Ciência & Tecnologia dos Materiais

On a unified fatigue modelling for structural analysis based on the shakedown concept

Fatigue analysis of structures requires nowadays specific numerical tools able to take account of complex multiaxial loadings generated by the use of FEM structural calculations. Traditionally fatigue is studied in different ways depending on the fatigue regime and the field of interest: fatigue limit analysis, life prediction in high or low cycle fatigue, thermal fatigue The application of the shakedown theory to the analysis of the fatigue problems permits to present a unified theoretical background to both high and low cycle fatigue. This point of view allows interpreting all types of industrial problems of fatigue in an efficient manner. The description of the stabilised mechanical state after shakedown at macroscopic and mesoscopic scales gives access to engineering values which will drive the fatigue damage of the structure. The formulations are intrinsic and suffer no ambiguities. Some examples of fatigue analysis for different industrial areas are presented.

A análise à fadiga de estruturas exige actualmente ferramentas numéricas específicas, capazes de tomar em consideração os carregamentos multiaxiais complexos gerados pelo uso de cálculos estruturais baseados no método dos elementos finitos. Tradicionalmente, a fadiga é estudada de diversas formas dependendo do regime de fadiga e do campo de interesse: análises baseadas no limite de fadiga, previsão de vida em fadiga a alto ou baixo número de ciclos, fadiga térmica . A aplicação da teoria do shakedownà análise de problemas de fadiga permite apresentar um contexto teórico unificado para fadiga a alto e baixo números de ciclos. Este ponto de vista permite interpretar, de uma maneira eficiente, todos os tipos de problemas industriais envolvendo fadiga. A descrição do estado mecânico estabilizado depois de shakedwonàs escalas macroscópicas e mesoscópicas dá acesso a dados de engenharia que condicionam a danificação por fadiga da estrutura. As formulações são intrínsecas e não sofrem de ambiguidades, Alguns exemplos de análise à fadiga para diversas áreas industriais são apresentados.

Leyes cohesivas en uniones adhesivas: ensayo de desgarro/pelado para la caracterización de películas adhesivas delgadas

Para poder predecir la resistencia de una unión adhesiva de manera precisa es necesario disponer de información adecuada sobre las propiedades mecánicas del adhesivo. Por tanto, es fundamental desarrollar métodos de ensayo fiables para determinar el comportamiento constitutivo de las capas adhesivas. En su uso más habitual, los adhesivos se disponen en películas delgadas. Un adhesivo trabajando en una película delgada se comporta de manera muy diferente de como lo haría el mismo adhesivo en masa. Cuando es cargado, el tamaño de la Zona de Proceso de Fallo (ZPF) en el adhesivo es frecuentemente de mayor tamaño que el espesor de la propia película adhesiva. Por tanto, la condición de una ZPF de pequeño tamaño no se cumple y, por consiguiente, no es aplicable la Mecánica de la Fractura Elástica y Lineal (MFEL). Al mismo tiempo, los experimentos demuestran que las probetas de ensayo tienen tendencia a producir propagación inestables de la grieta, dando lugar a la aparición frecuente de patrones de fallo combinados adhesivo/cohesivo, especialmente cuando la solicitación se realiza en modo mixto (pelado/cortadura). Las leyes de comportamiento cohesivo deben ser tomadas como las propiedades de fractura básicas para la caracterización del adhesivo; las leyes cohesivas han de ser obtenidas experimentalmente. Los efectos de la velocidad de solicitación y del espesor de la capa adhesiva sobre la forma de la ley cohesiva pueden ser investigados de forma experimental. El acoplamiento de los fenómenos de elasticidad, adhesión y fractura hace difícil la interpretación de los resultados de los ensayos, especialmente si el adhesivo es un elastómero, que tiene una deformación de varios cientos por ciento antes de fallar. Un nuevo ensayo, que combina el desgarro del adhesivo y el pelado de la película de su substrato, hace uso de la simplicidad de la geometría para aplicar una metodología de análisis de resultados que desacopla los tres fenómenos. Los valores obtenidos permiten elucidar la rigidez, el trabajo de fractura y la energía adhesiva del sistema adhesivo, que juegan un papel fundamental de manera concurrente durante el ensayo.

