Constitutive modeling, microstructure evolution, and processing map for a nitride-strengthened heat-resistant steel

A constitutive equation was established to describe the deformation behavior of a nitride-strengthened (NS) steel through isothermal compression simulation test. All the parameters in the constitutive equation including the constant and the activation energy were precisely calculated for the NS steel. The result also showed that from the stress-strain curves, there existed two different linear relationships between critical stress and critical strain in the NS steel due to the augmentation of auxiliary softening effect of the dynamic strain-induced transformation. In the calculation of processing maps, with the change of Zener-Hollomon value, three domains of different levels of workability were found, namely excellent workability region with equiaxed-grain microstructure, good workability region with “stripe” microstructure, and the poor workability region with martensitic-ferritic blend microstructure. With the increase of strain, the poor workability region first expanded, then shrank to barely existing, but appeared again at the strain of 0.6.

Ein Beitrag zur realitätsnahen Modellierung und Analyse von stahlfaserverstärkten Stahlbeton- und Stahlbetonflächentragwerken

Das Werkstoffverhalten von stahlfaserfreiem bzw. stahlfaserverstärktem Stahlbeton unter biaxialle Druck- Zugbeanspruchung wurde experimentell und theoretisch untersucht. Die Basis der experimentellen Untersuchungen waren zahlreiche Versuche, die in der Vergangenheit an faserfreiem Stahlbetonscheiben zur Bestimmung des Werkstoffverhaltens von gerissenem Stahlbeton im ebenen Spannungszustand durchgeführt wurden. Bei diesen Untersuchungen wurde festgestellt, dass infolge einer Querzugbeanspruchung eine Abminderung der biaxialen Druckfestigkeit entsteht. Unter Berücksichtigung dieser Erkenntnisse sind zur Verbesserung der Werkstoffeigenschaften des Betons, Stahlbetonscheiben aus stahlfaserverstärktem Beton hergestellt worden. Die aus der Literatur bekannten Werkstoffmodelle für Beton sowie Stahlbeton, im ungerissenen und gerissenen Zustand wurden hinsichtlich der in der Vergangenheit ermittelten Materialeigenschaften des Betons bzw. Stahlbetons unter proportionalen sowie nichtproportionalen äußeren Belastungen erklärt und kritisch untersucht. In den frischen Beton wurden Stahlfasern hinzugegeben. Dadurch konnte die Festigkeits- und die Materialsteifigkeitsabminderung infolge Rissbildung, die zur Schädigung des Verbundwerkstoffs Beton führt, reduziert werden. Man konnte sehen, dass der Druckfestigkeitsabminderungsfaktor und insbesondere die zur maximal aufnehmbaren Zylinderdruckfestigkeit gehörende Stauchung, durch Zugabe von Stahlfasern besser begrenzt wird. Die experimentelle Untersuchungen wurden an sechs faserfreien und sieben stahlfaserverstärkten Stahlbetonscheiben unter Druck-Zugbelastung zur Bestimmung des Verhaltens des gerissenen faserfreien und stahlfaserverstärkten Stahlbetons durchgeführt. Die aus eigenen Versuchen ermittelten Materialeigenschaften des Betons, des stahlfaserverstärkten Betons und Stahlbetons im gerissenen Zustand wurden dargelegt und diskutiert. Bei der Rissbildung des quasi- spröden Werkstoffs Beton und dem stahlfaserverstärkten Beton wurde neben dem plastischen Fließen, auch die Abnahme des Elastizitätsmoduls festgestellt. Die Abminderung der aufnehmbaren Festigkeit und der zugehörigen Verzerrung lässt sich nicht mit der klassischen Fließtheorie der Plastizität ohne Modifizierung des Verfestigungsgesetzes erfassen. Es wurden auf elasto-plastischen Werkstoffmodellen basierende konstitutive Beziehungen für den faserfreien sowie den stahlfaserverstärkten Beton vorgeschlagen. Darüber hinaus wurde in der vorliegenden Arbeit eine auf dem elasto-plastischen Werkstoffmodell basierende konstitutive Beziehung für Beton und den stahlfaser-verstärkten Beton im gerissenen Zustand formuliert. Die formulierten Werkstoffmodelle wurden mittels dem in einer modularen Form aufgebauten nichtlinearen Finite Elemente Programm DIANA zu numerischen Untersuchungen an ausgewählten experimentell untersuchten Flächentragwerken, wie scheibenartigen-, plattenartigen- und Schalentragwerken aus faserfreiem sowie stahlfaserverstärktem Beton verwendet. Das entwickelte elasto-plastische Modell ermöglichte durch eine modifizierte effektive Spannungs-Verzerrungs-Beziehung für das Verfestigungsmodell, nicht nur die Erfassung des plastischen Fließens sondern auch die Berücksichtigung der Schädigung der Elastizitätsmodule infolge Mikrorissen sowie Makrorissen im Hauptzugspannungs-Hauptdruckspannungs-Bereich. Es wurde bei den numerischen Untersuchungen zur Ermittlung des Last-Verformungsverhaltens von scheibenartigen, plattenartigen- und Schalentragwerken aus faserfreiem und stahlfaserverstärktem Stahlbeton, im Vergleich mit den aus Versuchen ermittelten Ergebnissen, eine gute Übereinstimmung festgestellt.

