O procedimento de soldagem convencional do aÃo ABNT 4140, devido à formaÃÃo de martensita na zona termicamente afetada pelo calor (ZAC), contempla um tratamento tÃrmico pÃs-soldagem para aliviar as tensÃes e melhorar a tenacidade desta zona. Esse tratamento tÃrmico, muitas vezes, se torna impraticÃvel devido a alguns fatores como tamanho da peÃa, reparo no campo e custo. A tÃcnica da dupla-camada tem sido pesquisada no sentido de se evitar este tratamento tÃrmico e garantir boas propriedades mecÃnicas da peÃa soldada. O emprego da tÃcnica da dupla-camada exige uma relaÃÃo adequada entre as energias de soldagem das camadas, para que a segunda refina e revina a ZAC grosseria da primeira, pois, nesta regiÃo a possibilidade de formaÃÃo de martensita à grande devido a sua maior temperabilidade. Neste trabalho, foi utilizado um ensaio preliminar chamado de teste de Higuchi que permitiu a escolha das energias. Em seguida foram realizadas soldagens em simples depÃsito e camada Ãnica em corpos de prova temperados e revenidos com o objetivo de avaliar o grau de refino e revenimento proporcionado pelos passes laterais. ApÃs este ensaio, foram soldados corpos de prova temperados e revenidos utilizando-se a dupla-camada para depois, atravÃs do ensaio de microdureza e metalografia, avaliar o grau de refino e revenimento porporcionados pelo uso da tÃcnica de dupla camada. A soldagem de uma junta semi-V permitiu a avaliaÃÃo da tenacidade da ZAC da primeira camada atravÃs da realizaÃÃo do ensaio Charpy. Os resultados deste ensaio mostraram que as energias absorvidas por corpos de prova soldados, com as relaÃÃes de energias de soldagem (KJ/cm) da primeira e segunda camada de 5/5 e 5/10, sÃo semelhantes as dos corpos de prova com o tratamento tÃrmico pÃs-soldagem e superior a do metal base temperado e revendido, mostrando a viabilidade de tÃcnica. / The welding procedure of the conventional steel AISI 4140 due to the formation of martensite in the heat affected zone by heat (HAZ), comprises a post-welding heat treatment to relieve stresses and improve the toughness of this zone. This thermal treatment often becomes impractical due to factors such as part size, and field repair cost. The technique of double-layer has been studied in order to avoid this thermal treatment and to ensure good mechanical properties of the welded part. The use of the technique of double-layer requires an appropriate relationship between the energy of welding of the layers, so that the second and refines the HAZ revina coarseness of the first, since in this region the possibility of formation of martensite is large because of its higher hardenability . In this work, we used a preliminary test called Higuchi allowing the choice of energy. Then welds were carried out in simple deposit and single layer in specimens quenched and tempered in order to assess the degree of refining and tempering provided by lateral passes. After this test, the specimens were welded and tempered using the double-layer and then through metallography and microhardness testing, evaluate the degree of refining and tempering porporcionados to use the technique of double layer. The welding together of a semi-V allowed the evaluation of the toughness of HAZ of the first layer by conducting the Charpy test. The results of this test showed that the energy absorbed by welded specimens, with the relations of welding energy (KJ / cm) of the first and second layer of 5/5 and 5/10, are similar to those of specimens with post-weld heat treatment and superior to the base metal and tempered resold, demonstrating the feasibility of the technique.