To be able to predict the strength of adhesive joints accurately, correct material data of adhesives are essential. Hence, it is critical to develop reliable testing methods to obtain the constitutive behaviour of adhesive layers. In use, adhesives are constrained to thin layers. Thus, an adhesive constrained into a layer is expected to behave differently compared to the adhesive as a bulk material. Under loading, the size of the Failure Process Zone (FPZ) in the adhesive layer is often much larger than the thickness of the layer. Thus, the small scale FPZ condition is not fulfilled and the traditional Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM) can not be applied. At the same time, experiments show that test specimens are prone to produce unstable crack propagation and combined adhesive/cohesive fracture patterns appear frequently, especially when mixed mode loading (peel and shear) is involved. Cohesive law should be taken as the basic fracture property for adhesives characterization; cohesive laws must be determined experimentally. The effects of loading rate and adhesive layer thickness on the cohesive law shape have to be investigated experimentally. The coupling of elasticity, adhesion and fracture make difficult interpretation of test results, especially if the adhesive is an elastomer, which has a failure strain of several hundred percents. A new test has been proposed, combining tearing of the adhesive layer and debonding from the substrate in a controlled way and using a simplified geometry. Results are closely related to the stiffness, work of fracture and adhesive energy of the adhesive system, all of them plying simultaneously an active role during the very same test.

Microestructura y respuesta mecánica a altas temperaturas de uniones soldadas de Haynes 230^®

Haynes 230® es una superaleación de base níquel que presenta una excelente resistencia mecánica a temperaturas elevadas y una extraordinaria estabilidad en ambientes agresivos (procesos de oxidación y corrosión). Su uso (sector aeronáutico, industria de tratamientos térmicos, etc.) se extiende a componentes cuya temperatura en servicio asciende hasta los 1150 ºC. Las notables características de esta superaleación pueden, sin embargo, deteriorarse cuando se somete a un proceso de soldadura. Dicho proceso puede alterar la respuesta mecánica del material debido a la aparición de microfisuras en la zona de fusión o a la generación de grietas durante la solidificación. En este trabajo se analiza, en primer lugar, la microestructura de uniones soldadas de la superaleación Haynes 230®. Posteriormente, se evalúan su resistencia y estabilidad mecánica mediante ensayos de tracción y creep a altas temperaturas. Finalmente, se realiza un estudio fractográfico de las muestras ensayadas para identificar los micromecanismos de fallo.

Haynes 230® is a nickel-based superalloy which possesses an outstanding mechanical response at high temperatures and an excellent stability in severe environments (oxidation and corrosion processes). Its applications (aerospace sector, heat treatment industry) cover components that require in-service temperatures up to 1150ºC. However, the remarkable characteristics of this superalloy can be deteriorated when it is subjected to a welding process. This process can change the mechanical response of the material due to the formation of microcraks in the fusion zone or the appearance of cracks during solidification. In this work the microstructure of welded Haynes 230® sheets is analysed. Then, the mechanical strength and stability are evaluated by means of tensile and creep tests at high temperatures. Finally, a fractographic study of the tested specimens is carried out to identify the micromechanisms of failure.

Strength of aluminium resistance spot welded and weldbonded joints

The increasing restrictions in terms of safety and energy consumptions imposed in the transport vehicles construction promotes the use of new materials and new processes searching weight reduction. Lighter materials and better joining processes, like adhesive bonding can contribute to obtain some weight gain. Present work studies the shear strength obtained with weldbonding technique and compares it with the traditional resistance spot welding. The single lap joints were obtained with thin plates of 6082-T6 alloy and a high strength epoxy adhesive of two components (araldite 420 A/B). The strength of weldbonded joints was found to be significantly higher than equivalent spot welded joints. Numerical models were developed replicating experimental work. Nugget diameter was found to have a major influence in stiffness and stress level, while thickness reduction showed a much lower influence. The adhesive reduced significantly the stress level at the nugget root.

As crescentes restrições em termos de segurança e consumo de energia impostas na construção de veículos de transporte promove o uso de novos materiais e processos procurando reduzir o peso. Materiais mais leves e melhores processos de ligação, como as ligações adesivas, podem contribuir para obter algum ganho no peso. O presente trabalho estuda a resistência ao corte em juntas soldo-coladas e compara com a tradicional soldadura de resistência por pontos. As juntas de sobreposição simples foram obtidas com placas finas de liga 6082-T6 e um adesivo epóxido de alta resistência de dois componentes (Araldite 420 A/B). A resistência das juntas soldo-coladas é significativamente mais elevada do que das juntas soldadas por resistência por pontos. Foram desenvolvidos modelos numéricos para reproduzir o trabalho experimental. Verificou-se que o diâmetro do ponto de soldadura tem uma grande influência na rigidez e resistência, enquanto que a indentação do eléctrodo tem uma influência muito menor. O adesivo reduziu significativamente o nível de tensão na raiz do ponto de soldadura.

