Charpy impact toughness of conventional and advanced composite laminates for aircraft construction

A weight-based analysis was made of the translaminar Charpy impact toughness performance of conventional and advanced composite materials for aircraft fabrication. The materials were carbon-epoxy (C-Ep) and hybrid fiber-metal TiGr (Titanium-Graphite) laminates. 5 mm-thick three-point bend specimens were tested over a temperature range of -70 to 180 ºC to reproduce typical in-service conditions of supersonic jetliners. The energies required for the processes of damage initiation (Ei), damage propagation (Ep), and whole fracture (Et = Ei + Ep), were evaluated at two loading rates, namely, 2.25 and 5.52 m/s in an instrumented Charpy impact testing machine. C-Ep laminates with unidirectional fiber tapes arranged in cross-ply architecture consistently showed the best performance in terms of damage initiation toughness, whereas the hybrid fiber-metal laminate TiGr excelled in terms of propagation toughness. On the other hand, the overall performance of bi-directional fabric C-Ep laminates was very disappointing. The impact behavior of composite laminates was substantiated by a qualitative analysis of topographic aspects of fracture surfaces.Coordenacao de Aperfeicoamento de Pessoal de Nivel Superior (CAPES

Thermomechanical fatigue in gray cast iron alloys to automotive brake discs

Os discos de freio, durante a frenagem, são submetidos a tensões térmicas e mecânicas que podem ser relativamente altas quando muito bruscas (frações de segundo), situação em que a temperatura pode chegar a valores próximos de 600ºC. Esta variação de temperatura provoca choques térmicos que podem gerar trincas e/ou uma grande quantidade de deformação plástica no disco. A proposta deste trabalho foi a de investigar, através de experimentos, o comportamento mecânico e físico em quatro ligas de ferro fundido cinzento (A, B, C e E), utilizadas para produzir discos de freio de veículos automotivos. Para tanto, foram realizados ensaios termomecânicos de baixo ciclo em corpos de prova, entre 300ºC e 600ºC, nas condições em fase e fora de fase, adotando o critério de falha em 50% da tensão máxima (ASTM E-606) e em componentes (discos), além daqueles de difusividade térmica desde a temperatura ambiente até 600ºC. As curvas deformação em função da vida ( N) foram obtidas e analisadas segundo norma ASTM E 466/468. A análise microestrutural nos corpos de prova e peças, após os ensaios de fadiga, serviu para revelar a influência da morfologia e quantidade de grafita e da matriz sobre as propriedades mecânicas. A medição das difusividades térmicas teve como objetivo a verificação da influência do carbono equivalente e dos elementos de liga sobre esta propriedade física. Observou-se que, durante os ensaios de fadiga termomecânica em fase, em função da decomposição de parcela da cementita da perlita, houve, nos materiais, a chamada expansão grafítica, que teve influência na parte trativa do ciclo, diminuindo as tensões necessárias para se alcançar determinadas amplitudes de tensão mecânica. Pelos gráficos de amplitude de deformação mecânica em função do número de reversos para falhar, sob fadiga termomecânica em fase e fora de fase, observou-se que a melhor liga de ferro fundido cinzento foi a liga E. Esta constatação implicará em uma significativa redução dos custos de produção dos discos de freio, pois se poderá prescindir do elemento de liga Molibdênio, extremamente caro. Comparando-se os resultados de fadiga termomecânica com os de fadiga isotérmica a 25ºC, 300ºC e 600ºC, pôde-se verificar que os ensaios mais críticos foram os fora de fase, pois conduziram, comparativamente, a vidas menores.Brake discs are submitted to thermal and mechanical stress that can be relatively high during abrupt braking action happens (fractions of seconds), causing the temperature to reach values as high as 600ºC. This temperature variation results in thermal shocks that can generate cracks and/or a large amount of plastic deformation in the disk. The main aim of this work was to investigate, through experiments, the mechanical and physical behavior of four alloys of gray cast iron (A, B, C and E), used to produce brake discs of automotives vehicles. Low cycle thermomechanical fatigue tests were carried out in components (discs) and in test specimens, between 300ºC and 600ºC, in the conditions in-phase and out-of-phase, adopting the failure criterion of 50% drop of the maximum tensile stress (ASTM E - 606). Thermal diffusivity values were measured from room temperature up to 600oC in order to analyze the effects of carbon content and alloying elements in physical properties. Curves -N were obtained and analyzed according to ASTM E 466/468 standard. Microstructural analysis was employed to reveal the influence of the matrix and morphology/amount of graphite on the mechanical properties. It was observed that, during in-phase thermomechanical fatigue tests, the volume expansion due to cementite decomposition into graphite and ferrite caused a decrease in the tensile stress necessary to achieve the mechanical strain imposed during tests. From M/2 x 2Nf graphs it was inferred that alloy E presented the best performance both in in-phase and out-of phase tests. The lack of Mo in this alloy implies in a significant reduction of cost production of the brake discs, due to the high cost of such alloying element. Out-of-phase thermomechanical fatigue tests resulted in shorter lives compared to isothermal fatigue tests carried out at 25ºC, 300ºC and 600ºC

