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Tese no âmbito do Doutoramento em Engenharia Mecânica na Especialidade de Integridade Estrutural orientada pelos Professores Doutor José António Martins Ferreira e Doutor Carlos Alexandre Bento Capela e apresentada ao Departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra. The present research focuses on the fatigue behaviour and mechanical properties of a laser welded thin high-strength low-alloy (HSLA) steel. Under a maximum laser power of 2 kW, single pass and double pass butt welded joints were developed by autogenous laser welding (ALW) on 3 mm thick Strenx® 700MCE steel. This steel has a minimum yield strength at 700 MPa and its typical applications include elements and parts of trailer, trucks, crane, cars and wagon. This work aims to understand the effect of weld bead geometry, imperfections and local properties such as microstructure, hardness and residual stresses in the fatigue strength, fatigue lives and tensile strength of the butt welded joints. It also sought to establish the laser welding parameters for the development of single pass ALW as well as to determine their influence on the main factors that affect fatigue behaviour and mechanical properties. Design of experiments and analysis of variance (ANOVA) was used to establish and validate the effect of the welding parameters on the weld bead geometry. Extensive experimental work was carried out, including, among others: the welding of two sets of butt joints in addition to previous tests; the determination of S-N curves, fatigue crack growth rate (FCGR) curves and residual stresses for four welded series and the base metal (BM). The finite element method (FEM) was used in order to determine the stress concentration factor (SCF). The main novel contributions achieved by the research carried out include: (1) Determination of the effect of the main laser welding parameters on the weld bead geometry in low ranges of laser power (1-2 kW), welding speed (1.5-2.5 m/min) and heat inputs (20-80 J/mm); (2) Development of single pass ALW with B quality level according to the ISO 13919-1 welding quality standard, with a detailed description of imperfections including undercuts and porosity distributions and faithful geometric modeling of weld bead profiles either real or based on average dimensions for a better determination of SCFs by FEM. (3) Understanding the effects of laser welding parameters on main factors that influence fatigue behaviour and the mechanical properties of the HSLA steel. A low HI in the heat-affected zone (HAZ) and fusion zone (FZ) where fatigue cracks started and propagated, achieves the following positive effects: smaller width of these zones, bainitic microstructure that retards the growth of cracks, high hardness in the FZ and less softening in the HAZ, low residual tensile stresses and even residual compressive stresses in the center of the FZ, however it also causes a slight increase in porosity and underfill. (4) Understanding the influence of the main factors on fatigue behaviour and mechanical properties of the HSLA steel. It was demonstrated that in the fatigue limit assessment, where the crack initiation period prevails, the stress-concentrating approach and the consideration of the local properties of hardness and residual stress and an appropriate SCF that reflects the weld bead profile, achieves a close estimate of the fatigue limits thus explaining the small differences between the welded joints. (5) The application of the crack propagation approach, assuming an initial crack size and appropriate FCGRs at high stress levels to joints welded with thin plates where the fatigue life is strongly influenced by the quantity, size and location of crack-like imperfections which determines the formation of characteristic surface cracks leading to neglect the crack initiation period. O presente trabalho estuda o comportamento à fadiga e as propriedades mecânicas de chapas finas de aço de baixa liga e alta resistência, soldadas a laser. Usando uma potência máxima do laser de 2 kW, as juntas são soldadas de topo a topo com uma só passagem e dupla passagem, em aço Strenx® 700MCE de 3 mm de espessura. Esse aço tem limite de escoamento mínimo de 700 MPa e suas aplicações típicas são elementos e peças de reboques, camiões, guindastes, carros e vagões. O trabalho visa compreender o efeito da geometria do cordão de solda, imperfeições e propriedades locais como microestrutura, dureza e tensões residuais na resistência à fadiga, vida à fadiga e resistência à tração das juntas soldadas de topo. Pretende-se também estabelecer os parâmetros da soldadura a laser autógena de passe único e determinar sua influência nos principais fatores que afetam o comportamento à fadiga e as propriedades mecânicas. Plano de experimento e análise de variância foram usados para estabelecer e validar o efeito dos parâmetros de soldadura na geometria do cordão de solda. Foi realizado um extenso trabalho experimental que incluiu: a soldadura de dois conjuntos de juntas de topo em adição aos testes anteriores; a determinação das curvas S-N, a obtenção de curvas da velocidade de crescimento de fendas por fadiga e tensões residuais para quatro séries soldadas e o metal base, entre outras. O método dos elementos finitos foi utilizado na determinação do fator de concentração de tensão. As principais contribuições do trabalho realizado, são: (1) Determinação do efeito dos principais parâmetros de soldadura a laser na geometria do cordão para baixas faixas de potência do laser (1-2 kW), velocidade de soldadura (1,5-2,5 m / min) e entradas de calor (20-80 J / mm). (2) Desenvolvimento do procedimento de soldadura a laser autógena de passagem única com nível de qualidade B de acordo com a norma de qualidade ISO 13919-1, com a descrição detalhada de imperfeições, incluindo defeitos na raiz do cordão e distribuições de porosidade e modelação geométrica dos perfis de cordão de soldadura, reais ou, baseados em dimensões