On the effect of intergranular nanocracks on the shear-coupled migration of tilt boundaries

In this work, we present molecular dynamics simulations of the shear-coupled migration behaviour of symmetrical tilt boundaries Σ 17(530)/[001] perturbed by the presence of nanocracks lying on the grain boundary. The simulations were performed for copper bicrystals at 300 K. The focus has been on the study of crack size effects. The simulations were carried out using the embedded atom method with temperature control. Systems of constant width, X, and different crack sizes, 2a, were generated at 0 K. The ratio 2a/X characterizes the system. Periodic boundary conditions were set along the direction of application of the load and the tilt axis. After relaxation, the virtual shear of the bicrystals was carried out at a constant rate of 10(8) s-1. The response of the cracked specimens can be divided into: (i) shear-coupled migration of the grain boundary with increasing applied shear stress, (ii) intergranular propagation of the crack and (iii) emission of dislocations and closing of the grain boundary dislocation loop.

Neste trabalho, apresentamos simulações de dinâmica molecular do comportamento de migração duma fronteira de grão acoplada à aplicação duma tensão de cisalhamento no caso duma fronteira simétrica de flexão Σ17(530)/[001] perturbada pela presença de nanofendas na própia fronteira de grão. As simulações foram realizadas para bicristais de cobre a 300 K. O interesse do estudo é o efeito do tamanho da fenda. As simulações foram realizadas utilizando o embeddedatommethod com controlo de temperatura. Sistemas de largura constante, X, e tamanhos de fendas diferentes, 2a, foram gerados a 0 K. A razão 2a/X caracteriza o sistema. Condições de fronteira periódicas foram estabelecidas ao longo da direção de aplicação da carga e do eixo da fronteira simétrica de flexão. Após o relaxamento, o cisalhamento virtual dos bicristais foi realizado a uma taxa constante de 10(8) s-1. A resposta das amostras fissuradas pode ser dividida em: (i) ao cisalhamento acoplado a migração do limite de grão com o aumento da tensão de cisalhamento aplicada, (ii) propagação intergranular da fenda e (iii) emissão de deslocações e formação de deslocações em anel.

Comportamiento mecánico de materiales masivos superconductores de segunda generación en función de la temperatura

En este trabajo se han analizado dos materiales masivos superconductores de base YBaCuO, con el objetivo de estudiar la influencia del método de procesado (método Bridgman y método Top-Seeding Melt Growth) y de la temperatura de ensayo en su comportamiento mecánico. Ambos materiales se ensayaron a temperatura ambiente (300 K) y a baja temperatura (77 K), determinandose la resistencia mecánica y la tenacidad a fractura en flexión en tres puntos. Además, en uno de los materiales, que presentaba anisotropía microestructural, se realizaron ensayos en las dos direcciones microestructuralmente más relevantes. Los resultados obtenidos muestran que el comportamiento mecánico del material está controlado por los defectos y grietas introducidas durante el procesado y, por lo tanto, si se quiere mejorar las propiedades, debería reducirse la cantidad y el tamaño de estas imperfecciones.

In the present study, have been researched two superconductor bulk materials of YBaCuO, with the aim of analyzing the influence of the processing method (Bridgman and Top-Seeding Melt Growth) and the test temperature in their mechanical behaviour. Both of them have been tested at room temperature (300 K) and at service temperature (77 K). Three point bending tests have been carried out, in order to measure the mechanical strength and the fracture toughness. Moreover, one of the two materials, which present transversal microstructural anisotropy, has been tested for the both more relevant directions. The obtained results show that the mechanical behaviour of the material is controlled by the defects and cracks, that have been introduced during the processing and therefore, in order to improve the mechanical properties, the amount and the size of the defects should be reduced.

Utilization of Durability Criterion to Develop Automotive Components

Today the automotive companies must reduce the time to development of new products with improvement in performance, durability and low cost reductions where possible. To achieve this goal the carmakers need to improve the design criterion of car systems like body, chassis and suspension components. This paper will present a review of the techniques used in the automotive industry regarding durability before mentioned systems. The paper will present the procedures to obtain the spectrum loading to use in finite element analysis and the validation in laboratory and proving grounds.

