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Previous issue date: 2015-12-18 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Friction Riveting is an innovative spot joining technology for metal-polymer
hybrid structures. This MSc thesis provided for the first time in the literature, a
fundamental understanding on the Friction Riveting process for metal-thermoset
composites joints. Joints of Ti-6Al-4V rivet and pultruded glass fiber reinforced
thermoset polyester part were produced under three joining conditions with
different heat input. Thorough analytical techniques were used to understand
the physics of the process and the effect of the energy input on the final
microstructure of the joined parts, the physico-chemical changes in the
composite and the local and global mechanical properties of the joints. The
process temperature reached values up to 761 ± 2°C indicating intrinsic
degradation of the composite, formation of a softened/molten glass interlayer
between the rivet and the composite and complex metallurgical transformations
in the metallic rivet. Through monitoring of the process temperature and torque,
an unstable friction regime was observed for FricRiveting of pultruded
thermoset composites leading to distinguished extents of composite
degradation. The microstructure of the Ti-6Al-4V alloy changed across the
length of the rivet, from the equiaxed morphology to acicular structures in the
rivet tip, where plastic deformation occurred. Three microstructural zones were
proposed for each joint part including two thermo-mechanically affected zones
and a heat affected zone. Microhardness mapping was performed in the
metallic rivet evidencing an increase from the center to the tip of the rivet, with a
hardness increment of over 20% compared to the base material (HVTi6Al4V= 300-
320 HV). The glass interphase consolidated in the metallic surface reached
values of up to 974 HV followed by a drastic decrease to 24 HV in the polyester
matrix located out of the joint area. The ultimate bearing strength ranged
between 60 MPa and 166 MPa. Lesser composite degraded areas led to
stronger joints. Two failure modes were observed combining initial composite
bearing followed by final failure through shear of the rivet with partial rivet pullout
or by full rivet pull-out. Complex failure micro-mechanisms were observed
including the combination of cohesive and adhesive failures through the glass
layer and the damaged composite interface. Friction-riveted joints achieved an
ultimate lap shear strength of up to 80% to that of a similar bolted joint. A case
study for a presumptive truss bridge application of friction-riveted joints showed
a necessary of 92 rivets per truss node, 43% less than previous studies and
with potential for further optimization. / Rebitagem por Fricção é uma tecnologia de união pontual inovadora para
estruturas híbridas metal-polímero. Esta tese de mestrado apresenta pela
primeira vez na literatura um entendimento aprofundado do processo de
Rebitagem por Fricção para juntas de metal e compósito termofixo. Juntas de
rebite de Ti-6Al-4V e componente pultrudado de poliéster termofixo reforçado
com fibra de vidro foram produzidas seguindo três condições de processo com
diferentes aportes térmicos. Diversas técnicas analíticas foram utilizadas para
entender a física do processo e o efeito do aporte térmico na microestrutura
final dos componentes unidos, mudanças físico-químicas no compósito,
formação de camada vítrea intermediária entre o compósito e o rebite metálico
e transformações metalúrgicas. Através do monitoramento da temperatura
processual e do torque, um regime friccional não estável foi observado para a
Rebitagem por Fricção de compósito pultrudado termofixo resultando em
distintas extensões da degradação do compósito. A microestrutura da liga de
Ti-6Al-4V transforma-se ao longo da secção transversal do rebite, de uma
morfologia equiaxial no centro do rebite para uma estrutura acicular em sua
extremidade, onde ocorre deformação plástica. Três zonas microestruturais
foram propostas para cada componente da junta incluindo duas zonas termo
mecanicamente afetadas e uma termicamente afetada. Mapa de microdureza
foi realizado no rebite metálico evidenciando um aumento do centro para a
extremidade do mesmo, próximo a 20% comparado com o material de base
(HVTi6Al4V= 300-320 HV). A interfase vítrea consolidada na superfície do rebite
metálico apresentou dureza em torno de 974 HV seguido de um drástico
decaimento para 24 HV na matriz de poliéster localizada fora da região de
união. A tensão máxima de apoio variou entre 60 e 166 MPa. Juntas com
menor área degradada apresentaram os melhores desempenhos mecânicos
em ensaio quase estático de cisalhamento. Dois modos de falha foram
observados combinando um modo de falha inicial por deformação plástica
severa no compósito seguida de falha final por cisalhamento no rebite metálico
com parcial remoção do mesmo ou por remoção completa do rebite.
Complexos micro mecanismos de falha foram observados incluindo a
combinação de falha adesiva e coesiva através da interface entre interfase
vítrea e compósito degradado. Juntas rebitadas por fricção atingiram
resistência ao cisalhamento de 80% da obtida para juntas parafusadas. O
estudo de caso para uma ponte hipotética treliçada revelou um número
necessário de rebites de até 92 rebites por nó da ponte, 43% a menos que o
encontrado em trabalhos anteriores, com potencial para futuras optimizações.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/7724 |
| Date | 18 December 2015 |
| Creators | Borba, Natascha Zocoller |
| Contributors | Canto, Leonardo Bresciani, Amancio Filho, Sergio de Traglia |
| Publisher | Universidade Federal de São Carlos, Câmpus São Carlos, Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, UFSCar |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | English |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSCAR, instname:Universidade Federal de São Carlos, instacron:UFSCAR |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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