A aplicação de aços de alta resistência está fortemente difundida na indústria mecânica, principalmente em aplicações onde a redução de peso é importante, como por exemplo, a indústria de implementos rodoviários e maquinários agrícolas. Esta dissertação visa analisar a influência de diferentes aportes térmicos no comportamento microestrutural e mecânico de juntas soldadas através do processo MAG de modo a obter juntas com propriedades otimizadas. Para este estudo foram utilizadas chapas metálicas com espessura de 3 mm do aço de alta resistência e baixa liga USI LNE700. Os parâmetros nominais de energia de soldagem foram variados de acordo com os valores descritos pelo fornecedor SSAB. O processo de soldagem foi realizado com o auxílio de um sistema robotizado para manter a homogeneidade ao longo da junta, distância e posicionamento correto no comprimento total da junta soldada. Os ensaios para verificação do comportamento microestrutural e mecânico foram realizados com auxílio de microscopia ótica, perfis de microdureza e ensaios de tração. Buscaram-se utilizar aportes térmicos reduzidos para minimizar os efeitos de revenimento da martensita presente no metal de base, um dos principais responsáveis pela redução das propriedades mecânicas da junta soldada. Os resultados não mostraram significativa variações na microestrutura e propriedades de tração do material, porém o preenchimento da junta soldada formada apresenta um comportamento diretamente proporcional à energia de soldagem. / The application of high strength steels is strongly diffused in the engineering industry, especially in applications where weight reduction is important, such as the industry of agricultural machines and trailers industry. This investigation aims to analyze the influence of different heat inputs on microstructural and mechanical behavior of joint welded by GMAW in order to obtain joints with optimized properties. Sheet metal with a thickness of 3 mm high strength low alloy steel LNE700 (supplier Usiminas) were used. The welding energy was varied around the nominal value informed by the steel supplier SSAB for this study. The welding process was made using robotic system to maintain homogeneity along the joint, right distance and position during the total weld joint length. The microstructural and mechanical behaviors were performed with the optical microscope, microhardness profile and traction test. We attempted to use lower heat inputs to minimize the effects of tempering of martensite present in the base metal, a major contributor to the reduction of the mechanical properties of the welded joint. The results did not show significant microestructural and tensile properties variation, however, when the welding energy is increased, the welded joint penetration formed was increased as well.

A aplicação de aços de alta resistência está fortemente difundida na indústria mecânica, principalmente em aplicações onde a redução de peso é importante, como por exemplo, a indústria de implementos rodoviários e maquinários agrícolas. Esta dissertação visa analisar a influência de diferentes aportes térmicos no comportamento microestrutural e mecânico de juntas soldadas através do processo MAG de modo a obter juntas com propriedades otimizadas. Para este estudo foram utilizadas chapas metálicas com espessura de 3 mm do aço de alta resistência e baixa liga USI LNE700. Os parâmetros nominais de energia de soldagem foram variados de acordo com os valores descritos pelo fornecedor SSAB. O processo de soldagem foi realizado com o auxílio de um sistema robotizado para manter a homogeneidade ao longo da junta, distância e posicionamento correto no comprimento total da junta soldada. Os ensaios para verificação do comportamento microestrutural e mecânico foram realizados com auxílio de microscopia ótica, perfis de microdureza e ensaios de tração. Buscaram-se utilizar aportes térmicos reduzidos para minimizar os efeitos de revenimento da martensita presente no metal de base, um dos principais responsáveis pela redução das propriedades mecânicas da junta soldada. Os resultados não mostraram significativa variações na microestrutura e propriedades de tração do material, porém o preenchimento da junta soldada formada apresenta um comportamento diretamente proporcional à energia de soldagem. / The application of high strength steels is strongly diffused in the engineering industry, especially in applications where weight reduction is important, such as the industry of agricultural machines and trailers industry. This investigation aims to analyze the influence of different heat inputs on microstructural and mechanical behavior of joint welded by GMAW in order to obtain joints with optimized properties. Sheet metal with a thickness of 3 mm high strength low alloy steel LNE700 (supplier Usiminas) were used. The welding energy was varied around the nominal value informed by the steel supplier SSAB for this study. The welding process was made using robotic system to maintain homogeneity along the joint, right distance and position during the total weld joint length. The microstructural and mechanical behaviors were performed with the optical microscope, microhardness profile and traction test. We attempted to use lower heat inputs to minimize the effects of tempering of martensite present in the base metal, a major contributor to the reduction of the mechanical properties of the welded joint. The results did not show significant microestructural and tensile properties variation, however, when the welding energy is increased, the welded joint penetration formed was increased as well.

