Trabalho realizado na Ferespe-Fundição de Ferro e Aço. Lda. e orientado pelo Engº Pedro Lacerda / Tese de mestrado. Engenharia Metalúrgica e de Materiais. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Estudou-se a cinética das transformações de fase em resfriamento contínuo e em tratamentos isotérmicos de cinco ligas de aços TRIP microligados com Nb, contendo teores variáveis de Mn e Si, através de ensaios dilatométricos, de caracterização morfológica dos produtos de transformação e de cálculos termodinâmicos e simulações numéricas usando os programas Thermocalc ® e Dictra®. Foram determinados os diagramas RC para a transformação da austenita, e foi estudada a influência da precipitação de ferrita pró-eutetóide e de bainita na fração volumétrica de austenita retida. Através dos diagramas de resfriamento contínuo foi possível delimitar a extensão do campo intercrítico dos cinco aços analisados, com determinação da janela de resfriamento e seus intervalos de temperaturas. Isso permitiu projetar os ciclos de resfriamento controlado a serem aplicados durante o processamento termomecânico dos Aços TRIP-D, TRIP-E e TRIP-H. Os cálculos pelo modelo numérico de redistribuição de carbono e de elementos substitucionais na interface ferrita/austenita, bem como as medidas de microanálise química por WDS e EDS permitiram verificar que a taxa de crescimento da ferrita pró-eutetóide é controlada pela difusão do carbono na austenita. Para tempos curtos de tratamento, o modelo de crescimento que melhor se ajusta é o do equilíbrio local com partição negligível de soluto. Verificou-se através de tratamentos isotérmicos no campo bainítico, que o silício atrasa a precipitação de carbonetos durante a reação bainítica, o que justifica o aumento da estabilidade da austenita retida no aço de maior Si (TRIP-H), quando comparado com o aço de menor Si (TRIP-E). Baseado nos resultados dos estudos das transformações de fase por resfriamento contínuo foram selecionadas as ligas TRIP-D, TRIP-E e TRIP-H, para simular dois esquemas de laminação controlada por meio de ensaios de torção a quente. Nesses ensaios foram variados o grau de deformação e a temperatura de acabamento, de modo a estudar os efeitos dos parâmetros de deformação mecânica na fração transformada dos diferentes constituintes microestruturais, e em particular na fração volumétrica de austenita retida. O primeiro ensaio refere-se à laminação controlada por recristalização estática (LCRE) e o segundo à laminação convencional (LCC), com temperatura de acabamento de 1030°C e 850°C, respectivamente. O resfriamento consistiu em dois tratamentos isotérmicos consecutivos: o primeiro no campo intercrítico (austenita + ferrita), e o segundo no campo bainítico. O aumento do grau de deformação na simulação por torção a quente da laminação controlada por recristalização estática, levou a um aumento da porcentagem de austenita retida obtida durante o resfriamento controlado (de 9 a 14,0 %). O acúmulo de energia de deformação abaixo da TNR na simulação do processo de laminação controlada convencional provocou uma diminuição da fração volumétrica de austenita retida bem como da concentração de carbono contido nela. Os perfis de Mn e C obtidos a partir de análises químicas com EDS e WDS em amostras do aço TRIP-E, deformadas com deformação total de 2,1 e deformação total de 2,8, mostram a contribuição do refinamento de grão para a difusão destes elementos na frente da interface ferrita/austenita, durante a precipitação de ferrita pró-eutetóide. / The phase transformation kinetics of five Nb microalloyed Si-Mn TRIP steels was studied under continuous cooling and isothermal treatments, using dilatometric techniques, morphologic characterization, Thermocalc computational thermodynamics and Dictra numerical simulation. WDS and EDS X-ray microanalysis and Dictra numerical modeling of C, Mn and Si distribution during transformation showed that the reaction is carbon diffusion controlled and growth occurs under local equilibrium with negligible partition. CCT diagrams for austenite transformation were determined and the effect of the amount of proeutectoid ferrite and bainite precipitation on the volume fraction of retained austenite was also estimated. The CCT diagrams allowed determining the boundaries of the critical zone and the processing window to obtain bainite plus austenite microstructures. Based on this information cooling cycles were selected to perform thermomechanical treatments. Three TRIP steels were selected to simulate, in a hot torsion testing machine, two different controlled rolling sequences: Recrystallization Controlled Rolling and Conventional Controlled Rolling. The influence of the degree of deformation and the finishing temperature on the amount of retained austenite was studied. After rolling the cooling cycle comprised two isothermal treatments, one in the austenite + ferrite field and the other in the bainitic field. Increasing the strain during simulation of Recrystallization Controlled Rolling led to an increase in the volume fraction of retained austenite to the range 9 to 14 %. The energy stored during simulation bellow TNR of the Conventional Controlled Rolling led to a decrease in the volume fraction and in the carbon content of retained austenite. The Mn and C contents measured by EDS and WDS analysis of TRIP-E steel, showed that grain refinement due to recrystallization contributes to diffusion of these elements in front of the ferrite/austenite interface during precipitation.

