utilized to protect components of aircrafts, power generation and oil refinery components due to its toughness and corrosion resistance. Ni-based alloy hardfacing is frequently applied to protect steel components surface. These properties are related with the chemical composition and microstructure of coatings, which depend on the processing parameters and the steel substrate composition to be protected. Plasma Transferred Arc (PTA) weld surfacing has been studied for coatings to several aplications, exhibiting many advantages. This paper assessed the impact of dilution on Ni-based alloy IN 625 microstructure and properties, deposited by Plasma Transferred Arc (PTA) on two substrates: API 5L X70 carbon steel and AISI 316 L stainless steel. Differences due to the interaction with the substrate were maximized analyzing single track coatings processed with three different deposition current intensities: 120, 150 and 180 A. Atomized Nickel-based alloy was molten and heat treated to evaluate hardness and formed phases as a reference sample, as no dilution is envolved. Scanning electron and Laser confocal microscopy and X-ray diffraction analysis were performed to characterize the microstructure and phases formed. Dilution was determined thru the area ratio method and Vickers hardness measured on coatings transverse section. Results indicated increasing dilution with the deposition current increase and substrate also influenced dilution. Dilution ranging from 5 to 29% was measured on coatings processed on the API 5L X70 steel and from 22 to 51% on the lower thermal conductivity AISI 316L steel substrate. Coatings exhibited microstructure composed by ƒ× dendrites (Ni-FCC) and rich interdendrictic region with higher Molybdenum and Niobium contents, with dispersed carbides. Differences on coatings microstructure and properties can be associated to the interaction with each substrate. Higher carbides fraction and lower dilution account for the higher coating hardness when processing on API 5L X70 whereas on the low thermal conductivity AISI 316L that experienced higher Iron content and dilution and, therefore, lower hardness. Wear performance of coatings was influenced by the deposition current and the substrate steel. Better performance was observed for coatings deposited on Carbon API 5L X70 steel, as a consequence of lower dilution, lower dendrite arm spacing (DAS) and higher carbides volume fraction. Keywords: Plasma Transferred Arc (PTA), Nickel-based Alloy, IN625 alloy, Relation Microstructure-Properties.
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Avaliação numérica na predição de forças no processo de estampagem incremental de ponto único

Olivio Filho, Paulo Sergio January 2017 (has links)
Orientador : Prof. Dr. Paulo Victor Prestes Marcondes / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 25/05/2017 / Inclui referências : fls. 106-111 / Resumo: Dentre diversos processos de conformação de chapas aplicados a indústria metal mecânica, a estampagem incremental de chapas tem um grande potencial em aplicações industriais devido à sua simplicidade. Com interesse por esse processo, estudos científicos e aplicações práticas tem crescido constantemente nos últimos anos. Desta forma, estudando este tipo de processo de fabricação, neste trabalho avaliou-se a precisão da simulação computacional no processo de estampagem incremental de ponto único a fim de determinar os esforços requeridos aplicado ao conjunto máquina-ferramental e produto, com aplicação experimental de diferentes parâmetros de processos. Os ensaios experimentais foram realizados com um centro de usinagem CNC de três eixo, ferramentais e um dinamômetro Kistler modelo 9139 AA para obtenção dos dados de força. Neste estudo aplicaram-se parâmetros ao processo, analisando a mudança do ângulo de parede e o passo vertical na direção Z, aplicado em conjunto com outros parâmetros fixos para a conformação de peças em aço no formato de cone truncado. Partindo de uma metodologia experimental, foram retirados os dados de força normais na direção Z e forças cisalhantes na direção X e Y e posteriormente tratados para se comparar e avaliar a predição das forças com os resultados obtidos na modelagem por elementos finitos via "software" Abaqus®. Na simulação foram adotadas as propriedades mecânicas, leis constitutivas, critério de escoamento e um modelo de endurecimento isotrópico para alimentação dos dados do material ao modelo numérico. Para o modelo numérico foi utilizada modelagem explicita com o elemento tipo casca (S4R) com integração reduzida e refino definido em estudo. Os resultados mostraram que os comportamentos do material devido aos diferentes parâmetros do processo avaliado foram previstos pelo modelo numérico na análise das forças pico (Fz_p), forças normais médias (Fz_m) e forças cisalhantes médias (Fxy_m). Tanto os dados experimentais quanto numéricos mostraram que o aumento do ângulo de parede e do passo vertical na direção Z, contribuiram para o aumento da força de deformação necessária para se moldar a peça. Conforme estudos os erros entre o experimento e o simulado estão de acordo com as referências estudadas. . Palavras-chave: Estampagem Incremental de Ponto Único (SPIF). Predição de Forças. Análise por Elemento Finito. / Abstract: Among several sheet metal forming processes applied to the mechanical industry, the incremental sheet forming has immense potential in industrial applications due to its simplicity. With interest in this process, scientific studies and practical applications have grown steadily in recent years. In this