Avaliação da tenacidade à fratura na região de transição dúctil-frágil dos aços API 5L X70 e X80 utilizando a metodologia da curva mestra

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Determinação da temperatura de referência T0 da curva mestre na região de transição dúctil-frágil de aços ARBL

Materiais estruturais utilizados no projeto de equipamentos e instalações industriais podem apresentar mudança de seu comportamento à fratura quando se varia a temperatura. Este tipo de comportamento caracteriza-se pela existência de uma curva de transição, onde 3 regiões ficam bem definidas: os patamares inferior e superior e a região de transição. Na região de transição, os resultados experimentais apresentam alto espalhamento e são bastante dependentes da geometria ensaiada. Para solucionar este problema, foi desenvolvido um modelo analítico experimental, que resultou na edição da norma ASTM E1921-97. O trabalho inclui um estudo da influência de diversas rotas de tratamentos térmicos aplicadas em um aço 4130 utilizado pela indústria aeronáutica, um aço de qualidade API utilizado pela indústria petrolífera e um aço da classe A516 atualmente utilizado pela indústria nacional de vasos de pressão, na microestrutura, propriedades mecânicas de tração e tenacidade à fratura. Os resultados mostraram que o aço 4130 A450, apresentou a melhor correlação entre resistência e tenacidade entre as microestruturas pesquisadas. Este comportamento deve estar associado a rota de tratamento térmico aplicada a esta condição. O tratamento de austêmpera possibilita a formação de bainita que, tradicionalmente é conhecida por apresentar elevados valores de tenacidade. O método proposto pela ASTM pode ser considerado viável para as diversas microestruturas pesquisadas ampliando a aplicação da metodologia que recomenda o ensaio apenas para aços ferríticos. No entanto, a metodologia da Curva Mestra em materiais tratados termicamente deve ser conduzida de forma a se estabelecer parâmetros que considerem as modificações microestruturais sofridas pelo material.

Performance evaluation of asphalt pavements using the Incremental-Recursive procedure of the Mechanistic-Empirical design software CalME