Orientador: Paulo Roberto Mei / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-16T12:27:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Leitao_ClaudioJose_M.pdf: 12214681 bytes, checksum: 218cc6e064437b8b303798730919ac44 (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: O presente trabalho tem por objetivo demonstrar que o processo de cementação, utilizado para o tratamento de componentes que necessitam de alta dureza superficial e de grande resistência ao desgaste pode, em alguns casos, ser substituído pelo processo de nitretação, trazendo algumas vantagens, entre as quais, a redução dos custos de fabricação. Este estudo aborda dados comparativos sobre as deformações geradas, durezas, e estruturas obtidas em corpos de prova tipo Navy "C" e corpos de prova tipo "Engrenagens" submetidas a processos de cementação, beneficiamento, nitretação gasosa e nitretação líquida. Foram estudados outros fatores importantes do processo de nitretação, tais como, o efeito do beneficiamento prévio à usinagem e dos elementos de liga em peças de aços com 0,4 % de carbono, submetidos à nitretação gasosa e a verificação do efeito da nitretação líquida e da nitretação gasosa na espessura da camada branca formada, no perfil de dureza e na deformação de peças de aços carbono e baixa liga. Os resultados obtidos mostram que os corpos de prova que passaram pelos processos de nitretação, chegaram a deformar cerca de dez vezes menos do que os processos de cementação, e que o custo do corpo de prova "engrenagem" que passou pelo processo de nitretação, ficou cerca de 40 % mais barato do que no processo de cementação / Abstract: This work demonstrates that the carburizing treatment applied to components that require high surface hardness and wear resistance, in some cases, can be replaced by nitriding, bringing some advantages like the reduction of manufacturing costs. This study obtained data about distortion, hardness and microstructures in Navy "C" samples and gears after carburizing (fooled by hardening and tempering), gas nitriding and liquid nitriding. The use or not of hardening and tempering prior to machining was studied in samples submitted to gas nitriding process. Also the effect of alloying elements (chromium and molybdenum) on the thickness of white layer, case depth and distortion of 0.4 %C steel samples submitted to gas nitriding and liquid nitriding were studied. The results showed that nitrided samples presented up to ten times less distortion than carburized samples, and the cost of gear manufacturing using nitriding can be up to 40% cheaper than using carburizing / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica

A importância das indústrias de cana-de-açúcar no cenário nacional cresce exponencialmente, desde sua origem. Porém nas últimas três décadas este tipo de indústria deixou de ser tipicamente familiar e passou a produzir em grande escala açúcar, etanol, produtos químicos derivados, levedura e planta de CO2 (para indústria de bebida e ou alimentos), além da venda do excedente da energia que é gerada na própria indústria. Um dos principais equipamentos em uma usina de açúcar e álcool é a caldeira, nome popular dado ao vaso de pressão que gera vapor a partir do aquecimento da água em um ambiente de alta pressão. Este calor é usado como fonte para produção de energia. Os aços ligados ao Cr e Mo têm sido cada vez mais aplicada neste tipo de equipamento. O presente trabalho tem por objetivo entender a influência dos parâmetros de tratamento térmico pós-soldagem nas propriedades mecânicas e na microestrutura de um tubo sem costura de aço ASTM A 335 Gr P91, através da determinação dos valores de: resistência à tração, limite de escoamento, percentual de alongamento, dureza, tenacidade à fratura e CTOD do material base, metal de solda e zona termicamente afetada (ZTA) da região soldada de tubos unidos por solda. Para a realização desta pesquisa serão aplicados os conceitos da teoria da mecânica da fratura elasto-plástica (Crack Tip Open Displacement, CTOD) e os conceitos de comportamento mecânico dos materiais, para o estudo da influência dos parâmetros de tratamento térmico pós-soldagem. / The importance of sugar cane industries on the national scene grows exponentially since its origin. But in the last three decades these became from cottage industries to large-scale production