Engenharia Mecânica
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- Avaliação numérico-experimental do comportamento mecânico de aços API X80 e investigação das variáveis mecânicas e microestruturais envolvidas no crack arrest(2019) Silva, L. N. G.Apesar do usual emprego de aços estruturais modernos de alta tenacidade (classe API) a gasodutos, permanece a necessidade de prever fenômenos de fraturamento dúctil que podem disparar trincas a velocidades próximas de 500 m/s e resultar em prejuízos significativos à sociedade. Neste sentido, e de um ponto de vista de engenharia, alguns modelos para previsão de falha em gasodutos, propostos no passado, deixaram de aderir à fenomenologia ocorrente nos materiais atuais, contribuindo para a perda de similitude entre os corpos de prova (Charpy V-Notch) e estruturas reais. Desta maneira, as pesquisas de Moço (2017) e Pereira (2017) disponibilizaram boas práticas de simulação de corpos de prova de impacto e gasodutos, para compreensão do fenômeno de propagação de trincas em materiais de alta tenacidade sob uma perspectiva da resposta carga-deslocamento e de energia. Contudo, um estudo mais detalhado se faz necessário, além de ensaios experimentais para fins de validação numérica e identificação das variáveis mecânicas e microestruturais que impactam diretamente no crack arrest. Neste cenário se inseriu esta pesquisa, que abordou toda a caracterização experimental por meio de ensaios mecânicos de tração e impacto Charpy instrumentado a partir de chapas de aço API X80, além de testes DWTT preliminares, sendo todos acompanhados por reprodução numérica envolvendo modelo de dano de GTN para compreensão dos fenômenos envolvidos. Assim, apesar do cunho estruturante desta pesquisa, os resultados das análises experimentais apontaram para um norte no que diz respeito às variáveis que impactam na capacidade de frenagem de trincas destes materiais, à exemplo da ocorrência de delaminações em casos onde o arrest não ocorreu. Portanto, este trabalho estabeleceu um alicerce sólido para continuidade das investigações energéticas envolvendo o fenômeno de propagação de trincas em aços de alta tenacidade, partindo das propostas de Leis (2013), Moço (2017) e Pereira (2017), bem como para a identificação das variáveis mecânicas e microestruturais que impactam no crack arrest
Dissertação Desenvolvimento numérico-experimental de corpos de prova aplicáveis a ensaios de tração, compressão e torção de polímeros(2015) Caruso, J. G.Ensaios de tração, compressão e torção representam a base para a caracterização de propriedades mecânicas, seleção e desenvolvimento de materiais. Adicionalmente, fornecem as condições de contorno para o desenvolvimento de projetos de engenharia eficientes e seguros. As metodologias de ensaio são padronizadas (por exemplo pela ASTM - American Society for Testing and Materials-, ISO - International Organization for Standardization -, entre outras entidades) e buscam garantir precisão e repetibilidade entre equipamentos e laboratórios. Normas para variados ensaios em metais são amplamente disseminadas e aceitas, mas no caso de polímeros são centralmente aceitos os ensaios de tração e flexão – os quais, por sua vez, utilizam corpos de prova diferentes e não permitem a caracterização de propriedades ao cisalhamento e à compressão por exemplo. Assim, torna-se de grande relevância a obtenção de um corpo de prova único que, eliminando efeitos geométricos, de volume, de campos de tensão e de processabilidade, permita a realização dos principais ensaios mecânicos. Baseado neste conceito, este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento numérico e a validação experimental de uma família de corpos de prova que possam ser aplicados em ensaios de tração, compressão, torção e em benefício de ensaios como relaxamento e fluência de polímeros com precisão e reprodutibilidade minimizando distorções dos campos de tensões, efeitos de atrito e de flambagem. Para o estudo, simulações e validações experimentais foram considerados materiais limites em termos de uso e extremos na resistência e módulo de elasticidade dentre os principais empregados na indústria: o PEAD (polietileno de alta densidade) e o POM (poli (óxido de