This master thesis is focused on surface hardening by using disk laser. Ten samples made of 42CrMo4 steel were hardened at varying speeds of quenching and diameter of the laser beam. The theoretical part initially describes the types of lasers. Further it describes methods of surface hardness processing such as kinds of hardening and chemical-thermal treatment, followed by description of the used material. Images of macrostructure, microstructure and compared values of hardness of single samples are evaluated in the experimental part. The thesis subsequently contains a technical-economic evaluation. Appropriate parameters for surface laser hardening are evaluated in the conclusion.

The thesis deals with surface quenching of steel 42CrMo4 by electron beam. Influence of technologic parameters and beam deflection on properties and structure of prepared layers is studied. Electron beam surface quenching was applicated with and without melting of the surface. Structures of layers made by electron beam quenching were compared with structures made by laser and electromagnetic induction. Structures and phases were analysed by optical microscopy, SEM and roentgen diffraction. Hardness was measured on hardened layers.

This thesis deals with surface re-melting by electron beam of thermal sprayed material NiCrBSi by method HVOF. The microstructure, chemical and phase composition, hardness and abrasive wear resistance were evaluated in depending on the electron beam parameters and modes of the electron beam 6-poinst and line. Observed microstructure was better after both methods of re-melting. The splats were not observed, coating porosity decreased and structure was more homogenous. Structure and phase analysis was acquired by light microscopy, scanning electron microscopy, energy dispersive spectroscopy and x-ray diffraction. A small change in hardness between modes of re-melting was observed, but measured hardness was higher than in sample without re-melting. Similar results were observed for abrasion resistance.

Fast deflection is one of the great advantages of an electron beam, making it possible to process a relatively large area at once and also to modify the distribution of the supplied energy. The dissertation deals with surface heat treatment with a focus on the effect of beam deflection on the process. Furthermore, the influence of processing speed and defocusing of the electron beam is studied. The principles of electron beam technology and the summary of surface heat treatment of various materials are presented in the literary part of the thesis. The experimental part is focused on the influence of process parameters on processing in the solid phase, carried out on steel 42CrMo4, and in in the liquid phase, carried out on alloy NiCrBSi. Especially changes in structure, hardness, shape of the processed area and wear resistance are evaluated on processed samples. The results are also evaluated from an energy perspective. Furthermore, an optimum combination of technological parameters is recommended for solid and liquid phase surface heat treatment.

The thesis discusses the degradation of metallic materials in the salt spray. The work is focused on material 42CrMo4. From this steel are prepared test specimens for laboratory measurements. In the first part of the thesis is a theoretical and research described heat treatment, oxidation, mechanical and dynamic material testing, to be carried out on laboratory machines. The second part of the thesis is focused on processing the material to the required dimensions. Furthermore, the thesis deals with marking and heat treatment of the prepared sample and subsequent insertion into the prepared salt chamber. In the third part of the thesis is an analysis of the results that were obtained for samples prepared using laboratory testing, which were dynamic and mechanical tests.

