Propriedades nanomecânicas e processos de fratura de materiais lamelares

Orientador: Carlos Maurício LepienskiTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Exatas, Curso de Pós-Graduação em Física. Defesa: Curitiba, 2008Inclui bibliografiaÁrea de concentração: Superfícies, interfaces e filmes fino

Estudo da dinâmica da zona plástica ao redor da ponta da trinca sob diferentes modos de carregamento

Orientador : Francisco Carlos SerbenaCo-orientador : Carlos Maurício LepienskiDissertaçao (mestrado) - Universidade Federal do ParanáResumo: Vários modelos analíticos consideram as discordâncias que formam a zona plástica em tomo da ponta da trinca como uma distribuição contínua infinitesimal de discordâncias em equilíbrio estático devido a uma tensão de atrito. Outros modelos consideram a evolução dinâmica da zona plástica com o tempo, e a descrição é baseada em simulações numéricas, onde a zona plástica é considerada ser formada por uma distribuição discreta de discordâncias fora do equilíbrio. Esta dinâmica é descrita por uma relação de potência entre velocidade, tensão total e temperatura. Neste trabalho, foram realizadas simulações numéricas considerando uma trinca infinita carregada sob uma taxa de carregamento fixa segundo o modelo de Hirsch et al (HRS). As discordâncias são emitidas por uma fonte de Frank-Read posicionada a uma distância fixa da ponta da trinca e em um plano que contém a frente da trinca. Das simulações, o tamanho da zona plástica, o tamanho da zona livre de discordâncias, o número total e a distribuição de discordâncias, a tensão ao longo da zona plástica e o fator de intensidade de tensão efetivo local foram calculados. Os resultados das simulações numéricas segundo os modelos de Hirsch et al (HRS) e de Chen & Kitaoka (CK) para o modo I de carregamento são comparados com as expressões dos modelos analíticos dinâmico deste trabalho (segundo o modelo CK), e estático de Chen & Kitaoka (CK) que possuem o termo de interação discordância-discordância numa forma mais simples em relação ao modelo de Hirsch et al (HRS). Para o modo III, as simulações de Hirsch et al (HRS) são comparadas com os modelos analíticos estáticos de Chang & Ohr (CO) e de Majumdar & Burns (MB) e com o modelo analítico dinâmico deste trabalho (segundo o modelo HRS) que mostrou uma excelente concordância quando comparado com as simulações numéricas. Palavras - chave: Trinca; Zona plástica; Discordâncias; Modelos analíticos.Abstract: Several analytical models consider the dislocations that form the plastic zone around an infinite crack loaded under a fixed loading rate as a continuous distribution of infinitesimal dislocations at static equilibrium due to a friction stress. Other models consider the dynamic evolution of the plastic zone with time and the description is based on computer simulations where the plastic zone is consider as formed by discrete dislocations in-non equilibrium. This dynamics is described by a power relation between velocity, total stress and temperature. In this work, numerical simulations were performed considering an infinite crack loaded under fixed loading rates according to Hirsch et al (HRS) model. The dislocations are emitted by a Frank-Read source positioned at a fixed distance ahead of the crack tip and in a plane containing the crack front. From the simulations, the plastic zone size, the dislocation free zone, the total number and the distribution of dislocations, the elastic stress and the effetive stress intensity factor were calculated. The results from numerical simulations according to Hirsch et al (HRS) and Chen & Kitaoka (CK) models for mode I loading are compared with the dynamic analytic model of this work (according to HRS model) and to static Chen & Kitaoka (CK) model. For mode III, the Hirsch et al (HRS) simulations are compared with Chang & Ohr (CO) and Majumdar & Burns (MB) static analytic models, as the dynamic analytic model develop in this work (according to HRS model). The results show excellent agreement when compared with numerical simulations. Keywords: Crack; Plastic zone; Dislocations; Analytical models

Propriedades nanomecânicas do silicato de cálcio hidratado de síntese

Calcium silicate hydrate (C-S-H), the main product from portland cement hydration, has a great influence on most physical and mechanical properties of cement based materials. However, until now, there are no structural models relating chemical composition, micro and nanostructure with its physical-chemical and mechanical properties. In this study, we used the technique of instrumented indentation to evaluate the nanomechanical properties of two synthetic C-S-H with different Ca/Si ratio. The results showed that it is possible to estimate with a good ccuracy the elastic modulus and hardness using only 16 indented points, with several cycles of loading for each indentation, and that the intensity of the indentation load is not significant. It was also shown that the C-S-H elastic modulus increases when the Ca/Si ratio decreases, confirming the calculations based on field forces methods of Manzano et al. (2009). However it was found that micro and nanoporosity have a significant effect on the result. Finally, a discussion about some of the parameters to be controlled to modify the mechanical characteristics of the C-S-H gel produced by the portland cement hydration is presented.O silicato de cálcio hidratado (C-S-H), principal fase proveniente da hidratação do cimento Portland, tem grande influência na maioria das propriedades físicas e mecânicas dos materiais cimentícios. No entanto, até o momento, não existem modelos estruturais relacionando sua composição química, nano e microestrutura com suas propriedades físico-químicas e mecânicas. Neste trabalho, utilizou-se a técnica de indentação instrumentada para avaliar as propriedades nanomecânicas de dois C-S-H de síntese, com relações Ca/Si diferentes. Os resultados mostraram que é possível estimar com precisão o módulo de elasticidade e a dureza utilizando-se somente 16 pontos indentados, com vários ciclos de carga para cada indentação, e que a intensidade da carga de indentação não se mostrou um fator significativo. Mostrou-se também que o módulo de elasticidade do C-S-H aumenta quando a relação Ca/Si diminui, confirmando os cálculos baseados nos métodos de campo de forças, de Manzano et al. (2009). Porém, constatou-se que micro e nanoporosidade influenciam de maneira significativa o resultado. Por fim, há uma discussão sobre alguns dos parâmetros a serem controlados para poder modificar as características mecânicas do gel de C-S-H produzido pela hidratação do cimento Portland