Multiscale particle-in-cell modelling for advanced high strength steels

Advanced High Strength Steels (AHSS) offer outstanding characteristics for efficient and economic use of steel. The unique features of AHSS are direct result of careful heat treatment that creates martensite in the steel microstructure. Martensite and carbon content in the microstructure greatly affects the mechanical properties of AHSS, underlining more importance on microstructural discontinuities and their multiphase characteristics. In this paper, we present the Multiscale Particle-In-Cell (MPIC) method for microstructural modelling of AHSS. A specific particle method [1] usually used in fluid mechanics is adapted and implemented in a parallel multiscale framework. This multiscale method is based on homogenisation theories; with Particle-In-Cell (PIC) method in both micro and macroscale, and offers several advantages in comparison to finite element (FE) based formulation. Application of this method to a benchmark uniaxial tension test is presented and compared with conventional FE solutions.

Multiphase material modelling by multiscale particle-in-cell method

A particle-based method for multiscale modeling of multiphase materials such as Dual Phase (DP) and Transformation Induced Plasticity (TRIP) steels has been developed. The multiscale Particle-In-Cell (PIC) method benefits from the many advantages of the FEM and mesh-free methods, and to bridge the micro and macro scales through homogenization. The conventional mesh-based modeling methods fail to give reasonable and accurate predictions for materials with complex microstructures. Alternatively in the multiscale PIC method, the Lagrangian particles moving in an Eulerian grid represent the material deformation at both the micro and macro scales. The uniaxial tension test of two phase and three-phase materials was simulated and compared with FE based simulations. The predictions using multiscale PIC method showed that accuracy of field variables could be improved by up to 7%. This can lead to more accurate forming and springback predictions for materials with important multiphase microstructural effects.

Role of grain boundary sliding in the anisotropy of magnesium alloys

The plastic anisotropy of magnesium alloy sheet drops rapidly with test temperature. It has previously been suggested that this may be due to an increase in the activity of (c+a) dislocations. The present note points out that the phenomenon may result, instead, from the action of grain boundary sliding. This can explain the strong effect of grain size on anisotropy. Furthermore, it points to a new avenue for alloy development.