[pt] Os Ensaios Não-Destrutivos são técnicas utilizadas na inspeção de materiais e equipamentos sem dano a integridade física, podendo ser executados nas etapas de pós-fabricação, montagem, operação e manutenção. São utilizados pela indústria como ferramenta de controle e garantia da qualidade de materiais, produtos e processos. Esta pesquisa teve como objetivo identificar trincas e estimar o seu comprimento em corpos de prova de aço DIN 42CrMo4, adotando diferentes técnicas de END. Os corpos de prova foram de um eixo virabrequim de um motor Diesel, utilizado como unidades geradora em usinas termoelétricas, que falhou por fadiga de baixo ciclo. Os corpos de prova foram projetados de acordo com as normas ASTM E1820, ASTM E1290 e ISO 15653, bem como adotando sugestões de inspetores de ultrassom quanto a uma geometria que otimizasse a eficiência das medições. Subsequente ao trincamento dos corpos de prova em fadiga, os mesmos foram inspecionados com o emprego das técnicas de Radiografia Digital (RD), Ultrassom Phased Array (UT-PA), métodos Pulso-Eco (PE) e Time os Flight Diffraction (TfOD), e Tomografia Computadorizada (TC). Em sequência, os corpos de prova foram fraturados com o uso de uma carga em flexão e nitrogênio liquido, o que permitiu a medição real dos comprimentos das trincas. As técnicas de UTPA, RD e TC indicaram tamanhos de trincas próximos entre si. Nos métodos de PE e ToFD, de UT-PA, se observou que a indicação das trincas sofre influência da distancia entre o cabeçote do equipamento e a posição da trinca. Em trincas menores, essa influência é mais acentuada, levando a uma medição errônea do comprimento da trinca. A técnica de RD apresentou um bom resultado da medida lateral da trinca, porem foi necessário um processamento digital da imagem para obtenção de melhores resultados, explicado devido a sensibilidade do ensaio à geometria do corpo de prova e da densidade do material utilizado. Já a TC apresentou imagens melhores e medidas de trinca similares se comparada com a RD, o que pode influenciar em outros tipos/dimensões de defeitos. Em compensação, sofre mais influencia do volume de material presente no entorno do defeito, o que impossibilitou a detecção de defeitos em algumas amostras. / [en] Non-Destructive Testing (NDT) are techniques applied to materials and equipment inspection without integrity degradation and can be performed in the post-manufacture, assembly, operation and maintenance stages. Those techniques are used by the industry to control a guarantee the quality of materials, products and processes. The aim of this research was to identify cracks and estimate their length on DIN 42CrMo4 steel specimens adopting different NDT techniques. The material to the test specimen was taken from a crankshaft of a Diesel engine, utilized as generating units in thermoelectric power plant, which has failed due to low cycle fatigue. The test specimen were designed according to ASTM E1820, ASTM E1290 and ISO 15653 standards, as well as suggestions made by NDT inspectors for a geometry that optimized the efficiency of the measurement. Subsequent to the fatigue induced crack on the specimens, they were inspected using, Digital Radiography (RD), Phased Array Ultrasound (UT-PA), Pulse-Echo (PE) and Time of Flight Diffraction (ToFD) methods, and Digital Tomography (TC). The specimens were then fractured with a bending load and liquid nitrogen, which allowed the measurement of the real crack length. UT-PA, PE and ToFD, and RD techniques showed a closer estimate crack size among then. It was observed that both UT-PA methods, PE and ToFD, presented an influence of the distance between the equipment head and the crack position, on the crack measurement. This was more pronounced in smaller cracks, leading to an erroneous measurement of the crack length. The RD technique presented a good a good result of lateral crack length, but a good digital image processing was necessary to obtain these results, explained by the sensitivity of the test to the geometry to the geometry of the specimen and to the material density. TC presented better imaging and similar lateral crack lengths when compared to RD, which could influence the detection of other types/dimensions of defects. In contrast, it is more influenced by the volume of material around the object, which made it impossible to detect defects in some samples.

[pt] O estudo da resistência à fratura dos materiais é de grande importância para desenvolvimentos de projetos, seleção de materiais e avaliação do comportamento dos materiais perante a presença de um defeito no componente. Há inúmeras normas que envolvem geometrias padronizadas para determinação desta propriedade mecânica, no entanto nem todo componente em serviço possui as mesmas condições encontradas nas geometrias padronizadas, como é o caso de materiais dúcteis empregados em estruturas com espessuras de paredes finas e elevada pressão interna. Nesta dissertação foram estudados dois materiais com diferentes limites de escoamento confeccionados conforme geometria tipo SEN(T) de fixação por garras, a qual não é padronizada pela ASTM. Com isso, foi realizada uma pesquisa com o emprego desta geometria com variação de 0,2 a 0,8 da relação entre a dimensão idealizada inicialmente para a trinca e a largura do corpo de prova, e entalhes laterais com redução de 20 porcento foram confeccionados nos corpos de prova do material mais dúctil. Após, foi realizada a pré-trinca de fadiga e iniciado o ensaio de tenacidade à fratura. Este último foi desenvolvido adotando o método compliance, o qual permite que com apenas um corpo de prova seja realizado descarregamentos parciais permitindo assim a determinação de J e incremento de trinca em cada posição, possibilitando plotar a curva-R Os resultados obtidos determinaram que mesmo com a/W diferente daqueles indicados por norma para levantamento da curva-R, é possível obter uma curva-R para a/W=0,2. Existe uma limitação em aplicar a geometria SEN(T) que não possuem extensa ductilidade. / [en] The study of resistance to fracture of the materials is very important for developing new projects, making materials specifications and also for evaluating materials behaviour under presence of a crack in a component. There are uncountables standards which apply normalized specimens due to determine this mechanical property, however some components in service doesn t act under same conditions as the specimen chosen, for instance ductile materials applied in components with thin thickness and high intern pressure. In this dissertation was studied two diferente of materials with distinct yield limits fabricated according to SEN(T) geometry with clamped fixing, which one is not acceptable by ASTM. Thus, a research has been carried out using this geomerty with a variation of 0,2 to 0,8 of the relation between the idealized initially for the crack and the width of the proof body ratio and side-grooves with 20 percent reducted were made in the specimens with higher ductility. After that, the procedure for doing fatigue pre-crack was initialized, followed by fracture toughness test. This last one was developed adopting the unloading compliance technique, which one allows that more than one aplications of force and displacement can be realized in only one specimen then the value of J and crack extension can be calculated and the R-curve will be plotted. The results obtained showed even with a a/W ratio diferente of those indicated by standards, is possible to constructo a qualified R-curve for a/W=0,2. In additon to the results, there is a limitation in applying a SEN(T) geometry in materials that don t present extensive ductility.

