Made available in DSpace on 2016-12-08T17:19:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Carlos Opelt.pdf: 7615127 bytes, checksum: 5e43e822ab87a7a0d10b15340d565e38 (MD5) Previous issue date: 2013-07-05 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Suitable cure processes produces epoxy resins with a large quantity of crosslinks. In this way, it has a brittle behavior. One of the many ways to enhance the fracture toughness of epoxy resins, without prejudice the tension resistance, can be made by the addition of nanoparticles. However, there are still some contradictions in the factors of influence (particle size, dispersion state, adhesion, concentration and aspect ratio). This work attempted to evaluate the phenomena involved in the mode I crack propagation on epoxy matrix nanocomposites. For this, nanocomposites with different type of nanoparticle (γ-alumina, multiwalled carbon nanotubes, natural montmorillonite clay and organophilic montmorillonite clay), in three different volumetric concentrations (0.15%, 0.5%, 1.5%) were prepared using the same procedure. Mechanical (ultimate stress, elasticity modulus, ultimate strain and fracture toughness) and thermal properties (cure and glass transition temperature) were analyzed, moreover the mechanisms acting on the enhancement of the rigidity and fracture toughness. The formation of an interconnected network of nanoparticles/agglomerates was observed for the epoxy/alumina nanocomposites, providing enhancements in the elasticity modulus and in the glass transition. Further observations showed a fracture toughness 15% higher than the neat epoxy, where the main mechanism acting is the cavitation and shear yielding. The epoxy/organophilic clay showed no significant changes in the mobility of the polymer chains. This is reflected in the elasticity modulus and glass transition temperature, being the probable cause the existence of micrometric agglomerates observed by TEM. A transition in the acting crack propagation mechanism was observed with a rise in the nanoparticle concentration. While for the epoxy/natural clay, it was noted a enhancement of the elasticity modulus and the glass transition with a rise in the nanoparticles concentration. This behavior is due to a decrease in the mobility of the polymer chains. For the fracture toughness, values 20% higher were observed and the cause was the deflection of the crack propagation front. Finally, the additions of carbon nanotubes provided rises on the elasticity modulus, due to a homogeneous dispersion and an efficient stress transfer. A decrease in the glass transition temperature were also observed, this was attributed to the impediment of the crosslinks caused by the nanotubes. The fractures have demonstrated an interaction between the nanotubes and the matrix, even with the occurrence of pull-out of nanotubes in regions of higher nanotube concentration. / Processos de cura adequados proporcionam às resinas epóxi muitas ligações cruzadas. Desta forma, seu comportamento é frágil. Uma das muitas formas de aumentar a tenacidade à fratura das resinas epóxi, sem provocar diminuições na resistência à tração, pode-se dar pela adição de nanopartículas rígidas. Porém, ainda há contradições quanto aos fatores de influência (tamanho de partícula, estado de dispersão, adesão, concentração, razão de aspecto). Este trabalho buscou avaliar os fenômenos envolvidos na propagação de trincas (iniciadas em modo I) em nanocompósitos de matriz epóxi. Para isto, diferentes tipos de nanopartículas (γ-alumina, nanotubos de carbono de paredes múltiplas, argila montmorilonítica natural e argila montmorilonítica organofílica), em três diferentes concentrações (0,15%, 0,5% e 1,5% em volume) foram preparados usando a mesma rota. Foram analisados para os nanocompósitos em questão as propriedades mecânicas (tensão de ruptura, módulo de elasticidade, deformação na ruptura e tenacidade à fratura) e propriedades térmicas (cura, temperatura de transição vítrea), além do estado de dispersão e dos mecanismos atuantes no aumento da rigidez e da tenacidade à fratura. Para os nanocompósitos com nanopartículas de alumina, observou-se a formação de uma rede interligada de nanopartículas/aglomerados, o que proporcionou aumentos tanto no módulo de elasticidade quanto na transição vítrea. Foram ainda observados aumentos de 15% na tenacidade à fratura, onde o principal mecanismo atuante foi o de cavitação seguida de escoamento por cisalhamento. Os nanocompósitos epóxi/argila organofílica não apresentaram alterações significativas na mobilidade das cadeias poliméricas, se refletindo no módulo de elasticidade