Na presente dissertação foram investigadas as propriedades mecânicas e microestruturais, antes e após o processo de soldagem, dos aços ZSTE380 e DOGAL800, que são aços de alta resistência e baixa liga (ARBL), além do aço convencional ZAR230. O principal objetivo do trabalho foi avaliar possíveis modificações nessas propriedades e verificar a possibilidade de substituir o aço convencional por um dos aços ARBL. Por serem mais resistentes os aços ARBL podem ser usados em elementos estruturais menos robustos, o que reduz o peso e a emissço de gases poluentes dos veículos. Primeiramente, verificaram-se diferentes extensões da zona termicamente afetada para os três aços soldados, onde é observada a maior extensão no DOGAL800 e a menor no ZAR230. A análise microestrutural revelou o crescimento do tamanho de grão austenítico em relação ao metal base nessa região para os aços ZSTE380 e DOGAL800, gerando um pronunciado aumento da resistência devido à transformação martensítica. O caso mais marcante ocorreu no DOGAL800, em cuja zona termicamente afetada observou-se a formação de martensita de baixo carbono, que é uma fase dura do aço, porém de baixa ductilidade. Os perfis de microdureza indicaram que não houve uma alteração significativa na dureza da zona termicamente afetada no ZAR230, enquanto que para o DOGAL800 observa-se um considerável aumento na mesma, confirmando a formaçao de martensita. Os limites de escoamento determinados pelos ensaios de tração não apresentaram diferenças significativas entre os corpos de prova com e sem solda se analisados de forma global, porém um ensaio de microtração, isso seria revelado. Contudo, nos ensaios de fadiga dos corpos de prova sem solda observou-se uma maior resistência à fadiga para os aços DOGAL800 e ZSTE380 em relação ao ZAR230. Após o processo de soldagem, os aços ARBL apresentam uma significativa redução da resistência a fadiga, estando abaixo da resistência à fadiga do ZAR230 para ensaios acima de um milhão de ciclos. Os resultados apresentados são explicados com base na relação entre as características microestruturais e propriedades mecânicas dos aços antes e após a soldagem. / Submitted by Marcelo Teixeira (mvteixeira@ucs.br) on 2014-05-21T16:18:45Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao Felipe Perini.pdf: 4638294 bytes, checksum: 04b47e3d737143948a0776e96d6588a1 (MD5) / Made available in DSpace on 2014-05-21T16:18:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao Felipe Perini.pdf: 4638294 bytes, checksum: 04b47e3d737143948a0776e96d6588a1 (MD5) / In the present work we investigated the mechanical and microstructural proprieties of the ZSTE380 and DOGAL800 high strength low alloys steels (HSLA), comparing to the conventional ZAR230 steel, before and after welding. The main purpose is to detect possible modifications on these steels during the welding process, and to verify the possibility of replacing the conventional ZAR230 steel by one of the HSLAs. Since HSLA steels possess higher mechanical resistance, they can be used in less robust structures, which reduce the weight of the automobiles, and consequently reduce the emission of pollutant gases. We observed different extensions of the heat-affected zone for the three welded steels, with a higher extension in the DOGAL800 and the smaller extension in the ZAR230. Microstructural analysis revealed austenite grain growth in the heat-affected zone, in relation to the base metal in this region for the steels ZSTE380 and DOGAL800, becoming a remarkable increase of resistance due to martensite transformation. The most remarkable case happened in the DOGAL800, where we observed formation of low carbon martensite in the heat-affected zone, being this a harder phase of the steel, but with low ductility. The microhardness profiles indicated that it did not happen a significant change in hardness of the heat-affected zone of the ZAR230, while for the DOGAL800 it is observed a considerable increase in hardness, corroborating the hypothesis of martensite formation. The yield strength obtained form stress-strain curves didn?t revealed