X-ray diffraction (XRD) profile fitting (Rietveld method) was used in this study to characterize the microstructure for seven microalloyed steels, which were produced through thermomechanical controlled processing (TMCP). Microstructure characterization was conducted through the strip thickness. The microstructural variables studied include subgrain size, dislocation density, texture index and weight percent of retained austenite. The subgrain size was also analyzed by electron backscatter diffraction (EBSD) and transmission electron microscopy (TEM). The effects of processing parameters, including coiling temperature, cooling rate and alloying elements, on the microstructure were also investigated. It was found that decreasing the coiling temperature resulted in a finer subgrain size and higher dislocation densities. The texture index was observed to increase with decreasing coiling temperature. The subgrain size decreased and dislocation density increased as the amount of alloying elements (Ni, Mo and Mn) were increased. The amount of retained austenite increased at the strip center with increasing coiling temperature and increasing C and Ni content. / Materials Engineering

As ligas de ferro fundido branco alto cromo (FFBAC) da norma ASTM A-532 são comumente utilizadas em peças que necessitam de elevada resistência ao desgaste. Tal escolha acontece devido à elevada dureza apresentada por tais materiais, o que propicia maior vida útil dos componentes. Entretanto, uma vez que o teor de cromo utilizado nos FFBAC possui grande influência no custo das peças, é importante garantir que os tratamentos térmicos (TOTO’s) aplicados estejam otimizados para cada composição de liga. Buscando atuar nesse sentido, esta dissertação analisou a utilização de diferentes tempos e temperaturas de patamar em TOTO’s de desestabilização da austenita para duas ligas da norma ASTM A-532 (ligas com 20% e 25%Cr). Após tais procedimentos, foram estudadas a dureza e a resistência ao desgaste, tanto para algumas das amostras tratadas quanto para seis amostras de FFBAC fornecidas por diversas fundições nacionais. Os resultados demonstraram a existência de uma temperatura que otimiza a dureza da liga, possibilitando incrementos desta propriedade nas amostras tratadas em valores de até 37% (considerando a dureza inicial na condição “bruto de fusão”). Com relação ao tempo de patamar, verificou-se que o mesmo apresentou pouca influência no incremento de dureza, apresentando variações máximas inferiores à 4% para tratamentos variando entre 30 minutos à 6 horas de duração, resultado que destoou daquele indicado pela literatura. Além disso, verificou-se que uma liga com 19,6 %Cr pode apresentar uma dureza até 11% maior do que o verificado para ligas comerciais Nesta comparação, apesar da liga comercial possuir menor teor de carbono, ficou evidenciado o indicativo de que as peças consideradas neste estudo e oriundas de fundições nacionais não otimizam os resultados de seus TOTO’s. A resistência ao desgaste, por sua vez, demonstrou não depender apenas da macrodureza das amostras, mas também de outras características como tamanho, distância e continuidade dos carbonetos primários, o que explica a obtenção de resultados similares de perda de massa no ensaio abrasivo para amostras que possuem durezas diferindo em cerca de 12% porém possuindo tamanho de microconstituintes similares. Por fim, observou-se que ligas com maiores teores de cromo e menores teores de carbono apresentam menores valores de dureza e resistência ao desgaste, o que viabiliza uma aplicação com maior vida útil e menor custo. / The high chromium white cast iron alloys from ASTM A-532 are commonly used in parts which wear resistance are required. This choice happens due the great hardness showed by these alloys, what propitiates a higher lifetime for the components. However, since chromium content has great influence in the cost of the parts, it is important ensure that the apply heat treatments are optimized for each alloy composition. Thus this dissertation analyzed the application of different heat treatment cycles on the austenite destabilization for two ASTM A-532 alloys (20%Cr and 25%Cr). After the heat treatment, hardness, wear resistance and microstructure were analyzed, both for some of the treated samples as for six samples provided by different manufactures in Brazil. The results showed the existence of a temperature that optimizes the alloy hardness, allowing increases on this property in values up to 37% (considering the initial hardness of the “as cast” condition) Concerning the time of heat treatment, was verified that this parameter has low influence in the increase on hardness, showing maximum variations lower than 4% in treatments with times coming from thirty minutes until six hours, results that does not match that one’s indicated by the literature. Besides that, it was verified that an alloy with 19,6%Cr can present a hardness 11% greater than that verified in commercial. In this comparation, although the commercial alloy having lower carbon content, was evidenced that the parts from the Brazilians companies which were considered in this study, does not have an optimum heat treatment. The wear resistance was not only depend of the sample hardness, but also of other characteristics as size, distance and continuity of the primary carbides, which explain the results of similar mass loss in the abrasive test for samples with hardness differing about 12%, but with similar size of microconstituents. Finally, it was observed that alloys with higher chromium and low carbon content shows lower hardness and wear resistance values than alloys with low percentages of chromium, what enable an application with larger lifetime and lower cost.

