Optimization study of hybrid spot-welded/bonded single-lap joints

Joining of components with structural adhesives is currently one of the most widespread techniques for advanced structures (e.g., aerospace or aeronautical). Adhesive bonding does not involve drilling operations and it distributes the load over a larger area than mechanical joints. However, peak stresses tend to develop near the overlap edges because of differential straining of the adherends and load asymmetry. As a result, premature failures can be expected, especially for brittle adhesives. Moreover, bonded joints are very sensitive to the surface treatment of the material, service temperature, humidity and ageing. To surpass these limitations, the combination of adhesive bonding with spot-welding is a choice to be considered, adding a few advantages like superior static strength and stiffness, higher peeling and fatigue strength and easier fabrication, as fixtures during the adhesive curing are not needed. The experimental and numerical study presented here evaluates hybrid spot-welded/bonded single-lap joints in comparison with the purely spot-welded and bonded equivalents. A parametric study on the overlap length (LO) allowed achieving different strength advantages, up to 58% compared to spot-welded joints and 24% over bonded joints. The Finite Element Method (FEM) and Cohesive Zone Models (CZM) for damage growth were also tested in Abaqus® to evaluate this technique for strength prediction, showing accurate estimations for all kinds of joints.

Estudo da corrosão em diferentes tipos de aço

Mestrado em Engenharia Química - Ramo Optimização Energética na Indústria Química

Caracterização mecânica e análise da resistência à corrosão em diferentes solos, de aços inoxidáveis duplex

O aço inoxidável é um material de alta durabilidade e resistência, utilizado nos mais diversos setores comerciais. O conhecimento das suas características e propriedades é essencial para uma escolha mais seletiva e vantajosa. Pretende‐se com este trabalho, estudar as propriedades mecânicas, a resistência ao desgaste e o comportamento, em ambientes mais agressivos de três tipos de aços inoxidáveis duplex, produzidos pela OUTOKUMPU e comercialmente conhecidos pelas designações LDX 2101, SAF 2507 e o SAF 2205. Para tal efeito foram realizados ensaios de Dureza Vickers, antes e após dobragem; ensaios de tracção em duas diferentes situações: seguindo a norma NP EN 10002‐ 1:2006 e após a realização de alguns ciclos de carga e descarga; ensaio de Impacto à temperatura ambiente e após arrefecimento criogénico; ensaio de resistência à corrosão. Também foi feito o estudo de resistência ao desgaste com base na técnica de micro‐abrasão por esfera rotativa e o estudo metalográfico. Foi também objetivo deste trabalho, relacionar o uso dos referidos aços duplex e as consequências que esse uso tem para o meio ambiente, bem como o seu comportamento quando exposto a condições extremas. Para tal, foram colocadas amostras dos referidos aços, em dois tipos de solos com condições de humidade e acidez diferentes analisando o seu estado após imersão em solo com condições controladas durante 272 dias.

Estudo comparativo do comportamento de diferentes ferramentas na fresagem de aços duplex

A maquinagem por arranque de apara é, na actualidade, um dos processos de fabrico mais utilizados e de maior relevo no panorama da indústria metalomecânica mundial. Para além da forte evolução que se tem registado ao longo das últimas décadas nos equipamentos ligados à maquinagem, também as ferramentas têm visto o seu desempenho fortemente melhorado, graças essencialmente ao desenvolvimento de revestimentos finos, mono e multicamada, que têm proporcionado o conjunto de propriedades mais indicado a cada situação. Por outro lado, os aços inoxidáveis duplex têm registado um forte incremento na sua aplicação, a qual requer, em muitos casos, o uso da maquinagem para a obtenção das formas necessárias. Tendo em consideração estes dois factores, o presente trabalho visa, essencialmente avaliar qual a ferramenta mais adequada para trabalhar este tipo de ligas, em função do tipo de maquinagem e condições de corte. Para tal, foram utilizadas diferentes ferramentas dotadas da mesma geometria, e seleccionados parâmetros que constituíssem um denominador comum entre os valores indicados pelos diferentes fabricantes. Foram consideradas apenas condições de maquinagem com utilização de fluido de corte e realizados percursos de corte previamente determinados na fresagem, utilizando fresas de topo em condições de maquinagem de alta velocidade. A análise comparativa recaiu sobre a qualidade da superfície gerada por maquinagem, avaliada através de perfilometria, e o desgaste registado por cada uma das ferramentas utilizadas.

