Foram realizados ensaios de dilatometria em ligas não comerciais que apresentam microestrutura bainítica após o resfriamento contínuo. As variações de composição química foram realizadas sobre o aço destinado para construção mecânica AISI 5120 com adições de molibdênio, boro e nióbio. Os ensaios foram conduzidos no dilatômetro com atmosfera e temperatura controlada. No dilatômetro, foram aplicados resfriamentos contínuos em diferentes velocidades a partir da temperatura em que normalmente peças forjadas são reaquecidas. Tradicionalmente, a classe dos aços apresentados neste trabalho é exposta ao tratamento térmico de têmpera e revenimento e apresentam microestrutura martensítica. Com o objetivo de eliminar o tratamento térmico realizado pós conformação, foi proposto como substituição os aços bainíticos. Aços bainíticos não exigem tratamento térmico pós conformação e, apenas com a aplicação de um resfriamento controlado, é possível obter uma microestrutura que apresenta propriedades (tensão de escoamento e tenacidade) iguais ou melhoradas em relação ao material temperado e revenido. As microestruturas obtidas nas diferentes ligas resfriadas de maneira contínua foram caracterizadas de modo a estabelecer relações entre a velocidade de resfriamento e produtos formados, morfologia e fração de microconstituíntes. A caracterização microestrutural foi realizada de maneira intensiva de modo a relacionar desde propriedades magnéticas com padrões de difração de raios X das amostras para medição da fração de austenita retida. O objetivo deste trabalho foi investigar qual é a influência do molibdênio, boro e nióbio no resfriamento contínuo de aços bainíticos, bem como estabelecer o intervalo de velocidades de resfriamento em que é possível obter de maneira homogênea a estrutura bainítica. Após o resfriamento, os corpos de prova foram caracterizados por metalografia (microscopia óptica e eletrônica de varredura), dureza, saturação magnética, difração de raios x e EBSD. De fato foi verificado o efeito do molibdênio, boro e nióbio na cinética de decomposição da austenita no resfriamento contínuo e estabelecido relações entre a microestrutura obtida, velocidade de resfriamento e composição química. Foi observado também o efeito do molibdênio, boro e nióbio em evitar a transformação ferrítica para baixas velocidades de resfriamento de modo a obter uma estrutura bainítica sob um maior intervalo de resfriamento. / Dilatometry tests were carried out in a non commercial alloy that showed bainitic microstructure after continuous cooling from the austenitization temperature. The chemical composition variations were performed on a base chemical composition of a commercial steel (AISI 5120), additions were of molybdenum, boron and niobium. The tests were conducted on the dilatometer with atmosphere and temperature control. In the dilatometer, continuous cooling was carried out at different rates from the temperature in which the reheating of forged parts is usually performed. Traditionally, the steels used for this application are quenched and tempered and present a predominantly tempered martensite microstructure; bainitic steels were proposed as a substitution in order to eliminate further heat treatments after forging. The bainitic steels do not require post-conformation heat treatment: only with the application of a controlled continous cooling is possible to obtain a homogenous bainitic microstructure which has equal or improved properties (yield strength and toughness) comparing to quenched and tempered material. The microstructures obtained from the different alloys continuously cooled were characterized in order to establish relations between the cooling rate and formed products, morphology and volume fraction of phases. The microstructural characterization was carried out intensively and correlated with magnetic properties and X-ray diffraction patterns of the samples. The objectives of this work were to investigate the influence of molybdenum, boron and niobium on the continuous cooling of bainitic steels, as well as to establish the range of cooling rates needed in order to obtain an homogeneous bainitic structure. After cooling, the specimens were characterized by metallography (optical and scanning electron microscopy), hardness, magnetic saturation, x-ray diffraction and EBSD. The effect of molybdenum, boron and niobium on the kinetics of austenite decomposition in the continuous cooling was verified and relationships established between the microstructure, cooling rate and chemical composition. It was also observed the effect of molybdenum, boron and niobium in avoiding ferritic transformation at low cooling rates in order to obtain a bainitic structure under a longer cooling interval.