Este trabalho foi desenvolvido como parte das atividades relacionadas ao projeto de cooperação internacional Brasil-Alemanha intitulado "Bulk metal formed parts for power plants" pertencente ao 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), Alemanha. Este projeto visa o desenvolvimento do processo de forjamento a quente em matriz aberta para a produção de um eixo vazado para aplicação em aerogeradores de energia, em substituição à eixos maciços usualmente obtidos por fundição, visando aumento de desempenho mecânico e redução de peso da estrutura. Neste trabalho buscou-se analisar, por meio de simulação numérica computacional empregando o método de elementos finitos, diferentes parâmetros de forjamento, de modo a indicar a configuração operacional que se mostra mais adequada para a produção de um eixo vazado para a aplicação pretendida. Para isto, foram realizados cinco experimentos numéricos, avaliando a influência de parâmetros de forjamento na qualidade do produto forjado. Alguns parâmetros analisados foram: a sequência operacional de forjamento, geometrias e combinações de matrizes utilizadas industrialmente, razão de mordida, etc. Para as simulações termomecânicas foi utilizado o software de Elementos Finitos PEP/Larstran acoplado ao módulo de simulação de microestrutura Strucsim. O material utilizado nas simulações foi o aço DIN 42CrMo4 (AISI 4140). Os resultados mostraram que, dentre as diferentes combinações e geometrias de matrizes analisadas, o emprego de um par de matrizes côncavas, aplicando a sequência operacional-A analisada, tende a propiciar um produto de mais alta qualidade, promovendo maior uniformidade de deformação e microestrutura mais homogênea. Também, a razão de mordida influencia diretamente na qualidade do produto, sendo que uma razão de mordida na ordem de 0,6 induz graus de deformação maiores e mais profundos na peça forjada, ao mesmo tempo em que exige maiores cargas de conformação. Comparativos entre resultados da simulação e resultados experimentais de ensaios de compressão a quente de corpos de prova cilíndricos foram realizados para validação do software de simulação numérica. Os resultados experimentais mostraram que o software de simulação numérica pode prever com boa aproximação o fluxo de material e a evolução microestrutural durante o forjamento a quente do aço DIN 42CrMo4. / This work was developed as a part of the activities related to the international cooperation project between Brazil and Germany titled "Bulk formed metal parts for power plants" belonging to BRAGECRIM (Brazil-Germany Initiative for Collaborative Research in Manufacturing Technology). This project is in partnership between the Metal Forming Laboratory (LdTM) from the Federal University of Rio Grande do Sul (UFRGS) and the Institute of Metal Forming (IBF), from Technical University of Aachen (RWTH), Germany. The project aims the development of an open die forging process to produce a hollow shaft for application in wind turbines, replacing the solid shafts usually obtained by casting, in order to increase the mechanical performance and providing weight reduction to wind turbines. The present work aimed to analyze different forging parameters, using Finite Element Method, in order to indicate most suitable forging configuration to the production of a hollow shaft. Five numerical experiments were performed, evaluating the influence of various forging parameters on the quality of the forged product, such as the forging sequence, tool geometries and tool combinations and bite ratio. For thermomechanical simulations the Finite Element software PEP/Larstran was used, coupled to the microstructure simulation module Strucsim. The material used for the numerical simulations was the DIN 42CrMo4 steel (AISI 4140). The results showed that, among the different parameters analyzed, the use of concave dies, applying the operational sequence-A, tends to provide a forged with higher quality, promoting uniform strain distribution and homogeneous microstructure. Also, results showed that a bite ratio around 0,6 provides higher and deeper strain degrees, but requires higher forming loads. Hot compression tests using cylindrical specimens were performed to validate the numerical simulation software, including microstructure evolution. Comparison between simulation and experimental results showed that the numerical simulation software can predict with good approximation the material flow and microstructure evolution during hot forging for DIN 42CrMo4 steel.