médias para uma melhor determinação dos fatores de concentração de tensão pelo método dos elementos finitos. (3) Compreender o efeito dos parâmetros de soldadura a laser nos principais fatores que influenciam o comportamento à fadiga e as propriedades mecânicas. Uma entrada de calor baixa, na zona afetada pelo calor e na zona de fusão onde as fissuras de fadiga se iniciam e propagam, produz os seguintes efeitos positivos: menor largura dessas zonas, microestrutura bainítica que retarda o crescimento das fendas, alta dureza na zona de fusão e menos amaciamento na zona afetada pelo calor, baixas tensões residuais de tração e até tensões compressivas residuais no centro da zona de fusão. No entanto, também causa um ligeiro aumento da porosidade e falta de enchimento. (4) Analisar a influência dos principais fatores de soldadura no comportamento à fadiga e nas propriedades mecânicas do aço de baixa liga de alta resistência. Foi demonstrado que na avaliação da tensão limite de fadiga, onde o período de iniciação da fenda prevalece, a abordagem baseada na concentração de tensão e na consideração das propriedades locais de dureza e tensão residual conduz a uma estimativa adequada dos limites de fadiga, permitindo explicar as pequenas diferenças entre as juntas soldadas. (5) A aplicação da abordagem baseada na propagação de fendas, assumindo um tamanho de fenda inicial e taxas de crescimento de fenda de fadiga apropriadas em altos níveis de tensão para juntas soldadas de chapa fina, onde a vida à fadiga é fortemente influenciada pela quantidade, tamanho e localização de fissuras ou imperfeições que determinam a formação de fissuras superficiais características que reduzem o período de iniciação da fenda. Universidad de las Fuerzas Armadas-ESPE

Na produção de moldes de injeção podem, por vezes ocorrer erros relacionados com a falta de aço e/ou defeitos de maquinação nas zonas moldantes. Estes problemas podem ser reparados com recurso a um novo processo de soldadura LASER Nd-YAG. Neste projeto de trabalho, foi realizado um estudo de tenacidade à fratura em dois aços (40CrMnNiMo8-6-4, X38CrMoV5-3) e numa liga de alumínio (5083), materiais muito utilizados no fabrico de zonas moldantes de moldes de injeção, fundição injetada e protótipos. Neste trabalho foram utilizados provetes entalhados com diferentes geometrias e dimensões, soldados por deposição LASER Nd-YAG, com dois parâmetros de soldadura (PM1 e PM2) distintos. Naturalmente, as propriedades mecânicas diminuem significativamente nos materiais soldados e, no caso do comportamento à fratura, o parâmetro mais otimizado é o PM2.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia Está comprovado na literatura que a maior das falhas por fadiga é iniciada em locais de concentração de tensões encontrados nas superfícies dos componentes. Uma boa forma de se tentar retardar este efeito é a introdução de tensões residuais de compressão através de um tratamento superficial a frio chamado shot peening. Esta metodologia resulta em tensões de compressão locais, que fornecem uma resistência á iniciação e propagação da fissura, originando um incremento na vida á fadiga.O processo de shot peening tem de ser feito de forma criteriosa de modo a que as tensões residuais introduzidas se sobreponham ao efeito negativo aumento da rugosidade e consequente aumento de concentração de tensões á superfície.Nesta dissertação foram estudados o bombardeamento de quatro tipos de esferas diferentes, duas de vidro (Size 8 e AGB35) e duas de aço (S110 e S170) em provetes circulares AA7475-T7351. Cada um destes métodos implica diferentes parâmetros de grenalhagem pois o material e o diâmetro são distintos entre si. Os testes de fadiga foram realizados em flexão cíclica de três pontos. Esta investigação cruzou os dados das curvas S-N dos ensaios com as alterações que este procedimento provoca á estrutura (microestrutura, morfologia da superfície, tensões residuais, micro e nanodurezas e análise de superfícies de fratura).Através das curvas S-N constatou-se que apenas o tratamento com a partícula Size 8 originou uma ligeira melhoria em toda a vida á fadiga enquanto os outros tratamentos apenas se manifestaram melhores para vidas curtas. Esta não melhoria deve-se a uma incorreta escolha de parâmetros de shot peening assim como efeito de relaxação de tensões durante os ensaios. It is proven in the literature that the greatest of fatigue failures is initiated in places of concentration of stresses found on the surfaces of the components. A good way to try to delay this effect is to introduce residual compression stresses through a cold surface treatment called shot peening. This methodology results in local compression stresses, which provide a resistance to initiation and propagation of the crack, leading to an increase in fatigue life.The shot peening process has to be done carefully so that the introduced residual stresses overlap with the negative effect increase of the roughness and consequent increase stress concentration in the surface.In this dissertation the bombardment of four different spheres, two of glass (Size 8 and AGB35) and two of steel (S110 and S170) in circular test pieces AA7475-T7351 were studied. Each of these methods involves different blasting parameters because the material and the diameter are different from each other. Fatigue tests were performed in three-point cyclic bending. This investigation crosses the S-N curve data of the tests with the changes that this procedure causes to the structure (microstructure, surface morphology, residual stresses, micro and nanodurances and analysis of fracture surfaces).Through the S-N curves it was found that only the treatment with the Size 8 particle gave a slight improvement throughout the fatigue life while the other treatments only manifested better for short lives. This lack of improvement is due to an incorrect choice of shot peening parameters as well as stress relieving effect during the tests.