Effect of temperature on the shear strength of aluminium single lap bonded joints for high temperature applications

An experimental and numerical investigation into the shear strength behaviour of adhesive single lap joints (SLJs) was carried out in order to understand the effect of temperature on the joint strength. The adherend material used for the experimental tests was an aluminium alloy in the form of thin sheets, and the adhesive used was a high-strength high temperature epoxy. Tensile tests as a function of temperature were performed and numerical predictions based on the use of a bilinear cohesive damage model were obtained. It is shown that at temperatures below Tg, the lap shear strength of SLJs increased, while at temperatures above Tg, a drastic drop in the lap shear strength was observed. Comparison between the experimental and numerical maximum loads representing the strength of the joints shows a reasonably good agreement.

Establishing the main Guidelines for Cast Steel to Produce Truck Parts

Este trabalho foi realizado na Scania CV AB e teve como principal objectivo estabelecer uma diretriz sobre a possível utilização de aços vazados. Existe uma grande necessidade na realização deste trabalho, de forma a apoiar os engenheiros de projecto no seu processo de selecção dos materiais mais adequados, para produzir componentes mais leves e de elevado desempenho. Esta diretriz apresenta informação relacionada com propriedades mecânicas, processos de fundição, vazabilidade, tipologia de defeitos, tratamentos térmicos, soldabilidade e tratamentos superficiais dos aços vazados. Este trabalho foi limitado, na seleção de materiais para componentes do camião, a aços vazados que poderiam ser aplicados em dois componentes específicos: um componente estrutural da carroçaria sujeito a esforços de fadiga e a um colector de gases de combustão, sujeito a fluência, oxidação, fadiga por corrosão, fadiga-térmica e fadiga-mecânica. Foi realizado um benchmark focado nestes dois componentes de forma a saber que materiais são utilizados de momento por outras empresas concorrentes. Foi realizada ainda uma análise sobre possíveis materiais que possam ser aplicados em cada componente referido. Foi conduzida uma caracterização no estado bruto de fundição de um aço inoxidável vazado usado para produzir um protótipo do colector de gases. Esta caracterização consistiu numa análise microestrutural e medição de macro e microdurezas. Além da caracterização inicial, foram aplicados um conjunto de tratamentos térmicos, de forma a estudar a possibilidade de eliminar os carbonetos presentes inicialmente nas fronteiras de grão. As principais conclusões deste trabalho são que o aço vazado apresenta potencial para ser uma escolha válida em diversas aplicações, devido a um leque alargado de propriedades apresentadas tipicamente por este material. Relativamente a aplicações estruturais, o aço vazado é vantajoso comparativamente ao ferro fundido, quando são requeridos, por exemplo, soldabilidade e elevada resistência, combinada com elevada tenacidade à fractura. Para componentes sujeitos a elevadas temperaturas de serviço, o aço inoxidável vazado é vantajoso quando usado a temperaturas superiores a 750°C, apesar do seu elevado custo. O tratamento térmico composto por um recozimento de solubilização seguido de envelhecimento, elimina quase na totalidade os carbonetos presentes nas fronteiras de grão e verifica-se um aumento de dureza através de uma precipitação de carbonetos finamente dispersos na matriz, que poderão também aumentar a resistência à fluência.