work, it analyzed the computational simulation in the single-point incremental forming process to determine the necessary efforts to the machine, tools and products, with experimental application of different parameters of processes. The experimental tests were performed with a three axis CNC machining center, tooling and a dynamometer Kistler model 9139 AA to obtain force data. In this study were applied to the process, analyzing the change of the vertical angle and the vertical pitch in the direction Z, applied in conjunction with other fixed parameters for the conformation of steel pieces in truncated cone shape. From an experimental methodology, the normal force data in the Z direction and shear forces in the X and Y direction were extracted and later treated to compare and evaluate the force prediction with the obtained results in finite element modeling using software Abaqus®. In the simulation, the mechanical properties, constitutive laws, flow criterion and an isotropic hardening model were adopted to feed the material data to the numerical model. For the numerical model, explicit modeling with the shell element (S4R) with reduced integration and refining defined in the study was used. (Fz_m), average normal forces (Fz_m) and average shear forces (Fxy_m). The results showed that the behavior of the different parameters of the evaluated process was predicted by the numerical model in the analysis of the peak forces. Both the experimental and numerical data showed the increase of the vertical angle and the vertical pitch in the Z direction contributed to the increase of the force deformation required to mold the part. According to studies the errors between the experiment and the simulation are in agreement with the studied references. Keywords: Single Point Incremental Forming (SPIF). Prediction forces. Finite Element Analysis.
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Otimização estrutural topológica com refino de malha adaptativo isotrópico

Gonçalves, João do Carmo Lopes January 2016 (has links)
Orientador : Prof. Dr. Carlos Alberto Bavastri / Coorientador : Prof. Dr. Jucélio Tomás Pereira / Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 01/09/2016 / Inclui referências : f. 116-125 / Área de concentração : Fenômenos de transportes e mecânica dos sólidos / Resumo: Em geral, as abordagens empregadas para solução de problemas de otimização estrutural topológica contínua (OETC) apresentam como resultado uma topologia em que, no contorno do material, ocorre uma variação significativa das densidades. Nessas regiões, é difícil determinar o contorno exato do material e um refino da malha contribui para a redução desse problema, resultando em uma definição mais clara do contorno do material. Essa questão pode ser vista como um problema de distribuição de material, e o resultado final desse processo é se existe ou não existe material nos elementos do domínio, influenciando diretamente na variação das propriedades mecânicas do material. Para um refino de malha adaptativo, a estimativa de erro de aproximação é necessária para guiar todo o processo. Neste trabalho é proposta uma metodologia considerando o uso combinado de técnicas de otimização estrutural e refinamento de malha tipo adaptativo h-isotrópico. Aqui as estimativas dos erros a posteriori baseiam-se na recuperação das derivadas e na norma em energia. É utilizado o estimador de erro Zienkiewicz e Zhu e, como medida da qualidade do estimador, usa-se o conceito de índice de efetividade. Na geração da nova malha o critério de malha ótima é de equidistribuição do erro elementar. As principais contribuições deste trabalho são: i) a proposta de uma nova metodologia de projeto de malha adaptativa h-isotrópica e ii) aplicação da metodologia proposta em problemas bidimensionais, de otimização estrutural em topologia contínua. Nos exemplos numéricos é realizada uma análise comparativa entre a abordagem clássica de projeto de malha ChP, segundo Zienkiewicz e Zhu (1987), e a projeção de malha por recuperação quadrática da densidade do erro elementar (QER), que é a proposta neste trabalho. Os resultados evidenciam a eficiência da metodologia que combina OETC/adaptatividade tanto na definição mais clara do contorno do componente quanto na redução dos erros. Palavras-chave: Otimização estrutural topológica continua. Método dos Elementos Finitos. Adaptatividade. Refino de malha isotrópico. / Abstract: Generally, the approach used to solving continuous topological structural optimization problems (OETC) results in a topology which in the edges of the material occur significant density changes. In these regions it is difficult to determine the exact contour of the material in refining the mesh contributes to the reduction of the problem, resulting in a clearer definition of the boundary of the material. This question can be understood as a problem of material distribution, and the result of this process is if exists material in the elements of the domain, generating a variation in mechanical properties. For a mesh refinement, the approximation error estimation is necessary to guide the entire adaptive process. In the current work proposes a methodology considering the combined use of structural optimization techniques and mesh refinement of the h-adaptive isotropic type. In this, the a posteriori error estimations are based in the recovery of the derivative and in the norm in energy. It is used the Zienkiewicz and Zhu error estimator and to measure the estimator quality is utilized the concept of effectiveness index. In new mesh generation, the optimum mesh criteria is of equidistribution elementary error. The main contributions of this work are: i) the proposal of a new mesh project methodology in adaptive finite element h-isotropic and ii) application of the proposed methodology in two dimensional structural topology optimization problems. In the numerical examples is performed a comparative analysis between the classical approach of mesh ChP project, according (Zienkiewicz and Zhu, 1987) and the mesh projection by quadratic recovery of elemental error density (QER), that is the purpose of this work. The results show the effectiveness of the methodology that combines OETC/adaptivity both clearer definition of component contour as in reducing errors. Keywords: Continuous topological structural optimization. Finite element method. Adaptivity. Isotropic mesh refinement