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia O avanço tecnológico registado no setor metalúrgico nos últimos anos reflete a constante aposta e desenvolvimento de competências permitindo que, na atualidade, se execute qualquer componente independentemente da sua geometria ou complexidade de aplicação. Neste sentido, a Manufatura por Adição é uma tecnologia no qual é permitida a elaboração de componentes independentemente da sua geometria devido à utilização de modelos em CAD. Esta tecnologia está a ser cada vez mais utilizada nas principais indústrias, nomeadamente, a automóvel, aerospacial e biomédica. A elaboração do presente documento tem por objetivo o estudo do comportamento à fadiga de elementos fabricados na liga de titânio Ti6Al4V, obtidos por Fusão Seletiva por Laser. Para este estudo foram utilizados provetes C(T), de acordo com com a norma ASTM E647-00. A abordagem do comportamento à fadiga do elemento prende-se com a obtenção das curvas de propagação, determinação das constantes da lei de Paris, determinação do limiar de fadiga, avaliação do fenómeno de fecho de fenda e efeito da aplicação de sobrecarga para razões de tensão de R=0 e R=0,4. Em suma, o estudo efetuado no presente documento permite concluir que a razão de tensão não afeta significativamente a velocidade de propagação da fenda à fadiga. Para R=0,4 verifica-se a inexistência do fenómeno de fecho de fenda para o regime II de propagação e um baixo valor para o limiar de fadiga, ao contrário do que se verifica para R=0. Nesta razão de tensão o fecho de fenda junto ao limiar de fadiga é induzido por rugosidade e para o regime II de propagação por plasticidade. A utilização do método ótico revelou-se prática para a determinação do campo de deslocamentos no regime II de propagação, enquanto que o método mecânico se ajusta melhor ao limiar de fadiga. O efeito da sobrecarga não provoca um efeito muito significativo, dada a rápida recuperação da velocidade de propagação da fenda. Todavia, o efeito transitório após a aplicação da sobrecarga acentua-se para elevados níveis de ΔK, ou seja, quando a abertura da fenda se encontra mais pronunciada. A propagação da fenda não ocorre entre camadas de deposição de material. The technological advance registered in the metallurgical sector in the last years reflects the constant bet and development of competences allowing, at present, if any component is executed regardless of its geometry or application complexity. In this sense, Manufacturing by Addition is a technology in which it is allowed to elaborate components regardless of their geometry due to the use of CAD models. This technology is increasingly being used in major industries, namely the automotive, aerospace and biomedical industries.The purpose of this paper is to study the fatigue behavior of elements made of Ti6Al4V titanium alloy obtained by Laser Selective Fusion. For this study, C (T) specimens were used according to ASTM E647-00. The fatigue behavior of the element is related to obtaining the propagation curves, determining the constants of the Paris law, determination of the fatigue threshold, evaluation of the phenomenon of a screwdriver and the effect of the application of overload for stress of R = O and R = 0.4.In conclusion, the study carried out in this paper shows that the stress ratio does not significantly affect the fatigue crack propagation speed. For R = 0.4, the absence of the screwdriver phenomenon for the propagation regime II and a low value for the fatigue threshold is verified, in contrast to R = 0. In this stress ratio, the screw close to the fatigue threshold is induced by roughness and the plasticity propagation regime II. The use of the optical method proved to be practical for the determination of the displacement field in the propagation regime II, whereas the mechanical method best fits the fatigue threshold.The effect of overloading does not have a very significant effect, given the rapid recovery of crack propagation velocity. However, the transient effect after the application of the overload is accentuated to high levels of ΔK, that is, when the crack opening is more pronounced. Slit propagation does not occur between layers of material deposition.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia O objetivo da presente investigação prende-se com a compreensão do efeito do tratamento térmico de envelhecimento e do substrato na propagação de fendas por fadiga em componentes obtidos por fusão seletiva a laser.A fusão seletiva por laser faz parte de um grupo de tecnologias de manufatura por adição que utiliza um processo camada por camada para obter componentes com geometrias diversas. Esta tecnologia recorre à modelação 3D como fonte de informação e a um feixe de laser de alta potência para obtenção de componentes recorrendo à fusão total dos pós metálicos. Estando a ser, a cada dia, mais utilizada nas indústrias automóvel, aerospacial e biomédica.Por forma a alcançar os objetivos da presente dissertação realizaram-se ensaios experimentais e diversas análises aos materiais em estudo. Ensaios de microdureza para obtenção dos perfis de dureza e ensaios de fadiga para obtenção das curvas da/dN – ΔK correspondentes às séries de provetes em estudo. Analisaram-se as microdurezas, a metalografia, as tensões residuais, a propagação de fenda por fadiga, o efeito da aplicação de sobrecargas na propagação de fenda por fadiga, o fenómeno de fecho de fenda e a superfície de fratura.Verificou-se um aumento de dureza na ordem dos 40% como consequência do tratamento térmico de envelhecimento. Observou-se que, nos provetes híbridos analisados, a propagação de fenda por fadiga ocorre pelo material obtido por fusão seletiva a laser, qualquer que seja o substrato usado. Por fim, concluiu-se que após a aplicação de sobrecargas, a propagação de fenda passa de um regime uniplanar para um regime multiplanar, sendo este a principal causa de retardamento na propagação de fenda por fadiga nas séries estudadas. The objective of the following investigation is to understand