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.

Friction surfacing of aluminium alloys

Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Projecto de componentes estruturais recorrendo a soluções avançadas em aços de alta resistência

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica

Projeto de produção de tubo elíptico em aço avançado de elevada resistência para uma serra de arco

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica

Análise e simulação do processo de dobragem de um tubo elíptico utilizando um aço avançado de elevada resistência

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica

Link between microstructure and properties in new metallurgical concepts for very low loss non-oriented electrical steel

The influence of chemistry and soaking temperature (maximal temperature of the continuous annealing) on the final properties of non-oriented electrical steels has been studied. With this objective two different studies have been performed. First the Mn, Ni and Cr content of a low loss electrical steel composition has been modified. An intermediate content and a high content of each element has been added in order to study the influence of this components on the magnetic looses, grain size and texture. Secondly the influence of the soaking temperature on magnetic properties, grain size and oxidation in four grades of non-oriented electrical steels (Steel A, B, C and D) was studied.

Estudi del procés de tall per a la millora dels esbocats en materials AHSS

En aquest projecte es presenta un estudi sobre punxonats i esbocats per a materials d’Alt límit elàstic (Acers AHSS; Advanced High Strength Steels), amb l’objectiu d’aconseguir saber quin és el millor procés de tall per aconseguir esbocats correctes. Utilitzant la premsa hidràulica de la Fundació Centre Tecnològic de Manresa (CTM) es realitza el punxonat i els esbocats a tots els materials per tal d’avaluar el seu comportament alhora de ser esbocats. A partir d’aquests resultats obtindrem les gràfiques de ràtio d’esbocat per a cadascun dels materials en els diferents sentits de esbocat. Com a mètode alternatiu del procés de tall, es realitzen unes mostres amb tall per aigua. S’observarà si els esbocats trenquen o no trenquen i en quines condicions ho fan. Una vegada realitzats aquests assajos, es procedirà a realitzar l’estudi de microdureses amb un indentador Vickers per tal de comprovar l’afectació de l’operació de tall en la microestructura del material. Es realitzarà també algun perfil de dureses utilitzant el Nanoindentador. Per finalitzar el projecte, s’inclourà un apartat de conclusions i un estudi mediambiental produït com a conseqüència de l’elaboració del projecte, així com un pressupost total d’aquest.

Efecto de la microestructura en el comportamiento mecánico de aceros de herramienta para trabajo en frío

El estudio desarrollado en la tesis doctoral profundiza en las relaciones existentes entre la microestructura y el comportamiento a rotura y fatiga de tres tipos de Aceros de Herramienta para trabajo en Frío, dos obtenidos por colada y un tercero mediante pulvimetalúrgia. En primer lugar se evaluaron los aspectos microestructurales relacionados con las dos vias de procesamiento empleadas, además del efecto del cambio en la composición química. Asimismo se documentó la influencia del trabajado en caliente sobre la isotropía microestructural. Considerando las caracteristicas microestructurales se evaluó el comportamiento a rotura en tres orientaciones referidas al sentido de la deformación en caliente. Para ello , se empleó la Mecánica de la Fractura Elástica Lineal como marco analítico. Los resultados fueron tratados siguiendo la estadística de Weibull. Para el caso de los aceros colados se implementa un analisis de curva-R para explicar el crecimiento subcrítico de grietas observado experimentalmente. El estudio del comportamiento a fatiga incluyó la determinación del limite a fatiga para todas la orientaciones microestructurales escogidas y el estudio de la cinetica de propagación de fisuras físicamente pequeñas para la orientación con mejor respuesta mecánica.