of Ethanol, Chemicals derivatives, yeast and plant CO2 (for food or drink industry). One of the main equipment in a sugar and alcohol plant is the boiler, popular name given to the pressure vessel that generates steam from the heating of water in a high pressure environment. This is used as heat source for energy production. One of the alloy that has been increasingly applied in projects of this equipment are martensitic steels (Cr Mo alloys). The present study aims to understand the influence of post weld heat treatment parameter´s on mechanical properties and microstructure of a seamless tube, steel ASTM 335 Gr P91, the determination of values of tensile strength, yield strength, percentage of elongation, hardness, fracture toughness and CTOD of the base material, weld metal and heat affected zone (HAZ) of the welded region of tubes welded together. In this research the concepts of the theory of mechanics of elastic-plastic fracture (Crack Tip Open Displacement, CTOD) and the concepts of mechanical behavior of materials will be applied.

O presente trabalho de pesquisa avalia os efeitos das temperaturas de austenitização plena e intercrítica, associado ao tratamento térmico de têmpera interrompida e partição, realizada em banho de sais fundidos e sua influência no comportamento mecânico e microestrutural do aço de alta resistência e baixa liga AISI300M. Para os ensaios de caracterização mecânica foram realizados ensaios de dureza cujos resultados variaram de (35HRC a 55HRC) dependendo do tratamento; ensaios de tração, que atingiram o limite de resistência máximo de 2272 MPa com 6% de alongamento; ensaios de tenacidade ao impacto Charpy que superaram os tratamentos convencionais de têmpera atingindo 38J de energia absorvida; além dos ensaios de tenacidade à fratura linear-elástica, método (KIC) que ficaram entre (35 e 67 MPa√m). Para a caracterização microestrutural foram realizadas análises por microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura (MEV), além da investigação microestrutural pela técnica de microscopia eletrônica de transmissão (MET) que elucidaram os microconstituintes multifásicos presentes como martensita, ferrita e bainita. Para quantificar as frações de fases presentes utilizou-se a técnica de difração por raios-X e método de refinamento Rietveld, mostrando até 20% de austenita retida na condição de partição em 400ºC. Para auxiliar e mapear as fases presentes foram utilizadas as técnicas de MEV-EBSD e EBSD acoplada ao microscópio eletrônico de transmissão MET-EBSD com indexação via software ASTAR. Após os ensaios mecânicos, as superfícies de fratura foram examinadas via MEV e exibiram em geral um modo misto de fratura om a presença de dimples, coalescimento de microcavidades e quase-clivagem. / The present research work evaluates the effects of the complete and intercritical austenitization temperatures associated with interrupted quenching and partitioning performed in molten salt baths and its influence in the mechanical behavior and microstructural of AISI 300M high strength low alloy steel. Hardness tests with range from 55HRC to 35HRC were obtained depending on the heat treatment. Tensile tests have shown maximum strength limit of 2272 MPa and 6% elongation. Toughness parameters by instrumented Charpy impact tests exceeded values obtained in the conventional heat treatments providing 38J of absorbed energy. In addition, results from linear-elastic fracture toughness tests (KIC), values among 67 and 35MPa√m were found. Microstructure characterization was performed by optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM) and microstructural research by transmission electron microscopy (TEM), which optimized the multiphase microconstituents with the presence of martensite, ferrite and bainite. In order to quantify the phases volume fractions present, it was used a X-ray diffraction technique and \"Rietveld\" refinement method that obtained up to 20% of retained austenite in the partitioning condition at 400°C. To assist and map the present phases, it was used MEV-EBSD and EBSD techniques coupled to the transmission electron microscope MET-EBSD with indexing via ASTAR software. After the mechanical tests, fracture surfaces were analyzed by SEM and showed in general, a mixed mode of fracture with the presence of dimples, microcoalescence and quasi-cleavage.