metileno)). Os resultados obtidos demonstram que considerações analíticas complementadas por modelos refinados não lineares de elementos finitos permitem o desenvolvimento de geometrias unificadas aplicáveis a múltiplos ensaios em materiais de variadas rigidez e resistência, considerando as especificidades de cada material e modelo. Os ensaios experimentais validaram as propostas e direcionaram as considerações que devem ser realizadas quando simulados os materiais poliméricos e tipos de geometrias na realização de múltiplos ensaiosDissertação Determinação numérica de limites de deformação e flexibilidades elásticas aplicáveis a geometrias C(T), SE(B) e SET(T)(2015) Moreira, F. C.Este trabalho apresenta o desenvolvimento de critérios objetivos para a garantia de validade da mecânica da fratura elasto-plástica monoparamétrica, utilizando o parâmetro integral J como descritor dos campos de tensões, deformações e deslocamentos à frente de um defeito do tipo trinca. Além disso, como objetivo secundário, apresenta soluções de flexibilidade elástica incluindo efeitos 3-D e entalhes laterais para uma ampla variedade de geometrias de corpos de prova de fratura visando aumentar o realismo na determinação de tamanhos instantâneos de trincas durante ensaios de tenacidade à fratura. A maior severidade das aplicações atuais (tensões, deformações, deslocamentos e ambiente agressivo), combinada à utilização de materiais de grande tenacidade e estruturas muitas vezes com baixa restrição à plasticidade, impacta fortemente na validade da mecânica da fratura para prever quantitativamente o comportamento mecânico e o fraturamento de tais estruturas usando dados de laboratório, o que motivou o estudo. O mais importante na vertente monoparamétrica da mecânica da fratura é garantir que os campos de tensões presentes no corpo de prova laboratorial sejam os mesmos existentes em uma estrutura real para cujo projeto as propriedades retiradas do corpo de prova serão utilizadas. Tem-se nesse momento o conceito de similitude, no qual um único parâmetro pode descrever o campo de tensões à frente de uma trinca em uma estrutura e em um corpo de prova. Para o estabelecimento de critérios objetivos para a existência de similitude, esse trabalho comparou os campos de tensões obtidos de estruturas de referência sob alta triaxialidade de tensões (MBL) com aqueles obtidos de corpos de provas de mecânica da fratura em escala de laboratório. A extensa matriz de análise, considerando simulações computacionais em estado plano de deformações, complementadas por análises 3-D, permitiu a determinação dos limites de deformação M para geometrias C(T), SE(B) e SE(T) de diversas configurações e para uma faixa de propriedades de material característica de aços estruturais aplicáveis a vasos de pressão e dutos, assim como também para determinação de soluções de flexibilidade elástica (C). Os resultados apresentados, em especial os limites de deformação M, demonstram a baixa restrição à plasticidade de corpos de prova com trincas rasas, principalmente para corpos de prova SE(B) e SE(T). Ainda, alguns comportamentos inesperados foram evidenciados, como no caso em que (para condições particulares de profundidade de trincas) corpos de prova mais finos apresentaram maior restrição a plasticidade do que amostras mais espessas. Sendo assim, o trabalho oferece uma base objetiva para que a similitude seja garantida nas avaliações de integridade estrutural baseadas na mecânica da fratura elastoplástica suportada pela integral J, seja com seus valores críticos (Jc) ou curvas J-R.Dissertação Estudo da influência da pré-deformação plástica na propagação de trincas por fadiga (da/dN vs. ?K) em aço ASTM A36(2014) Cavalcante, F. G.Materiais metálicos são comumente submetidos a processos de conformação plástica a frio objetivando a manufatura de componentes automobilísticos, ferroviários, petroquímicos entre outros. Uma vez em operação, grande parte destes equipamentos e componentes está sujeita à aplicação de milhares ou até milhões de ciclos repetitivos ou randômicos de esforços ao longo de sua vida útil. Assim, fenômenos envolvendo nucleação e propagação de trincas de fadiga (mecanismo mais frequente em falhas mecânicas