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Tratamento termoquímico de nitretação em aço austenítico en 10090 X50

Schmitz, Sidnei January 2014 (has links)
Orientador : Prof. Dr. Adriano Scheid / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 05/12/2014 / Inclui bibliografia / Área de concentração: Manufatura / Resumo: Válvulas para motores a combustão interna necessitam de materiais ou revestimentos para atuar em condição severa que envolve elevada temperatura, ambientes corrosivos e baixa lubricidade. A aplicação requer aços com boa tenacidade, aliada à elevada resistência ao desgaste, principalmente na área de contato entre a válvula e a sede de válvula. O aço austenítico EN 10090 X50 é comumente aplicado a válvulas em motores a combustão, entretanto, encontra condições mais severas de uso em motores tipo "flexfuel". Uma das soluções utilizadas para melhorar o desempenho das válvulas é a aplicação do tratamento termoquímico de nitretação. O presente projeto estudou o tratamento termoquímico de nitretação do aço EN 10090 X50 com o objetivo de caracterizar as camadas desenvolvidas na superfície do componente. O estudo foi realizado em três etapas: 1) Caracterização do aço e da nitretação industrialmente aplicada por banhos de sais, 2) estudo experimental do tratamento de nitretação a plasma e, 3) Proposição e caracterização de nitretações industriais a plasma. Para tal, válvulas do aço X50 foram caracterizadas por microscopia óptica e eletrônica de varredura, dureza Vickers e difração de raios X. Em caráter complementar, algumas camadas formadas foram caracterizadas quanto à difusão dos elementos Carbono e Nitrogênio por espectrometria de descarga luminescente (GDOS). O coeficiente de atrito foi utilizado como medida comparativa e determinado a partir de ensaios em tribômetro. As válvulas tratadas em banhos de sais apresentaram endurecimento superficial relacionado à formação de camada de compostos e zona de difusão com dureza superior a 1000 HV. Os tratamentos experimentais de nitretação a plasma com atmosfera N2 + H2 promoveram similar endurecimento superficial e composição de camadas de difusão e compostos, cuja formação mostrou dependência com o tempo, atmosfera de tratamento e geometria do componente. O comportamento das amostras tratadas por nitretação a plasma foi similar ao tratamento em banhos de sais, considerando as medidas de coeficiente de atrito e largura de trilhas de desgaste formadas. Os ciclos industriais de tratamento a plasma foram realizados com atmosfera N2 + H2 + CH4 e levaram à ausência de camada de compostos. Palavras-chave: Nitretação a Plasma. Aço X50. válvulas de motor à combustão. / Abstract: Engine valves request wear resistant materials and / or coatings to withstand an operation condition involving high temperature, corrosion and low lubricity. This application demands high toughness steels, allied to high wear resistance, especially on contact areas between valve and the seat of the valve. Austenitic steel EN 10090 X50 is commonly used for engines valves, but more corrosive environments and lower lubricity is experienced on bi-fuel "flex-fuel". Therefore, valves require enhanced surface properties. A solution often used to improve valves performance is the nitriding thermochemical treatment. This work studied the nitriding thermochemical treatment of EN 10090 X50 steel, to characterize formed layers at the valves surface. The study was developed thru three different steps: 1) Characterization of steel and industrial salt bath treated valves, 2) Experimental study of thermochemical plasma nitriding, and 3) Purpose and characterization of plasma industrial trials. So, X50 steel valves were characterized by optical and scanning electron microscopy, Vickers Hardness and X-ray diffraction analysis. In addition, Glow Discharge Optical Spectrometry (GDOS) was conducted to characterize diffusion of Carbon and Nitrogen into treated layers. Wear tests were performed to compare performance of different treatments and friction coefficient was measured on tribometer. Salt baths treated valves showed surface hardening related to the presence of a compound layer and diffusion layer. Measured hardness was superior to 1000 HV. Experimental plasma treatment performed with N2 + H2 atmosphere leaded to similar surface hardening and presented compounds and diffusion layers at the surface, showing dependence between treatment time, atmosphere and component geometry. Plasma nitrided samples presented similar behavior than salt baths considering friction coefficient and worn track width. Industrial treatments performed with N2 + H2 + CH4 atmosphere induced no compounds layer formation at the surface. Keywords: Plasma Nitriding. X50 steel. engines valves.