Orientador: Paulo Roberto Mei / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-18T15:15:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Bueno_JulianaCristina_M.pdf: 6612143 bytes, checksum: ff1f20ccef9c00e4455c0b43362c43ce (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: Neste trabalho foi estudada uma liga inoxidável Fe-Mn-Si-Cr-Ni-Co com efeito de memória de forma (EMF) e os objetivos principais foram otimizar a técnica de coloração por ataque químico (color etching) para identificação e análise das fases presentes na microestrutura, o que permitiu a determinação da dureza da martensita-? e da austenita-? através da técnica de nanoindentação. O desenvolvimento deste processo também permitiu a quantificação das fases e e g por microscopia óptica. A técnica de coloração por ataque químico consiste na utilização de reagentes específicos que resultam em uma microestrutura composta por várias colorações, o que permite identificar fases por microscopia óptica. Os resultados de dureza obtidos por nanoindentação foram de 7,0 GPa para a martensita-? e de 3,0 GPa para a austenita-?. Já para a fração volumétrica da martensita-?, os resultados obtidos por microscopia óptica variaram de 33 a 40 % para amostras no estado deformado. Para amostras de tamanho de grão 123 ?m e 3º ciclo de treinamento, os resultados foram coerentes com os obtidos por difração de raios X de trabalhos anteriores para a mesma liga / Abstract: In this work a Fe-Mn-Si-Cr-Ni-Co stainless alloy with shape memory effect (SME) was studied and the main objectives were to optimize the technique of coloration by chemical attack (color etching) for identification and analysis of the phases in the microstructure, allowing the determination of the ?-martensite and the -austenite hardness by nanoindentation technique. The development of this process also allowed the quantification of the ?- and ?- phases by optical microscopy. The technique of coloration by chemical attack consists in the use of specific reagents to identify phases by color using optic microscopy. The hardness obtained was 7.0 GPa for ?-martensite and 3.0 GPa for ?-austenite. The volume fraction of the ?-martensite, measured with optical microscopy varied from 33 to 40 % for samples in the deformed state. For samples with grain size of 123 ?m and after the 3º training cycle, the results were coherent with the obtained by X ray diffraction of previous works for the same alloy / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica

Next generation defense and commercial applications for structural steels require new alloys that eliminate or reduce critical elements from their composition to lower cost and improve manufacturability, while maintaining or exceeding high strength and toughness requirements. A new alloy, denoted as AF9628, has recently been developed for this purpose and its manufacturing characteristics and the material response in component manufacturing must be fully understood. In the present study, hardened AF9628 alloy was turned with a coated carbide cutting tool under fixed cutting speed, feed rate, and depth of cut parameters. This work focuses on chip-form and tool-wear analysis to understand, for the first time with AF9628, these fundamental aspects of the turning process and their relationship to productivity and part quality. Current industry standard practice of flood-cooled machining for AF9628 was used during machining experiments. Dry, minimum quantity lubrication (MQL), and cryogenic machining were investigated as alternative cooling and lubrication conditions. High-speed imaging during AF9628 turning experiments provides a new insight into the chip formation process, while the use of optical microscopy and scanning white light interferometry allowed for further characterization of chip-form and tool-wear. Chip-form is favorable as short, arc-shaped chips with new tools under all of the tested cooling and lubrication conditions. As a result of rapid wear at the end of the tool-life in all of the experimental conditions, chip-form evolves to unfavorably long, snarled ribbon-like chips and the resultant cutting force increased by as much as 64% under flood-cooled conditions. Tool-wear types that were observed during experiments include a combination of nose wear, built-up edge, plastic deformation, and groove wear on the rake face. Due to the fixed cutting parameters and cutting tool selected for this study, which were designed for flood-cooled machining in a prior study, undesirable failure of the cutting tools under dry, MQL, and cryogenic machining occurred. Future work requires experimentation across a wider processing space, and with different cutting tools, to thoroughly evaluate alternative cooling and lubrication techniques for machining AF9628.