Thermomechanical fatigue in gray cast iron alloys to automotive brake discs

Os discos de freio, durante a frenagem, são submetidos a tensões térmicas e mecânicas que podem ser relativamente altas quando muito bruscas (frações de segundo), situação em que a temperatura pode chegar a valores próximos de 600ºC. Esta variação de temperatura provoca choques térmicos que podem gerar trincas e/ou uma grande quantidade de deformação plástica no disco. A proposta deste trabalho foi a de investigar, através de experimentos, o comportamento mecânico e físico em quatro ligas de ferro fundido cinzento (A, B, C e E), utilizadas para produzir discos de freio de veículos automotivos. Para tanto, foram realizados ensaios termomecânicos de baixo ciclo em corpos de prova, entre 300ºC e 600ºC, nas condições em fase e fora de fase, adotando o critério de falha em 50% da tensão máxima (ASTM E-606) e em componentes (discos), além daqueles de difusividade térmica desde a temperatura ambiente até 600ºC. As curvas deformação em função da vida ( N) foram obtidas e analisadas segundo norma ASTM E 466/468. A análise microestrutural nos corpos de prova e peças, após os ensaios de fadiga, serviu para revelar a influência da morfologia e quantidade de grafita e da matriz sobre as propriedades mecânicas. A medição das difusividades térmicas teve como objetivo a verificação da influência do carbono equivalente e dos elementos de liga sobre esta propriedade física. Observou-se que, durante os ensaios de fadiga termomecânica em fase, em função da decomposição de parcela da cementita da perlita, houve, nos materiais, a chamada expansão grafítica, que teve influência na parte trativa do ciclo, diminuindo as tensões necessárias para se alcançar determinadas amplitudes de tensão mecânica. Pelos gráficos de amplitude de deformação mecânica em função do número de reversos para falhar, sob fadiga termomecânica em fase e fora de fase, observou-se que a melhor liga de ferro fundido cinzento foi a liga E. Esta constatação implicará em uma significativa redução dos custos de produção dos discos de freio, pois se poderá prescindir do elemento de liga Molibdênio, extremamente caro. Comparando-se os resultados de fadiga termomecânica com os de fadiga isotérmica a 25ºC, 300ºC e 600ºC, pôde-se verificar que os ensaios mais críticos foram os fora de fase, pois conduziram, comparativamente, a vidas menores.Brake discs are submitted to thermal and mechanical stress that can be relatively high during abrupt braking action happens (fractions of seconds), causing the temperature to reach values as high as 600ºC. This temperature variation results in thermal shocks that can generate cracks and/or a large amount of plastic deformation in the disk. The main aim of this work was to investigate, through experiments, the mechanical and physical behavior of four alloys of gray cast iron (A, B, C and E), used to produce brake discs of automotives vehicles. Low cycle thermomechanical fatigue tests were carried out in components (discs) and in test specimens, between 300ºC and 600ºC, in the conditions in-phase and out-of-phase, adopting the failure criterion of 50% drop of the maximum tensile stress (ASTM E - 606). Thermal diffusivity values were measured from room temperature up to 600oC in order to analyze the effects of carbon content and alloying elements in physical properties. Curves -N were obtained and analyzed according to ASTM E 466/468 standard. Microstructural analysis was employed to reveal the influence of the matrix and morphology/amount of graphite on the mechanical properties. It was observed that, during in-phase thermomechanical fatigue tests, the volume expansion due to cementite decomposition into graphite and ferrite caused a decrease in the tensile stress necessary to achieve the mechanical strain imposed during tests. From M/2 x 2Nf graphs it was inferred that alloy E presented the best performance both in in-phase and out-of phase tests. The lack of Mo in this alloy implies in a significant reduction of cost production of the brake discs, due to the high cost of such alloying element. Out-of-phase thermomechanical fatigue tests resulted in shorter lives compared to isothermal fatigue tests carried out at 25ºC, 300ºC and 600ºC