Estudo da delaminação em compósitos

As excelentes propriedades mecânicas, associadas ao seu baixo peso, fazem com que os materiais compósitos sejam atualmente dos mais interessantes da nossa sociedade tecnológica. A crescente utilização destes materiais e a excelência dos resultados daí provenientes faz com que estes materiais sejam utilizados em estruturas complexas de responsabilidade, pelo que a sua maquinagem se torna necessária de forma a possibilitar a ligação entre peças. O processo de furação é o mais frequente. O processo de maquinagem de compósitos terá como base os métodos convencionais utilizados nos materiais metálicos. O processo deverá, no entanto, ser convenientemente adaptado, quer a nível de parâmetros, quer a nível de ferramentas a utilizar. As características dos materiais compósitos são bastante particulares pelo que, quando são sujeitos a maquinagem poderão apresentar defeitos tais como delaminação, fissuras intralaminares, arrancamento de fibras ou dano por sobreaquecimento. Para a detecção destes danos, por vezes a inspeção visual não é suficiente, sendo necessário recorrer a processos específicos de análise de danos. Existem já, alguns estudos, cujo âmbito foi a obtenção de furos de qualidade em compósitos, com minimização do dano, não se podendo comparar ainda com a informação existente, no que se refere à maquinagem de materiais metálicos ou ligas metálicas. Desta forma, existe ainda um longo caminho a percorrer, de forma a que o grau de confiança na utilização destes materiais se aproxime aos materiais metálicos. Este trabalho experimental desenvolvido nesta tese assentou essencialmente na furação de placas laminadas e posterior análise dos danos provocados por esta operação. Foi dada especial atenção à medição da delaminação causada pela furação e à resistência mecânica do material após ser maquinado. Os materiais utilizados, para desenvolver este trabalho experimental, foram placas compósitas de carbono/epóxido com duas orientações de fibras diferentes: unidireccionais e em “cross-ply”. Não se conseguiu muita informação, junto do fornecedor, das suas características pelo que se levaram a cabo ensaios que permitiram determinar o seu módulo de elasticidade. Relativamente á sua resistência â tração, como já foi referido, a grande resistência oferecida pelo material, associada às limitações da máquina de ensaios não permitiu chegar a valores conclusivos. Foram usadas três geometrias de ferramenta diferentes: helicoidal, Brad e Step. Os materiais utilizados nas ferramentas, foram o aço rápido (HSS) e o carboneto de tungsténio para as brocas helicoidais de 118º de ângulo de ponta e apenas o carboneto de tungsténio para as brocas Brad e Step. As ferramentas em diamante não foram consideradas neste trabalho, pois, embora sejam reconhecidas as suas boas características para a maquinagem de compósitos, o seu elevado custo não justifica a sua escolha, pelo menos num trabalho académico, como é o caso. As vantagens e desvantagens de cada geometria ou material utilizado foram avaliadas, tanto no que diz respeito à delaminação como á resistência mecânica dos provetes ensaiados. Para a determinação dos valores de delaminação, foi usada a técnica de Raio X. Algum conhecimento já existente relativamente a este processo permitiu definir alguns parâmetros (por exemplo: tempo de exposição das placas ao liquido contrastante), que tornaram acessível o procedimento de obtenção de imagens das placas furadas. Importando estas imagens para um software de desenho (no caso – AutoCad), foi possível medir as áreas delaminadas e chegar a valores para o fator de delaminação de cada furo efetuado. Terminado este processo, todas as placas foram sujeitas a ensaios de esmagamento, de forma a avaliar a forma como os parâmetros de maquinagem afectaram a resistência mecânica do material. De forma resumida, são objetivos deste trabalho: - Caracterizar as condições de corte em materiais compósitos, mais especificamente em fibras de carbono reforçado com matriz epóxida (PRFC); - Caracterização dos danos típicos provocados pela furação destes materiais; - Desenvolvimento de análise não destrutiva (RX) para avaliação dos danos provocados pela furação; - Conhecer modelos existentes com base na mecânica da fratura linear elástica (LEFM); - Definição de conjunto de parâmetros ideais de maquinagem com o fim de minimizar os danos resultantes da mesma, tendo em conta os resultados provenientes dos ensaios de força, da análise não destrutiva e da comparação com modelos de danos existentes e conhecidos.

Adhesive selection for single lap bonded joints: Experimentation and advanced techniques for strength prediction

The integrity of multi-component structures is usually determined by their unions. Adhesive-bonding is often used over traditional methods because of the reduction of stress concentrations, reduced weight penalty, and easy manufacturing. Commercial adhesives range from strong and brittle (e.g., Araldite® AV138) to less strong and ductile (e.g., Araldite® 2015). A new family of polyurethane adhesives combines high strength and ductility (e.g., Sikaforce® 7888). In this work, the performance of the three above-mentioned adhesives was tested in single lap joints with varying values of overlap length (LO). The experimental work carried out is accompanied by a detailed numerical analysis by finite elements, either based on cohesive zone models (CZM) or the extended finite element method (XFEM). This procedure enabled detailing the performance of these predictive techniques applied to bonded joints. Moreover, it was possible to evaluate which family of adhesives is more suited for each joint geometry. CZM revealed to be highly accurate, except for largely ductile adhesives, although this could be circumvented with a different cohesive law. XFEM is not the most suited technique for mixed-mode damage growth, but a rough prediction was achieved.