the effect of the heat treatment of aging and the substrate on fatigue crack growth in components obtained by selective laser melting.Selective laser melting is part of a group of addictive manufacturing technologies that uses a layer by layer process to obtain components with diverse geometries. This technology uses 3D modeling as a source of information and a high-power laser beam for obtaining components using the total melting of the metallic powders. Being increasingly used every day in the automotive, aerospace and biomedical industries.In order to reach the objectives of the present dissertation, experimental studies and several analyzes of the materials under study were carried out. Microhardness tests to obtain the hardness profiles and fatigue tests to obtain the da/dN - ΔK curves corresponding to the test specimen series. Microhardness, metallography, residual stresses, fatigue crack propagation, the effect of applying overloads on fatigue crack growth, the crack closer phenomenon and the fracture surface were analyzed.A hardness increase of the order of 40% was found as a consequence of the aging heat treatment. It was observed that, in the hybrid test specimens, fatigue crack growth occurs by the material obtained by selective laser melting, regardless of the substrate used. Finally, it was concluded that after the application of overloads, the crack propagation changes from a uniplanar regime to a multiplanar regime, which is the main cause of delay in the fatigue crack growth of the studied series.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia Este estudo realizado na Faculdade de Ciências e Tecnologias da Universidade de Coimbra em colaboração com o Instituto Politécnico de Leiria, tem como objetivo a análise do comportamento à fadiga de materiais compósitos, compostos por uma matriz de resina epóxi reforçado com fibras curtas de carbono (com cumprimento típico de 0,5mm).Este material foi estudado com 5 percentagens volúmicas de fibra; 100% Resina epóxi; 5%, 10%, 15%, 17,5% e 20% de fibra de carbono.O estudo do comportamento à fadiga foi realizado com base nas curvas de resistência (S-N), a analise da rugosidade superficial, porosidade e densidade dos materiais e parâmetros de dano: perda de rigidez e energia de histerese. Para isto, foram realizadas medições de densidade e de rugosidade superficial de modo a relacionar o comportamento à fadiga com o acabamento superficial e com as porosidades.Concluiu-se que os materiais testados tinham algumas flutuações de densidade, devido a defeitos internos como porosidades, e que estas flutuações de densidade têm grande influencia na resistência à fadiga. Concluiu-se também que o acabamento superficial, para o nível de rugosidades ensaiadas, não tem impacto na resistência à fadiga.O comportamento à tração altera-se com a adição de fibra ao material usado como matriz, tendo as series de maior percentagem de fibra um comportamento de fratura tipicamente frágil e a resina epóxi, que tem comportamento fratura dúctil. Já o comportamento à fadiga de todas as séries ensaiadas é idêntico tendo as curvas S-N declives idênticos.Tanto a resistência à fadiga como à tração, tende a aumentar com o volume de fibra, atingindo-se o máximo de eficiência do reforço para a série de 17,5%. This study, carried out at the Faculty of Sciences and Technologies of the University of Coimbra, in collaboration with the Polytechnic Institute of Leiria, has the objective of analyzing the fatigue behavior of composite materials composed of an epoxy resin matrix reinforced with short carbon fibers typical compliance of 0.5mm).This material was studied with 5 percentages of fiber; 100% Epoxy resin; 5%, 10%, 15%, 17.5 and 20% of carbon fiber.The study of the fatigue behavior was performed based on the curves of resistance (S-N), analysis of surface roughness, porosity and density of materials and damage parameters: loss of stiffness and hysteresis energy. For this, density and surface roughness measurements were performed to correlate fatigue behavior with surface finish and porosity.It was concluded that the materials tested had some density fluctuations, due to internal defects as porosities, and that these density fluctuations have profound influence on fatigue strength. It was also concluded that the surface finish, for the level of rugosities tested, has no impact on the fatigue resistance.The tensile behavior changes with the addition of fiber to the material used as a matrix, with the higher fiber series having a typically brittle fracture behavior and the epoxy resin, which has a ductile fracture behavior. The fatigue behavior of all the series tested is identical, with the slopes S-N slopes identical.Both the fatigue strength and the tensile strength tend to increase with the fiber volume, reaching the maximum reinforcement efficiency for the 17.5% series.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia A indústria portuguesa de moldes tem vindo a crescer, ocupando atualmente o 8º lugar de maior produtor de moldes para a injeção de plástico a nível mundial sendo o 3º maior produtor a nível europeu.Devido ao preço elevado associado ao fabrico de novos moldes e ferramentas, neste trabalho será estudado a possibilidade de recuperação dos moldes utilizando um processo de reparação por soldadura a laser que usa um cristal de Nd:YAG. Este tem a vantagem de obter uma menor alteração da composição do material na zona adjacente à região reparada. No decorrer do presente trabalho será apresentado um estudo da resistência à fadiga de três materiais amplamente utilizados na produção de moldes (AA5083-H111, AISI P20 e AISI H13). Os testes foram realizados a amplitude constante com R= 0,02 em provetes preparados com entalhes em V e preenchidos com os materiais de adição com dois parâmetros diferentes de soldadura. A gama de tensões aplicada foi escolhida a partir dos resultados obtidos em ensaios de tração previamente realizados. Os resultados da resistência à fadiga são apresentados