Arbeidet som presenteres i denne rapporten er utført i samarbeid med Energiselskapet Buskerud (EB). Oppgavens formål har vært å utarbeide en generell metode for å minimere kostnader knyttet til reaktiv effektflyt i regionalnettet og deretter benytte denne metoden for å optimalisere reaktiv effektflyt i regionalnettet eid av EB. Regulering av reaktiv produksjon i kraftstasjoner og installasjon av kondensatorbatterier er vurdert som mulige tiltak for å endre den reaktive effektflyten. Disse tiltakene medfører kostnader i form av aktive tap i generatorer eller på grunn av kostnader til installasjon av kondensatorbatterier. Reaktiv effektflyt bidrar til kostnader i form av nettap og reaktivt uttak fra sentralnettet tarifferes av Statnett. I optimaliseringen tas det sikte på å minimere summen av disse fire kostnadselementene. Faste kostnader ved installasjon av kondensatorbatterier fører til at optimalisering av reaktiv effektflyt er et diskret optimaliseringsproblem. Optimaliseringen er derfor utført ved bruk av genetisk algoritme, en optimaliseringsmetode som ble antatt å fungere godt for diskrete problemer. Ved optimalisering med genetiske algoritmer er det ikke mulig å fastslå med sikkerhet at optimal løsning blir funnet, og det er derfor knyttet noe usikkerhet til resultatene. Et optimaliseringsprogram ble programmert i Matlab, og programmet Matpower 3.2 ble implementert i optimaliseringsprogrammet for å utføre lastflytberegninger. Resultatene fra optimaliseringen var konsistente og ga en klar kostnadsreduksjon i forhold til dagens drift. Dette tyder på at optimalisering med genetisk algoritme fungerer godt for denne problemstillingen. Beregningstiden for de største optimaliseringene var rundt 5 minutter. Optimalisering av reaktiv effektflyt ble gjennomført for to deler av regionalnettet i Nedre Buskerud. I begge nettene er det i dagens drift noe reaktiv produksjon i kraftstasjoner, men det er også et betydelig reaktivt uttak fra sentralnettet. Begge analysene viste at reaktiv produksjon i nettet bør økes i forhold til dagens nivå, først og fremst på grunn av store besparelser ved redusert reaktivt uttak fra sentralnettet. Også reduserte nettap bidro til kostnadsreduksjonene. Kostnadene kan reduseres betraktelig ved å øke reaktiv produksjon i kraftstasjonene i nettet, men størst kostnadsreduksjon oppnås ved installasjon av nye kondensatorbatterier. Optimaliseringen ble utført for ulike priser på sentralnettsuttak, og resultatene viste at prisen på reaktivt uttak fra sentralnettet må reduseres til under 10 kr/kVAr for at slikt uttak skal være lønnsomt. I dag er prisen på 25 kr/kVAr. Dette viser at konklusjonen om at reaktiv produksjon bør økes for å unngå reaktivt uttak fra sentralnettet er robust for endringer i sentralnettsprisen. I nettet mot Kongsberg ga et kondensatorbatteri på 8 MVAr i Glabak en maksimering av kostnadsreduksjonen. Denne investeringen har en internrente på 10 %. I nettet mot Modum ga kondensatorbatterier på 6,5 MVAr i Hokksund T2 og 9 MVAr i Hovde maksimal kostnadsreduksjon. Den samlede investeringen har en internrente på 12 %. I en eventuell videreføring av arbeidet i denne rapporten kan det være aktuelt å teste optimaliseringsprogrammet for større problemer. Optimalisering med genetisk algoritme kan også brukes i andre nettrelaterte problemstillinger. En mer detaljert behandling av reaktiv produksjon i generatorer vil kunne gi forbedret datagrunnlag for optimaliseringen, og dette bør derfor vurderes i det videre arbeidet.

A microstructure-based plasticity-damage model is used to predict the mechanical behavior of commercially available AISI 4140 steel. Monotonic tension, compression and torsion tests were performed to obtain the set of plasticity and damage constants required for model calibration. Then, tension tests on Bridgman notched specimens were undertaken to study the damage-triaxiality dependence. Three different notch radii generated different levels of triaxiality at the notch. The modeled triaxiality-damage correlation was validated with SEM fracture surface analysis. Stress-strain correlations under different strain rate and temperature testing conditions were also studied. Little influence of the strain rate was observed. A preliminary study in high-porosity LENS materials was later performed, with satisfactory stress-strain correlation at two different temperatures on tension tests. Finally, a multistage fatigue model was used to predict life in AISI 4140 steel. The goal was to create a baseline for future application of these mathematical models into LENS manufactured materials in component design

Cutting tool geometries play important roles in tool performance, such as tool life, surface integrity, and cutting force. The most common commercial tools edge geometries are honed, chamfered and hone-chamfered. This study investigates new ways to develop tool geometry. An uncoated carbide tool is used in the orthogonal cutting of AISI 4140. By observing the tool geometry changes in the machining process with white light interferometry, a new tool wear geometry model has been proposed. A non-destructive tool wear measurement is discussed as well. In addition, this study presents the machining result comparison between the new and conventional geometries as well as the failure analysis from both experimental and FEA perspectives. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