Made available in DSpace on 2016-12-08T17:19:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Resumo - Arcesio.pdf: 51440 bytes, checksum: 8ef4fe0ed322b239b5daaf2be79baeb7 (MD5) Previous issue date: 2013-12-16 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Samples of AISI 304 stainless steel were surface treated with plasma of continuous current, at different times and cycles. The treatment conditions of the first set of samples treated for 20 hours were 400°C, an atmosphere of 44% Ar + 66% H2 for ion bombarding cycles and 75% N2 + 25% H2 for nitriding cycles and pressure 2,0 Torr. For treatments performed for 90 minutes, the following conditions were used: temperature 400°C, 25% Ar + 75% H2 ion bombarding cycles, 25% N2 + 75% H2 for non ion bombarding (nitriding) cycles and pressure of 3.0 Torr. The samples were characterized using scanning electron microscopy, optical microscopy and x-ray diffraction. In the samples treated for 20 hours hardness was measured using a microhardness tester, for samples treated for 90 minutes, nanoindentation test was used to measure hardness and modulus of elasticity. The diffraction results showed that there precipitation of chromium nitrides and iron in all treated samples and the increase in the number of cycles of ion bombarding facilitates the decomposition of austenite expanded nitrides of chromium and iron. The alternating cycles of ion bombarding and nitriding creates interfaces in the interior of nitrided layer. The samples treated without ion bombarding cycles have higher hardness values than the samples with ion bombarding cycles. / Amostras de aço inoxidável AISI 304 foram tratadas superficialmente utilizando plasma de corrente contínua em diferentes tempos e ciclos. As condições a que foi submetido o primeiro conjunto de amostras, tratadas durante 20 horas, foram: temperatura de 400°C, atmosfera de 44% Ar + 66% H2 para os ciclos bombardeamento iônico e 75% N2 + 25% H2 para os ciclos de bombardeamento iônico nitretante (nitretação) e pressão de 2,0 torr. Para os tratamentos realizados durante 90 minutos, utilizou-se as seguintes condições: temperatura de 400°C, 25% Ar + 75% H2 para os ciclos bombardeamento iônico, 25% N2 + 75% H2 para os ciclos de nitretação e pressão de 3,0 Torr. As amostras foram caracterizadas utilizando microscopia eletrônica de varredura, microscopia ótica e difração de raio-x. Nas amostras tratadas por 20 horas, a dureza foi medida utilizando um microdurômetro e para as amostras tratadas por 90 minutos, utilizou-se nanoindentação instrumentada para medida da dureza e do módulo de elasticidade. Os resultados de difração mostraram que houve a precipitação de nitretos de cromo e ferro em todas as amostras tratadas e que o aumento no número de ciclos de bombardeamento iônico favorece a decomposição da austenita expandida em nitretos de cromo e ferro. A alternância entre ciclos de bombardeamento iônico e nitretação cria interfaces no interior da camada nitretada. As amostras tratadas sem ciclos de bombardeamento iônico possuem valores de dureza mais elevados que as amostras com ciclos de bombardeamento iônico.