Diversos componentes mecânicos como engrenagens, rolamentos, cilindros de laminação, trilhos e rodas de trem sofrem uma determinada solicitação conhecida por fadiga de contato, que consiste em uma solicitação causada pela tensão gerada entre o contato de dois corpos sob a ação de uma carga cíclica. Este trabalho teve como objetivo avaliar a resistência a esta solicitação para um aço ferramenta com microestruturas martensíticas e bainíticas. Para isto, foi utilizado um equipamento na configuração esfera contra plano, onde as esferas foram confeccionadas em material comercial ABNT 52100 e os discos em aço ferramenta tratados termicamente para obtenção de microestruturas martensíticas e bainíticas. Os ensaios foram realizados com a aplicação de uma pressão máxima de contato de 4,8 GPa até que ocorresse a falha por microlascamento da superfície do disco. Os resultados de vida em fadiga destes materiais foram apresentados por uma distribuição de Weibull que demonstraram uma maior resistência do material bainítico. Os resultados apresentados para ambas as microestruturas demonstraram que as falhas se iniciaram predominantemente na sub-superfície, atendendo as premissas iniciais do trabalho que buscava uma baixa ocorrência de falhas superficiais prematuras ocasionadas por possíveis inclusões, defeitos ou poros superficiais que agiriam como um concentrador de tensões, levando a uma falha antes que efetivamente as características físicas e metalúrgicas das microestruturas sejam testadas. / Several mechanical components such as gears, bearings, rolling mill rolls, rails and train wheels suffer a particular request known to contact fatigue, which consists of a request caused by the tension generated between the contact of two bodies subjected to a cyclic loading. This study aimed to evaluate the resistance to this request for tool steel with bainitic and martensitic microstructures. For this, was used a machine in the configuration ball against flat washer, where balls were made of commercial material ABNT 52100 and flat washer in tool steel heat-treated to obtain martensitic and bainitic microstructures. The tests were performed by applying a maximum contact pressure of 4.8 GPa until the failure by micro-spalling on the disk surface or subsurface. The results of the fatigue life of those materials were presented by a Weibull distribution that showed a better resistance to the bainitic material to this request. The results presented for both microstructures showed that the failures were initiated predominantly sub-surface, given the initial goals of the work, as evidenced by the low occurrence of premature superficial failures possibly caused by inclusions, pores or surface defects that would act as a stress concentrator leading to a premature failure before the physical and metallurgical microstructures characteristics were really tested.

Diversos componentes mecânicos como engrenagens, rolamentos, cilindros de laminação, trilhos e rodas de trem sofrem uma determinada solicitação conhecida por fadiga de contato, que consiste em uma solicitação causada pela tensão gerada entre o contato de dois corpos sob a ação de uma carga cíclica. Este trabalho teve como objetivo avaliar a resistência a esta solicitação para um aço ferramenta com microestruturas martensíticas e bainíticas. Para isto, foi utilizado um equipamento na configuração esfera contra plano, onde as esferas foram confeccionadas em material comercial ABNT 52100 e os discos em aço ferramenta tratados termicamente para obtenção de microestruturas martensíticas e bainíticas. Os ensaios foram realizados com a aplicação de uma pressão máxima de contato de 4,8 GPa até que ocorresse a falha por microlascamento da superfície do disco. Os resultados de vida em fadiga destes materiais foram apresentados por uma distribuição de Weibull que demonstraram uma maior resistência do material bainítico. Os resultados apresentados para ambas as microestruturas demonstraram que as falhas se iniciaram predominantemente na sub-superfície, atendendo as premissas iniciais do trabalho que buscava uma baixa ocorrência de falhas superficiais prematuras ocasionadas por possíveis inclusões, defeitos ou poros superficiais que agiriam como um concentrador de tensões, levando a uma falha antes que efetivamente as características físicas e metalúrgicas das microestruturas sejam testadas. / Several mechanical components such as gears, bearings, rolling mill rolls, rails and train wheels suffer a particular request known to contact fatigue, which consists of a request caused by the tension generated between the contact of two bodies subjected to a cyclic loading. This study aimed to evaluate the resistance to this request for tool steel with bainitic and martensitic microstructures. For this, was used a machine in the configuration ball against flat washer, where balls were made of commercial material ABNT 52100 and flat washer in tool steel heat-treated to obtain martensitic and bainitic microstructures. The tests were performed by applying a maximum contact pressure of 4.8 GPa until the failure by micro-spalling on the disk surface or subsurface. The results of the fatigue life of those materials were presented by a Weibull distribution that showed a better resistance to the bainitic material to this request. The results presented for both microstructures showed that the failures were initiated predominantly sub-surface, given the initial goals of the work, as evidenced by the low occurrence of premature superficial failures possibly caused by inclusions, pores or surface defects that would act as a stress concentrator leading to a premature failure before the physical and metallurgical microstructures characteristics were really tested.