Drilling of fibre reinforced plastic laminates

The use of fibre reinforced plastics – FRP’s – in structures is under a considerable increase. Advantages of their use are related with their low weight, high strength and stiffness. The improvement of the dynamic characteristics has been profitable for aeronautics, automobile, railway, naval and sporting goods industries. Drilling is a widely used machining technique as it is needed to assemble parts in a structure. This is a unique machining process, characterized by the existence of two different mechanisms: extrusion by the drill chisel edge and cutting by the rotating cutting lips. Drilling raises particular problems that can reduce mechanical and fatigue strength of the parts. In this work, quasi-isotropic hybrid laminates with 25% of carbon fibre reinforced plies and 4 mm thickness are produced, tested and drilled. Three different drill geometries are compared. Results considered are the interlaminar fracture toughness in Mode I – GIc –, thrust force during drilling and delamination extent after drilling. A bearing test is performed to evaluate tool influence on the load carrying capacity of the plate. Results consider the influence of drill geometry on delamination. A correlation linking plate damage to bearing test results is presented.

Tool effects on hybrid laminates drilling

Fiber reinforced plastics are increasing their importance as one of the most interesting groups of material on account of their low weight, high strength, and stiffness. To obtain good quality holes, it is important to identify the type of material, ply stacking sequence, and fiber orientation. In this article, the drilling of quasi-isotropic hybrid carbon +glass/epoxy plates is analyzed. Two commercial drills and a special step drill are compared considering the thrust force and delamination extension. Results suggest that the proposed step drill can be a suitable option in laminate drilling.

Utilização de algoritmos de processamento e análise de imagem na avaliação do dano em placas compósitas

PTDC/EME–TME/66207/2006 e POSC/EEA-SRI/55386/2004

Analyzing objects in images for estimating the delamination influence on load carrying capacity of composite laminates

The use of fiber reinforced plastics has increased in the last decades due to their unique properties. Advantages of their use are related with low weight, high strength and stiffness. Drilling of composite plates can be carried out in conventional machinery with some adaptations. However, the presence of typical defects like delamination can affect mechanical properties of produced parts. In this paper delamination influence in bearing stress of drilled hybrid carbon+glass/epoxy quasi-isotropic plates is studied by using image processing and analysis techniques. Results from bearing test show that damage minimization is an important mean to improve mechanical properties of the joint area of the plate. The appropriateness of the image processing and analysis techniques used in the measurement of the damaged area is demonstrated.

Mathematical modeling and simulation of heat flow through pultrusion die assembly system for thermoset composites

Pultrusion is an industrial process used to produce glass fibers reinforced polymers profiles. These materials are worldwide used when performing characteristics, such as great electrical and magnetic insulation, high strength to weight ratio, corrosion and weather resistance, long service life and minimal maintenance are required. In this study, we present the results of the modelling and simulation of heat flow through a pultrusion die by means of Finite Element Analysis (FEA). The numerical simulation was calibrated based on temperature profiles computed from thermographic measurements carried out during pultrusion manufacturing process. Obtained results have shown a maximum deviation of 7%, which is considered to be acceptable for this type of analysis, and is below to the 10% value, previously specified as maximum deviation. © 2011, Advanced Engineering Solutions.