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Otimização dimensional, de forma e topológica de estruturas treliçadas utilizando um algoritimo híbrido

Silva, Francielly Elizabeth de Castro January 2015 (has links)
Orientador : Prof. Dr. Jucélio Tomás Pereira / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 20/02/2015 / Inclui bibliografia / Área de concentração: Engenharia mecânica / Resumo: As estruturas treliçadas desempenham um importante papel na economia, uma vez que frequentemente levam a soluções em que é utlizado menos material, além de possuírem inúmeras aplicações. O objetivo principal do presente estudo é contribuir no desenvolvimento de uma técnica que visa projetar essas estruturas de forma ótima. Este texto discute um problema de otimização estrutural dimensional, de forma e de topologia, que busca a minimização do peso de treliças tridimensionais, considerando como restrições a falha material, a falha por instabilidade estrutural local (flambagem de cada barra) e deslocamentos nodais. A estrutura pode ser submetida a múltiplos casos de carregamento. A configuração ótima é obtida pela aplicação de uma técnica híbrida de otimização a qual utiliza Algoritmos Genéticos (AG), com o intuito de aproximar o ponto de mínimo global e, posteriormente, um método de Programação Não Linear para realizar uma busca local. A implementação do AG considera abordagens adaptativas de penalização das restrições, de cruzamento e mutação. Como variáveis de projeto, têm-se as áreas das seções transversais de cada elemento e algumas coordenadas nodais movíveis. As variáveis de área podem variar continuamente ou de forma discreta (a fim de utilizar elementos disponíveis comercialmente) e as variáveis de coordenadas dos nós movíveis variam continuamente. A fim de reduzir o número de variáveis de projeto e manter possíveis simetrias da estrutura, são considerados agrupamentos de elementos. A metodologia proposta foi implementada no software Matlab® e foram avaliados seis casos encontrados na literatura, evidenciando que a mesma é promissora. Palavras-chave: Estruturas treliçadas. Otimização estrutural dimensional. Otimização estrutural de forma. Otimização estrutural topológica. Algoritmos Genéticos. Algoritmo híbrido. / Abstract: Truss structures have an important role in the economy, since they often lead to solutions with less material, besides having numerous applications. Optimal design of these structures is the main objective of the present study. It discusses a problem of sizing, shape and topology structural optimization, which seeks to minimize the weight of three-dimensional trusses, considering as constraints the material failure, the failure by local structural instability (buckling of each bar) and the nodal displacements. The structure may be subjected to multiple load cases. The optimum truss configuration is obtained by applying a hybrid optimization technique, which uses Genetic Algorithms (GA) to approach the global minimum point and, subsequently, a Nonlinear Programming to perform a local search. The implementation of GA considers adaptive approaches to penalize the constraints and to crossover and mutation. The design variables are the areas of the cross sections of each element and some movable nodal coordinates. The variable area may vary continuously or discretely (in order to use commercially available elements), and whereas the variables of movable coordinates of the nodes vary continuously. In order to reduce the number of design variables and maintain possible structure symmetries, grouping of elements are considered. The proposed methodology is implemented in Matlab and employed to evaluate six cases found in the literature, showing that it is promising. Keywords: Truss structures. Sizing optimization. Shape optimization. Topology optimization. Genetic Algorithms. Hybrid algorithm.