e na transição vítrea, sendo a provável causa os aglomerados micrométricos, observados por microscopia. Observou-se também uma transição entre os mecanismos atuantes na propagação da trinca (entre os mecanismos de deflexão e de imobilização de trinca), de acordo com o aumento da concentração de nanopartículas. Já para os nanocompósitos epóxi/argila natural, notou-se aumentos na transição vítrea e no módulo de elasticidade, com o aumento na concentração de nanopartículas. Este comportamento é atribuído às diminuições na mobilidade das cadeias poliméricas. Quanto à tenacidade, foram observados aumentos de até 20%, causado principalmente pela deflexão da frente de propagação da trinca. Em relação à adição de nanotubos de carbono em matriz epóxi, foram encontrados aumentos no módulo de elasticidade, devido a uma dispersão homogênea que proporcionou uma eficiente transferência de tensões. Foram observados também diminuições na transição vítrea, que foram atribuídos ao impedimento histérico dos nanotubos às ligações cruzadas da resina epóxi. As fraturas observadas demonstraram uma interação entre nanotubos e a matriz, inclusive com a ocorrência de pullout de nanotubos em regiões com uma maior concentração de nanotubos de carbono.

Submitted by Lucienne Costa (lucienneferreira@ufcg.edu.br) on 2018-04-11T15:04:12Z No. of bitstreams: 1 MISAEL SOUTO DE OLIVEIRA – DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2017.pdf: 3567770 bytes, checksum: 102f4839f729d6e1ef1648a5b837db9b (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-11T15:04:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MISAEL SOUTO DE OLIVEIRA – DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2017.pdf: 3567770 bytes, checksum: 102f4839f729d6e1ef1648a5b837db9b (MD5) Previous issue date: 2017-08-28 / Capes / A interação dos materiais utilizados na fabricação de equipamentos com os ambientes para os quais são colocados em serviço frequentemente causa sua degradação. A fragilização por hidrogênio apresenta-se como um processo de degradação caracterizado pela nucleação e propagação de trincas nos materiais metálicos, como em tubulações utilizadas no setor de petróleo e gás, sendo classificada como uma das mais perigosas para a integridade estrutural, uma vez que pode ocorrer de forma repentina de difícil percepção, resultando em fratura catastrófica. Por conseguinte, é necessário envidar esforços para obter parâmetros e critérios que ajudam na seleção, inspeção e manutenção de equipamentos, onde as condições operacionais favoreçam a ocorrência de um ambiente de fratura assistida. Para isso, foram realizados ensaios com o aço API 5CT P110, pré-dopado com hidrogênio, seguido pela metodologia de passo incremental (step loading), norma ASTM F1624 (2012), em água do mar sintética com superproteção catódica. A solução de água do mar foi preparada de acordo com a norma ASTM D1141 (2013). O início de crescimento de trinca subcrítico foi determinado através da técnica de queda de potencial de corrente alternada. Os resultados mostraram uma diminuição importante na tenacidade à fratura de iniciação do aço e validaram a determinação do limiar de intensidade de tensões (KIHAC) do aço API 5CT P110 em água do mar sintética sob superproteção catódica. / The interaction of materials used in the fabrication of equipment with the environments for which they are put into service often causes their degradation. The hydrogen embrittlement presents as a degradation process characterized by the nucleation and propagation of cracks in metallic materials, as in pipes used in the oil and gas sector, being classified as one of the most dangerous for structural integrity, since it can occurring suddenly and difficult to perceive, resulting in a catastrophic fracture. Therefore, it is necessary to make efforts to obtain parameters and criteria that help in the selection, inspection and maintenance of equipment, where the operating conditions favor the occurrence of an assisted fracture environment. For this, tests were carried out with the API 5CT P110 steel, pre-doped with hydrogen, followed by step loading methodology, ASTM standard F1624 (2012), in synthetic sea water with cathodic overprotection. The seawater solution was prepared in accordance with ASTM D1141 (2013). The beginning of subcritical crack growth was determined by the technique of alternating current potential drop. The results showed a significant decrease in the steel initiation fracture toughness and validated the determination of the stress intensity threshold (KIHAC) of the API 5CT P110 steel in synthetic sea water under cathodic overprotection.