Il concetto di “sostenibilità” si riferisce allo sviluppo dei sistemi umani attraverso il più piccolo impatto possibile sul sistema ambientale. Le opere che si inseriscono bene nel contesto ambientale circostante e le pratiche che rispettano le risorse in maniera tale da permettere una crescita e uno sviluppo a lungo termine senza impattare sull’ambiente sono indispensabili in una società moderna. I progressi passati, presenti e futuri che hanno reso i conglomerati bituminosi materiali sostenibili dal punto di vista ambientale sono particolarmente importanti data la grande quantità di conglomerato usato annualmente in Europa e negli Stati Uniti. I produttori di bitume e di conglomerato bituminoso stanno sviluppando tecniche innovative per ridurre l’impatto ambientale senza compromettere le prestazioni meccaniche finali. Un conglomerato bituminoso ad “alta lavorabilità” (WMA), pur sviluppando le stesse caratteristiche meccaniche, richiede un temperatura di produzione minore rispetto a quella di un tradizionale conglomerato bituminoso a caldo (HMA). L’abbassamento della temperature di produzione riduce le emissioni nocive. Questo migliora le condizioni dei lavoratori ed è orientato verso uno sviluppo sostenibile. L’obbiettivo principale di questa tesi di laurea è quello di dimostrare il duplice valore sia dal punto di vista dell’eco-compatibilità sia dal punto di vista meccanico di questi conglomerati bituminosi ad “alta lavorabilità”. In particolare in questa tesi di laurea è stato studiato uno SMA ad “alta lavorabilità” (PGGWMA). L’uso di materiali a basso impatto ambientale è la prima fase verso un progetto ecocompatibile ma non può che essere il punto di partenza. L’approccio ecocompatibile deve essere esteso anche ai metodi di progetto e alla caratterizzazione di laboratorio dei materiali perché solo in questo modo è possibile ricavare le massime potenzialità dai materiali usati. Un’appropriata caratterizzazione del conglomerato bituminoso è fondamentale e necessaria per una realistica previsione delle performance di una pavimentazione stradale. La caratterizzazione volumetrica (Mix Design) e meccanica (Deformazioni Permanenti e Comportamento a fatica) di un conglomerato bituminoso è una fase importante. Inoltre, al fine di utilizzare correttamente i materiali, un metodo di progetto avanzato ed efficiente, come quello rappresentato da un approccio Empirico-Meccanicistico (ME), deve essere utilizzato. Una procedura di progetto Empirico-Meccanicistica consiste di un modello strutturale capace di prevedere gli stati di tensione e deformazione all’interno della pavimentazione sotto l’azione del traffico e in funzione delle condizioni atmosferiche e di modelli empirici, calibrati sul comportamento dei materiali, che collegano la risposta strutturale alle performance della pavimentazione. Nel 1996 in California, per poter effettivamente sfruttare i benefici dei continui progressi nel campo delle pavimentazioni stradali, fu iniziato un estensivo progetto di ricerca mirato allo sviluppo dei metodi di progetto Empirico - Meccanicistici per le pavimentazioni stradali. Il risultato finale fu la prima versione del software CalME che fornisce all’utente tre approcci diversi di l’analisi e progetto: un approccio Empirico, uno Empirico - Meccanicistico classico e un approccio Empirico - Meccanicistico Incrementale - Ricorsivo. Questo tesi di laurea si concentra sulla procedura Incrementale - Ricorsiva del software CalME, basata su modelli di danno per quanto riguarda la fatica e l’accumulo di deformazioni di taglio dai quali dipendono rispettivamente la fessurazione superficiale e le deformazioni permanenti nella pavimentazione. Tale procedura funziona per incrementi temporali successivi e, usando i risultati di ogni incremento temporale, ricorsivamente, come input dell’incremento temporale successivo, prevede le condizioni di una pavimentazione stradale per quanto riguarda il modulo complesso dei diversi strati, le fessurazioni superficiali dovute alla fatica, le deformazioni permanenti e la rugosità superficiale. Al fine di verificare le propreità meccaniche del PGGWMA e le reciproche relazioni in termini di danno a fatica e deformazioni permanenti tra strato superficiale e struttura della pavimentazione per fissate condizioni ambientali e di traffico, è stata usata la procedura Incrementale – Ricorsiva del software CalME. Il conglomerato bituminoso studiato (PGGWMA) è stato usato in una pavimentazione stradale come strato superficiale di 60 mm di spessore. Le performance della pavimentazione sono state confrontate a quelle della stessa pavimentazione in cui altri tipi di conglomerato bituminoso sono stati usati come strato superficiale. I tre tipi di conglomerato bituminoso usati come termini di paragone sono stati: un conglomerato bituminoso ad “alta lavorabilità” con granulometria “chiusa” non modificato (DGWMA), un conglomerato bituminoso modificato con polverino di gomma con granulometria “aperta” (GGRAC) e un conglomerato bituminoso non modificato con granulometria “chiusa” (DGAC). Nel Capitolo I è stato introdotto il problema del progetto ecocompatibile delle pavimentazioni stradali. I materiali a basso impatto ambientale come i conglomerati bituminosi ad “alta lavorabilità” e i conglomerati bituminosi modificati con polverino di gomma sono stati descritti in dettaglio. Inoltre è stata discussa l’importanza della caratterizzazione di laboratorio dei materiali e il valore di un metodo razionale di progetto delle pavimentazioni stradali. Nel Capitolo II sono stati descritti i diversi approcci progettuali utilizzabili con il CalME e in particolare è stata spiegata la procedura Incrementale – Ricorsiva. Nel Capitolo III sono state studiate le proprietà volumetriche e meccaniche del PGGWMA. Test di Fatica e di Deformazioni Permanenti, eseguiti rispettivamente con la macchina a fatica per flessione su quattro punti e il Simple Shear Test device (macchina di taglio semplice), sono stati effettuati su provini di conglomerato bituminoso e i risultati dei test sono stati riassunti. Attraverso questi dati di laboratorio, i parametri dei modelli della Master Curve, del danno a fatica e dell’accumulo di deformazioni di taglio usati nella procedura Incrementale – Ricorsiva del CalME sono stati valutati. Infine, nel Capitolo IV, sono stati presentati i risultati delle simulazioni di pavimentazioni stradali con diversi strati superficiali. Per ogni pavimentazione sono stati analizzati la fessurazione superficiale complessiva, le deformazioni permanenti complessive, il danno a fatica e la profondità delle deformazioni in ognuno degli stati legati.