any significant differences between welded and without weld samples, if analyzed in a global way, but in a microtensile test, it would be reveled. The samples without weld submitted to the high-cycle fatigue test presented different fatigue resistance, where the DOGAL800 showed the greatest fatigue resistance, followed by the ZSTE380 and finally the ZAR230. However after the welding process we observed a significant reduction in the fatigue resistance of the HSLA steels, even below the ZAR230 resistance for tests above 1 million cycles. The results were explained relating the microstructure properties and the mechanical properties of the three steels, before and after welding.

Na presente dissertação foram investigadas as propriedades mecânicas e microestruturais, antes e após o processo de soldagem, dos aços ZSTE380 e DOGAL800, que são aços de alta resistência e baixa liga (ARBL), além do aço convencional ZAR230. O principal objetivo do trabalho foi avaliar possíveis modificações nessas propriedades e verificar a possibilidade de substituir o aço convencional por um dos aços ARBL. Por serem mais resistentes os aços ARBL podem ser usados em elementos estruturais menos robustos, o que reduz o peso e a emissço de gases poluentes dos veículos. Primeiramente, verificaram-se diferentes extensões da zona termicamente afetada para os três aços soldados, onde é observada a maior extensão no DOGAL800 e a menor no ZAR230. A análise microestrutural revelou o crescimento do tamanho de grão austenítico em relação ao metal base nessa região para os aços ZSTE380 e DOGAL800, gerando um pronunciado aumento da resistência devido à transformação martensítica. O caso mais marcante ocorreu no DOGAL800, em cuja zona termicamente afetada observou-se a formação de martensita de baixo carbono, que é uma fase dura do aço, porém de baixa ductilidade. Os perfis de microdureza indicaram que não houve uma alteração significativa na dureza da zona termicamente afetada no ZAR230, enquanto que para o DOGAL800 observa-se um considerável aumento na mesma, confirmando a formaçao de martensita. Os limites de escoamento determinados pelos ensaios de tração não apresentaram diferenças significativas entre os corpos de prova com e sem solda se analisados de forma global, porém um ensaio de microtração, isso seria revelado. Contudo, nos ensaios de fadiga dos corpos de prova sem solda observou-se uma maior resistência à fadiga para os aços DOGAL800 e ZSTE380 em relação ao ZAR230. Após o processo de soldagem, os aços ARBL apresentam uma significativa redução da resistência a fadiga, estando abaixo da resistência à fadiga do ZAR230 para ensaios acima de um milhão de ciclos. Os resultados apresentados são explicados com base na relação entre as características microestruturais e propriedades mecânicas dos aços antes e após a soldagem. / In the present work we investigated the mechanical and microstructural proprieties of the ZSTE380 and DOGAL800 high strength low alloys steels (HSLA), comparing to the conventional ZAR230 steel, before and after welding. The main purpose is to detect possible modifications on these steels during the welding process, and to verify the possibility of replacing the conventional ZAR230 steel by one of the HSLAs. Since HSLA steels possess higher mechanical resistance, they can be used in less robust structures, which reduce the weight of the automobiles, and consequently reduce the emission of pollutant gases. We observed different extensions of the heat-affected zone for the three welded steels, with a higher extension in the DOGAL800 and the smaller extension in the ZAR230. Microstructural analysis revealed austenite grain growth in the heat-affected zone, in relation to the base metal in this region for the steels ZSTE380 and DOGAL800, becoming a remarkable increase of resistance due to martensite transformation. The most remarkable case happened in the DOGAL800, where we observed formation of low carbon martensite in the heat-affected zone, being this a harder phase of the steel, but with low ductility. The microhardness profiles indicated that it did