sob a forma de curvas S-N obtidas para os materiais soldados e não soldados. São ainda comparadas com normas vigentes que fornecem curvas típicas para este tipo de junta soldada.Complementarmente ao estudo da resistência à fadiga foi também avaliada a metalografia, dureza e a superfície de fratura dos provetes.Em geral, verificou-se um elevado número de defeitos na metalografia e uma diminuição de dureza no material adicionado, provocado pelas temperaturas atingidas na fusão do material e descarbonizações do material fundido para a ZAC. Verificou-se uma diminuição das propriedades mecânicas dos materiais nos ensaios de tração provocadas pela adição do cordão de soldadura e pelos fatores referidos previamente o que, consequentemente, levou a uma diminuição da resistência à fadiga das séries soldadas. The Portuguese mold industry has been growing, currently occupying the 8th place as the largest producer of molds for plastic injection in the world, being the 3rd largest producer in Europe.Due to the high price associated with the manufacture of new molds and tools, this work aims to study the possibility of recovering the molds using a laser welding repair process that uses a Nd:YAG crystal. This laser process has the advantage of achieving a smaller modification in the composition of the material in the adjacent zone to the repaired region.In the present work, a study of the fatigue strength of three materials that are widely used in the production of molds (AA5083-H111, AISI P20 and AISI H13) will be presented. The tests were performed at constant amplitude with R = 0,02, where the welded specimens were prepared with in V-shaped notches and filled with laser welding deposits with two different welding parameters. The applied nominal stress range was chosen from the results obtained in previous tensile tests that were carried out. Fatigue resistance results are presented as S-N curves obtained for welded and non-welded materials. They are also compared to current standards that provide typical curves for this type of welded joint.In addition to the assessment of the fatigue strength, metallography, hardness and fracture surface of the test specimens were also evaluated.In general, a high number of metallographic defects were detected as well as a decrease in hardness of the laser welded deposits caused by the temperatures reached in them and also due to the decarbonizations to the ZAC. Besides this was detected a decrease in the mechanical properties of the materials in the tensile tests due to the addition of the welded seam and by the previously mentioned factors which, consequently, led to a decrease of the fatigue resistance of the welded series.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia Este estudo foi realizado na Faculdade de Ciências e Tecnologias da Universidade de Coimbra e no Instituto Politécnico de Leiria, com o propósito de avaliar as propriedades mecânicas de compósitos reforçados com fibras curtas de carbono de matriz de resina epóxi. As fibras curtas tornaram-se reforços bastante eficazes no que toca resistência dos materiais poliméricos. Foi já estudado que, em certos casos, mesmo tratando-se de pequenas quantidades de fibras, a resistência do compósito tende a aumentar drasticamente. Os parâmetros considerados para a avaliação do comportamento mecânico destes compósitos foram a rugosidade, a tensão de ruptura, o módulo de armazenamento estático e dinâmico, a temperatura de transição vítrea, entre outros. Tenciona-se, com este estudo, criar uma contribuição para um melhor conhecimento da influência não só do conteúdo mas também do comprimento de fibra no comportamento mecânico dete tipo de compósitos. Os compósitos em estudo foram fabricados por moldação por compressão e a resina usada na matriz foi a Biresin®CR120. Foram utilizadas fibras curtas de carbono em diferentes percentagens e de diferentes comprimentos (2,4, e 6 mm). As placas de compósitos foram assim maquinadas para que os provetes tivessem as dimensões desejadas, mais nomeadamente para os ensaios de tracção e DMA. Realizaram-se ensaios de rugosidade, ensaios de tracção e de DMA, de modo a avaliar a existência de alguma relação do conteúdo e comprimento da fibra com os parâmetros mencionados. Foi também realizada uma avaliação ao microscópio electrónico de varrimento (SEM) de modo a analisar mais detalhadamente a superfície livre e de fractura dos provetes fracturados após a sujeitos à tracção. This work took place at Faculty of Sciences and Technology, University of Coimbra and Polytechnic of Leiria aiming an evaluation of short fibers carbon/epoxy composites mechanical properties.Carbon short fibers are known by their good mechanical properties and consequently, by its effectiveness on improving mechanical performance of polymeric materials. There are some studies that confirmed that in even small amounts the fibers could drastically increase the strength of some composites. The parameters considered on this work to evaluate the composites mechanical behavior were the roughness, the tensile strength, the storage modulus (static and dynamic), the glass transition temperature and others. This works aims to be a contribution for a better knowledge about the influence of fiber length and content on mechanical properties of this kind of materials. The composites were manufactured by compression moulding using short fiber reinforcements with different fiber contents and lengths (2, 4 and 6 mm), and the resin used as matrix was Biresin®CR120 and then the specimens were machined from the plates for desired dimensions to the tensile and DMA tests.Roughness evaluation, tensile and DMA tests were made with the purpose of study any possible relation between the described parameters and the length and fiber content. A SEM (Scanning electron microscope) analysis was also made in order to have a more detailed view of the fracture and free surface.______________________________