Estudo de delaminação em compósitos de matriz polimérica

A aplicação do material compósito é neste momento bastante vasta, graças à combinação das suas características específicas, tais como, maior resistência específica e módulos específicos e melhor resistência à fadiga, quando comparados com os metais convencionais. Tais características, quando requeridas, tornam este material ideal para aplicações estruturais. Esta caminhada de sucesso iniciou desde muito cedo, quando o material compósito já era utilizado para fabrico de armas pelos mongóis e na construção civil pelos hebreus e egípcios, contudo, só a partir dos meados do século XX é que despertou interesses para aplicações mais modernas. Atualmente os materiais compósitos são utilizados em equipamentos domésticos, componentes elétricos e eletrónicos, passando por materiais desportivos, pela indústria automóvel e construção civil, até indústrias de grande exigência e visibilidade tecnológica como a aeronáutica, espacial e de defesa. Apesar das boas características apresentadas pelos materiais compósitos, no entanto, estes materiais têm tendência a perderem as suas propriedades quando submetidas a algumas operações de acabamento como a furação. A furação surge da necessidade de ligação de peças de um mesmo mecanismo. Os furos obtidos por este processo devem ser precisos e sem danos para garantir ligações de alta resistência e também precisas. A furação nos materiais compósitos é bastante complexa devido à sua heterogeneidade, anisotropia, sensibilidade ao calor e pelo facto de os reforços serem extremamente abrasivos. A operação de furação pode causar grandes danos na peça, como a delaminação a entrada, defeitos de circularidade do furo, danos de origem térmica e a delaminação à saída que se apresenta como o mais frequente e indesejável. Com base nesses pressupostos é que este trabalho foi desenvolvido de forma a tentar obter processos simples para determinação e previsão de danos em polímeros reforçados com fibras (de carbono neste caso) de forma a precavê-los. De forma a conseguir estes objetivos, foram realizados ensaios de início de delaminação segundo a proposta de Lachaud et al. e ensaios de pin-bearing segundo a proposta de Khashaba et al. Foram também examinadas extensões de danos de acordo com o modelo de Fator de delaminação ajustado apresentado por Davim et al. A partir dos ensaios, de pin-bearing, realizados foram analisadas influências do material e geometria da broca, do avanço utilizado na furação e de diferentes orientações de empilhamentos de placas na delaminação de laminados compósitos e ainda a influências dessas variáveis na força de rutura por pin-bearing. As principais conclusões tiradas daqui são que a delaminação aumenta com o aumento do avanço, o que já era esperado, as brocas em carboneto de tungsténio são as mais recomendas para a furação do material em causa e que a delaminação é superior para a placa cross-ply quando comparada com placas unidirecionais. Para a situação de ensaios de início de delaminação foram analisadas as influências da variação da espessura não cortada por baixo da broca/punção, de diferentes geometrias de brocas, da alteração de velocidade de ensaio e diferentes orientações de empilhamentos de placas na força de início de delaminação. Deste ensaio as principais conclusões são que a força de início de delaminação aumenta com o aumenta da espessura não cortada e a influência da velocidade de ensaio altera com a variação das orientações de empilhamento.

Estudo comparativo da resistência à tração de juntas adesivas de sobreposição simples e dupla

O método de união com ligações adesivas está cada vez mais a ser utilizado na conceção de estruturas mecânicas, por causa das vantagens significativas desta técnica em comparação com as ligações tradicionais. De facto, as juntas com ligação adesiva estão sob investigação intensa há bastante tempo. Entre as vantagens, destaca-se a redução de peso e possibilidade de unir diferentes materiais, incluindo compósitos, sem danificar as estruturas a ligar. Os adesivos comerciais variam desde resistentes e frágeis (por exemplo, Araldite® AV138) a menos resistentes e dúcteis (por exemplo, Araldite® 2015). Uma nova família de adesivos de poliuretano combina elevada resistência e ductilidade (por exemplo, Sikaforce® 7888). Este trabalho compara o desempenho à tração dos três adesivos supracitados, em juntas de alumínio (Al6082-T651) de sobreposição simples e dupla, com variação dos valores de comprimento de sobreposição (LO). A análise numérica de modelos de dano coesivo (MDC) foi realizada para analisar as tensões de arrancamento (oy) e as de corte (txy) na camada adesiva, para estudar a variável de dano do MDC durante o processo de rotura e para avaliar a capacidade MDC na previsão da resistência da junta. A análise da resistência e da variável de dano ajudou na compreensão das diferenças entre os adesivos no que se refere ao processo de rotura e resistência da junta. Observou-se que as juntas de sobreposição dupla apresentam uma distribuição de tensões bastante mais favorável relativamente às juntas de sobreposição simples, principalmente devido à eliminação da flexão do substrato interior. Como resultado, a resistência destas juntas foi tipicamente superior ao dobro da observada para as juntas de sobreposição simples, com exceção de algumas configurações de junta em que houve plastificação extensa ou mesmo rotura dos substratos por tração. O trabalho proposto permitiu também concluir que as previsões MDC são tipicamente precisas, e qual a família de adesivos é mais adequada para cada configuração de junta, com a clara vantagem para o Sikaforce® 7888. Como resultado deste trabalho, foram propostas diretrizes de conceção para juntas adesivas.