not happen a significant change in hardness of the heat-affected zone of the ZAR230, while for the DOGAL800 it is observed a considerable increase in hardness, corroborating the hypothesis of martensite formation. The yield strength obtained form stress-strain curves didn?t revealed any significant differences between welded and without weld samples, if analyzed in a global way, but in a microtensile test, it would be reveled. The samples without weld submitted to the high-cycle fatigue test presented different fatigue resistance, where the DOGAL800 showed the greatest fatigue resistance, followed by the ZSTE380 and finally the ZAR230. However after the welding process we observed a significant reduction in the fatigue resistance of the HSLA steels, even below the ZAR230 resistance for tests above 1 million cycles. The results were explained relating the microstructure properties and the mechanical properties of the three steels, before and after welding.

Estudou-se a cinética das transformações de fase em resfriamento contínuo e em tratamentos isotérmicos de cinco ligas de aços TRIP microligados com Nb, contendo teores variáveis de Mn e Si, através de ensaios dilatométricos, de caracterização morfológica dos produtos de transformação e de cálculos termodinâmicos e simulações numéricas usando os programas Thermocalc ® e Dictra®. Foram determinados os diagramas RC para a transformação da austenita, e foi estudada a influência da precipitação de ferrita pró-eutetóide e de bainita na fração volumétrica de austenita retida. Através dos diagramas de resfriamento contínuo foi possível delimitar a extensão do campo intercrítico dos cinco aços analisados, com determinação da janela de resfriamento e seus intervalos de temperaturas. Isso permitiu projetar os ciclos de resfriamento controlado a serem aplicados durante o processamento termomecânico dos Aços TRIP-D, TRIP-E e TRIP-H. Os cálculos pelo modelo numérico de redistribuição de carbono e de elementos substitucionais na interface ferrita/austenita, bem como as medidas de microanálise química por WDS e EDS permitiram verificar que a taxa de crescimento da ferrita pró-eutetóide é controlada pela difusão do carbono na austenita. Para tempos curtos de tratamento, o modelo de crescimento que melhor se ajusta é o do equilíbrio local com partição negligível de soluto. Verificou-se através de tratamentos isotérmicos no campo bainítico, que o silício atrasa a precipitação de carbonetos durante a reação bainítica, o que justifica o aumento da estabilidade da austenita retida no aço de maior Si (TRIP-H), quando comparado com o aço de menor Si (TRIP-E). Baseado nos resultados dos estudos das transformações de fase por resfriamento contínuo foram selecionadas as ligas TRIP-D, TRIP-E e TRIP-H, para simular dois esquemas de laminação controlada por meio de ensaios de torção a quente. Nesses ensaios foram variados o grau de deformação e a temperatura de acabamento, de modo a estudar os efeitos dos parâmetros de deformação mecânica na fração transformada dos diferentes constituintes microestruturais, e em particular na fração volumétrica de austenita retida. O primeiro ensaio refere-se à laminação controlada por recristalização estática (LCRE) e o segundo à laminação convencional (LCC), com temperatura de acabamento de 1030°C e 850°C, respectivamente. O resfriamento consistiu em dois tratamentos isotérmicos consecutivos: o primeiro no campo intercrítico (austenita + ferrita), e o segundo no campo bainítico. O aumento do grau de deformação na simulação por torção a quente da laminação controlada por recristalização estática, levou a um aumento da porcentagem de austenita retida obtida durante o resfriamento controlado (de 9 a 14,0 %). O acúmulo de energia de deformação abaixo da TNR na simulação do processo de laminação controlada convencional provocou uma diminuição da fração volumétrica de austenita retida bem como da concentração de carbono contido nela. Os perfis de Mn e C obtidos a partir de análises químicas com EDS e WDS em amostras do aço TRIP-E, deformadas com deformação total de 2,1 e deformação total