Este trabalho foi desenvolvido como parte das atividades relacionadas ao projeto de cooperação internacional Brasil-Alemanha intitulado "Bulk metal formed parts for power plants" pertencente ao 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), Alemanha. Este projeto visa o desenvolvimento do processo de forjamento a quente em matriz aberta para a produção de um eixo vazado para aplicação em aerogeradores de energia, em substituição à eixos maciços usualmente obtidos por fundição, visando aumento de desempenho mecânico e redução de peso da estrutura. Neste trabalho buscou-se analisar, por meio de simulação numérica computacional empregando o método de elementos finitos, diferentes parâmetros de forjamento, de modo a indicar a configuração operacional que se mostra mais adequada para a produção de um eixo vazado para a aplicação pretendida. Para isto, foram realizados cinco experimentos numéricos, avaliando a influência de parâmetros de forjamento na qualidade do produto forjado. Alguns parâmetros analisados foram: a sequência operacional de forjamento, geometrias e combinações de matrizes utilizadas industrialmente, razão de mordida, etc. Para as simulações termomecânicas foi utilizado o software de Elementos Finitos PEP/Larstran acoplado ao módulo de simulação de microestrutura Strucsim. O material utilizado nas simulações foi o aço DIN 42CrMo4 (AISI 4140). Os resultados mostraram que, dentre as diferentes combinações e geometrias de matrizes analisadas, o emprego de um par de matrizes côncavas, aplicando a sequência operacional-A analisada, tende a propiciar um produto de mais alta qualidade, promovendo maior uniformidade de deformação e microestrutura mais homogênea. Também, a razão de mordida influencia diretamente na qualidade do produto, sendo que uma razão de mordida na ordem de 0,6 induz graus de deformação maiores e mais profundos na peça forjada, ao mesmo tempo em que exige maiores cargas de conformação. Comparativos entre resultados da simulação e resultados experimentais de ensaios de compressão a quente de corpos de prova cilíndricos foram realizados para validação do software de simulação numérica. Os resultados experimentais mostraram que o software de simulação numérica pode prever com boa aproximação o fluxo de material e a evolução microestrutural durante o forjamento a quente do aço DIN 42CrMo4. / This work was developed as a part of the activities related to the international cooperation project between Brazil and Germany titled "Bulk formed metal parts for power plants" belonging to BRAGECRIM (Brazil-Germany Initiative for Collaborative Research in Manufacturing Technology). This project is in partnership between the Metal Forming Laboratory (LdTM) from the Federal University of Rio Grande do Sul (UFRGS) and the Institute of Metal Forming (IBF), from Technical University of Aachen (RWTH), Germany. The project aims the development of an open die forging process to produce a hollow shaft for application in wind turbines, replacing the solid shafts usually obtained by casting, in order to increase the mechanical performance and providing weight reduction to wind turbines. The present work aimed to analyze different forging parameters, using Finite Element Method, in order to indicate most suitable forging configuration to the production of a hollow shaft. Five numerical experiments were performed, evaluating the influence of various forging parameters on the quality of the forged product, such as the forging sequence, tool geometries and tool combinations and bite ratio. For thermomechanical simulations the Finite Element software PEP/Larstran was used, coupled to the microstructure simulation module Strucsim. The material used for the numerical simulations was the DIN 42CrMo4 steel (AISI 4140). The results showed that, among the different parameters analyzed, the use of concave dies, applying the operational sequence-A, tends to provide a forged with higher quality, promoting uniform strain distribution and homogeneous microstructure. Also, results showed that a bite ratio around 0,6 provides higher and deeper strain degrees, but requires higher forming loads. Hot compression tests using cylindrical specimens were performed to validate the numerical simulation software, including microstructure evolution. Comparison between simulation and experimental results showed that the numerical simulation software can predict with good approximation the material flow and microstructure evolution during hot forging for DIN 42CrMo4 steel.