Comportamento compressivo de um nitossolo: efeito do tamanho de agregados, do teor de água e da pressão aplicada

A compactação do solo tem sido assunto de intensivas pesquisas nos últimos anos; no entanto, os mecanismos que implicam o processo de compactação dos solos agrícolas, ainda permanecem pouco conhecidos. A contribuição do tamanho de agregados do solo, bem como o efeito do teor de água e da pressão normal aplicada na compactação e pressão de pré-compactação do solo, foi investigada em um Nitossolo Vermelho eutrófico. Amostras de solo deformado, constituídas por agregados menores que 2,5 mm e de 9,3 a 19,4 mm, foram submetidas a ensaio de compressão uniaxial drenado. O índice de vazios e a pressão de pré-compactação foram avaliados. Os resultados obtidos mostram que o tamanho de agregados teve efeito no processo de compactação do solo. A mudança da compactação do solo pode ser prevista em função do estado inicial do solo, da pressão aplicada e do teor de água.

Fibras de licuri: um reforço vegetal alternativo de compósitos poliméricos

This research is based, at first, on the seeking of alternatives naturals reinforced in place of polymeric composites, also named reinforced plastics. Therein, this work starts with a whole licuri fiber micro structural characterization, as alternative proposal to polymeric composites. Licuri fiber is abundant on the Bahia state flora, native from a palm tree called Syagrus Coronata (Martius) Beccari. After, it was done only licuri fiber laminar composite developing studies, in order to know its behavior when impregnated with thermofix resin. The composite was developed in laminar structure shape (plate with a single layer of reinforcement) and produced industrially. The layer of reinforcement is a fabric-fiber unidirectional of licuri up in a manual loom. Their structure was made of polyester resin ortofitálica (unsaturated) only reinforced with licuri fibers. Fiber characterization studies were based on physical chemistry properties and their constitution. It was made by tension, scanning electron microscopy (SEM), x-ray diffraction (RDX) and thermal analyses (TG and DTA) tests, besides fiber chemistry analyses. Relating their mechanical properties of strength and hardness testing, they were determined through unit axial tension test and flexion in three points. A study in order to know fiber/matrix interface effects, in the final composites results, was required. To better understand the mechanical behavior of the composite, macroscopic and microscopic optical analysis of the fracture was performed

Effect of the surface treatment of plain carbon fiber posts on the retention of the composite core: an in vitro evaluation

Foi avaliado o possível efeito de tratamentos superficiais em pinos de fibra de carbono lisos, quando comparados aos pinos serrilhados, na retenção à resina composta empregada na confecção de núcleos de preenchimento. Foram utilizados cinqüenta pinos de fibra de carbono, divididos em cinco grupos: os quatro primeiros grupos eram constituídos por pinos do tipo liso, cujas superfícies foram tratadas, e o último grupo por dez pinos do tipo serrilhado. Foram desenvolvidas matrizes de resina acrílica com um leito ajustado para conter o pino, com um alargamento na porção coronária para posterior preenchimento com resina composta. Após o tratamento superficial, todos os pinos receberam camadas de primer, foram secos e então ajustados à matriz de resina, colocando-se a resina composta autopolimerizável na porção coronária para um núcleo de preenchimento de 3 mm. As amostras foram submetidas a termociclagem e armazenadas em água destilada por uma semana. Os espécimes foram testados por meio de ensaios mecânicos de tração, à velocidade de 0,5 mm/min, até o deslocamento do conjunto ou a fratura da resina do núcleo. As conclusões foram as seguintes: a) o tratamento superficial nos grupos tratados por meio de jateamento (Grupo A), pontas diamantadas marcadoras de profundidade para facetas laminadas (Grupo C) e alteração da morfologia da extremidade coronária (Grupo D) conferiu aos pinos lisos valores de retenção comparáveis aos dos pinos serrilhados (Grupo E) nos ensaios de tração, porém sem diferença estatisticamente significativa entre estes grupos; b) os pinos tratados por meio de pontas diamantadas de granulação média (Grupo B) obtiveram valores de retenção menores que os demais grupos.