As ligas de ferro fundido branco alto cromo (FFBAC) da norma ASTM A-532 são comumente utilizadas em peças que necessitam de elevada resistência ao desgaste. Tal escolha acontece devido à elevada dureza apresentada por tais materiais, o que propicia maior vida útil dos componentes. Entretanto, uma vez que o teor de cromo utilizado nos FFBAC possui grande influência no custo das peças, é importante garantir que os tratamentos térmicos (TOTO’s) aplicados estejam otimizados para cada composição de liga. Buscando atuar nesse sentido, esta dissertação analisou a utilização de diferentes tempos e temperaturas de patamar em TOTO’s de desestabilização da austenita para duas ligas da norma ASTM A-532 (ligas com 20% e 25%Cr). Após tais procedimentos, foram estudadas a dureza e a resistência ao desgaste, tanto para algumas das amostras tratadas quanto para seis amostras de FFBAC fornecidas por diversas fundições nacionais. Os resultados demonstraram a existência de uma temperatura que otimiza a dureza da liga, possibilitando incrementos desta propriedade nas amostras tratadas em valores de até 37% (considerando a dureza inicial na condição “bruto de fusão”). Com relação ao tempo de patamar, verificou-se que o mesmo apresentou pouca influência no incremento de dureza, apresentando variações máximas inferiores à 4% para tratamentos variando entre 30 minutos à 6 horas de duração, resultado que destoou daquele indicado pela literatura. Além disso, verificou-se que uma liga com 19,6 %Cr pode apresentar uma dureza até 11% maior do que o verificado para ligas comerciais Nesta comparação, apesar da liga comercial possuir menor teor de carbono, ficou evidenciado o indicativo de que as peças consideradas neste estudo e oriundas de fundições nacionais não otimizam os resultados de seus TOTO’s. A resistência ao desgaste, por sua vez, demonstrou não depender apenas da macrodureza das amostras, mas também de outras características como tamanho, distância e continuidade dos carbonetos primários, o que explica a obtenção de resultados similares de perda de massa no ensaio abrasivo para amostras que possuem durezas diferindo em cerca de 12% porém possuindo tamanho de microconstituintes similares. Por fim, observou-se que ligas com maiores teores de cromo e menores teores de carbono apresentam menores valores de dureza e resistência ao desgaste, o que viabiliza uma aplicação com maior vida útil e menor custo. / The high chromium white cast iron alloys from ASTM A-532 are commonly used in parts which wear resistance are required. This choice happens due the great hardness showed by these alloys, what propitiates a higher lifetime for the components. However, since chromium content has great influence in the cost of the parts, it is important ensure that the apply heat treatments are optimized for each alloy composition. Thus this dissertation analyzed the application of different heat treatment cycles on the austenite destabilization for two ASTM A-532 alloys (20%Cr and 25%Cr). After the heat treatment, hardness, wear resistance and microstructure were analyzed, both for some of the treated samples as for six samples provided by different manufactures in Brazil. The results showed the existence of a temperature that optimizes the alloy hardness, allowing increases on this property in values up to 37% (considering the initial hardness of the “as cast” condition) Concerning the time of heat treatment, was verified that this parameter has low influence in the increase on hardness, showing maximum variations lower than 4% in treatments with times coming from thirty minutes until six hours, results that does not match that one’s indicated by the literature. Besides that, it was verified that an alloy with 19,6%Cr can present a hardness 11% greater than that verified in commercial. In this comparation, although the commercial alloy having lower carbon content, was evidenced that the parts from the Brazilians companies which were considered in this study, does not have an optimum heat treatment. The wear resistance was not only depend of the sample hardness, but also of other characteristics as size, distance and continuity of the primary carbides, which explain the results of similar mass loss in the abrasive test for samples with hardness differing about 12%, but with similar size of microconstituents. Finally, it was observed that alloys with higher chromium and low carbon content shows lower hardness and wear resistance values than alloys with low percentages of chromium, what enable an application with larger lifetime and lower cost.