Este trabalho foi desenvolvido como parte das atividades relacionadas ao projeto de cooperação internacional Brasil-Alemanha intitulado "Bulk metal formed parts for power plants" pertencente ao 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), Alemanha. Este projeto visa o desenvolvimento do processo de forjamento a quente em matriz aberta para a produção de um eixo vazado para aplicação em aerogeradores de energia, em substituição à eixos maciços usualmente obtidos por fundição, visando aumento de desempenho mecânico e redução de peso da estrutura. Neste trabalho buscou-se analisar, por meio de simulação numérica computacional empregando o método de elementos finitos, diferentes parâmetros de forjamento, de modo a indicar a configuração operacional que se mostra mais adequada para a produção de um eixo vazado para a aplicação pretendida. Para isto, foram realizados cinco experimentos numéricos, avaliando a influência de parâmetros de forjamento na qualidade do produto forjado. Alguns parâmetros analisados foram: a sequência operacional de forjamento, geometrias e combinações de matrizes utilizadas industrialmente, razão de mordida, etc. Para as simulações termomecânicas foi utilizado o software de Elementos Finitos PEP/Larstran acoplado ao módulo de simulação de microestrutura Strucsim. O material utilizado nas simulações foi o aço DIN 42CrMo4 (AISI 4140). Os resultados mostraram que, dentre as diferentes combinações e geometrias de matrizes analisadas, o emprego de um par de matrizes côncavas, aplicando a sequência operacional-A analisada, tende a propiciar um produto de mais alta qualidade, promovendo maior uniformidade de deformação e microestrutura mais homogênea. Também, a razão de mordida influencia diretamente na qualidade do produto, sendo que uma razão de mordida na ordem de 0,6 induz graus de deformação maiores e mais profundos na peça forjada, ao mesmo tempo em que exige maiores cargas de conformação. Comparativos entre resultados da simulação e resultados experimentais de ensaios de compressão a quente de corpos de prova cilíndricos foram realizados para validação do software de simulação numérica. Os resultados experimentais mostraram que o software de simulação numérica pode prever com boa aproximação o fluxo de material e a evolução microestrutural durante o forjamento a quente do aço DIN 42CrMo4. / This work was developed as a part of the activities related to the international cooperation project between Brazil and Germany titled "Bulk formed metal parts for power plants" belonging to BRAGECRIM (Brazil-Germany Initiative for Collaborative Research in Manufacturing Technology). This project is in partnership between the Metal Forming Laboratory (LdTM) from the Federal University of Rio Grande do Sul (UFRGS) and the Institute of Metal Forming (IBF), from Technical University of Aachen (RWTH), Germany. The project aims the development of an open die forging process to produce a hollow shaft for application in wind turbines, replacing the solid shafts usually obtained by casting, in order to increase the mechanical performance and providing weight reduction to wind turbines. The present work aimed to analyze different forging parameters, using Finite Element Method, in order to indicate most suitable forging configuration to the production of a hollow shaft. Five numerical experiments were performed, evaluating the influence of various forging parameters on the quality of the forged product, such as the forging sequence, tool geometries and tool combinations and bite ratio. For thermomechanical simulations the Finite Element software PEP/Larstran was used, coupled to the microstructure simulation module Strucsim. The material used for the numerical simulations was the DIN 42CrMo4 steel (AISI 4140). The results showed that, among the different parameters analyzed, the use of concave dies, applying the operational sequence-A, tends to provide a forged with higher quality, promoting uniform strain distribution and homogeneous microstructure. Also, results showed that a bite ratio around 0,6 provides higher and deeper strain degrees, but requires higher forming loads. Hot compression tests using cylindrical specimens were performed to validate the numerical simulation software, including microstructure evolution. Comparison between simulation and experimental results showed that the numerical simulation software can predict with good approximation the material flow and microstructure evolution during hot forging for DIN 42CrMo4 steel.