em geral) são alvos constantes de estudo para o projeto seguro e estimativa de vida realista de estruturas. Neste contexto, este trabalho investiga o efeito de pré-deformações plásticas geradas por conformação a frio no crescimento de trincas por fadiga no aço ASTM A36. O estudo contemplou a pré-deformação do material original (fornecido na forma de chapas laminadas de 12,7 mm) seguida da realização de ensaios de propagação de trincas por fadiga (da/dN vs. ?K) empregando corpos de prova C(T), conforme recomendado pela norma ASTM E647-11 (2011). Os níveis de prédeformação de 4,3, 8,3 e 14,7, embasaram um estudo exploratório sobre o efeito nas taxas de propagação de trinca na região II (Lei de Paris) em relação ao material original. Toda a metodologia de pré-deformação, assim como os dispositivos necessários aos ensaios de propagação, foram desenvolvidos e implementados pelo autor para suporte ao trabalho. As investigações forneceram: i) a composição química e caracterização microestrutural do material; ii) as propriedades monotônicas para orientações variadas em relação ao sentido de laminação (0º, 45º e 90º); iii) os desejados níveis de pré-deformação quantificados a partir de análise de imagens fotográficas em alta resolução; iv) o efeito da pré-deformação plástica na propagação caracterizada por curvas da/dN vs. ?K. Os resultados evidenciaram sensível redução na taxa de propagação de defeitos por fadiga com o aumento da pré-deformação imposta, atingindo aproximadamente 30 % de redução para pré-deformações de 14,7 %.Dissertação Avaliação experimental do efeito de ciclos térmicos nas propriedades mecânicas convencionais e à fratura de ferros fundidos cinzentos hipoeutéticos ligados(2012) Orlando, Pedro Humberto Gândara,Ferros fundidos cinzentos são amplamente utilizados na indústria metal-mecânica pela interessante combinação de propriedades mecânicas e térmicas proporcionadas. Ao longo de sua vida útil, componentes mecânicos diversos precisam suportar solicitações mecânicas e térmicas (separada ou conjuntamente) sem comprometer sua integridade estrutural (p. ex.: pelo surgimento de trincas). Frente ao comportamento frágil usualmente apresentado por tais materiais em deformação, diversas técnicas de processamento são utilizadas para se atingir as propriedades desejadas de tenacidade, fazendo este material ter grande importância no atual estágio de desenvolvimento da indústria. Entretanto, algumas aplicações práticas submetem os ferros fundidos cinzentos a ciclos de aquecimento (inclusive com austenitização do material) seguidos de resfriamentos bruscos, como ocorre em sistemas de frenagem de grande porte aplicáveis a veículos pesados. Tais ocorrências reduzem expressivamente as propriedades mecânicas desses materiais e favorecem a nucleação e propagação de trincas, podendo incorrer em falhas catastróficas. Neste cenário, o objetivo deste trabalho é investigar a influência de ciclos térmicos simulados em laboratório nas microestruturas e principalmente nas propriedades mecânicas convencionais e à fratura destes materiais. Para tal, são conduzidos ensaios mecânicos de tração, de impacto e de tenacidade à fratura utilizando corpos de prova compactos C(T). A título de estudo e relevância tecnológica, dois ferros fundidos com composições químicas diferentes entre si foram selecionados para melhor suportar os desenvolvimentos e as conclusões. Os resultados apontaram que ciclos térmicos envolvendo austenitização e resfriamentos típicos de algumas aplicações reais na indústria automotiva propiciam a formação de fases frágeis (martensita) incorrendo em severa redução de propriedades mecânicas de resistência e ductilidade. Reduções de até 83% foram obtidas em propriedades de tenacidade à fratura e absorção de energia quando da ocorrência dos tratamentos térmicos, o que chama a atenção para a relevância da consideração destes fenômenos para atividades de projeto e avaliação de integridade estrutural que busquem segurança. Uma discussão crítica sobre a descrição da fratura de ferros fundidos utilizando integral J e práticas laboratoriais alternativas é também conduzida e motiva estudos/ investigações futuros na área.Dissertação Influência da profundidade de trinca e