Dentre os principais e mais efetivos tratamentos superficiais para a melhora das propriedades da superfície dos aços, encontra-se a nitretação e a nitrocarbonetação. Os benefícios da nitretação nos aços são o aumento da dureza, resistência ao desgaste, resistência à fadiga e resistência à corrosão. Por possuírem elementos como cromo, molibdênio e manganês, os aços ferramenta e aços baixa liga de ultra alta resistência são beneficiados pela nitretação. Neste trabalho, estudou-se o efeito da nitretação nos aços SAE 4140 e SAE H13 através de análises metalográficas, espectroscopia de emissão óptica, difração de raios-x, microdureza e ensaio pino-sobre-disco. Para efeito de comparação, amostras de aço SAE 1045 e ferro puro foram nitretadas juntamente com amostras dos dois materiais anteriores. Foram executados três tratamentos diferentes em cada um dos aços, nitretação com baixo potencial de nitrogênio, nitretação com alto potencial de nitrogênio e nitrocarbonetação. Os dois primeiros tratamentos foram realizados em três tempos diferentes de duas, quatro e seis horas e a nitrocarbonetação foi realizada em seis horas. Os resultados mostraram a formação de uma camada nitretada com de camada branca seguida de uma camada de difusão com gradiente de propriedades. Um aumento significativo de dureza superficial é observado com a aplicação dos tratamentos. A nitrocarbonetação junto com alto potencial de nitretação se mostrou não sendo benéfica para a formação da camada em relação à nitretação com mesmo potencial. Nos testes tribológicos realizados, a camada nitretada se mostrou eficiente em aumentar a resistência ao desgaste nos aços SAE 4140 e SAE H13. / Among the main and most effective surface treatments for improving the surface properties of steels are nitriding and nitrocarburizing. The benefits of nitriding in steels are the increase in hardness, wear resistance, fatigue resistance and corrosion resistance. Because they have elements such as chromium, molybdenum and manganese, tool steels and low alloy steels of ultra high strength are benefited by nitriding. In this work, the effect of nitriding on SAE 4140 and SAE H13 steels was studied through metallographic analysis, optical emission spectroscopy, x-ray diffraction, microhardness and pin-on-disc test. For comparison purposes, samples of SAE 1045 steel and pure iron were nitrided together with samples of the two former materials. Three different treatments were performed in each of the steels, nitriding with low nitrogen potential, nitriding with high nitrogen potential and nitrocarburizing. The first two treatments were performed at three different times of two, four and six hours and nitrocarburizing was performed in six hours. The results showed the formation of a nitrided layer with a white layer followed by a gradient layer of properties. A significant increase in surface hardness is observed with the application of the treatments. Nitrocarburizing together with high nitriding potential proved to be of no benefit to the formation of the layer in relation to nitriding with the same potential. In the tribological tests carried out, the nitrided layer proved efficient in increasing wear resistance in SAE 4140 and SAE H13 steels.

AISI 4140 alloy steel has been a very common material to be investigated in automotive and aerospace industries for several decades. AISI 4140 alloy steel is chromium, molybdenum, and manganese containing low alloy steel. It has high fatigue strength, abrasion and impact resistance, toughness, and torsional strength. The functional performance is largely determined by the surface states after machining. The aim of the present study is to explore the polishing methods and surface analysis after machining AISI 4140 alloy steel in different cutting speeds and cooling conditions. The surface analysis includes surface roughness, hardness and residual stresses. Compared to traditional polishing, an innovative experimental work was conducted on electro-polishing technology for removing surface layer before subsurface residual stress measurement. The results of this work show that the electro-polishing method is a significant approach for the residual stress analysis. High cutting speed and cooling conditions can improve the surface quality to achieve lower surface roughness, higher microhardness and more compressive residual stresses after machining AISI 4140 alloy steel.

Investigations of the production of thin-walled steel alloys through the reduction and subsequent gas carburization of structures made from metal oxide powders were performed. Batch compositions, as well as the heat treatment parameters necessary for the formation of structures were determined through the use of thermogravimetric analysis, dilatometric measurements, and microstructural investigation. Parameters for the high temperature carburization of thin-walled 4140 structures were determined. The research has shown that the amount of carbon in the walls of the structures can be controlled and uniform carbon contents across the cross-sections can be achieved in less than 30 minutes. Heat treatments for carburized samples were performed and subsequent microhardness testing resulted in values similar to conventionally produced 4140 steel. Studies on the decarburization behavior of similar alloys under various conditions were also performed in order to aid in the prediction of the microstructural behavior of samples during carburization and subsequent heat treatment. Low temperature gas carburization of structures with 316 steel composition has also been performed. Hardness variations present through the cross-section of the part after carburization suggest some transfer of carbon, though contents are not as high as anticipated. Suggestions for future work in this area are presented. The results of these investigations yield a novel method for the production of steel parts from metal oxide powders. The speed and low cost of the process, coupled with the proven ability of the process to yield parts with similar microstructural and mechanical characteristics as conventionally made alloys, allows for the techniques presented in this study to be used for the development of alloys which could not be previously done economically.