Elektrorheologie homogener Systeme

Zusammenfassung: Thema dieser Arbeit ist der Einfluss von elektrischen Feldern auf die Viskosität nematischer Flüssigkristalle sowie isotroper Polymerlösungen.Für zwei thermotrope nematische Flüssigkristalle, 4-(trans-4'-n-Pentylcyclohexyl)-benzonitril (PCH-5) und 4-n-Pentyl-4'-cyanobiphenyl (5CB), wurde die Viskosität mit elektrorheologischen Messungen in Abhängigkeit von Feldstärke und Scherrate bestimmt. Alle Messwerte kommen bei Auftragung gegen E?/? auf einer Masterkurve zu liegen. Die Anpassung dieser Daten mit einer auf der Theorie von Ericksen und Leslie basierenden Gleichung liefert gleichzeitig die Scherviskositäten ? und ? sowie die Rotationsviskosität ? in guter Übereinstimmung mit Literaturwerten. Elektrorheologische Messungen stellen somit eine Methode zur Bestimmung dieser Viskositätskoeffizienten für Nematen dar, wenn diese eine ausreichend große positive dielektrische Anisotropie aufweisen. Bei den isotropen Polymerlösungen ließ sich der elektrorheologische Effekt des Systems Decalin/Polystyrol im Bereich der Entmischungstemperatur klären. Während im Ein-Phasen-Gebiet nur eine geringe Viskositätsänderung im E-Feld aufgrund elektrohydrodynamischer Strömungen zu beobachten ist, tritt unterhalb der Entmischungstemperatur ein deutlicher, aber nicht reproduzierbarer ER-Effekt auf. Dieser ist auf einen Einfluss des E-Felds auf die Zwei-Phasen-Morphologie zurückzuführen.Für das System Diethylbenzol/Isopentylcellulose wurde ein negativer elektrorheologischer Effekt auf die Dissoziation von assoziierten Polymermolekülen zurückgeführt. Die Dissoziation erfolgt aufgrund der Wirkung des elektrischen Feldes auf freie Ladungen.

Performance evaluation of low environmental impact asphalt concretes using the mechanistic empirical design method based on laboratory fatigue and permanent deformation models