Resumo: Materiais estruturais utilizados no projeto de equipamentos e instalações industriais podem apresentar mudança de seu comportamento à fratura quando se varia a temperatura. Este tipo de comportamento caracteriza-se pela existência de uma curva de transição, onde 3 regiões ficam bem definidas: os patamares inferior e superior e a região de transição. Na região de transição, os resultados experimentais apresentam alto espalhamento e são bastante dependentes da geometria ensaiada. Para solucionar este problema, foi desenvolvido um modelo analítico experimental, que resultou na edição da norma ASTM E1921-97. O trabalho inclui um estudo da influência de diversas rotas de tratamentos térmicos aplicadas em um aço 4130 utilizado pela indústria aeronáutica, um aço de qualidade API utilizado pela indústria petrolífera e um aço da classe A516 atualmente utilizado pela indústria nacional de vasos de pressão, na microestrutura, propriedades mecânicas de tração e tenacidade à fratura. Os resultados mostraram que o aço 4130 A450, apresentou a melhor correlação entre resistência e tenacidade entre as microestruturas pesquisadas. Este comportamento deve estar associado a rota de tratamento térmico aplicada a esta condição. O tratamento de austêmpera possibilita a formação de bainita que, tradicionalmente é conhecida por apresentar elevados valores de tenacidade. O método proposto pela ASTM pode ser considerado viável para as diversas microestruturas pesquisadas ampliando a aplicação da metodologia que recomenda o ensaio apenas para aços ferríticos. No entanto, a metodologia da Curva Mestra em materiais tratados termicamente deve ser conduzida de forma a se estabelecer parâmetros que considerem as modificações microestruturais sofridas pelo material. / Abstract: Structural materials used in industrial equipments design can change fracture behavior when the temperature is varied. This type of behavior is characterized by the existence of a transition curve, where 3 areas are well defined: inferior and superior landings and the ductile brittle transition. In ductile brittle transition, experimental results present high scatter and depend highly of specimen geometry. In order to solve this problem, an analytical experimental model was developed, resulting in ASTM E1921-97 standard edition. This work includes the influence of several heat treatments analysis applied in a 4130 steel used by the aeronautical industry, a API X70 steel used by the line pipe industry and a ASTM A516 steel used by pressure vases national industry, where it was analyzed the influence in the microstructure, mechanical properties and fracture toughness. The results showed that the 4130 A450 steel presented the best correlation between resistance and toughness among the researched microstructures. This behavior should be associated with the heat treatment route applied. The isothermal quenching treatment makes possible bainite formation which, traditionally it is known by its high toughness values. The methodology proposed by ASTM is considered viable for the several researched microstructures enlarging the application of the methodology that just recommends the rehearsal for ferritics steels. However, Master Curve methodology in heat treated materials must have some parameters settling down considering the microstructure modifications suffered by the material.