restrição à plasticidade da avaliação experimental de tenacidade à fratura (J E CTOD) de aço ASTM A516 grau 70(2013) Dantas, S. S.A ocorrência de falhas catastróficas envolvendo a fratura de materiais é um problema de crescente relevância na sociedade já que a tecnologia mecânica atual é mais complexa se comparada às décadas anteriores e são exigidos níveis bastante elevados de eficiência operacional, o que iniviabiliza abordagens conservadoras em termos de coeficientes de segurança. Neste sentido, a adequada avaliação experimental da resistência à fratura de materiais é de suma importância para suportar atividades de avaliação de integridade estrutural com precisão e segurança. Estes levantamentos experimentais são realizados com base em corpos de prova de dimensões reduzidas baseados em recomendações de normas internacionais, como os compactos em tração C(T) e de flexão em 3 pontos SE(B). Estas normas exigem corpos de prova com trincas profundas que garantem grande severidade do defeito e conservadorismo das propriedades obtidas. Entretanto, estruturas reais apresentam usualmente trincas rasas e acabam muitas vezes sendo prematuramente retiradas de serviço pelo conservadorismo das propriedades de tenacidade à fratura disponíveis dos ensaios. Dependendo da geometria da estrutura em análise, o uso de corpos de prova de trinca rasa se justifica pela menor restrição à plasticidade e mais adequada descrição da condição real de aplicação. No entanto, sob tais condições as propriedades de fratura podem se tornar dependentes da geometria da peça a avaliar. Este trabalho investiga, neste contexto, quão expressivo é o efeito da profundidade de trinca de espécimes SE(B) na tenacidade à fratura avaliada experimentalmente para um aço ASTM A516 Grau 70 por meio dos parâmetros integral J e CTOD. Endereça ainda os níveis de restrição plástica e a validade da mecânica da fratura monoparamétrica sob tais condições. Os resultados revelaram que amostras contendo trincas rasas apresentam menor restrição à plasticidade fazendo com que a validade da mecânica da fratura elasto-plástica seja facilmente violada. Do ponto de vista de propriedades mecânicas, um aumento de 8 % na tenacidade à fratura utilizando espécimes SE(B) com trinca rasa (a/W = 0,2) foi evidenciado em relação a trinca profunda (a/W = 0,5).Dissertação Avaliação fenomenológico-experimental do efeito da triaxialidade de tensões pós-instabilidade na determinação das propriedades tensão-deformação por meio do ensaio de tração uniaxial(2012) Ganharul, Grace Kelly QuarteiroA utilização de códigos computacionais para a simulação numérica de fenômenos e processos mecânicos que envolvem deformações plásticas significativas tem sofrido expressiva expansão nos últimos anos. Entretanto, uma das maiores limitações para o aumento da precisão das análises é a fiel caracterização das propriedade mecânicas relacionando tensão e deformação verdadeiras dos materiais para grandes níveis de deformação plástica. Tais resultados são usualmente obtidos por meio de ensaios de tração unixial, porém a ocorrência da estricção dificulta a avaliação direta sob regimes de elevada plasticidade, já que um estado triaxial de tensões complexo é estabelecido. Assim, o presente estudo investiga as metodologias exixtentes para a avaliação experimental de curvas tensão por deformação verdadeiras incorporando as correções oriundas da presença de estricção em espécimes cilíndricos e isotrópicos. Ênfase é dada ao estudo das deduções e hipóteses das correções propostas por Bridgman (método clássico e mais difundido) e por outros pesquisadores que focaram na descrição da evolução geométrica do corpo-de-prova após a ocorrência de instabilidade plástica. A aplicação de tais teorias aos ensaios conduzidos ao longo do trabalho permitiu uma análise de sua aplicabilidade, assim como a proposição de novas técnicas laboratoriais e de tratamento fenomenológico da estricção. Neste cenário, as atividades e objetivos do presente estudo residem em: i) ensaiar materiais metálicos dúcteis ferrosos e não ferrosos para caracterizar experimentalmente a evolução geométrica e de cargas na estricção dos corpos-de-prova cilíndricos sob tração unixial; ii) aplicar e discutir