Desenvolvimento de uma nova liga quaternária Ti25Ta25Nb3Sn para aplicações odontológicas

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEG

Numerical simulation of anisotropic polymeric foams

This paper shows in detail the modelling of anisotropic polymeric foam under compression and tension loadings, including discussions on isotropic material models and the entire procedure to calibrate the parameters involved. First, specimens of poly(vinyl chloride) (PVC) foam were investigated through experimental analyses in order to understand the mechanical behavior of this anisotropic material. Then, isotropic material models available in the commercial software Abaqus (TM) were investigated in order to verify their ability to model anisotropic foams and how the parameters involved can influence the results. Due to anisotropy, it is possible to obtain different values for the same parameter in the calibration process. The obtained set of parameters are used to calibrate the model according to the application of the structure. The models investigated showed minor and major limitations to simulate the mechanical behavior of anisotropic PVC foams under compression, tension and multi-axial loadings. Results show that the calibration process and the choice of the material model applied to the polymeric foam can provide good quantitative results and save project time. Results also indicate what kind and order of error one will get if certain choices are made throughout the modelling process. Finally, even though the developed calibration procedure is applied to specific PVC foam, it still outlines a very broad drill to analyze other anisotropic cellular materials.

Caratterizzazione meccanica di materiali compositi mediante attrezzatura CLC

L'obiettivo della tesi è diradare, almeno parzialmente, le incertezze che potrebbero essere presenti nella caratterizzazione a compressione di materiali compositi. Per quanto concerne la compressione, in un primo momento, non essendo ritenuta una caratteristica troppo rilevante, si considerava che il materiale composito avesse proprietà equivalenti a quelle in trazione. Solo successivamente, dai primi anni ’70, si sono iniziate ad indagare in modo approfondito e mirato le proprietà meccaniche a compressione di tali materiali. Si sono sviluppati e normati nel tempo vari metodi che vengono classificati in base al modo di applicazione del carico sul provino. Ci si è quindi proposti, basandosi anche sulle richieste mosse dalla Scuderia Toro Rosso di Faenza, di determinare, dopo aver analizzato tutti i vantaggi e gli svantaggi di ciascuna metodologia, quella migliore a cui attenersi per tutte le prove di compressione che seguiranno. A tale scopo, dopo una attenta e approfondita analisi dei vari metodi di prova, si è scelto di utilizzare il Combined Loading Compression (CLC) Test Fixture: attrezzatura leggera e molto compatta, che dimostra una affidabilità dei risultati superiore alle altre tecnologie. Si è, inoltre, deciso di testare laminati non unidirezionali, evitando così molte problematiche quali, ad esempio, quelle dovute all’utilizzo di tabs o al possibile insorgere di microbuckling delle fibre. Si è risaliti, poi, al valore di resistenza a compressione della lamina unidirezionale attraverso il metodo di calcolo indiretto del Back-Out Factor (BF). Di tale metodo si sono indagate le basi teoriche, a partire dalla teoria classica dei laminati, e si sono ricavate le formule necessarie per l'applicazione pratica sperimentale. Per quanto riguarda la campagna sperimentale, svolta presso i laboratori ENEA di Faenza – Unità Tecnica Tecnologie dei Materiali Faenza (UTTMATF), sono stati realizzati 6 laminati di materiale composito, ognuno con differente sequenza di laminazione e percentuale di fibre nelle diverse direzioni. Due laminati sono stati ottenuti impilando lamine unidirezionali preimpregnate, in modo da ottenere una configurazione cross-ply (0°\90°), due in configurazione angle-ply (0°\90°\±45°) e due materiali unidirezionali (0° e 90°). Da questi 6 laminati sono stati ricavati 12/13 provini ciascuno. I provini cross-ply e angle-ply sono stati testati per ricavarne la resistenza a compressione, da cui, poi, risalire a quella della lamina unidirezionale a 0° mediante il BF. Dal confronto dei risultati ottenuti attraverso l'applicazione combinata di CLC e Back-Out Factor, con i dati riportati nel datasheet ufficiale, si è avuta conferma dell'affidabilità della metodologia scelta. Per quanto concerne l'elaborazione dei dati ricavati dalle prove sperimentali, è stato utilizzato un opportuno programma realizzato con il software Matlab. Con l'estensione GUI, poi, è stata creata un'interfaccia grafica per agevolare la comprensione delle fasi di elaborazione anche ad un utente non esperto.