The effect of surface rolling on fatigue behavior in a pearlitic ductile cast iron

O processo de roleteamento é um tratamento superficial, comumente utilizado em peças fabricadas em aços e ferros fundidos nodulares, em regiões onde há concentradores de tensões, com o intuito de melhorar as propriedades de resistência à fadiga. Este processo endurece e introduz tensões residuais compressivas na camada superficial do material, através de deformação controlada, provocando uma redução das tensões de tração que atuam na superfície da peça submetida a carregamentos cíclicos. Este trabalho teve como principal objetivo o estudo do efeito do roleteamento superficial sobre o comportamento em fadiga de um ferro fundido nodular de matriz perlítica, utilizado na fabricação de virabrequins pela indústria automobilística. Foram realizados ensaios de fadiga por flexão rotativa em corpos de prova lisos e com entalhe. Os corpos de prova com entalhe foram divididos em dois grupos, com e sem roleteamento superficial. Foi utilizado entalhe com geometria semicircular com raio de 1,20mm e profundidade de 0,70mm. Para o processo de roleteamento foi utilizado um rolete com diâmetro de 15,00mm e com raio de curvatura de 1,30mm e aplicada uma força de compressão de 2390N. A introdução de tensões residuais compressivas pelo trabalho a frio, dificultou a nucleação e a propagação de trincas na camada superficial dos entalhes roleteados. Isto ficou evidenciado pelo aumento do valor do limite de fadiga para 483MPa obtido para o material entalhado e roleteado, enquanto que para o material nas condições de sem entalhe e somente entalhado estes valores foram de 300MPa e 168Mpa, respectivamente.Surface rolling is a mechanical treatment commonly used in parts fabricated with steel and ductile cast iron, specifically in stress concentration regions, to improve fatigue properties. This process hardens and introduces compressive residual stresses to the surface of the material through the application of controlled strains, thus provoking a reduction of resulting tensile stress at its surface under cyclic loading. This work deals with the effect of surface rolling on high cycle fatigue behavior of a pearlitic ductile cast iron used in crankshaft by automotive industries. Rotating bending fatigue tests were performed in both smooth and notched specimens. The notched specimens were divided into two groups: with and without surface rolling treatment. The specimens notch geometry was semicircular with radius of 1.20mm and depth of 0.70mm. The rolling treatment was carried out using a roller with diameter of 15,00mm, curvature radius of 1.30mm and a compression force of 2390N. The introduction of compressive residual stresses under cold work made difficult the nucleation and propagation of the crack on the rolled surface of the notch. It was confirmed by the increase of the endurance limit of the surface rolled specimens to 483MPa in comparison with the smooth and notched specimens, respectively, 300MPa and 168 MPa

The effect of surface rolling on fatigue behavior in a pearlitic ductile cast iron