criticamente as correções de Bridgman e de outros pesquisadores aos experimentos; iii) desenvolver uma técnica de análise de imagens de alta resolução que permita um incremento de precisão na aplicação dos métodos existentes; iv) explorar a evolução geométrica da estricção de espécimes cilíndricos motivando e dando suporte a futuras pesquisas na área. Como resultado, o trabalho contribui com um maior suporte à determinação de propriedades verdadeiras dos materiais de engenharia até a fratura. Os resultados demonstram que alguns dos métodos disponíveis na literatura apresentam expressivas limitações na correção dos efeitos de triaxialidade, especialmente para materiais que não os aços. O uso de análise de imagens em alta definição sincronizadas aos ensaios, por outro lado, forneceu grande precisão na descrição mecânico-experimental do fenômeno da instabilidade, viabilizando a aplicação adequada das correções disponíveis. Ainda, o acompanhamento da evolução geométrica dos espécimes pós-instabilidade permitiu conclusões de interesse a pesquisas futuras que podem facilitar ainda mais as práticas laboratoriais propostasDissertação Desbalanceamento de resistência mecânica em materiais poliméricos:caracterização experimental e aplicação exploratória para projeto(2011) Bianchi, M.Os critérios de escoamento convencionais para materiais dúcteis, como de Tresca e von Mises, adotam que os materiais apresentam mesmas propriedades mecânicas em tração e compressão (então chamados balanceados) e, consequentemente, que o fenômeno de escoamento independe do nível de tensão hidrostática (ou pressão) atuante. Na prática este tratamento é razoável para materiais metálicos dúcteis e isotrópicos, mas muitas vezes não se mostra realista para alguns materiais poliméricos, cerâmicos e mesmo materiais metálicos frágeis. Polímeros dúcteis de engenharia podem apresentar maiores propriedades mecânicas ao escoamento sob compressão, como resultado do arranjo das macromoléculas e mecanismo de deformação. Tal fato pode conduzir a excesso de conservadorismo ( ou em alguns casos específicos o oposto) se os critérios clássicos são diretamente aplicados, o que abre caminho para potencial aprimoramento estrutural de componentes tirando proveito de tal eventual desbalanceamento de propriedades. Assim, este trabalho apresenta uma investigação sobre as metodologias de projeto mecânico ao escoamento considerando materiais que apresentam propriedades desbalanceadas à tração e à compressão, assim como uma verificação experimental da existência de tal desbalanceamento ao escoamento em polímeros termoplásticos. O objetivo central é caracterizar experimentalmente as propriedades mecânicas de polímeros em tração e compressão, discutindo a eventual existência de dissimilaridade e, de posse dos dados experimentais, conduzir uma aplicação exploratória visando aprimoramento estrutural por meio do uso de critérios de escoamento dependentes do nível de tensão hidrostática. Para que tal objetivo possa ser atingido, é inicialmente apresentado o arcabouço conceitual necessário ao desenvolvimento do trabalho, envolvendo tópicos de elasticidade, plasticidade, critérios de escoamento (tradicionais e incorporando desbalanceamento) e propriedades dos materiais poliméricos. São então descritas as alterações metodológicas necessárias à filosofia de projetos tradicional, a qual é exploratoriamente aplicada ao projeto de clipes poliméricos por meio de procedimentos analíticos e numéricos de cálculo. Os resultados demonstram a existência de desbalanceamento de propriedades mecânicas tanto em relação à rigidez como ao escoamento. No caso específico do escoamento, alguns materiais apresentam desbalanceamento médio de até 39% maior resistência em compressão considerando dados tensão-deformação de engenharia. Uma breve aplicação exploratória dos dados experimentais (combinados aos critérios modificados e algoritmos de otimização) à avaliação da seção transversal de um clipe polimérico demonstra, com a manutenção da segurança e da rigidez, reduções de massa de até 40% para as alternativas avaliadas. Este fato notiva a ampliação futura da base de resultados experimentais e a condução de validações práticas em atividades de projeto