Analisi numerica e sperimentale del comportamento a compressione di materiali compositi

L’obbiettivo di questa tesi è ottenere un modello agli elementi finiti che simuli la prova a compressione su un campione di materiale composito a matrice polimerica rinforzata con fibre di carbonio unidirezionali (UD), mediante l’utilizzo di una attrezzatura denominata Combined Loading Compression (CLC) Test Fixture. Il programma utilizzato per realizzare il modello agli elementi finiti è Abaqus della Simulia. Il materiale oggetto dello studio è un prepreg UD di interesse nel settore automobilistico, e fa seguito ad una campagna di prove sperimentali (caratterizzazione a compressione) svolta nei laboratori ENEA di Faenza, dove opera l’Unità Tecnica Tecnologie dei Materiali Faenza (UTTMATF).

Dynamic distance analysis : new geometric data structures and algorithms for the real-time calculation of tolerance violating regions in the digital mockup process

In vielen Industriezweigen, zum Beispiel in der Automobilindustrie, werden Digitale Versuchsmodelle (Digital MockUps) eingesetzt, um die Konstruktion und die Funktion eines Produkts am virtuellen Prototypen zu überprüfen. Ein Anwendungsfall ist dabei die Überprüfung von Sicherheitsabständen einzelner Bauteile, die sogenannte Abstandsanalyse. Ingenieure ermitteln dabei für bestimmte Bauteile, ob diese in ihrer Ruhelage sowie während einer Bewegung einen vorgegeben Sicherheitsabstand zu den umgebenden Bauteilen einhalten. Unterschreiten Bauteile den Sicherheitsabstand, so muss deren Form oder Lage verändert werden. Dazu ist es wichtig, die Bereiche der Bauteile, welche den Sicherhabstand verletzen, genau zu kennen. rnrnIn dieser Arbeit präsentieren wir eine Lösung zur Echtzeitberechnung aller den Sicherheitsabstand unterschreitenden Bereiche zwischen zwei geometrischen Objekten. Die Objekte sind dabei jeweils als Menge von Primitiven (z.B. Dreiecken) gegeben. Für jeden Zeitpunkt, in dem eine Transformation auf eines der Objekte angewendet wird, berechnen wir die Menge aller den Sicherheitsabstand unterschreitenden Primitive und bezeichnen diese als die Menge aller toleranzverletzenden Primitive. Wir präsentieren in dieser Arbeit eine ganzheitliche Lösung, welche sich in die folgenden drei großen Themengebiete unterteilen lässt.rnrnIm ersten Teil dieser Arbeit untersuchen wir Algorithmen, die für zwei Dreiecke überprüfen, ob diese toleranzverletzend sind. Hierfür präsentieren wir verschiedene Ansätze für Dreiecks-Dreiecks Toleranztests und zeigen, dass spezielle Toleranztests deutlich performanter sind als bisher verwendete Abstandsberechnungen. Im Fokus unserer Arbeit steht dabei die Entwicklung eines neuartigen Toleranztests, welcher im Dualraum arbeitet. In all unseren Benchmarks zur Berechnung aller toleranzverletzenden Primitive beweist sich unser Ansatz im dualen Raum immer als der Performanteste.rnrnDer zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit Datenstrukturen und Algorithmen zur Echtzeitberechnung aller toleranzverletzenden Primitive zwischen zwei geometrischen Objekten. Wir entwickeln eine kombinierte Datenstruktur, die sich aus einer flachen hierarchischen Datenstruktur und mehreren Uniform Grids zusammensetzt. Um effiziente Laufzeiten zu gewährleisten ist es vor allem wichtig, den geforderten Sicherheitsabstand sinnvoll im Design der Datenstrukturen und der Anfragealgorithmen zu beachten. Wir präsentieren hierzu Lösungen, die die Menge der zu testenden Paare von Primitiven schnell bestimmen. Darüber hinaus entwickeln wir Strategien, wie Primitive als toleranzverletzend erkannt werden können, ohne einen aufwändigen Primitiv-Primitiv Toleranztest zu berechnen. In unseren Benchmarks zeigen wir, dass wir mit unseren Lösungen in der Lage sind, in Echtzeit alle toleranzverletzenden Primitive zwischen zwei komplexen geometrischen Objekten, bestehend aus jeweils vielen hunderttausend Primitiven, zu berechnen. rnrnIm dritten Teil präsentieren wir eine neuartige, speicheroptimierte Datenstruktur zur Verwaltung der Zellinhalte der zuvor verwendeten Uniform Grids. Wir bezeichnen diese Datenstruktur als Shrubs. Bisherige Ansätze zur Speicheroptimierung von Uniform Grids beziehen sich vor allem auf Hashing Methoden. Diese reduzieren aber nicht den Speicherverbrauch der Zellinhalte. In unserem Anwendungsfall haben benachbarte Zellen oft ähnliche Inhalte. Unser Ansatz ist in der Lage, den Speicherbedarf der Zellinhalte eines Uniform Grids, basierend auf den redundanten Zellinhalten, verlustlos auf ein fünftel der bisherigen Größe zu komprimieren und zur Laufzeit zu dekomprimieren.rnrnAbschießend zeigen wir, wie unsere Lösung zur Berechnung aller toleranzverletzenden Primitive Anwendung in der Praxis finden kann. Neben der reinen Abstandsanalyse zeigen wir Anwendungen für verschiedene Problemstellungen der Pfadplanung.