O processo de roleteamento é um tratamento superficial, comumente utilizado em peças fabricadas em aços e ferros fundidos nodulares, em regiões onde há concentradores de tensões, com o intuito de melhorar as propriedades de resistência à fadiga. Este processo endurece e introduz tensões residuais compressivas na camada superficial do material, através de deformação controlada, provocando uma redução das tensões de tração que atuam na superfície da peça submetida a carregamentos cíclicos. Este trabalho teve como principal objetivo o estudo do efeito do roleteamento superficial sobre o comportamento em fadiga de um ferro fundido nodular de matriz perlítica, utilizado na fabricação de virabrequins pela indústria automobilística. Foram realizados ensaios de fadiga por flexão rotativa em corpos de prova lisos e com entalhe. Os corpos de prova com entalhe foram divididos em dois grupos, com e sem roleteamento superficial. Foi utilizado entalhe com geometria semicircular com raio de 1,20mm e profundidade de 0,70mm. Para o processo de roleteamento foi utilizado um rolete com diâmetro de 15,00mm e com raio de curvatura de 1,30mm e aplicada uma força de compressão de 2390N. A introdução de tensões residuais compressivas pelo trabalho a frio, dificultou a nucleação e a propagação de trincas na camada superficial dos entalhes roleteados. Isto ficou evidenciado pelo aumento do valor do limite de fadiga para 483MPa obtido para o material entalhado e roleteado, enquanto que para o material nas condições de sem entalhe e somente entalhado estes valores foram de 300MPa e 168Mpa, respectivamente.Surface rolling is a mechanical treatment commonly used in parts fabricated with steel and ductile cast iron, specifically in stress concentration regions, to improve fatigue properties. This process hardens and introduces compressive residual stresses to the surface of the material through the application of controlled strains, thus provoking a reduction of resulting tensile stress at its surface under cyclic loading. This work deals with the effect of surface rolling on high cycle fatigue behavior of a pearlitic ductile cast iron used in crankshaft by automotive industries. Rotating bending fatigue tests were performed in both smooth and notched specimens. The notched specimens were divided into two groups: with and without surface rolling treatment. The specimens notch geometry was semicircular with radius of 1.20mm and depth of 0.70mm. The rolling treatment was carried out using a roller with diameter of 15,00mm, curvature radius of 1.30mm and a compression force of 2390N. The introduction of compressive residual stresses under cold work made difficult the nucleation and propagation of the crack on the rolled surface of the notch. It was confirmed by the increase of the endurance limit of the surface rolled specimens to 483MPa in comparison with the smooth and notched specimens, respectively, 300MPa and 168 MPa

Residual analysis applied to S-N data of a surface rolled cast iron

Surface rolling is a process extensively employed in the manufacture of ductile cast iron crankshafts, specifically in regions containing stress concentrators with the main aim to enhance fatigue strength. Such process hardens and introduces compressive residual stresses to the surface as a result of controlled strains, reducing cyclic tensile stresses near the surface of the part. The main purpose of this work was to apply the residual analysis to check the suitability of the S-N approach to describe the fatigue properties of a surface rolled cast iron. The analysis procedure proved to be very efficient and easy to implement and it can be applied in the verification of any other statistical model used to describe fatigue behavior. Results show that the conventional S-N methodology is able to model the high cycle fatigue behavior of surface rolled notch testpieces of a pearlitic ductile cast iron submitted to rotating bending fatigue tests

Influence of Annealing Heat Treatment and Cr, Mg, and Ti Alloying on the Mechanical Properties of High-Silicon Cast Iron

The influence of annealing on the mechanical properties of high-silicon cast iron for three alloys with distinct chromium levels was investigated. Each alloy was melted either with or without the addition of Ti and Mg. These changes in the chemical composition and heat treatment aimed to improve the material's mechanical properties by inhibiting the formation of large columnar crystals, netlike laminae, precipitation of coarse packs of graphite, changing the length and morphology of graphite, and rounding the extremities of the flakes to minimize the stress concentration. For alloys with 0.07 wt.% Cr, the annealing reduced the impact resistance and tensile strength due to an enhanced precipitation of refined carbides and the formation of interdendritic complex nets. Annealing the alloys containing Ti and Mg led to a decrease in the mechanical strength and an increase in the toughness. Alloys containing approximately 2 wt.% Cr achieved better mechanical properties as compared to the original alloy. However, with the addition of Ti and Mg to alloys containing 2% Cr, the chromium carbide formation was inhibited, impairing the mechanical properties. In the third alloy, with 3.5 wt.% of Cr additions, the mechanical strength improved. The annealing promoted a decrease in both hardness and amount of iron and silicon complex carbides. However, it led to a chromium carbide formation, which influenced the mechanical characteristics of the matrix of the studied material