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Estudo da erosão por cavitação sobre diferentes morfologias de revestimentos de FeMnCrSiB aplicados por aspersão térmica chama FS e HVOF com tratamento de shot peening

Sucharski, Gustavo Bavaresco January 2016 (has links)
Orientador : Prof. Dr. Ramón Sigifredo Cortés Paredes / Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 20/10/2016 / Inclui referências : f. 103-108 / Área de concentração : Manufatura / Resumo: Revestimentos obtidos por aspersão térmica apresentam diferentes características morfológicas de acordo com o processo utilizado. Bem como, diferentes morfologias de revestimento mudam algumas propriedades mecânicas, que por consequência podem alterar o desempenho, por exemplo, de resistência à cavitação, para a mesma liga. Neste sentido, para esta pesquisa foram utilizados os processos de aspersão térmica a chama-pó (FS-pó) e HVOF, que produzem revestimentos com diferentes morfologias, a partir da mesma matéria-prima. O objetivo principal foi avaliar o comportamento desses revestimentos, com duas morfologias distintas, obtidos a partir da mesma liga, no desempenho de resistência a erosão por cavitação acelerada, considerando duas condições iniciais de superfície, polida e tratada por shot peening. Para este propósito foi utilizado uma liga austenitica do tipo FeCrMnSiB, sendo o tratamento de shot peening feito com esferas de aço. Tanto a liga como os revestimentos foram caracterizados por MEV, EDS e DRX. O teste de cavitação acelerada foi realizado pelo método indireto, conforme a norma ASTM G-32. Para caracterizar o início da erosão os revestimentos foram analisados a cada minuto de cavitação, até somar 5 minutos, após esse período foram analisados em 10, 20 e 30 minutos, daí então as análises foram realizadas a cada 30 minutos. A caracterização consistiu em: medição de perda de massa; análise do perfil de rugosidade, por microscopia confocal; morfologia da erosão, por MEV; e, transformações de fase, por DRX. Os revestimentos estudados apresentam valores similares de porosidade e teor de óxidos, sendo estes valores significativamente baixos, obtidos por otimização de parâmetros de processos de deposição. A taxa de erosão foi menor para os revestimentos tratados por shot peening, sendo que para o HVOF foi mais baixa do que para Chama-pó (0,10 e 0,67 mg/min, respectivamente). A microscopia confocal mostrou que a rugosidade tende a se igualar ao longo do tempo de ensaio, independente do revestimento ser polido ou tratado por shot peening. O MEV permitiu identificar os mecanismos de erosão para ambos os revestimentos. As analises por DRX mostraram que ocorrem transformações de fase, mas não influenciam significativamente o desempenho dos revestimentos. De uma forma geral, o estudo mostra que há diferença nos mecanismos de erosão para diferentes morfologias de revestimentos obtidos por aspersão térmica. Palavras-chave: morfologia de revestimento aspergido; HVOF; FS-pó; caracterização de revestimentos; mecanismos de erosão por cavitação. / Abstract: Thermal spraying coatings have different morphological characteristics according to the process used. As well, different coating morphologies change some mechanical properties, which may consequently alter the performance, e.g., of cavitation resistance, for the same alloy. Therefore this reasearch used two thermal spray processes, Powder FlameSpray (Powder-FS) and Hhigh Velocity Oxi-Fuel (HVOF), that produce coatings with different morphologies, from the same feedstock. The main goal it is evaluate the behavior of this coatings on accelerated cavitation test, with two different morphologies applied with the same alloy, considering two initial surfaces conditions, as polished and treated with shot peening. For this purpose, an austenitic alloy of the FeCrMnSiB type was used, the shotpeening treatment being made with steel spheres. Both the alloy and the coatings were characterized by SEM, EDS and XRD. The accelerated cavitation test was performed using the indirect method according to ASTM G32. To characterize the beginning of erosion the coatings were analyzed every 1 minute of cavitation at the first 5 minutes, after that period were analyzed in 10, 20 and 30 minutes, then the analyzes were every 30 minutes. The characterization consisted of: mass loss measurement; analysis of the roughness profile by confocal microscopy; analysis of the morphology of erosion area by SEM; and, Phase transformations, by XRD. The coatings studied presented similar values of porosity and oxide content, being these values significantly low, obtained by optimization of deposition process parameters. The erosion rate was lower for the coatings treated by shot peening, and for HVOF it was lower than for Powder-FS (0.10 and 0.67 mg/min, respectively). Confocal microscopy showed that the roughness tends to equalize over the test time regardless of the coatings initially being polished or shot peening treated. SEM analysis allowed identified the erosion mechanisms for both coatings. XRD analysis showed that phase transformations occur but do not significantly influence the performance of the coatings. In general, the study shows that there is difference in erosion mechanisms for different morphologies of coatings obtained by thermal spraying. Keywords: Thermal spray coatings morphology. HVOF. Powder-FS. Coating characterization. Mechanisms of cavitation erosion.

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