Os processos de união por soldagem entre peças e componentes metálicos são indispensáveis para nossa realidade tecnológica. O processo de soldagem por fricção com pino consumível conhecido como FHPP (Friction Hydro Pillar Processing) é um processo desenvolvido recentemente que ocorre no estado sólido através da fricção entre dois materiais e, com isso, reúne algumas vantagens sobre os processos convencionais de soldagem por fusão. Esta técnica apresenta grande potencial de aplicação na indústria de óleo e gás visando reparos de trincas e descontinuidades em equipamentos e estruturas de aços em geral. Apesar do grande potencial desta técnica, o estudo sobre a sua aplicação para produzir juntas com materiais dissimilares ainda é escasso se comparado com outras técnicas de soldagem. Desta forma, este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento e a análise de juntas soldadas utilizando pinos com adição de níquel em chapas de aço com manganês, visando determinar a combinação entre material de pino e parâmetros de soldagem que forneça a junta com melhores características mecânicas e metalúrgicas. Os parâmetros de soldagem que variaram foram: velocidade de rotação e a força axial. Os materiais utilizados nos conjuntos soldados foram chapas de aço ao manganês, classificadas comercialmente como ASTM A516 grau 70, e barras de aço baixo carbono com adição de 3, 6 e 9% de níquel. A análise realizada sobre as juntas abrangeu a caracterização da microestrutura e das propriedades de dureza das regiões específicas da solda além dos ensaios mecânicos de dobramento, tração com micro-amostras e de tenacidade à fratura através do parâmetro CTOD. Todas as soldas tiveram bom preenchimento, porém alguns materiais de pino não proporcionaram boa ductilidade durante o dobramento. As falhas ocorridas durante o dobramento juntamente com os estudos da tenacidade à fratura na zona de ligação mostraram que o acúmulo de inclusões nesta região representa degradação das propriedades mecânicas localmente. Os ensaios de tração com micro-amostras indicam aumento da resistência mecânica na região do material depositado do pino e os valores de CTOD no material termomecânicamente afetado são significativamente maiores do que na zona de ligação, porém não alcançam os valores obtidos nos materiais como não processados. / The processes of union by welding between parts and metallic components are indispensable for our technological reality. The Friction Hydro Pillar Processing (FHPP) process is a newly developed process that occurs in the solid state through friction between two materials and thus has some advantages over conventional fusion welding processes. This technique presents great potential of application in the oil and gas industry aiming repairs of cracks and discontinuities in equipment and steel structures in general. Despite the great potential of this technique, the study of its application to produce joints with dissimilar materials is still scarce compared to other welding techniques. The aim of this work is the development and analysis of welded joints using rod with nickel addition in steel sheets with manganese, in order to determine the combination of rod material and welding parameters that provides the joint with better mechanical and metallurgical characteristics. The welding parameters that varied were: speed of rotation and axial force. The materials used in the welded assemblies were manganese steel plates, commercially classified as ASTM A516 grade 70, and low carbon steel with addition of 3, 6 and 9% nickel. The analysis of the joints included the characterization of the microstructure and the hardness properties of the specific regions of the weld in addition to the bend test, micro-tensile test and fracture toughness through the parameter CTOD. All welds were well filled, however, some rod materials did not provide good ductility during bend test. The failures during folding together with the fracture toughness studies in the bonding zone showed that the accumulation of inclusions in this region represents degradation of the mechanical properties locally. The micro-tensile test indicate increased mechanical strength in the region of the deposited material of the rod and the values of CTOD in the thermomechanically affected material are significantly higher than in the bonding zone, but do not reach the values obtained in the unprocessed material.