Dureza vickers – definição, normatização e perspectivas de pesquisa: uma revisão / Vickers hardness – definition, standardization and research perspectives: a review

Os conceitos de dureza Vickers são fundamentais para a obtenção de resultados confiáveis deste ensaio mecânico. Visto que, na literatura a sua definição é abordada de forma resumida, e o presente trabalho visa desenvolver a sua perspectiva teórica. Para isso, um embasamento histórico, dedução matemática e revisão da literatura em normas técnicas (brasileiras e internacionais) serão apresentados. Além disso, um estudo bibliométrico irá indicar as tendências de pesquisa nesse segmento de caracterização mecânica de materiais.

Depth-Sensing Indentation on REBa2Cu3O(7-\delta) Single Crystals obtained from Xenotime Mineral

A natural mixture of heavy rare earths oxides extracted from xenotime mineral have been used to prepare large single crystals of high-temperature REBa2Cu3O(7-\delta) superconductor grown using the CuO-BaO self-flux method. Its mechanical properties along the ab-plane were characterized using instrumented indentation. Hardness and elastic modulus were obtained by the Oliver and Pharr method and corresponds to 7.4 \pm 0.2 GPa and in range 135-175 GPa at small depths, respectively. Increasing the load promotes the nucleation of lateral cracks that causes a decrease in hardness and the measured elastic modulus by instrumented indentation at higher loads. The indentation fracture toughness was estimated by measuring the radial crack length from cube-corner indentations at various loads and was 0.8 \pm 0.2 MPa.m1/2. The observed slip systems of REBa2Cu3O(7-\delta) single crystals were [100](001) and [010](001), the same as for YBa2Cu3O(7-\delta) single crystals. The initial stages of deformation and fracture in the indentation process were investigated. The hardness and elastic modulus were not strongly modified by the crystallographic orientation in the ab-plane. This was interpreted in terms of the resolved shear stresses in the active slip systems. Evidence of cracking along the {100} and {110} planes on the ab-plane was observed. As a conclusion, the mechanical properties of REBa2Cu3O(7-\delta) single crystals prepared from xenotime are equivalent to those of YBa2Cu3O(7-\delta) single crystals produced by conventional rare earths oxides.Comment: The paper will appear in Volume 42 (2012) of the Brazilian Journal of Physic

Propriedades nanomecânicas do silicato de cálcio hidratado de síntese

Calcium silicate hydrate (C-S-H), the main product from portland cement hydration, has a great influence on most physical and mechanical properties of cement based materials. However, until now, there are no structural models relating chemical composition, micro and nanostructure with its physical-chemical and mechanical properties. In this study, we used the technique of instrumented indentation to evaluate the nanomechanical properties of two synthetic C-S-H with different Ca/Si ratio. The results showed that it is possible to estimate with a good ccuracy the elastic modulus and hardness using only 16 indented points, with several cycles of loading for each indentation, and that the intensity of the indentation load is not significant. It was also shown that the C-S-H elastic modulus increases when the Ca/Si ratio decreases, confirming the calculations based on field forces methods of Manzano et al. (2009). However it was found that micro and nanoporosity have a significant effect on the result. Finally, a discussion about some of the parameters to be controlled to modify the mechanical characteristics of the C-S-H gel produced by the portland cement hydration is presented.O silicato de cálcio hidratado (C-S-H), principal fase proveniente da hidratação do cimento Portland, tem grande influência na maioria das propriedades físicas e mecânicas dos materiais cimentícios. No entanto, até o momento, não existem modelos estruturais relacionando sua composição química, nano e microestrutura com suas propriedades físico-químicas e mecânicas. Neste trabalho, utilizou-se a técnica de indentação instrumentada para avaliar as propriedades nanomecânicas de dois C-S-H de síntese, com relações Ca/Si diferentes. Os resultados mostraram que é possível estimar com precisão o módulo de elasticidade e a dureza utilizando-se somente 16 pontos indentados, com vários ciclos de carga para cada indentação, e que a intensidade da carga de indentação não se mostrou um fator significativo. Mostrou-se também que o módulo de elasticidade do C-S-H aumenta quando a relação Ca/Si diminui, confirmando os cálculos baseados nos métodos de campo de forças, de Manzano et al. (2009). Porém, constatou-se que micro e nanoporosidade influenciam de maneira significativa o resultado. Por fim, há uma discussão sobre alguns dos parâmetros a serem controlados para poder modificar as características mecânicas do gel de C-S-H produzido pela hidratação do cimento Portland

Design parameters and associated quantitative damage analyses of an asphalt concrete airfield runway

Design parameters and evaluation of associated mechanical behavior of an airfield runway asphalt concrete pavement structure is reported. French aeronautical design methodology was taken as reference. Field and laboratory procedures were employed to determine constituent materials of the designed structure. Stationary linear elastic and dynamic viscoelastic numerical damage analyses were developed and compared, using computerized tools based on 3D Finite Element Methods. Results indicate that viscoelastic analyses provide more discriminating assessment of damage phenomena along the depth of pavement layers, and that landing gear geometric characteristics are more diagnostic than aircraft gross weight for cumulative damage propagation