Orientadores: Sergio Tonini Button, Mauro Moraes de Souza / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-11T13:19:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 SouzaFilho_Valterde_M.pdf: 4133313 bytes, checksum: a0db5181ce553fa4a0c17b20db4a876b (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: A conformação a quente, especificamente em prensa horizontal, é um tema de pouco estudo no meio acadêmico, mas interessante pelo emprego da alta taxa de deformação que alcança 90s-1. A microestrutura resultante desse processo é influenciada por algumas variáveis como temperatura, taxa de deformação, tamanho de grão austenítico inicial e taxa de resfriamento. A proposta deste trabalho é prever o comportamento da microestrutura dos aços perante essa alta taxa de deformação com a utilização da simulação numérica. Para tanto, os materiais DIN 20NiCrMo8 MOD e DIN 16MnCr5 MOD foram ensaiados nessa taxa de deformação em um processo de conformação industrial. A comparação do tamanho de grão austenítico obtido da conformação industrial com o tamanho de grão austenítico obtido através da simulação numérica é demonstrada. A influência da taxa de resfriamento sobre a microestrutura para cada material também foi demonstrada. Concluiu-se que a previsão do tamanho de grão austenítico é adequada utilizando-se o software comercial MSC.Superform acrescido do cálculo para crescimento de grãos. A previsão do comportamento mecânico após o processo de conformação utilizando-se de equações da literatura foi insatisfatória, porém pode-se demonstrar a influência da variação da taxa de resfriamento na microestrutura das peças conformada a quente / Abstract: A conformação a quente, especificamente em prensa horizontal, é um tema de pouco estudo no meio acadêmico, mas interessante pelo emprego da alta taxa de deformação que alcança 90s-1. A microestrutura resultante desse processo é influenciada por algumas variáveis como temperatura, taxa de deformação, tamanho de grão austenítico inicial e taxa de resfriamento. A proposta deste trabalho é prever o comportamento da microestrutura dos aços perante essa alta taxa de deformação com a utilização da simulação numérica. Para tanto, os materiais DIN 20NiCrMo8 MOD e DIN 16MnCr5 MOD foram ensaiados nessa taxa de deformação em um processo de conformação industrial. A comparação do tamanho de grão austenítico obtido da conformação industrial com o tamanho de grão austenítico obtido através da simulação numérica é demonstrada. A influência da taxa de resfriamento sobre a microestrutura para cada material também foi demonstrada. Concluiu-se que a previsão do tamanho de grão austenítico é adequada utilizando-se o software comercial MSC.Superform acrescido do cálculo para crescimento de grãos. A previsão do comportamento mecânico após o processo de conformação utilizando-se de equações da literatura foi insatisfatória, porém pode-se demonstrar a influência da variação da taxa de resfriamento na microestrutura das peças conformada a quente / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica

A excelente resistência à corrosão dos aços inoxidáveis austeníticos é a principal característica de sua ampla gama de aplicações nas mais diversas indústrias. Entretanto, as limitadas propriedades mecânicas da austenita, restringem o uso dessas ligas em sistemas que requeiram melhor desempenho tribológico sem prejuízo de sua resistência à corrosão. Métodos de endurecimento superficial convencionais tendem a formar precipitados que reduzem a disponibilidade dos elementos responsáveis pela passivação da liga, favorecendo a ação de agentes corrosivos. A descoberta de uma fase supersaturada em intersticiais denominada austenita expandida, ou Fase-S, tem lançado novas perspectivas sobre as opções de endurecimento superficial dos aços inoxidáveis austeníticos. Produzida por modernas técnicas baseadas no emprego do plasma, a austenita expandida apresenta elevadíssima dureza, da ordem de 14 GPa, sem prejuízo de sua resistência à corrosão, uma vez que não ocorre precipitação observável por microscopia ótica ou de varredura. Caracterizações mecânicas das camadas de austenita expandida por ensaios que simulem situações mais próximas da real condição de trabalho do material fornecem um conjunto de dados empíricos