As amarras de correntes de aço para aplicação naval utilizadas na indústria de óleo e gás são fabricadas para atender elevadas exigências operacionais. Com a prospecção de petróleo em águas profundas e ultraprofundas o conhecimento de suas propriedades torna-se relevante. Frente a essa necessidade foi realizado o estudo das propriedades mecânicas e metalúrgicas de um elo de corrente de amarra naval na indústria do petróleo proveniente de operação. Esse estudo teve como objetivo principal identificar e avaliar as propriedades mecânicas e metalúrgicas das regiões resultante do processo de soldagem por centelhamento frente ao material de base. Como objetivo secundário foi classificado o material de acordo com algumas propriedades mecânicas recomendadas pela IACS UR W22. Para isso foram realizados ensaios de tração, microdureza, tenacidade ao impacto Charpy e à fratura CTOD, com avaliações metalúrgicas no material de base e região de união por centelhamento. Como resultado foi verificado que o processo de soldagem por centelhamento produziu zonas de extensões reduzidas e com menores valores de tenacidade à fratura e ao impacto. O processo de centelhamento produziu união com espessura de 0,375 mm, com uma zona de solda revelada por ataque químico e duas zonas afetadas pelo calor caracterizadas apenas por perfil de microdureza, com 0,150 mm e 0,300 mm, respectivamente. Os menores valores de tenacidade ao impacto Charpy e à fratura CTOD foram medidos nos corpos de prova posicionados na zona afetada pelo calor. Os resultados obtidos em todos os ensaios foram comparados com as recomendações técnicas IACS UR W22, onde caracterizou o elo como grau R4. / Mooring chains of offshore systems anchors are design to be used under extreme environment operation. New fields of exploration have been operated in deep water and ultra-deep water, wherefore, require more knowledge of the mechanical and metallurgical properties. Hence a study of a studless link of offshore chain from the operating service component was carried out. The main goal of this work was to determine and evaluate the properties of the base material and the zones produced by Flash Butt Welding Process. Furthermore, the material was characterized by the IACS UR W22 standard recommendation. In this study tests of tensile test, microhardness, Charpy and CTOD toughness, mechanical and metallurgical evaluation were performed in the base material and welding zones. The results showed small welding zones with reduced impact and fracture toughness. The lowest values were seen in specimens from the heat affect zone. The weld zone thickness observed by chemical etching extend 0,375 mm and the microhardness profile indicated a Heat Affected Zone (HAZ) with 0,150 and 0,300 mm. The lowest Charpy and CTOD toughness tests were measured in the HAZ specimens. These results were compared with IACS UR W22 standard recommendation and the link chain was characterized as R4 grade.

O processo de soldagem por fricção com pino consumível possui como campo de aplicação a área de reparo e manutenção de estruturas. Por ser uma técnica desenvolvida recentemente, o conhecimento relativo à sua aplicação ainda não está completamente fundamentado. Dessa forma é necessário que se entenda o comportamento das juntas soldadas para determinar a viabilidade de sua utilização. Atualmente uma das ferramentas existentes para isso é o emprego dos conceitos de mecânica da fratura, que possibilitam a determinação de valores quantitativos de tenacidade. A partir disso objetiva-se identificar qual é a resposta frente à tenacidade à fratura que diferentes materiais desempenham quando soldados por fricção com pino consumível. No presente trabalho foi utilizada cpmo parâmetro de análise a medição de tenacidade à fratura pelo método de CTOD (Crack Tip Opening Displacement) em juntas soldadas com diferentes materiais de pino consumível e metal base. Essas medições concentraram-se nos materiais originais do pino, do metal de base e na região adjacente à interface lateral das juntas. Os materiais estudados foram o aço BS EN10025, os inoxidáveis austeníticos AISI 316L e ASTM F138, e o duplex UNS S31803. Adicionalmente foram realizadas análises fractográfica, macro e microestrutural, bem como ensaios de microdureza visando o entendimento do comportamento das juntas soldadas. Os resultados de CTOD indicaram que as microestruturas originadas com a soldagem, bem como a presença de inclusões de MnS, influenciam significativamente a tenacidade. / The Friction Hydro Pillar Processing has as a field of application in the area of repair and maintenance of structures. However as it is a technique developed recently, knowledge on its application is not fully established. Thus, it is necessary to understand the behavior of the joints in order to determine the feasibility of use. Nowadays one of the existing tools for this is the use of the concepts of fracture mechanics that allow the determination of quantitative values of toughness. From that this work aims to analyse fracture toughness in different materials welded by Friction Hydro Pillar Process. The analysis of fracture toughness was performed by the method CTOD (Crack Tip Opening Displacement) in samples welded with different materials of stud and base material. These measurements were concentrated in the original materials of and the interface zone of the welds. The materials investigated were BS EN10025, austenitic stainless steels AISI 316L and ASTM F138, the duplex stainless steel UNS S31803. Additionally were performed macro and microstructural characterization and microhardness tests aimed to understanding the behavior of joints. The CTOD results indicated that the microstructures as well as the presence of MnS inclusions significantly influence the toughness.

