Correlation between the mechanical cycling behavior and microstructure in laser welded joints using NiTi memory shape alloys

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia de Materiais

Production of aluminium based composites reinforced with embedded NiTi by friction stir welding

Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Produção de compósitos Alumínio/NiTi através do processo híbrido de fricção linear

Os compósitos inteligentes de matriz metálica (CIMM) têm sido intensamente explorados nas últimas décadas devido à capacidade destes sistemas poderem alterar as suas propriedades mediante um estímulo externo. As ligas de Níquel-Titânio (Ni-Ti) são materiais inteligentes e desempenham, maioritariamente, funções de atuação ou controlo de vibrações nos sistemas em que se inserem, permitindo que estes apresentem características funcionais. A soldadura por fricção linear (SFL) tem sido uma alternativa aos processos de soldadura por fusão para materiais difíceis de soldar como as ligas de alumínio (AA) ou ainda na ligação de materiais dissimilares. No entanto, devido à ocorrência de defeitos, gerados como consequência do deficiente fluxo visco-plástico produzidos pela SFL, surgiram novas variantes deste processo, como a SFL assistida por corrente elétrica (SFLACE), que, por efeito de Joule, provoca o aquecimento do material processado e, consequente, aumento do fluxo visco-plástico, diminuindo ou eliminando a presença de defeitos. Este trabalho incide na produção de CIMM utilizando chapas de AA1100 reforçadas com Ni-Ti por SFLACE em configuração de junta sobreposta. As interfaces e os fluxos de material resultantes foram analisados recorrendo às técnicas de microscopia ótica (MO), SEM, EDS e difração de raio-x (DRX). O controlo de vibrações do CIMM produzido foi também estudado através de ensaios de vibração à temperatura ambiente, bem como a temperaturas superiores à de fim da formação da fase austenítica, e efetuaram-se ensaios de flexão e pull-out com vista à caracterização mecânica. Observou-se que o compósito produzido apresenta um fator de amortecimento superior quando o reforço se encontra na fase martensítica. O ensaio de pull-out confirmou a existência da ligação entre a matriz e o reforço, igualmente observada por SEM. O compósito produzido apresenta uma forte ligação entre os materiais dissimilares, com franca melhoria no caso das amostras processadas com corrente elétrica, obtendo-se um material com características funcionais.

Gas tungsten arc welding of NiTi shape memory alloy

Shape memory alloys are characterized by the ability of recovering their initial shape after being deformed and by superelasticity. Since the discovery of these alloys, a new field of interest emerged not only for the scientific community but also to many industries. However, these alloys present poor machinability which constitute a constrain in the design of complex components for new applications. Thus, the demand for joining techniques able to join these alloys without compromising their properties became of great importance to enlarge the complexity of existing applications. Literature shows that these alloys are joined mainly using laser welding. In the present study, similar NiTi butt joints, were produced using TIG welding. The welds were performed in 1.5 mm thick plates across the rolling direction. A special fixture and gas assist device was designed and manufactured. Also a robot arm was adapted to accommodate the welding torch to assure the repeatability of the welding parameters. Welds were successfully achieved without macroscopic defects, such as pores and distortions. Very superficial oxidation was seen on the top surface due to insufficient shielding gas flow on the weld face. The welded joints were mechanically tested and structurally characterized. Testing methods were used to evaluate macro and microstructure, as well as the phase transformation temperatures, the mechanical single and cyclic behaviour and the shape recovery ability. Differential Scanning Calorimetry (DSC), Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive Spectroscopy (EDS), microhardness measurements were techniques also used to evaluate the welded joints. A depletion in Ni in the fusion zone was seen, as well as a shift in Ms temperature. For strain values of 4% the accumulated irrecoverable strain was of about 30% and increased with the strain imposed during cycling. Nevertheless, a complete recovery of initial shape was observed when testing the shape memory effect on a dedicated device that introduces a deformation of 6.7%. That is, the welding procedure does not remove the ability of the specimens to recover their initial shape.