relevantes para a compreensão e modelagem de fenômenos tribológicos atuantes em um dado sistema mecânico. Nesse sentido, a microesclerometria instrumentada aparece com excelente opção de ferramenta para os estudos direcionados à Engenharia de Superfície. O presente trabalho apresenta os resultados de uma série de ensaios de microesclerometria instrumentada realizados em amostras de aço AISI 316 nitretadas a plasma por 20 h em forno de corrente contínua, utilizando a tecnologia de tela ativa, temperatura de 400 ºC e atmosfera formada por três partes de nitrogênio para cada parte de hidrogênio (3N2:1H2), resultando na formação de austenita expandida na superfície. Também são discutidos a caracterização das amostras, o baixo coeficiente de atrito (< 0,1) verificado experimentalmente e a ausência de falha adesiva da camada durante o ensaio. / One of the main reasons for the common utilization of austenitic stainless steels by various industries remains on their great corrosion resistance. On the other hand, the poor mechanical properties of austenite restrict the use of these alloys in systems which require better tribological performance without decreasing their corrosion resistance. Conventional case hardening techniques promote precipitate formation, reducing availability of passivation elements in metallic matrix, what can ease the action of corrosive external agents. The discovery of a carbon and/or nitrogen supersaturated phase, called expanded austenite or S-phase, brought new perspectives over case hardening options for austenitic stainless steels. Obtained by recent techniques based on plasma, expanded austenite has very high hardness, around 14 GPa, without reducing corrosion resistance, since no precipitate is noticeable by optical or scanning electronic microscopy. Using testing apparatus that simulates real work conditions, mechanical characterization of expanded austenite layers gives an important set of empirical data. These data are useful for comprehension and modeling of tribological phenomena occurring in a given mechanical system. In this way, instrumented microscratch test appears as an interesting option to be used in studies oriented to the Surface Engineering field. This work presents results from a series of instrumented microscratch tests performed over AISI 316 stainless steel samples with an expanded austenite layer. Plasma nitriding surface treatment was carried out during 20 h, in an active screen DC reactor under 400 ºC and atmosphere compounded by three parts of nitrogen for each part of hydrogen (3N2:1H2). The tribological behavior of the expanded austenite layer was characterized in a series of linear scratch tests. The results show that in the beginning of the scratch test the coefficient of friction was kept smaller than 0,1. When the first cracks appear the apparent coefficient of friction steadily increases, indicating that cracking of the nitrided layer lead to an increase of the coefficient of friction. Although the expanded austenite layer cracks, no adhesive failure was observed, the hardened layer being preserved during the whole scratch test.

Seit vielen Jahren wächst die Nachfrage bezüglich sparsamer Fahrzeuge; die Autohersteller konkurrieren miteinander und werben mit neuen Fahrzeugkonzepten, in denen hochmoderne Werkstoffe ihre Anwendung finden. In dieser Arbeit werden Legierungskonzepte und entsprechende Warmwalztechnologien einer ultrahochfesten bainitischen Stahlsorte mit Restaustenit vorgestellt, die der genannten Anwendung angepasst werden können. Der gewählte Werkstoff gehört zu den Stählen mit mittleren Kohlenstoffgehalten, die sich nach der - im Rahmen dieser Arbeit entwickelten - Behandlung durch hohe Zugfestigkeit bei vergleichsweise hoher Bruchdehnung auszeichnen. Es werden erweiterte Modelle zur Beschreibung der Phasenumwandlung von Stählen im Bainitgebiet vorgestellt. Die Ergebnisse aus den Experimenten wurden genutzt, um die Modelle zu ergänzen und zu evaluieren. Dabei wird nicht nur der Warmwalzprozess, sondern auch die chemische Zusammensetzung der Stähle selbst optimiert. Die hier präsentierte Arbeit erstreckt sich über die gesamte Produktionskette und zeigt geeignete Herstellungsbedingungen, die in Betriebsanlagen leicht realisierbar sind und umgesetzt wurden.