Mecanismos de deformación en aceros inoxidables austeníticos metaestables

La deformación plástica puede inducir a la transformación de la austenita a martensita en los aceros inoxidables austeníticos metaestables. Para analizar este hecho, el inoxidable austenítico metaestable grado AISI 301 LN fue estudiado en dos condiciones diferentes: recocido y laminado en frío. En el primer caso, el acero era completamente austenítico, mientras que después de la laminación presentaba un importante porcentaje de α’-martensita. Se evaluó el cambio de fase cuando el acero es sometido a ensayos monotónicos y cíclicos, así como cuando ha sido modificada la superficie mediante el granallado o se han realizado tratamientos térmicos de reversión. Se utilizaron diferentes técnicas de caracterización microestructural para detectar y cuantificar la martensita, como microscopía óptica, difracción de rayos-X (DRX) y difracción de electrones retrodispersados (EBSD); como también de caracterización mecánica para evaluar el comportamiento de los aceros, trabajo esencial de fractura (TEF), conformabilidad, fatiga de alto número de ciclos (HCF) y nanoindentación. Los resultados mostraron un incremento en la resistencia mecánica del acero laminado en comparación al acero recocido; este hecho está relacionado con la presencia de martensita originada por la laminación. Sin embargo, en términos de deformación y endurecimiento el acero recocido presenta un mejor desempeño como consecuencia del elevado porcentaje de fase austenítica. Así mismo, revertir la martensita de laminación a austenita y refinar la austenita presente permite obtener un acero con una propiedades mecánicas similares a cuando esta en la condición laminado.

Evaluation of a Bridge Constructed using High Performance Steel, May 2006

Of the approximately 25,000 bridges in Iowa, 28% are classified as structurally deficient, functionally obsolete, or both. Because many Iowa bridges require repair or replacement with a relatively limited funding base, there is a need to develop new bridge materials that may lead to longer life spans and reduced life-cycle costs. In addition, new and effective methods for determining the condition of structures are needed to identify when the useful life has expired or other maintenance is needed. Due to its unique alloy blend, high-performance steel (HPS) has been shown to have improved weldability, weathering capabilities, and fracture toughness than conventional structural steels. Since the development of HPS in the mid-1990s, numerous bridges using HPS girders have been constructed, and many have been economically built. The East 12th Street Bridge, which replaced a deteriorated box girder bridge, is Iowa’s first bridge constructed using HPS girders. The new structure is a two-span bridge that crosses I-235 in Des Moines, Iowa, providing one lane of traffic in each direction. A remote, continuous, fiber-optic based structural health monitoring (SHM) system for the bridge was developed using off-the-shelf technologies. In the system, sensors strategically located on the bridge collect raw strain data and then transfer the data via wireless communication to a gateway system at a nearby secure facility. The data are integrated and converted to text files before being uploaded automatically to a website that provides live strain data and a live video stream. A data storage/processing system at the Bridge Engineering Center in Ames, Iowa, permanently stores and processes the data files. Several processes are performed to check the overall system’s operation, eliminate temperature effects from the complete strain record, compute the global behavior of the bridge, and count strain cycles at the various sensor locations.

The Flexural Fatigue Strength of Prestressed Steel I-Beams, HR-73, 1962

The purpose of this investigation was to study the flexural fatigue strength of two prestressed steel I-beams which had previously been fabricated in connection with a jointly sponsored project under the auspices of the Iowa State Highway Commission. The beams were prestressed by deflecting them under the action of a concentrated load at the center of a simple span, then welding unstressed high strength steel plates to the top and bottom flanges to retain a predetermined amount of prestress. The beams were rolled sections of A36 steel and the plates were USS "T-1" steel. Each of the two test specimens were subjected to an identical repeated loading until a fatigue failure occurred. The loading was designed to produce stresses equivalent to those which would have occurred in a simulated bridge and amounted to 84 percent of a standard H-15 live load including impact. One of the beams sustained 2,469,100 repetitions of load to failure and the other sustained 2,756,100 cycles. Following the fatigue tests, an experimental study was made to determine the state of stress that had been retained in the prestressed steel beams. This information, upon which the calculated stresses of the test could be superimposed, provided a method of correlating the fatigue strength of the beams with the fatigue information available on the two steels involved.