Laser welding of shape memory alloys

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Ligas com memória de forma - características e aplicações em Engenharia Civil

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil, Perfil de Estruturas

Técnicas avançadas de controlo não destrutivo para ligações de ligas com memória de forma a aços de construção civil

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Caracterização de fios para aplicação em ortodontia com comportamento superelástico

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia de Materiais

Simulação, desenvolvimento de equipamento e validação experimental de ensaios não destrutivos com células bacterianas

A técnica de Ensaios Não Destrutivos (END) baseada em células bacterianas (CB) foi proposta recentemente e tem demonstrado viabilidade na identificação de micro defeitos superficiais, com espessuras e profundidades inferiores a 5 μm, em vários materiais de engenharia. O conhecimento processual já é significativo, mas diversos aspectos carecem de desenvolvimentos, nomeadamente, a interacção das bactérias com outros materiais, o limiar de detectabilidade da técnica, a aplicação a defeitos naturais ou o comportamento dinâmico das bactérias sujeitas a campos eléctricos ou magnéticos. Este trabalho pretendeu ser um passo em frente no conhecimento da técnica. Os principais objectivos foram alargar a documentação sobre a interacção bactéria-material, determinar o menor defeito padrão possível de detectar, estabelecer e validar um modelo analítico da dinâmica das bactérias sujeitas a forças exteriores, e comparar o desempenho da técnica com os END por líquidos penetrantes (LP). Foi desenvolvido e testado um protótipo para aplicação de campos magnéticos permanentes triaxiais. A bactéria Rhodococcus erythropolis foi usada na inspecção dos materiais AA1100, AISI 316L, WC, titânio, NiTi, ouro, ABS e lentes oftálmicas, com defeitos padrão por micro e nano indentação e riscagem, assim como os defeitos existentes em soldaduras laser. A técnica foi testada nos padrões de sensibilidade dos LP para efeitos de comparação. Verificou-se que é possível identificar defeitos de nano indentação com largura e profundidades de aproximadamente 5,3 μm e 0,4 μm, respectivamente, e que também são identificados os defeitos dos padrões sensibilidade dos LP, com cerca de 1 μm de espessura.

Controlo de encurvadura de elementos de contraventamento com ligas com memória de forma

Com este estudo pretende-se que seja possível um avanço promissor no controlo da encurvadura (passivo e ativo), bem como o desenvolvimento inicial de um sistema de contraventamento com base no conceito de tensegridade, com encurvadura controlada, em estruturas ao nível macroscópico, com recurso às propriedades singulares das Ligas com memória de forma (LMF). A problemática inicial parte da análise da instabilidade de uma peça esbelta simples solicitada à compressão – coluna de Euler. A necessidade de controlar (ativa e passivamente) a encurvadura desta coluna leva ao desenvolvimento de sistemas de controlo com recurso às LMF. A aplicação das ligas é potenciada por desviadores, com duas configurações, dispostos a meia altura da coluna, perpendiculares ao eixo de menor inercia da coluna. Os modelos são ensaiados experimentalmente, tendo também sido desenvolvidos modelos numéricos, possibilitando uma completa análise do comportamento do sistema de controlo e da sua influência na resposta da coluna. No estudo foram utilizadas as ligas com o melhor perfil de adaptabilidade à engenharia Civil, NiTi – liga de memória de forma composta por Níquel e Titânio - que integraram um sistema de controlo de encurvadura. Fazem também parte desta dissertação desenvolvimentos paralelos ao estudo principal atrás referido. O âmbito destes estudos paralelos é centralizado na modelação das LMF enquanto elementos de controlo estrutural utilizando software de cálculo estrutural de elementos finitos. Destes desenvolvimentos resulta, para além do elemento de contraventamento dotado de LMF com base na tensegridade, a definição de um modelo constitutivo de LMF num software comercial de elementos finitos (SAP2000), com ampla divulgação no cálculo de estruturas de Engenharia Civil.