Influenza dei parametri di processo delle caratteristiche meccaniche di materiali compositi

Lo scopo di questa tesi è valutare la resistenza a compressione e il valore del modulo elastico di tre laminati ottenuti con lo stesso materiale composito, CFRP, distinti in fase di laminazione dall’utilizzo di tre diverse tipologie di distaccante (peel-ply, film distaccante e controstampo). In questo modo è stato possibile valutare come quest’ultimi abbiano influito, in modo diverso per ogni laminato, sull’omogeneità dello spessore, sul peso, sulla fuoriuscita di resina e sulla percentuale volumetrica delle fibre. Tali fattori a loro volta hanno caratterizzato i valori di resistenza a compressione e modulo elastico. Nei capitoli successivi è descritto un metodo di analisi a compressione dei materiali compositi, a matrice epossidica rinforzata con fibre di carbonio (CFRP), denominato Combined Loading Compression (CLC) Test Method, basato sull’applicazione, combinata, del carico sul campione, a taglio e all’estremità. La realizzazione dei provini è stata effettuata presso i laboratori dell’università: sono stati realizzati 3 laminati, per ognuno dei quali si è scelto di utilizzare su ogni pezzo una diversa tipologia di distaccante: controstampo, film distaccante e peel-ply, allo scopo di valutare quanta resina uscirà dal manufatto una volta in autoclave e quanta variazione di spessore avremo. Da ognuno di questi laminati sono stati ricavati 5 provini. La campagna sperimentale è stata condotta presso il Laboratorio Tecnologie dei Materiali Faenza (TEMAF). L’elaborazione dei dati è stata effettuata mediante l’utilizzo del software Office Excel, in cui sono stati calcolati i parametri fondamentali, suggeriti dalla normativa ASTM D6641/D6641M, per la caratterizzazione meccanica a compressione dei materiali CFRP.