The effect of the chemical composition, austenitisation temperature and tempering temperature and time on the mechanical properties and on the ballistic performance of martensitic steel armour plates was studied. It was established in this study that the mechanical properties and the ballistic performance of martensitic steels can be optimised by controlling the chemical composition and the heat treatment parameters. However, it was observed that for a given chemical composition of the steel the heat treatment parameters to be applied to advanced ballistic performance armour plates were different from those required for higher mechanical properties. Such a contradiction rendered the relationship between mechanical properties and ballistic performance questionable. Systematic analysis of the microstructure and the fracture mechanism of some martensitic armour plate steels was carried out to explain the improved ballistic performance of steels whose mechanical properties were below that specificied for military and security applications. It was inferred from phase analysis and its quantification by X-ray diffraction, characterisation of the martensite using scanning electron microscopy, transmission electron microscopy and atomic force microscopy that the retained austenite located in the plate interfaces and on grain boundaries of the martensite was the main constituent resisting localised yielding during ballistic impact on thin steel plates. A part of the kinetic energy is transformed into adiabatic heat where a reaustenitisation of the plate martensite and the formation of new lath martensite was observed. Another part is used to elastically and plastically deform the ballistic impact affected region around the incidence point. Dislocation pile-ups at twinned plate interfaces suggest that the twin interfaces act as barriers to dislocation movement upon high velocity impact loading. The diameter of the affected regions, that determines the volume of the material deforming plastically upon impact, was found to vary as a function of the volume fraction of retained austenite in the martensitic steel. Upon impact, retained austenite transforms to martensite by Transformation Induced Plasticity, the “ TRIP ” effect. High volume fractions of retained austenite in the martensitic steel were found to yield low values of the ratio yield strength to ultimate tensile strength (YS/UTS) and a high resistance against localised yielding and, therefore, against ballistic perforation. A Ballistic Parameter was proposed for the prediction of ballistic performance using the volume fraction of retained austenite and the thickness of the armour plate as variables. Based on the martensite structure and the results of the ballistic testing of 13 armour plate steels a design methodology comprising new specifications was proposed for the manufacture of armour plates whose thicknesses may be thinner than 6mm. / Dissertation (MSc (Metallurgical Engineering))--University of Pretoria, 2007. / Materials Science and Metallurgical Engineering / unrestricted

A austenita retida está sempre presente na microestrutura de camada cementada de aços, em maior ou menor quantidade. Como é uma fase dúctil comparada à martensita, sua presença tem sido alvo de muita controvérsia. Este trabalho apresenta um estudo sobre a influência da austenita retida na propagação de trincas curtas por fadiga em camada cementada de aço SAE 8620. Foram feitos ensaios de fadiga por flexão em quatro pontos, a temperatura ambiente, em corpos de prova sem entalhe com três níveis de amplitude de tensão e razão de tensões de 0,1. Através de diferentes ciclos de cementação e tratamentos térmicos, foram obtidas camadas cementadas com quatro níveis de austenita retida na microestrutura. O teor de austenita retida foi medido através da técnica de difração de Raios-X. Trincas superficiais foram monitoradas por meio da técnica de réplicas de acetato. Como resultados foram obtidos tamanho de trinca em função do número de ciclos e taxa de crescimento de trincas curtas. Corpos de prova com maiores níveis de austenita retida apresentaram maior vida em fadiga. / The retained austenite is always present in case carburized steel microstructure in small or high percentages. Since it is a ductile phase, its presence has long been a controversial subject. The influence of retained austenite on short fatigue crack propagation in case carburized SAE 8620 steel was studied in this work. Four-point-bend fatigue tests were carried out at room temperature in specimens without notch using three levels of stress range and a stress ratio of 0.1. Four different amount of retained austenite in the case carburized microstructure were obtained through different cycles of carburizing and heat treating. The retained austenite content was measured by X-ray technique, and the surface short crack growth was monitored by means of acetate replication technique. Crack length versus number of cycles and crack growth rate versus mean crack length were obtained as results. Specimens with higher levels of retained austenite in the carburized case showed longer fatigue life.

Wear and friction are among the major problems faced in several industries such as mining industry. This creates challenges to select better materials with good wear behavior in order to improve the service life of the components. In the present project, three steel wire grades OH 70, OH 75 and OH 101 have been heat treated by quenching and partitioning heat treatment and tested using three wear testing methods. The wear tests performed were a pin-on-disc test, dry-pot test and slurry pot-test, and the results were compared with the conventional quenched and tempered steel. Tensile tests, hardness, impact Charpy tests, scanning electron microscope, optical microscope, X-ray diffraction and magnetic measurements were applied to characterize mechanical properties and microstructure of the steels before wear tests. The results showed that the quenched and partitioned steels with considerable amount of retained austenite had higher ductility and good impact toughness than the quenched and tempered steels. After the pin on disc tests, OH 75 grade showed the highest wear resistance, while the lowest wear resistance was obtained by OH 70 grade. The damage mechanisms identified after pin-on-disc were abrasion and oxidative wear. During erosive wear, almost no measurable wear was recorded under the dry pot conditions, while the slurry pot test owned significant wear mass loss. The main modes of the worn surfaces after erosive tests were ploughing and cutting. In addition, cracks were also observed.