Resumo Devido ao avanço tecnológico, aumentou a necessidade do fabrico de peças de geometria complexa e de prototipagem rápida. Os processos de fabrico convencionais são relativamente limitados em termos de geometria da peça, o que originou o desenvolvimento de processos por adição. Os processos de manufatura por adição (AM) permitem uma liberdade total quanto á geometria do componente, e uma rápida prototipagem uma vez que são utilizados desenhos em CAD, diretamente transferidos para a máquina em questão. O objetivo deste trabalho é avaliar o comportamento mecânico á propagação por fadiga de elementos sinterizados a laser, de aço 18Ni300, mais precisamente obtenção das curvas de propagação de fenda, obtenção das constantes para aplicação da lei de Paris, determinação do limiar de fadiga, avaliação do efeito de sobrecarga e medição do fecho de fenda, para R=0, R=0,3 e R=0,6 em provetes fabricados com velocidade de laser de 200 mm/s e para R=0 para 400 mm/s. O presente estudo permitiu concluir que a razão de tensões não afeta substancialmente a velocidade de propagação. Pelo método usado para medição de fecho de fenda não foi possível detetar fecho em qualquer ensaio. A sobrecarga não provoca um efeito muito significativo no material, no entanto o efeito transitório é mais pronunciado para níveis de sobrecarga superiores. Concluiu-se também que a fenda tende a propagar-se entre camadas de sinterização. Abstract Due to the technological advance, the need for complex geometry components and rapid prototyping have increased. The conventional manufacturing methods are relatively limited in terms of geometry, which lead to the development of additive processes. Additive manufacturing (AM) processes allow total geometric freedom as well as rapid prototyping, since CAD files are directly transferred to the machinery. The objective of this essay is to evaluate the fatigue behavior of laser sintered components, made from 18Ni300 steel alloy, more precisely the fatigue crack growth rate, Paris law application, fatigue threshold, overload influence and crack closure for the load ratios of R=0, R=0.3 and R=0.6, with specimens manufactured by laser sintering using a laser speed of 200 and R=0 for laser speed of 400 mm/s. This research revealed that the load ratio have little effect on the crack growth rate, with the measurement method used there was no crack closure in any experiment, the influence of overload cycles was not very significant, however the transient behavior was more noticeable with higher overload ratios, it was also noticed that the fatigue crack has the propensity to grow through the interface between sintering layers.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra

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Tese de doutoramento em Engenharia Mecânica, na especialidade de Construção Mecânica, apresentada ao Departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra Os materiais compósitos laminados de matriz polimérica têm propriedades vantajosas tendo por isso uma ampla variedade de aplicações. Estes materiais são porém suscetíveis de sofrerem delaminações que podem debilitar consideravelmente as estruturas. Na direção da espessura do laminado as fibras não funcionam como um reforço efetivo, pelo que a resistência entre camadas é sempre menor que a resistência no plano. Neste trabalho estudam-se compósitos de fibra de vidro do tipo E, costurada sob a forma de tecido equilibrado tri-direcional e matriz epoxídica modificada com nano-argila montmorilonita organicamente modificada (OMMT) ou nanotubos de carbono de parede múltipla (MWCNT). A adição destes nanomateriais pretende melhorar as propriedades interfaciais e assim contribuir para melhorar o comportamento mecânico destes materiais. No fabrico dos compósitos trifásicos foi utilizado o processo de moldagem assistida a vácuo a partir do empilhamento de dez camadas de fibra de vidro previamente impregnadas com resina nano-modificada. Para caracterizar e comparar a Tenacidade à Fratura Interlaminar dos compósitos, fibra de vidro/epóxido foram realizados ensaios de Fratura Interlaminar, com solicitações de carga em Modo I, Modo II e Modo Misto I/II. De uma forma geral a modificação da matriz com nanopartículas resultou numa melhoria da Tenacidade à Fratura Interlaminar independentemente do modo de solicitação. Foi ainda avaliada a influência da nano-argila e do hidro-envelhecimento na Tenacidade à Fratura Interlaminar e no crescimento de fendas subcríticas. Os resultados de descoesão subcrítica, apresentados sob a forma de curvas da/dt versus G, mostraram que o envelhecimento promovido pela água nos compósitos com nano-argila reduz a Tenacidade à Fratura Interlaminar em Modo I. Por outro lado, a dispersão da nano-argila na matriz promove uma diminuição significativa da velocidade de crescimento da fenda subcrítica. Foram ainda observadas as superfícies de Fratura Interlaminar dos compósitos através de microscopia eletrónica e os mecanismos de ruina foram analisados e discutidos. Os efeitos da modificação da matriz com nanopartículas sobre o comportamento à fadiga dos compósitos, fibra de vidro/epóxido foram avaliados através de ensaios realizados com cargas cíclicas a amplitude constante, de tração-tração e de flexão em três pontos. A evolução do dano foi controlada pela variação da flexibilidade e variação de temperatura dos compósitos. Os resultados são apresentados, sob a forma de curvas de gama de tensão versus o número de ciclos até à rotura (Ds-Nf) e razão de fadiga versus número de ciclos até à rotura (Ds/sut versus Nf). De um modo geral a adição de nanopartículas à matriz epoxídica resultou em variações pouco significativas da resistência à fadiga. No entanto a razão de fadiga aumentou com a presença de nano-argila e nanotubos de carbono de parede múltipla na matriz epoxídica sugerindo que ambas as nanopartículas podem agir como barreiras à propagação de fendas por fadiga. Como complemento foi efetuado um estudo numérico, com recurso ao programa de elementos finitos MARC-MENTAT 2013. Foram