Dentre os principais e mais efetivos tratamentos superficiais para a melhora das propriedades da superfície dos aços, encontra-se a nitretação e a nitrocarbonetação. Os benefícios da nitretação nos aços são o aumento da dureza, resistência ao desgaste, resistência à fadiga e resistência à corrosão. Por possuírem elementos como cromo, molibdênio e manganês, os aços ferramenta e aços baixa liga de ultra alta resistência são beneficiados pela nitretação. Neste trabalho, estudou-se o efeito da nitretação nos aços SAE 4140 e SAE H13 através de análises metalográficas, espectroscopia de emissão óptica, difração de raios-x, microdureza e ensaio pino-sobre-disco. Para efeito de comparação, amostras de aço SAE 1045 e ferro puro foram nitretadas juntamente com amostras dos dois materiais anteriores. Foram executados três tratamentos diferentes em cada um dos aços, nitretação com baixo potencial de nitrogênio, nitretação com alto potencial de nitrogênio e nitrocarbonetação. Os dois primeiros tratamentos foram realizados em três tempos diferentes de duas, quatro e seis horas e a nitrocarbonetação foi realizada em seis horas. Os resultados mostraram a formação de uma camada nitretada com de camada branca seguida de uma camada de difusão com gradiente de propriedades. Um aumento significativo de dureza superficial é observado com a aplicação dos tratamentos. A nitrocarbonetação junto com alto potencial de nitretação se mostrou não sendo benéfica para a formação da camada em relação à nitretação com mesmo potencial. Nos testes tribológicos realizados, a camada nitretada se mostrou eficiente em aumentar a resistência ao desgaste nos aços SAE 4140 e SAE H13. / Among the main and most effective surface treatments for improving the surface properties of steels are nitriding and nitrocarburizing. The benefits of nitriding in steels are the increase in hardness, wear resistance, fatigue resistance and corrosion resistance. Because they have elements such as chromium, molybdenum and manganese, tool steels and low alloy steels of ultra high strength are benefited by nitriding. In this work, the effect of nitriding on SAE 4140 and SAE H13 steels was studied through metallographic analysis, optical emission spectroscopy, x-ray diffraction, microhardness and pin-on-disc test. For comparison purposes, samples of SAE 1045 steel and pure iron were nitrided together with samples of the two former materials. Three different treatments were performed in each of the steels, nitriding with low nitrogen potential, nitriding with high nitrogen potential and nitrocarburizing. The first two treatments were performed at three different times of two, four and six hours and nitrocarburizing was performed in six hours. The results showed the formation of a nitrided layer with a white layer followed by a gradient layer of properties. A significant increase in surface hardness is observed with the application of the treatments. Nitrocarburizing together with high nitriding potential proved to be of no benefit to the formation of the layer in relation to nitriding with the same potential. In the tribological tests carried out, the nitrided layer proved efficient in increasing wear resistance in SAE 4140 and SAE H13 steels.