A indústria automóvel tem de reduzir o tempo para desenvolvimento de novos produtos, e simultaneamente assegurar melhorias no desempenho, durabilidade e quando possível reduções de custos. Estes objectivos exigem melhorias nos critérios e procedimentos de projecto de sistemas como a carroçaria, o chassis e a suspensão. O presente artigo apresenta uma revisão de técnicas usadas na indústria automóvel no tocante à durabilidade dos sistemas mencionados anteriormente. O artigo apresenta procedimentos para obter o espectro de carga para uso nos modelos de elementos finitos e validações em laboratório e ensaios em pista.

Comportamento à fadiga de painéis aeronáuticos fabricados por processos emergentes

A procura de redução de custos e o aparecimento de novas tecnologias de soldadura suscitou o interesse no desenvolvimento de estruturas aeronáuticas metálicas integrais. Numa estrutura integral quando uma fenda cresce até à zona do stiffener, esta vai continuar a propagar simultaneamente no stiffener e no painel da estrutura até que o stiffener seja fracturado. O uso de tecnologias de fabrico, como a maquinagem de alta velocidade (HSM), soldadura laser (LBW) ou a soldadura friction stir welding (FSW), requerem o desenvolvimento de mais estudos experimentais e numéricos para determinação do comportamento destas novas estruturas. Este artigo descreve um programa de ensaios de análise da velocidade de propagação de fendas em painéis aeronáuticos fabricados usando os processos HSM, LBW e FSW. Os resultados obtidos para ensaios realizados com R (força max / força min) de 0.1 e 0.5 são apresentados, e a performance da cada tipo de painel é discutida e comparada. Este trabalho foi desenvolvido no âmbito do projecto europeu DATON.

The need for lower cost and the emergence of adequate welding technologies has brought interest in large integral metallic structures for aircraft applications; however, in integral structures, a crack approaching a stiffener propagates simultaneously in the skin and into the stiffener and breaks it. The use of manufacturing techniques such as high speed machining (HSM), laser beam welding (LBW) and friction stir welding (FSW) requires further experimental and numerical work concerning the fatigue behaviour of panels manufactured using those processes. A testing programme including fatigue crack growth rate characterization in panels fabricated using HSM, LBW and FSW was performed. Data obtained at IDMEC-Porto testing panels under load ratio R (min. load / max. load) of 0.1 and 0.5 is presented, and the performance of panels manufactured using the different processes is discussed and compared. The work was developed in the frame of the European Union DATON project.

Caso de Estudo: Análise mecânica e fractográfica de um cabo de aço pré-esforçado

Neste artigo apresenta-se o resultado do estudo das causas de dano ocorrido num dos cabos pré-esforçados de aço de uma ponte suspensa. O estudo iniciou-se com a caracterização química, mecânica e microestrutural do material. O comportamento à fadiga foi estudado através de ensaios de fadiga realizados em condições o mais similar às condições ambientais a que os cabos estavam sujeitos (com e sem contacto com água). Complementou-se este estudo com análise fractográfica por microscopia electrónica de varrimento (MEV), de provetes ensaiados e de amostras obtidas directamente dos cabos danificados. Verificou-se que as superfícies de fractura dos varões constituintes dos cabos apresentavam dois modos de falha: fractura frágil em mais de 50% dos varões e fractura dúctil taça e cone nos restantes. Devido às características ambientais em serviço, também foi observado corrosão sob tensão.

This paper presents results of a failure analysis study to characterize the damage phenomenon that occurred in prestressed steel cables of a suspension bridge. This study includes: material characterization using chemical, microestrutural and hardness analysis; fractographic analysis by scanning electron microscopy (SEM); mechanical tests of the material in static tension; fatigue tests (S-N curves). The fatigue tests were carried out in laboratory air only and in the laboratory air also but after previous exposure in tap water to simulate the working environment of the cables. Fractured surfaces for more than 50% of the rods were brittle failure type and the remains were ductile failure (cup-and cone type). Due to the characteristics of the work environment (close to a river) stress corrosion was also observed.