The "sustainability" concept relates to the prolonging of human economic systems with as little detrimental impact on ecological systems as possible. Construction that exhibits good environmental stewardship and practices that conserve resources in a manner that allow growth and development to be sustained for the long-term without degrading the environment are indispensable in a developed society. Past, current and future advancements in asphalt as an environmentally sustainable paving material are especially important because the quantities of asphalt used annually in Europe as well as in the U.S. are large. The asphalt industry is still developing technological improvements that will reduce the environmental impact without affecting the final mechanical performance. Warm mix asphalt (WMA) is a type of asphalt mix requiring lower production temperatures compared to hot mix asphalt (HMA), while aiming to maintain the desired post construction properties of traditional HMA. Lowering the production temperature reduce the fuel usage and the production of emissions therefore and that improve conditions for workers and supports the sustainable development. Even the crumb-rubber modifier (CRM), with shredded automobile tires and used in the United States since the mid 1980s, has proven to be an environmentally friendly alternative to conventional asphalt pavement. Furthermore, the use of waste tires is not only relevant in an environmental aspect but also for the engineering properties of asphalt [Pennisi E., 1992]. This research project is aimed to demonstrate the dual value of these Asphalt Mixes in regards to the environmental and mechanical performance and to suggest a low environmental impact design procedure. In fact, the use of eco-friendly materials is the first phase towards an eco-compatible design but it cannot be the only step. The eco-compatible approach should be extended also to the design method and material characterization because only with these phases is it possible to exploit the maximum potential properties of the used materials. Appropriate asphalt concrete characterization is essential and vital for realistic performance prediction of asphalt concrete pavements. Volumetric (Mix design) and mechanical (Permanent deformation and Fatigue performance) properties are important factors to consider. Moreover, an advanced and efficient design method is necessary in order to correctly use the material. A design method such as a Mechanistic-Empirical approach, consisting of a structural model capable of predicting the state of stresses and strains within the pavement structure under the different traffic and environmental conditions, was the application of choice. In particular this study focus on the CalME and its Incremental-Recursive (I-R) procedure, based on damage models for fatigue and permanent shear strain related to the surface cracking and to the rutting respectively. It works in increments of time and, using the output from one increment, recursively, as input to the next increment, predicts the pavement conditions in terms of layer moduli, fatigue cracking, rutting and roughness. This software procedure was adopted in order to verify the mechanical properties of the study mixes and the reciprocal relationship between surface layer and pavement structure in terms of fatigue and permanent deformation with defined traffic and environmental conditions. The asphalt mixes studied were used in a pavement structure as surface layer of 60 mm thickness. The performance of the pavement was compared to the performance of the same pavement structure where different kinds of asphalt concrete were used as surface layer. In comparison to a conventional asphalt concrete, three eco-friendly materials, two warm mix asphalt and a rubberized asphalt concrete, were analyzed. The First Two Chapters summarize the necessary steps aimed to satisfy the sustainable pavement design procedure. In Chapter I the problem of asphalt pavement eco-compatible design was introduced. The low environmental impact materials such as the Warm Mix Asphalt and the Rubberized Asphalt Concrete were described in detail. In addition the value of a rational asphalt pavement design method was discussed. Chapter II underlines the importance of a deep laboratory characterization based on appropriate materials selection and performance evaluation. In Chapter III, CalME is introduced trough a specific explanation of the different equipped design approaches and specifically explaining the I-R procedure. In Chapter IV, the experimental program is presented with a explanation of test laboratory devices adopted. The Fatigue and Rutting performances of the study mixes are shown respectively in Chapter V and VI. Through these laboratory test data the CalME I-R models parameters for Master Curve, fatigue damage and permanent shear strain were evaluated. Lastly, in Chapter VII, the results of the asphalt pavement structures simulations with different surface layers were reported. For each pavement structure, the total surface cracking, the total rutting, the fatigue damage and the rutting depth in each bound layer were analyzed.

Estudo experimental do comportamento à fratura frágil em aços estruturais ferríticos e aplicações à determinação da curva mestra.

Este trabalho apresenta uma investigação experimental sobre o comportamento à fratura frágil de aços estruturais ferríticos, ASTM A285 Gr C e ASTM A515 Gr 65. Os resultados deste trabalho ampliam a base de dados de propriedades mecânicas utilizadas nas análises de integridade de estruturas pressurizadas tais como vasos de pressão e tanques de armazenamento construídos com esta classe de material. O trabalho tem por objetivo também avaliar a aplicabilidade de corpos de prova de dimensões reduzidas, PCVN, na determinação da temperatura de referência, T0, por meio da metodologia da Curva Mestra, a qual define a dependência da tenacidade à fratura do material em função da temperatura. Os ensaios de tenacidade à fratura foram conduzidos utilizando-se corpos de prova solicitados em flexão três pontos com geometria SE(B), PCVN e PCVN com entalhe lateral, extraídos de chapas laminadas. Os resultados dos ensaios foram obtidos em termos de integral J no momento da instabilidade, denotados por Jc. Dados adicionais de resistência à tração e de Impacto Charpy convencional também foram obtidos para caracterizar o comportamento mecânico dos aços utilizados. Os resultados mostraram uma forte influência da geometria dos corpos de prova sobre os valores de Jc, evidenciada pela grande variação nos valores de tenacidade à fratura.