A microestrutura resultante do processo de forjamento a quente é influenciada por variáveis como temperatura, deformação, tamanho de grão austenítico inicial e taxa de resfriamento. A proposta deste trabalho é estudar o comportamento termomecânico do aço ABNT 4140 mantido nas temperaturas de 900, 1000, 1100 e 1200ºC por 22, 66 e 200 minutos e, posteriormente, forjado e tratado termicamente em patamares semelhantes aos de recozimento direto e revenimento e, ainda, analisar a influência da temperatura sobre o fenômeno de crescimento de grão. Esta pesquisa correspondeu a uma das etapas do projeto BRAGECRIM (Iniciativa Brasil-Alemanha para Pesquisa Colaborativa em Tecnologia de Manufatura), realizado em parceria entre o Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul e o Instituto de Conformação Mecânica (IBF) da Universidade Técnica de Aachen (RWTH - Aachen). O projeto objetiva a realização de um estudo para o desenvolvimento do processo de forjamento incremental de eixos vazados para aerogeradores, sendo que este trabalho analisa, de forma independente, as propriedades do material utilizado no forjamento referido. Foram elaboradas sequências e rotas de aquecimento-forjamento-resfriamento, sendo observado o fenômeno metalúrgico de recristalização completa na amostra aquecida a 1200ºC por 200min. / The microstructure resulting from the forging process is studied as a function of variables such as temperature, deformation, starting austenite grain size and cooling rate. The purpose of this work is to study the thermomechanical behavior of steel ABNT 4140 maintained at temperatures of 900, 1000, 1100 and 1200°C for 22, 66 and 200 minutes and subsequently forged and post heat treated at similar levels to those of direct annealing and tempering. Furthermore, the influence of temperature on the phenomenon of grain growth is also analyzed. This work is a part of a research project named BRAGECRIM (Brazil-German Initiative for Collaborative Research in Manufacturing Technology), in collaboration with the Laboratory of Mechanical Manufacturing (LDTM) of the Federal University of Rio Grande do Sul and the Institute of Mechanical Forming (IBF) of the Technical University of Aachen. The aim of the project is to study the development of incremental forging process of hollow shafts for wind turbines. However, the work presented in this study analyzes independently, the properties of the material in relation to the forging process. Sequences and routes of heating-forging-cooling were elaborated, being observed metallurgical phenomenon of complete recrystallization in the specimen heated at 1200°C for 200min.

Dentre os principais e mais efetivos tratamentos superficiais para a melhora das propriedades da superfície dos aços, encontra-se a nitretação e a nitrocarbonetação. Os benefícios da nitretação nos aços são o aumento da dureza, resistência ao desgaste, resistência à fadiga e resistência à corrosão. Por possuírem elementos como cromo, molibdênio e manganês, os aços ferramenta e aços baixa liga de ultra alta resistência são beneficiados pela nitretação. Neste trabalho, estudou-se o efeito da nitretação nos aços SAE 4140 e SAE H13 através de análises metalográficas, espectroscopia de emissão óptica, difração de raios-x, microdureza e ensaio pino-sobre-disco. Para efeito de comparação, amostras de aço SAE 1045 e ferro puro foram nitretadas juntamente com amostras dos dois materiais anteriores. Foram executados três tratamentos diferentes em cada um dos aços, nitretação com baixo potencial de nitrogênio, nitretação com alto potencial de nitrogênio e nitrocarbonetação. Os dois primeiros tratamentos foram realizados em três tempos diferentes de duas, quatro e seis horas e a nitrocarbonetação foi realizada em seis horas. Os resultados mostraram a formação de uma camada nitretada com de camada branca seguida de uma camada de difusão com gradiente de propriedades. Um aumento significativo de dureza superficial é observado com a aplicação dos tratamentos. A nitrocarbonetação junto com alto potencial de nitretação se mostrou não sendo benéfica para a formação da camada em relação à nitretação com mesmo potencial. Nos testes tribológicos realizados, a camada nitretada se mostrou eficiente em aumentar a resistência ao desgaste nos aços SAE 4140 e SAE H13. / Among the main and most effective surface treatments for improving the surface properties of steels are nitriding and nitrocarburizing. The benefits of nitriding in steels are the increase in hardness, wear resistance, fatigue resistance and corrosion resistance. Because they have elements such as chromium, molybdenum and manganese, tool steels and low alloy steels of ultra high strength are benefited by nitriding. In this work, the effect of nitriding on SAE 4140 and SAE H13 steels was studied through metallographic analysis, optical emission spectroscopy, x-ray diffraction, microhardness and pin-on-disc test. For comparison purposes, samples of SAE 1045 steel and pure iron were nitrided together with samples of the two former materials. Three different treatments were performed in each of the steels, nitriding with low nitrogen potential, nitriding with high nitrogen potential and nitrocarburizing. The first two treatments were performed at three different times of two, four and six hours and nitrocarburizing was performed in six hours. The results showed the formation of a nitrided layer with a white layer followed by a gradient layer of properties. A significant increase in surface hardness is observed with the application of the treatments. Nitrocarburizing together with high nitriding potential proved to be of no benefit to the formation of the layer in relation to nitriding with the same potential. In the tribological tests carried out, the nitrided layer proved efficient in increasing wear resistance in SAE 4140 and SAE H13 steels.