de 2,8, mostram a contribuição do refinamento de grão para a difusão destes elementos na frente da interface ferrita/austenita, durante a precipitação de ferrita pró-eutetóide. / The phase transformation kinetics of five Nb microalloyed Si-Mn TRIP steels was studied under continuous cooling and isothermal treatments, using dilatometric techniques, morphologic characterization, Thermocalc computational thermodynamics and Dictra numerical simulation. WDS and EDS X-ray microanalysis and Dictra numerical modeling of C, Mn and Si distribution during transformation showed that the reaction is carbon diffusion controlled and growth occurs under local equilibrium with negligible partition. CCT diagrams for austenite transformation were determined and the effect of the amount of proeutectoid ferrite and bainite precipitation on the volume fraction of retained austenite was also estimated. The CCT diagrams allowed determining the boundaries of the critical zone and the processing window to obtain bainite plus austenite microstructures. Based on this information cooling cycles were selected to perform thermomechanical treatments. Three TRIP steels were selected to simulate, in a hot torsion testing machine, two different controlled rolling sequences: Recrystallization Controlled Rolling and Conventional Controlled Rolling. The influence of the degree of deformation and the finishing temperature on the amount of retained austenite was studied. After rolling the cooling cycle comprised two isothermal treatments, one in the austenite + ferrite field and the other in the bainitic field. Increasing the strain during simulation of Recrystallization Controlled Rolling led to an increase in the volume fraction of retained austenite to the range 9 to 14 %. The energy stored during simulation bellow TNR of the Conventional Controlled Rolling led to a decrease in the volume fraction and in the carbon content of retained austenite. The Mn and C contents measured by EDS and WDS analysis of TRIP-E steel, showed that grain refinement due to recrystallization contributes to diffusion of these elements in front of the ferrite/austenite interface during precipitation.

More complex and bigger structures have increased the applicability of low alloy high strength steels due to weight and cost reductions in these projects. One of the requirements for the use of these materials is the preservation of performance after welding. Meanwhile, the norms on which the Welding Procedures Specifications (WPS) are based have not yet considered the development of modern steel and its new production process, resulting in unnecessary welding costs that diminish the profits of the application of this type of steel. This thesis aimed to develop and evaluate an experimental methodology to guide the creation and control of welding procedures for structural steel through a microstructural atlas of the heat affected zone (HAZ) in a thermomechanical control process (TMCP), 65 ksi steel (ASTM A572 Grade 65). This steel was used in the project of an industrial building for CBMM in Araxá, Minas Gerais, Brazil. It is proposed that through a microstructural atlas of a given steel, it is possible to determine the range of cooling rates that the steel may suffer during welding without affecting mechanical properties and without risking cold cracks. When comparing the microstructure of steel welds performed in field conditions, it is possible to determine the heat input range for a given process in the preparation of a WPS. The selected case study is from a high strength low alloy class 65 ksi steel (ASTM A572 Grade 65) that was used in the structure of an industrial building. The steel was produced using TMCP. The atlas was created via the construction of a continuous cooling transformation diagram using physical simulation (dilatometer and Gleeble) of the coarse grain HAZ (GCHAZ). The characterization of the simulated region was performed by metallography and mechanical tests. The microstructure of real welds made by a qualified WPS were compared to the atlas in order to certify the correct use