O presente trabalho avalia e compara os resultados da tenacidade à fratura da zona termicamente afetada (ZTA) de soldas múltiplos passes por meio de ensaios de CTOD. Para este estudo, foi utilizado um aço alta resistência e baixa liga (ARBL) resistente à corrosão ambiental. As soldas foram realizadas com insumo de calor de 30 e 50 kJ/cm em um chanfro 1/2 K. Os resultados dos ensaios de CTOD mostraram que a solda produzida com maior insumo de calor apresenta tenacidade à fratura mais elevada. A análise microestrutural revelou que as microestruturas de elevada dureza e baixa tenacidade, formadas na ZTA de granulação grosseira, para a condição de 30 kJ/cm, deram lugar às microestruturas de tenacidade mais elevada, para o insumo de calor de 50 kJ/cm. / In this work the fracture toughness results of the heat affected zone (HAZ) in a multiple pass welds using a crack tip opening displacement (CTOD) concept were evaluated and compared. It was used an ambiental resistent high strengh low alloy steel. The welds were carried out using a heat input of 30 and 50 kJ/cm in a bevel preparation 1/2 K. The results of CTOD testing showed that increasing heat input, caused an improvement in the weldments fracture toughness. Microstructural analysis revealed that the high hardness and low toughness microstructures formed at coarse grain HAZ, near fusion line, for welding condition 30 kJ/cm were changed to higher toughness microstructure using a heat input of 50 kJ/cm.

L'objectif de cette thèse est d’approfondir la compréhension des relations entre la croissance anormale des grains austénitiques et l'état de précipitation dans un acier faiblement allié. La croissance anormale est le grossissement excessif d’un petit nombre de grains conduisant à une détérioration des propriétés mécaniques. La distribution de taille des grains d'austénite, la fraction volumique de précipités et l'évolution de leur distribution de taille ont étés expérimentalement caractérisés pour différents traitements thermiques et pour deux aciers industriels (acier A et acier B). La modélisation a été réalisée en deux étapes : modélisation de l’état de précipitation et modélisation de la croissance anormale/normale des grains. Les résultats de la modélisation ont étés comparés aux résultats expérimentaux. Le modèle de croissance des grains est basé sur l’hypothèse que la croissance des grains est régie par la diminution de l'énergie d’interface. Les précipités créent une force d’ancrage conventionnelle de Zener ainsi qu’une force d’ancrage de joints de grains, qui retardent la croissance de grains. Le modèle de précipitation est basé sur les théories classiques de nucléation et de croissance (CNGTs). Si la taille des grains austénitiques est supérieure à 3µm, l’hypothèse d’une précipitation homogène permet d’obtenir un bon accord entre les résultats numériques et les résultats expérimentaux (distribution de taille de précipités, fraction volumique). Si la taille des grains est inférieure à 3µm, la présence de précipitation hétérogène a été prise en compte. Le modèle de précipitation a été couplé par deux approches différentes au modèle de croissance de grains ; un couplage ‘doux’ et un couplage ‘ dur’. Ces deux approches ont permis de faire la lumière sur les différents paramètres physiques qui contrôlent la croissance de grains pour un état structural donné. Une bonne prédiction du mode de croissance (normale ou anormale) a été obtenue. Le couplage dynamique a permis de tracer une représentation temps/température claire du mode de croissance des grains. Il a été montré que si la croissance anormale des grains d’austénite dépend fortement de l’état initial de précipitation ainsi que de la taille initiale des grains, l’évolution de la fraction volumique des précipités lors du traitement thermique joue un rôle prépondérant sur le mode de croissance. Les résultats de cette étude ont permis d’expliquer l’influence de l’état de précipitation et de la taille des grains sur la croissance anormale. / The objective of this thesis is to further understand the austenite Abnormal Grain Growth (AGG) phenomenon in relation with precipitation state in a low alloy steel. The abnormal grain growth is addressed from both experimental and