Anisotropic viscoelastic properties of undamaged asphalt mixtures

A test protocol and a data analysis method are developed in this paper on the basis of linear viscoelastic theory to characterize the anisotropic viscoelastic properties of undamaged asphalt mixtures. The test protocol includes three nondestructive tests: (1) uniaxial compressive creep test, (2) indirect tensile creep test, and (3) the uniaxial tensile creep test. All three tests are conducted on asphalt mixture specimens at three temperatures (10, 20, and 30°C) to determine the tensile and compressive properties at each temperature and then to construct the master curve of each property. The determined properties include magnitude and phase angle of the compressive complex modulus in the vertical direction, magnitude and phase angle of the tensile complex modulus, and the magnitude and phase angle of the compressive complex modulus in the horizontal plane. The test results indicate that all tested asphalt mixtures have significantly different tensile properties from compressive properties. The peak value of the master curve of the tensile complex modulus phase angle is within a range from 65 to 85°, whereas the peak value of the compressive moduli phase angle in both directions ranges from 35 to 55°. In addition, the undamaged asphalt mixtures exhibit distinctively anisotropic properties in compression. The magnitude of the compressive modulus in the vertical direction is approximately 1.2 to ̃2 times of the magnitude of the compressive modulus in the horizontal plane. Dynamic modulus tests are performed to verify the results of the proposed test protocol. The test results from the proposed test protocol match well with those from the dynamic tests. © 2012 American Society of Civil Engineers.

Characterization of Non-linear Polymer Properties to Predict Process Induced Warpage and Residual Stress of Electronic Packages

Nonlinear thermo-mechanical properties of advanced polymers are crucial to accurate prediction of the process induced warpage and residual stress of electronics packages. The Fiber Bragg grating (FBG) sensor based method is advanced and implemented to determine temperature and time dependent nonlinear properties. The FBG sensor is embedded in the center of the cylindrical specimen, which deforms together with the specimen. The strains of the specimen at different loading conditions are monitored by the FBG sensor. Two main sources of the warpage are considered: curing induced warpage and coefficient of thermal expansion (CTE) mismatch induced warpage. The effective chemical shrinkage and the equilibrium modulus are needed for the curing induced warpage prediction. Considering various polymeric materials used in microelectronic packages, unique curing setups and procedures are developed for elastomers (extremely low modulus, medium viscosity, room temperature curing), underfill materials (medium modulus, low viscosity, high temperature curing), and epoxy molding compound (EMC: high modulus, high viscosity, high temperature pressure curing), most notably, (1) zero-constraint mold for elastomers; (2) a two-stage curing procedure for underfill materials and (3) an air-cylinder based novel setup for EMC. For the CTE mismatch induced warpage, the temperature dependent CTE and the comprehensive viscoelastic properties are measured. The cured cylindrical specimen with a FBG sensor embedded in the center is further used for viscoelastic property measurements. A uni-axial compressive loading is applied to the specimen to measure the time dependent Young’s modulus. The test is repeated from room temperature to the reflow temperature to capture the time-temperature dependent Young’s modulus. A separate high pressure system is developed for the bulk modulus measurement. The time temperature dependent bulk modulus is measured at the same temperatures as the Young’s modulus. The master curve of the Young’s modulus and bulk modulus of the EMC is created and a single set of the shift factors is determined from the time temperature superposition. The supplementary experiments are conducted to verify the validity of the assumptions associated with the linear viscoelasticity. The measured time-temperature dependent properties are further verified by a shadow moiré and Twyman/Green test.

Size effect on the tensile strength of fine-grained copper

We considered the effect of the thickness of copper sheet on its tensile strength. A model in which the strength of surface grains is governed by dislocation image forces, while that of interior grains is determined by dislocation cell structure, was proposed. Using a rule of mixtures, the dependence of strength on the specimen thickness was calculated. A master curve representing the calculated dependence of normalized strength on the ratio of sheet thickness to grain size was confirmed by experiment.