A armadura de tração de dutos flexíveis é a camada responsável por suportar as cargas axiais destes equipamentos em campo. Com a tendência de aumento das profundidades de exploração e produção de petróleo offshore, principalmente dos campos do pré-sal brasileiro, faz-se necessário o uso de materiais com desempenho superior. Este trabalho buscou avaliar e comparar dois aços de alta resistência mecânica para tal aplicação, um predominantemente perlítico e outro martensítico. Durante a vida em serviço destes componentes, eles sofrem tensões axiais cíclicas associadas ao processo de corrosão, que gera pites como concentradores de tensões. Considerando estes aspectos, os materiais foram avaliados segundo seu comportamento à fadiga sem e com a presença de um pequeno defeito conhecido, que atua como um entalhe e busca simular um pite de corrosão. Além disso, esses materiais foram caracterizados metalúrgica e mecanicamente e sua tenacidade à fratura foi estimada via o método do CTOD. A partir dos dados experimentais, foi quantificada a sensibilidade ao entalhe, guiada essencialmente pelo processo de iniciação de trinca, ao passo que a tenacidade à fratura não foi decisiva. O material martensítico apresentou desempenho superior em fadiga e menor sensibilidade ao entalhe e mostrou-se promissor para a aplicação como arame da armadura de tração. / The tensile armor of flexible pipes is the layer responsible for support axial loads of this equipment in field. With the trend of deep increase in offshore oil exploration and production, mainly in pre-salt fields, the use of materials with high performance becomes necessary. The aim of this dissertation is evaluate and compare two high strength steels for such application, one with perlite and other with martensitic matrix. During service life of these components, they are damaged by cyclic loading associated with corrosion process which promote corrosion pits like stress concentrators. Considering these aspects, the materials were evaluated according their fatigue behavior with and without a small defect that act as a notch and simulates a corrosion pit. In addition, they were characterized metallurgical and mechanically and their fracture toughness was estimated through CTOD test. From experimental data, notch sensitivity was quantified. This was driven by initiation process, and fracture toughness was not decisive. The martensitic material showed higher fatigue performance and lower notch sensitivity and presented itself promising for tensile armor wire application.

Ensaios de mecânica da fratura utilizando corpos de prova padronizados apresentam alto nível de restrição à deformação plástica na ponta da trinca, devido a esforços de flexão e a trincas profundas. Em decorrência do emprego desses corpos de prova, há um alto conservadorismo nos resultados obtidos por esses ensaios, quando aplicados em materiais de boa tenacidade. Aplicações cujos defeitos estão submetidos a baixos níveis de constricção e a pequenas margens de segurança fazem com que sejam necessários corpos de prova mais próximos do estado de tensão submetido pela estrutura para realizar adequadamente a análise crítica de engenharia (Engineering Critical Analysis - ECA). Este trabalho visa analisar a influência da geometria de corpos de prova e do tamanho da trinca na tenacidade à fratura do aço API 5DP Tool Joint. Este estudo constitui-se da realização de ensaios de tenacidade à fratura com duas geometrias de corpos de prova (SE(B) e SE(T)) e quatro tamanhos de trinca normalizados (a0/W = 0,40; 0,50; 0,60; e 0,70) com a técnica da flexibilidade no descarregamento (unloading compliance). Foi utilizado o projeto de experimentos (DOE) para obter resultados referentes aos efeitos principais dos dois fatores e de suas interações. Foram calculadas, a partir de triplicatas para cada condição, curvas de resistência e valores únicos de tenacidade à fratura (Integral J e CTOD), sendo que o último foi utilizado para o cálculo da análise de variância (ANOVA). Com base nos resultados obtidos, conclui-se que a geometria de corpo de prova, tamanho da trinca e a interação entre os dois fatores possuem efeito significativo sobre as variáveis resposta (CTOD e Integral J) com nível de significância de 5%. Além disso, obtiveram-se os valores de JIC e δi através das curvas de resistência, mostrando que esses valores independem da geometria e do tamanho da trinca. / Fracture mechanics testing using standardized specimens have a high level of restriction to plastic deformation at the crack tip, due the bending stresses and deep crack lengths. Due to the use of these specimens geometry, there is a high conservatism on the obtained results of fracture toughness testing when applied on high toughness materials. The application of specimens closely modeling to the actual stress conditions in the component under consideration are necessary to evaluate structures containing defects with low levels of constraint and small safety margins to perform appropriately the engineering critical analysis (ECA). This work aims to analyze the influence of specimen geometry and crack length on the fracture toughness of API 5DP Tool Joint steel. This study consists in the execution of fracture toughness testing on two specimen geometries (SE(B) e SE(T)) and four normalized crack lengths (a0/W = 0,40; 0,50; 0,60; and 0,70) with the unloading compliance method. Design of experiments (DOE) was applied to obtain results regarding to the main factors effects and their interactions. From triplicates of each condition, resistance curves and unique values of fracture toughness (J integral and CTOD) were calculated, and the latter result was used to calculate the analysis of variance (ANOVA). The obtained outcomes show that the specimen geometry, crack length and the interaction between these factors have significant effect on the response variables (CTOD and J integral) on a significance level of 5%. In addition, there were obtained the values of JIC e δi through the resistance curves, showing that these values do not depend on the geometry and crack length.