Adhesive thickness effects of a ductile adhesive by optical measurement techniques

Adhesive bonding is an excellent alternative to traditional joining techniques such as welding, mechanical fastening or riveting. However, there are many factors that have to be accounted for during joint design to accurately predict the joint strength. One of these is the adhesive layer thickness (tA). Most of the results are for epoxy structural adhesives, tailored to perform best with small values of tA, and these show that the lap joint strength decreases with increase of tA (the optimum joint strength is usually obtained with tA values between 0.1 and 0.2 mm). Recently, polyurethane adhesives were made available in the market, designed to perform with larger tA values, and whose fracture behaviour is still not studied. In this work, the effect of tA on the tensile fracture toughness (View the MathML source) of a bonded joint is studied, considering a novel high strength and ductile polyurethane adhesive for the automotive industry. This work consists on the fracture characterization of the bond by a conventional and the J-integral techniques, which accurately account for root rotation effects. An optical measurement method is used for the evaluation of crack tip opening (δn) and adherends rotation at the crack tip (θo) during the test, supported by a Matlab® sub-routine for the automated extraction of these parameters. As output of this work, fracture data is provided in traction for the selected adhesive, enabling the subsequent strength prediction of bonded joints.

Cohesive law estimation of adhesive joints in mode II condition

The adhesive bonding technique enables both weight and complexity reduction in structures that require some joining technique to be used on account of fabrication/component shape issues. Because of this, adhesive bonding is also one of the main repair methods for metal and composite structures by the strap and scarf configurations. The availability of strength prediction techniques for adhesive joints is essential for their generalized application and it can rely on different approaches, such as mechanics of materials, conventional fracture mechanics or damage mechanics. These two last techniques depend on the measurement of the fracture toughness (GC) of materials. Within the framework of damage mechanics, a valid option is the use of Cohesive Zone Modelling (CZM) coupled with Finite Element (FE) analyses. In this work, CZM laws for adhesive joints considering three adhesives with varying ductility were estimated. The End-Notched Flexure (ENF) test geometry was selected based on overall test simplicity and results accuracy. The adhesives Araldite® AV138, Araldite® 2015 and Sikaforce® 7752 were studied between high-strength aluminium adherends. Estimation of the CZM laws was carried out by an inverse methodology based on a curve fitting procedure, which enabled a precise estimation of the adhesive joints’ behaviour. The work allowed to conclude that a unique set of shear fracture toughness (GIIC) and shear cohesive strength (ts0) exists for each specimen that accurately reproduces the adhesive layer’ behaviour. With this information, the accurate strength prediction of adhesive joints in shear is made possible by CZM.

Modelação de juntas adesivas por modelos de dano coesivo utilizando o método direto