Avaliação em relação à corrosão-fadiga de juntas soldadas da liga Inconel 625

Estudou-se neste trabalho o comportamento à fadiga e à corrosão-fadiga de juntas soldadas da liga Inconel 625. Um dos pontos mais susceptíveis a sofrer esses processos de degradação é a região da solda uma vez que são geradas tensões residuais trativas evido ao processo de soldagem, e que é acentuada na presença de meios contendo elementos agressivos como cloretos, gás carbônico, entre outros. Os testes utilizados para avaliação desses fenômenos consistiram em curvas de polarização para caracterização do comportamento à corrosão, ensaios de tração ao ar e em presença do meio corrosivo, ensaios de fadiga e corrosão fadiga em máquinas tipo excêntrica, sendo os ensaios foram monitorados com sistema da aquisição de dados adequado. Esta liga demonstrou uma boa resistência a corrosão com um potencial de pite de 0,6 V, e uma boa durabilidade frente a fadiga e corrosão-fadiga, resistindo mesmo em tensões superiores às de trabalho a mais de 5 milhões de ciclos.

It was studied the fatigue and corrosion fatigue behavior of welded specimens of a nickel base alloy, namely Inconel 625. One of the most susceptible regions, to suffer these processes of degradation, since tensions are generated due to welding process, and is attenuated in the presence environment containing harsh elements with chlorine, carbon dioxide, among others. The tests used, in this work, to evaluate these phenomena, were polarization curves, slow strain rate technique, in air and in the presence of corrosive medium and fatigue and corrosion-fatigue tests using an eccentric type machine and an data acquisition system. This alloy shows a good corrosion resistance and a good behavior considering fatigue and corrosion fatigue tests, where even in stress levels higher than the ones used in service conditions, the number of cycles to failure of the specimens surpassed 5 million cycles.

Estudo das Propriedades Físicas e Químicas das Turmalinas Elbaíta Verde e Dravita Preta por Espectroscopia Fotoacústica

As turmalinas constituem um dos mais complexos grupos dos minerais em função da grande quantidade de elementos químicos presentes em sua estrutura. Sua grande variação química é resultante da facilidade com que os íons metálicos em seus sítios atômicos contribuem fortemente na vasta variedade de cores. Este trabalho consiste num estudo sobre as principais características das propriedades químicas e físicas das turmalinas, sendo relacionadas por um modelo cristalográfico do mineral, e das espécies iônicas nestas amostras. Na identificação espectral de duas turmalinas (elbaíta-verde e dravita preta) foi aplicada a técnica experimental de Espectroscopia Fotoacústica para identificação espectral. Assim, foi possível a caracterização dos diversos centros de cores que permitem o espectro de emissão no ultravioleta e no visível, devido às interações atômicas entre íons ferroso e férrico que determinam a predominância, associadas ou não a outras espécies iônicas de outros elementos químicos existentes nessas turmalinas.

The tourmaline group is one of the most complex groups of minerals in the large number of chemical elements regarding structure. Its large chemical variation results from the ease with which the metal ions present in their atomic sites contribute strongly to the wide variety of colors. This study is focused on the main characteristics of the chemical and physical properties of tourmaline, which are related by a crystallographic model of the mineral and ionic species in these samples. Spectral identification of two tourmalines (elbaite green and dravite black) was carried out by Photoacoustic Spectroscopy . This allowed the characterization of several centers of colors that cause the emission spectrum in the ultraviolet and visible, due to atomic interactions between ferrous and ferric ions that determine the prevalence associated or not with other ionic species of other chemical elements present in these tourmalines.

Hydrogen production

Possible means of producing hydrogen are discussed. Emphasis is given on the electrolytic hydrogen production from water electrolysis, at large scale, via the use of renewable electricity (solar, wind, tidal, etc.). Its storage, transport and possible end-uses are also considered.

Discutem-se processos de obtenção de hidrogénio. Em particular, considera-se a produção electrolítica de hidrogénio em meio aquoso, à escala industrial, e à custa de energia eléctrica renovável (solar, vento, marés, etc.). Fazem-se ainda algumas previsões acerca do armazenamento, transporte e possíveis aplicações do hidrogénio electrolítico.

Deposição electroquímica

Descrevemos globalmente o processo da deposição electroquímica (ECD), apresentando os fenómenos químicos e físicos relevantes e os seus modelos explicativos fundamentais que permitem relacionar quantitativamente as principais variaveis, fazendo uma síntese que sirva de ponto de partida a futuros desenvolvimentos e possibilite do ponto de vista prático um mais eficaz controle deste importante processo industrial.

We describe the overall process of electrochemical deposition (ECD), introducing the relevant physical and chemical phenomena and their fundamental models that enable us to relate quantitatively the main variables, making a synthesis that will serve as a starting point for future developments and enable from a practical point of view, a more effective control of this important industrial process.