Os conceitos de mecânica da fratura têm sido cada vez mais utilizados em projetos de engenharia, permitindo a determinação de tamanhos críticos de defeito ou limites de solicitação em função da presença de trincas. No entanto, para aplicar com sucesso esses conceitos em uma avaliação de integridade estrutural é de suma importância a determinação exata do comportamento a fratura do material. Materiais com comportamento elasto-plástico têm ocupado cada vez mais lugar de destaque em estruturas e componentes críticos de engenharia e a maneira mais utilizada para caracterização da tenacidade à fratura desse tipo de material é a curva J-R. Embora existam métodos normatizados para determinação dessas curvas, esses possuem muitas vezes inconvenientes e limitações que tem justificado o desenvolvimento de vários estudos com vista à determinação de métodos alternativos. Nesse trabalho foi investigada a hipótese de que, a partir do estudo do campo deformacional nas proximidades da ponta de uma trinca, é possível desenvolver uma metodologia para determinação da curva de resistência à fratura de um material com comportamento elasto-plástico. Para tanto, um sistema óptico de medição de deformação baseado na técnica de correlação de imagem digital foi empregado para monitorar a deformação na superfície de corpos de prova do tipo SE(B) durante o ensaio de tenacidade à fratura. O objeto de estudo foi uma junta do aço API X65 soldada por processo de soldagem a laser. Os resultados obtidos demonstram o sucesso da técnica utilizada para obtenção da evolução do campo deformacional durante o ensaio. Além disso, a metodologia empregada possibilitou a determinação de expressões matemáticas que permitem associar valores de deformação com valores de integral J e Δa. Essas expressões são válidas para qualquer uma das três distintas regiões da junta soldada e permitem determinar com sucesso a curva J-R a partir da evolução da deformação durante o ensaio de um único corpo de prova. / The use of fracture mechanics has become increasingly popular in damage tolerance analysis or during determination of load limits in engineering components and structures. Nevertheless, the success of applying the concepts of fracture mechanics to investigate structural integrity assessment is highly dependent upon the correct determination of fracture mechanics material properties. The accurate prediction of ductile fracture behavior plays an important role in structural integrity assessment of critical engineering structures, including nuclear reactors, petrochemical vessels and tanks, pipelines in oil and gas industries and aircraft structures. J-R curve has become the most popular material parameters in elastic-plastic fracture mechanics and has been applied widely in practical engineering. There are procedures to determine J-R curves and they are widely presented in books and international standards. However, these procedures sometimes present some practical limitations or restrictions which have prompted research effort to develop alternative methods. In this work the hypothesis that is possible to develop a methodology to determinate J-R curve to materials with elastic-plastic behavior from analysis of near crack tip strain field was verified. For this purpose, an optical strain measurement system (OSMS) was used in order to monitor strains on surface of SE(B) specimens during fracture toughness testing. The methodology was applied to a laser welded joint of API X65 steel. The measurements successfully evaluate the strain field during testing. Besides of this, the methodology proposed allowed the determination of mathematical expressions to associate strain values with values of J-integral and crack extension (Δa). These expressions are valid to characterize these fracture toughness parameters to any one of the three distinct regions of the weld joint and made possible to determine J-R curve by monitoring the surface strain field evolution during a testing of a single specimen.