Estudo do efeito de tratamentos térmicos nas propriedades térmicas e mecânicas de três limas endodônticas: MTwo, K3 e K3XF

O objetivo deste estudo foi avaliar o efeito de tratamentos térmicos sobre as temperaturas de transformação de fase e no comportamento mecânico de três limas endodônticas: MTwo#30(.05), K3#30(.04) e K3XF#30(.04). As limas em estudo foram sujeitas a tratamentos térmicos entre 250 e 400ºC durante 1 h, seguidos de têmpera em água. Foi realizada análise térmica para determinar as temperaturas de transformação de fase. As propriedades mecânicas das limas foram testadas recorrendo a equipamentos que tentam simular o canal do dente, para testar a lima quando sujeita a esforços de torção (dispositivo desenvolvido pela mestranda) e de flexão combinada com rotação (dispositivo já existente). Foram também explorados resultados obtidos em estudos anteriores relacionados com a caracterização estrutural das limas, com recurso à radiação de sincrotrão: sem qualquer esforço aplicado e sob flexão. Os tratamentos térmicos alteraram as temperaturas de transformação de fases, sendo que estas aumentaram com o aumento da temperatura de tratamento térmico. Tendo em conta o comportamento mecânico, a lima K3XF é a que apresenta maiores ângulos de torção até à fratura, no entanto a MTwo é a que apresenta menores valores de momento de torção até à fratura. A lima K3 é a que apresenta o maior número de ciclos até à fratura.

Produção e caracterização de materiais com gradiente funcional a partir de ligas com memória de forma

O presente trabalho incidiu no estudo da possibilidade de se obter uma variação das propriedades funcionais numa liga de NiTi rica em Ni comercial a partir de um processo de tratamentos térmicos localizados por efeito de Joule. Para tal, foram tratados troços de fitas de NiTi sujeitas a diferentes tratamentos termo-mecânicos prévios, que foram posteriormente sujeitos a análise térmica por DSC (Differential Scanning Calorimetry) para se identificar a influência dos tratamentos térmicos nas temperaturas de transformação. As fitas foram também sujeitas a ciclos de deformação com utilização de um extensómetro para averiguar a influência de cada troço na deformação/recuperação globais. Estes estudos foram complementados por ensaios de resistividade elétrica, identificando-se as variações de resistividade nos diferentes troços, e por ensaios de DRX para complementar a análise térmica de modo a determinar as fases existentes nas fitas às diferentes temperaturas. Questões relacionadas com o processo e os seus diferentes parâmetros de operação foram também identificados e discutidas de modo a se poder adaptar e aperfeiçoar no futuro. Os resultados mostraram que este processo se adequa ao objetivo pretendido, com capacidade superior para se obter uma variação espacial das propriedades funcionais relativamente a outros métodos utilizados.

Fatigue life assessment of endodontic instruments subjected to multi planar curvature

This present study aimed to investigate the fatigue life of unused (new) endodontic instruments made of NiTi with control memory by Coltene™ and subjected to the multi curvature of a mandibular first molar root canal. Additionally, the instrument‟s structural behaviour was analysed through non-linear finite element analysis (FEA). The fatigue life of twelve Hyflex™ CM files was assessed while were forced to adopt a stance with multiple radius of curvature, similar to the ones usually found in a mandibular first molar root canal; nine of them were subjected to Pecking motion, a relative movement of axial type. To achieve this, it was designed an experimental setup with the aim of timing the instruments until fracture while worked inside a stainless steel mandibular first molar model with relative axial motion to simulate the pecking motion. Additionally, the model‟s root canal multi-curvature was confirmed by radiography. The non-linear finite element analysis was conducted using the computer aided design software package SolidWorks™ Simulation, in order to define the imposed displacement required by the FEA, it was necessary to model an endodontic instrument with simplified geometry using SolidWorks™ and subsequently analyse the geometry of the root canal CAD model. The experimental results shown that the instruments subjected to pecking motion displayed higher fatigue life values and higher lengths of fractured tips than those with only rotational relative movement. The finite element non-linear analyses shown, for identical conditions, maximum values for the first principal stress lower than the yield strength of the material and those were located in similar positions to the instrument‟s fracture location determined by the experimental testing results.