numerical modeling point of view. Prior austenite grain size distribution, precipitation volume fraction and size distribution evolution of the different heat treated states are experimentally determined for two different industrial alloys (steel-A and steel-B) in different heat treated states and experimental results are compared with model predictions. A two-step modeling technique is adopted in this study: precipitation modeling and abnormal/normal grain growth modeling. The abnormal/normal grain growth modeling is done using a simplified analytical model where the grain growth is assumed to be driven by the decrease in interfacial energy. Both the conventional Zener pinning and corner pinning by precipitate is considered as boundary movement retarding forces. The precipitation model is based on the Classical Nucleation and Growth Theories. The assumption of homogeneous precipitate nucleation and growth gave a good prediction of volume fraction, mean radius and size distribution in comparison with the experimental results. Two coupled modeling approaches of abnormal grain growth and precipitation model: ①Soft coupling and ②Dynamic coupling; shed light on the different physical parameters controlling the grain growth condition in a particular material’s state. A reasonable prediction of AGG and NGG is obtained from both approaches. The dynamic coupled modeling enabled us to paint a comprehensive time-temperature mechanism map of grain growth conditions. It is found that AGG in the austenitic state depends strongly on the initial grain size distribution and precipitation state. The modeling and the experimental results showed that the precipitation state evolution (increasing or decreasing volume fraction) also impact normal/abnormal grain growth. Plausible explanations in relation with the mean austenite grain size and the precipitation state are derived for the AGG phenomenon from the present work.

Esta dissertação apresenta um estudo da modelagem de experimentos aplicados a um processo industrial de tratamento térmico. A motivação deste trabalho surgiu diante das dificuldades associadas aos processos de recozimento industrial de aços do tipo baixa liga, na tentativa de encontrar temperaturas nas quais as durezas superficiais dos aços atingissem valores suficientemente baixos, adequados para etapas posteriores de fabricação, em especial a usinagem. Inicialmente forem realizados diversos experimentos com diferentes aços, onde a dureza superficial é obtida em função da temperatura de recozimento e dos teores de carbono e silício das amostras utilizadas. Em seguida propôs-se um modelo quadrático para modelar a dureza superficial como função dessas três variáveis. A estimação de parâmetros do modelo proposto foi realizada com o emprego do algoritmo Simulated Annealing, uma meta-heurística para otimização global que procura imitar o processo de recozimento de um material sólido. Finalmente, usando-se o modelo proposto, foi resolvido o chamado problema inverso, o qual consiste na estimação da temperatura de recozimento em função dos teores de carbono e silício e da dureza desejada. / This dissertation presents a study for experiments modeling applied for a heat treatment industrial process. The driving force to this work have raised from usual difficulties while low-alloy steels annealing industrial processes get on, trying to find out temperatures which the superficial hardness measurements reaches low values enough and suitable for the following stages, in special focus, the machining. At the first time, some experiments have been done with several steel grades, where superficial hardness is achieved as a function by annealing temperature, percent carbon content and percent silicon content of the samples. There was purposed a quadratic model for modeling the hardness as a function of that three parameters. The parameter estimation of the purposed model was done by the simulated annealing algorithm, a metaheuristic for global optimization which can be as the same as annealing of a solid material. Starting at the purposed model, the inverse problem was solved, where the estimated annealing temperature was achieved by the carbon and silicon percent contents and the suitable hardness.