of parameters and to validate the method. The methodology was also qualified and the potential economic benefits were quantified (based only on the reduction of consumables used and the increased availability of the welding process machine) for the selected industrial project. The mapped microstructures varied from martensite (at high cooling rates) to pearlite/ferrite with large grain size (at low cooling rates). There was remarkable prevalence of bainitic microstructure in a wide range of cooling rates, consistent with the chemical composition of the steel studied. Comparisons with real weld microstructures showed the atlas is compatible with them, and that it can more accurately describe the effective thermal cycle xi that occurs in the coarse grain region of the HAZ (other regions were not included). The application of this methodology in the development of new WPS would allow greater flexibility in the welding procedures, including welding without preheating. In this respect alone, it was possible to forecast savings of approximately R$200,000.00, 1,000 hours of processing and 172 tonnes of carbon equivalent emissions. / Estruturas cada vez mais complexas e de maiores dimensões vêm aumentando a aplicabilidade de aços de baixa liga e alta resistência, devido à redução de peso e custo dessas estruturas. Um dos requisitos para o uso desses materiais é a manutenção do desempenho após soldagem. Entretanto, as normas em que se baseiam as Especificações de Procedimentos de Soldagem (EPS) ainda não consideram aços mais modernos em termos de rota de fabricação, o que pode fazer com que custos desnecessários de soldagem minimizem os ganhos da aplicação desses aços. Este trabalho teve como objetivo o desenvolvimento e avaliação de uma metodologia para, experimentalmente, orientar a elaboração e o controle da aplicação de procedimentos de soldagem para aços estruturais, através de atlas microestrutural de regiões da zona afetada pelo calor (ZAC). Propõe-se que, através de um atlas microestrutural de um dado aço, seja possível determinar a faixa otimizada de energia de soldagem para um dado processo na elaboração e aplicação da EPS e, consequentemente, as velocidades de resfriamento que o aço possa sofrer durante a soldagem, sem perder as propriedades mecânicas e sem colocálo em risco quanto a trincas a frio. Tomou-se como estudo de caso o aço produzido por laminação controlada de classe de resistência de 65 ksi (ASTM A572 Grau 65), utilizado em um projeto de um prédio industrial na empresa CBMM. Trata-se de um aço fabricado pelo processo TMCP com resfriamento acelerado. A elaboração do Atlas se deu através da construção de um diagrama CCT, por simulação física (dilatômetro e Gleeble), da região de grãos grosseiros da zona afetada pelo calor (ZAC GG). Foram feitas caracterizações metalográficas e mecânicas das regiões simuladas. Microestruturas de soldas realizadas com EPS qualificadas foram comparadas com as do Atlas para se certificar da adequabilidade dos parâmetros utilizados e validação da abordagem. Foram realizadas ainda a qualificação e quantificação de potenciais benefícios econômicos no citado projeto industrial, obtidos pelo uso desta metodologia. As microestruturas apresentadas no mapa variavam de martensíta, para altas taxas de resfriamento, até perlita/ferrita de tamanho de grão elevado, para baixas taxas de resfriamento. Observou-se notável predominância da microestrutura bainítica em uma larga faixa de taxas de resfriamento, compatível com as propriedades e composição do aço estudado (alta soldabilidade). As comparações com as microestruturas de soldas reais mostraram que o Atlas pode descrever de forma precisa o ciclo térmico efetivamente imposto ix na ZAC GG. Concluiu-se que a aplicação desta metodologia na elaboração de novas EPS permitiria uma maior flexibilidade nos procedimentos de soldagem, admitindo inclusive soldagem sem pré-aquecimento. Em relação a não necessidade de pré-aquecimento, podese prever uma economia significante de custos e redução de emissão de gases que provocam efeito estufa. / Mestre em Engenharia Mecânica