desenvolvidos modelos numéricos usando elementos de interface coesivos para previsão da delaminação em provetes DCB e MMB de compósitos de fibra de vidro/epóxido, solicitados em Modo I e Modo Misto I/II, respetivamente. Para os provetes DCB as previsões numéricas foram comparadas com resultados experimentais tendo-se observado uma boa concordância em termos de curvas carga-deslocamento e comprimento de fenda-deslocamento. Quanto aos provetes MMB, foram identificados dois estágios de propagação da fenda. Numa primeira fase a velocidade de propagação da fenda é elevada, até se atingir o ponto de aplicação da carga de compressão. Para além do ponto referido a velocidade de propagação da fenda diminui significativamente. Composite materials with polymeric matrix have advantageous properties having so a great diversity of applications. These materials are however prone to delamination that can significantly weaken the structures. In the thickness direction of the laminate, the fibres do not work as an effective reinforcement, and so that the strength between layers is always lower than the strength in the plane. This work studies glass fibre type E composites, sewn in the form of balanced tri-directional fabric, with epoxy matrix modified with nano-clay organically modified montmorillonite (OMMT) or multiwalled carbon nanotubes (MWCNT). The inclusion of these nanomaterials aims to strengthen the interfaces of the laminate and thus contribute to improve the mechanical behavior of these materials. Vacuum assisted moulding was used in the manufacture of three-phase composites from the stacking of ten glass fibre layers, preimpregnated with nano-modified resin. To characterize and compare the Interlaminar Fracture Toughness of the glass fibre/epoxy composites, Interlaminar Fracture tests were performed with Mode I, Mode II and Mixed Mode I/II loadings. In general, the modification of the matrix with nanoparticles resulted in an improvement of Interlaminar Fracture Toughness regardless of the loading mode. The influence of the nano-clay and of the ageing in water on Interlaminar Fracture Toughness and subcritical crack growth was also evaluated. The results of subcritical debonding, presented in the form of da/dt versus G curves, showed that aging promoted by water on nano-clay composites reduces the Interlaminar Fracture Toughness in Mode I loading. On the other hand, dispersion of nano-clay in the matrix promoted a significant decrease of subcritical crack growth rate. The surfaces of interlaminar fracture were observed using electron microscopy and the failure mechanisms were analyzed and discussed. The effects of modifying the matrix with nanoparticles on the fatigue behavior of the composites were evaluated through constant amplitude tests, for traction-traction and three point bending loadings. The damage evolution was studied by the analysis of flexibility variation and temperature variation. The results are presented in the form of stress range versus number of cycles to failure (Ds-Nf) and fatigue ratio versus number of cycles to failure (Ds/sut versus Nf). In general, the addition of nanoparticles to the epoxy matrix results in negligible variations of the fatigue resistance. However, the fatigue ratio increased with the presence of nano-clay and carbon nanotubes in the epoxy matrix, suggesting that both nanoparticles can act as barriers to the propagation of fatigue cracks. A numerical study was developed to complement the experimental analysis using the finite element program MARC-Mentat 2013. Numerical models were developed using cohesive interface elements for predicting delamination in DCB and MMB specimens of composite glass fibre/epoxy, loaded in Mode I and Mixed Mode I/II, respectively. The predictions obtained for the DCB specimens were compared with experimental results and a good agreement was observed in terms of load-displacement and crack length-displacement curves. In the MMB specimens two stages of crack propagation were identified. Initially, the rate of crack propagation is relatively high, decreasing significantly beyond the point of application of the compressive load. FCT - Projeto nº PTDC/EME-PME/113695/2009

O atual desenvolvimento e aplicação exponencial de materiais compósitos, deve-se em grande parte a indústrias como a automóvel, aeronáutica e desportos de competição que constantemente procuram substituir componentes existentes por outros mais leves e com propriedades mecânicas superiores. Um dos materiais que tem sofrido maior evolução é o laminado de fibra de carbono, por ter características que o tornam favorável às exigências atuais do mercado ao nível da eficiência, segurança, redução dos custos de fabrico, boa capacidade para resistir a produtos químicos corrosivos, temperatura e pressão. Estes são alguns dos fatores que levaram à utilização deste tipo de material para a realização deste estudo. O objetivo fundamental deste trabalho é analisar o comportamento de laminados poliméricos reforçados por fibra de carbono (CFRP), após serem sujeitos a 52 ciclos de fadiga térmica, com uma duração de 16 horas por ciclo com temperaturas entre os - 40˚C e 60˚C. Os provetes submetidos a ensaio foram manufaturados através de impregnação manual com moldação por vácuo. O processo de fadiga térmica foi executado em dois equipamentos, estufa e arca frigorífica. Foram realizados ensaios de tração, flexão em 3 pontos e impacto de baixa velocidade. A tensão de rotura, carga máxima e energia elástica foram os principais parâmetros obtidos. Com estes parâmetros analisou-se o comportamento dos laminados ao longo do processo de fadiga térmica. Os resultados obtidos para a alteração do comportamento não evidenciaram alterações significativas em nenhum dos ensaios, os parâmetros analisados mantiveram-se na mesma gama de valores. Com estes resultados concluiu-se que os laminados de fibra de carbono não sofreram dano detetável nas condições de ensaio impostas.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra

Dissertação apresentada para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica na Especialidade de Projecto Mecânico, apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra O uso de componentes leves e resistentes é uma mais-valia actualmente, à medida que o mundo se torna mais rápido. Cada vez mais a necessidade de reduzir a massa em veículos, componentes desportivos, indústria aeroespacial, etc. passa pela adopção de peças e estruturas em materiais compósitos laminados de matriz polimérica. Estes materiais são excepcionalmente resistentes atendendo ao seu peso mas as suas propriedades transversais ao plano, resultado da sua elevada anisotropia, são substancialmente mais baixas, tornando-se um motivo de investigação principalmente quando estes compósitos estão sujeitos a impactos. O impacto pode ocorrer a alta velocidade, habitualmente associado a impactos balísticos, criando um dano bastante localizado e perceptível ou pode ocorrer a baixa velocidade, estado habitualmente associado a quedas dos próprios componentes ou de ferramentas, que cria um dano muitas vezes invisível à vista desarmada mas que é geralmente maior e mais prejudicial que o dano a elevada velocidade. Assim, existe a necessidade de se conseguir um reforço que melhore as propriedades transversais, principalmente no que diz respeito ao impacto. Uma solução cada vez mais frequente é a dispersão de partículas de nanotubos de carbono ou de nanoargilas nos compósitos, na tentativa de reduzir a formação de fendas ou de evitar a sua propagação. Este trabalho pretende estudar o comportamento, vantagens e desvantagens do uso destas partículas como nanoreforços em placas de fibra de vidro em matriz epóxi sujeitas a impacto de baixa velocidade. Abstract The use of light and strong components is an added value nowadays that the world is becoming faster. More and more the need to reduce the mass of vehicles, sport components and aerospace industry components goes through the adoption of parts and structures built in composite laminated materials with a polymeric matrix. These materials are exceptionally strong in regard to its weight but the planetransverse properties, result of the elevated anisotropy, are substantially lower becoming a subject of investigation specially when these composites are under impact. The impact can occur at high speed usually associated with ballistic impacts making a quite visible but localized damage or it can occur at low speeds being usually associated to the fall of the part itself or of tools. This type of damage is frequently invisible to the naked eye but is considerably bigger and more prejudicial than the damage resultant of an high speed impact. Thus, there is a need to achieve a reinforcement which improves the transverse properties mainly in regard to the impact. A solution increasingly common is the dispersion of carbon nanotubes or nanoclays in the composites in order to reduce the formation of cracks or to prevent it from spreading. This work aims to study the behavior, advantages and disadvantages of using these particles as nano-reinforcements in plates of glass fiber with epoxy matrix subjected to low velocity impact. Este trabalho é financiado por fundos FEDER - através do Programa Operacional Factores de Competitividade – COMPETE e por Fundos Nacionais através da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologia no âmbito do Projecto “PTDC/EME PME/113695/2009; FCOMP-01-0124-FEDER-015152”.

Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica na Especialidade de Sistemas de Produção, apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra A soldadura por fricção linear, FSW, surge nos dias de hoje como um processo de ligação, de grande utilidade e futuro. A sua principal utilização é na união de chapas de alumínio, onde se regista um elevado sucesso da técnica. Existem algumas limitações a este processo, o que levou ao aparecimento da técnica de processamento por fricção linear, FSP. Deste modo, é possível obter alguns dos efeitos benéficos do FSW através do pós processamento de juntas previamente soldadas. Neste trabalho irá ser estudada a possível melhoria da resistência à fadiga de juntas T, de alumínio AA6082-T651, soldadas a MIG, e posteriormente processadas por FSP. Para tal, serão realizadas análises morfológicas, ensaios de dureza, ensaios de tração e ensaios de fadiga para R=0 e R=0,4, em provetes soldados a MIG e provetes soldados a MIG e pós processados. Concluiu-se que o pós processamento aumenta a resistência à fadiga das juntas soldadas a MIG, através da modificação da microestrutura e da eventual redução de tensões residuais existentes. Abstract Friction stir welding, FSW, is nowadays a bonding technique with great utility and future. Its main utilization is the aluminium plate bonding since its very effective. The limitations of the friction stir welding led to the invention of the friction stir processing, FSP. With this technique it is possible to obtain some of the benefic effectes of FSW with post processing of previously welded joints. This thesis will study the possible improvement in fatigue resistance of T joints, made in AA6082-T651 aluminium, welded by MIG process and post processed by FSP. Aiming at this, morphological analysis, hardness tests, tension tests and fatigue tests with R=0 and R=0,4 will be performed in MIG welded and MIG welded and post-processed specimens. It was concluded that the fatigue resistance of the post-processed specimens was enhanced by the microstructural modification and by the reduction of probable existing residual stresses. Colaboração institucional: Trabalho financiado por fundos FEDER – através do Programa Operacional Factores de Competitividade – COMPETE e por Fundos Nacionais através da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologia no âmbito do Projecto “PTDC/EME-PME/114605/2009; COMPETE: FCOMP-01-0124-FEDER-015165”

Dissertação de mestrado em Engenharia Mecânica apresentada à Fac. Ciências e Tecnologia da Univ. Coimbra