A utilização de adesivos hoje em dia encontra-se de tal forma disseminada que é transversal a diversos setores do mercado, como a indústria aeroespacial, aeronáutica, automóvel e do desporto. De facto, o uso de ligações adesivas em estruturas mecânicas tem vindo a crescer, na medida em que estes têm substituído os métodos de ligação convencionais, tais como brasagem, rebitagem, ligações aparafusadas e soldadura. No geral, as ligações adesivas apresentam diversas vantagens, desde a diminuição do peso, redução da concentração de tensões, facilidade de fabrico, bom comportamento a solicitações cíclicas e capacidade de unir materiais dissimilares. O crescente interesse da indústria nas ligações adesivas tem por base o aumento da confiabilidade nos métodos de previsão de resistência de estruturas adesivas. Neste contexto surgem os Modelos de Dano Coesivo, que permitem simular o crescimento do dano em estruturas, após introdução das leis coesivas previamente estimadas nos modelos numéricos. Uma das fases mais importantes neste método de previsão é a estimativa das leis coesivas em tração e corte, pelo que se torna de grande relevância a existência e validação de métodos precisos para a obtenção destas leis. Este trabalho visa a validação de leis coesivas em tração e corte, estimadas pela aplicação do método direto, na previsão da resistência de juntas com geometria de solicitação mista. Neste âmbito, ensaiaram-se JSS e JSD com diferentes comprimentos de sobreposição e com adesivos de diferente ductilidade. Foram considerados os adesivos Araldite® AV138, de elevada resistência e baixa ductilidade, o Araldite® 2015, de moderada ductilidade e resistência intermédia, e o SikaForce® 7752, de baixa resistência e elevada ductilidade. As leis coesivas em modo puro serviram de base para a criação de leis simplificadas triangulares, trapezoidais e linearesexponenciais, que foram testadas para cada um dos adesivos. A validação das mesmas consumou-se por comparação das previsões numéricas com os resultados experimentais. Procedeu-se também a uma análise de tensões de arrancamento e de corte no adesivo, de modo a compreender a influência das tensões na resistência das juntas. A utilização do método direto permitiu obter previsões de resistência bastante precisas, indicando as formas de leis coesivas mais adequadas para cada conjunto adesivo/geometria de junta. Para além disso, para as condições geométricas e materiais consideradas, este estudo permitiu concluir que não se cometem erros significativos na escolha de uma lei menos adequada.

Estudo experimental e numérico de juntas adesivas em T com aderentes de alumínio

Nos dias de hoje, a ligação adesiva de estruturas complexas que não poderiam ou não seriam tão fáceis de ser fabricadas numa só peça é cada vez mais usual. As juntas adesivas têm vindo a substituir muitos outros métodos de ligação, como por exemplo ligações aparafusadas, rebitas ou soldadas, devido às vantagens de facilidade na sua fabricação, resistência superior e capacidade de unir materiais diferentes. Por esta razão as juntas adesivas têm vindo a ser aplicadas cada vez mais em várias industrias como aeroespacial, aeronáutica, automóvel, naval e calçado. O tipo de adesivo a usar em determinada aplicação é principalmente escolhido consoante as suas características mecânicas e o tipo de resposta pretendida às solicitações impostas. Como exemplo de adesivo resistente e frágil existe o Araldite® AV138. Por outro lado, o adesivo Araldite® 2015 é menos resistente, mas apresenta maior ductilidade e flexibilidade. Além dos adesivos Araldite® comerciais, existem adesivos de poliuretano que combinam características de elevada resistência com características de grande ductilidade e flexibilidade, como por exemplo o Sikaforce® 7752. Esta dissertação tem como objetivo estudar experimentalmente e numericamente, através de modelos de dano coesivo (MDC), o comportamento de diferentes configurações de junta em T quando sujeitas a solicitações de arrancamento. Consideram-se os adesivos anteriormente mencionados para testar as juntas sob diferentes tipos de adesivos. A junta em T é constituída por 2 aderentes em L de alumínio e um aderente base também em alumínio, unidos por uma camada de adesivo. Experimentalmente é feito um estudo da resistência da junta com a variação da espessura dos aderentes em L (tP2). Com a análise numérica são estudadas as distribuições de tensões, evolução do dano, modos de rotura e resistência. Além disso, realizou-se um estudo numérico da existência ou não de adesivo de preenchimento na zona da curvatura dos aderentes em L nas tensões e na resistência da junta. Mostrouse que a variação da geometria nos aderentes em L, a presença de adesivo de preenchimento e o tipo de adesivo têm uma influência direta na resistência de junta. Os ensaios experimentais validaram os resultados numéricos e permitiram concluir que os MDC são uma técnica precisa para o estudo das geometrias das juntas em T.