O polietileno de média densidade (PEMD) é um polímero termoplástico parcialmente cristalino, cujo uso tem crescido bastante em aplicações de engenharia, como em tubos plásticos para sistemas de distribuição de água e de gás. Sob carga constante, entretanto, este material pode eventualmente apresentar fratura por fluência, por meio de um mecanismo de crescimento lento de trincas, provocando acentuadas perdas por vazamento nos sistemas. Os métodos atuais empregados pela indústria para estimar a durabilidade dos tubos são caros, demorados, pouco práticos e imprecisos. Busca-se o desenvolvimento de técnicas mais eficientes, sendo que os métodos da mecânica da fratura são promissores no sentido de descrever a etapa de propagação da trinca. Ensaios de mecânica da fratura, entretanto, requerem a introdução de pré-trincas nos corpos de prova. Sabe-se que as técnicas artificiais de introdução de pré-trincas causam algum tipo de dano na matriz polimérica, que pode ou não afetar os resultados dos ensaios, dependendo dos eventos que ocorrerem após o carregamento inicial. A principal propriedade requerida de um método de introdução de pré-trinca, portanto, é reprodutibilidade. Neste estudo foram aplicados três importantes métodos de mecânica da fratura ao PEMD e investigados os efeitos de diferentes técnicas de introdução de pré-trincas sobre os resultados dos ensaios e sobre as estruturas de deformação na matriz do material na ponta da trinca. Os ensaios de tenacidade à fratura no estado plano de deformação - KIc - foram realizados em condições criogênicas, em vista do comportamento dúctil do material à temperatura ambiente, sendo que a estratégia mostrou-se satisfatória. Os resultados dos ensaios de Integral-J sugerem que o método pode não ser aplicável ao PEMD, devido ao peculiar mecanismo de fratura do material. O método do trabalho essencial de fratura - EWF - se aplica bem ao PEMD. Os resultados dos ensaios de KIc e EWF demonstraram que diferentes técnicas de introdução de pré-trincas provocam diferentes estruturas de deformação no material na ponta da trinca e afetam os resultados de ensaios de fratura no PEMD. Os resultados de EWF demonstraram ainda que o processamento também afeta as propriedades de fratura do material. É proposta uma nova técnica para a introdução de pré-trincas, com características mais naturais, a qual requer estudos complementares para seu aperfeiçoamento. / Medium density polyethylene (MDPE) is a semicrystalline thermoplastic polymer that has been increasingly used in engineering applications, as plastic pipes for water and gas distribution systems. Under constant load, however, this material may occasionally present creep failure, by means of a mechanism of slow crack growth, leading to leakage losses in the systems. Current methods used by industry to estimate durability of pipes are expensive, time consuming, non practical and inaccurate. The development of more efficient methods is a common target and fracture mechanics methods are promising in describing the crack propagation stage. Fracture mechanics testing methods, however, require the introduction of pre-cracks into the specimens. It is known that artificial methods of introducing pre-cracks produce some damage on the polymeric matrix, which may or not affect the results of tests, depending on the events that occur after the initial loading. Main propriety required of a pre-crack introducing method, therefore, is reproducibility. In this study three important fracture mechanics methods were applied to MDPE and the effects of different methods of pre-cracking over test results and over deformation structures of material matrix at the crack tip were investigated. Plane-strain fracture toughness - KIc tests were performed under cryogenic conditions, in view of the ductile behavior of material at room temperature and this strategy was well succeed. Results of Integral-J tests suggest that this method may not be applicable to MDPE, due to the peculiar fracture mechanism of the material. The essential work of fracture method EWF is well suited to study MDPE. The results of KIc and EWF tests showed that different pre-cracking methods cause different deformation structures in the material at the crack tip and affect the fracture tests with MDPE. EWF results showed also that the processing affect the fracture properties of materials too. It is proposed a new method for introducing pre-cracks, with more natural characteristics that requires complementary studies for its improving.