Foram realizados ensaios de dilatometria em ligas não comerciais que apresentam microestrutura bainítica após o resfriamento contínuo. As variações de composição química foram realizadas sobre o aço destinado para construção mecânica AISI 5120 com adições de molibdênio, boro e nióbio. Os ensaios foram conduzidos no dilatômetro com atmosfera e temperatura controlada. No dilatômetro, foram aplicados resfriamentos contínuos em diferentes velocidades a partir da temperatura em que normalmente peças forjadas são reaquecidas. Tradicionalmente, a classe dos aços apresentados neste trabalho é exposta ao tratamento térmico de têmpera e revenimento e apresentam microestrutura martensítica. Com o objetivo de eliminar o tratamento térmico realizado pós conformação, foi proposto como substituição os aços bainíticos. Aços bainíticos não exigem tratamento térmico pós conformação e, apenas com a aplicação de um resfriamento controlado, é possível obter uma microestrutura que apresenta propriedades (tensão de escoamento e tenacidade) iguais ou melhoradas em relação ao material temperado e revenido. As microestruturas obtidas nas diferentes ligas resfriadas de maneira contínua foram caracterizadas de modo a estabelecer relações entre a velocidade de resfriamento e produtos formados, morfologia e fração de microconstituíntes. A caracterização microestrutural foi realizada de maneira intensiva de modo a relacionar desde propriedades magnéticas com padrões de difração de raios X das amostras para medição da fração de austenita retida. O objetivo deste trabalho foi investigar qual é a influência do molibdênio, boro e nióbio no resfriamento contínuo de aços bainíticos, bem como estabelecer o intervalo de velocidades de resfriamento em que é possível obter de maneira homogênea a estrutura bainítica. Após o resfriamento, os corpos de prova foram caracterizados por metalografia (microscopia óptica e eletrônica de varredura), dureza, saturação magnética, difração de raios x e EBSD. De fato foi verificado o efeito do molibdênio, boro e nióbio na cinética de decomposição da austenita no resfriamento contínuo e estabelecido relações entre a microestrutura obtida, velocidade de resfriamento e composição química. Foi observado também o efeito do molibdênio, boro e nióbio em evitar a transformação ferrítica para baixas velocidades de resfriamento de modo a obter uma estrutura bainítica sob um maior intervalo de resfriamento. / Dilatometry tests were carried out in a non commercial alloy that showed bainitic microstructure after continuous cooling from the austenitization temperature. The chemical composition variations were performed on a base chemical composition of a commercial steel (AISI 5120), additions were of molybdenum, boron and niobium. The tests were conducted on the dilatometer with atmosphere and temperature control. In the dilatometer, continuous cooling was carried out at different rates from the temperature in which the reheating of forged parts is usually performed. Traditionally, the steels used for this application are quenched and tempered and present a predominantly tempered martensite microstructure; bainitic steels were proposed as a substitution in order to eliminate further heat treatments after forging. The bainitic steels do not require post-conformation heat treatment: only with the application of a controlled continous cooling is possible to obtain a homogenous bainitic microstructure which has equal or improved properties (yield strength and toughness) comparing to quenched and tempered material. The microstructures obtained from the different alloys continuously cooled were characterized in order to establish relations between the cooling rate and formed products, morphology and volume fraction of phases. The microstructural characterization was carried out intensively and correlated with magnetic properties and X-ray diffraction patterns of the samples. The objectives of this work were to investigate the influence of molybdenum, boron and niobium on the continuous cooling of bainitic steels, as well as to establish the range of cooling rates needed in order to obtain an homogeneous bainitic structure. After cooling, the specimens were characterized by metallography (optical and scanning electron microscopy), hardness, magnetic saturation, x-ray diffraction and EBSD. The effect of molybdenum, boron and niobium on the kinetics of austenite decomposition in the continuous cooling was verified and relationships established between the microstructure, cooling rate and chemical composition. It was also observed the effect of molybdenum, boron and niobium in avoiding ferritic transformation at low cooling rates in order to obtain a bainitic structure under a longer cooling interval.

Made available in DSpace on 2017-07-21T20:43:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ludiere Lucas Toldo Boneti.pdf: 5901766 bytes, checksum: 4f1a93e8f2d24f82e2576b7891703690 (MD5) Previous issue date: 2014-08-29 / The present study aimed to evaluate the influence of the austempering heat treatment parameters on microstructure and mechanical properties of a ductile cast iron produced in industrial conditions, containing 3.59% carbon, 2.68% silicon, 0.46% copper (in wt%) and a carbon equivalent of 4.50%. The material was produced in a foundry located in the southwest region of Parana state, Brazil. The specimens were obtained by casting the alloy into Y-block molds. The austempering heat treatments consisted of pre-heating at 500°C, followed by austenitizing step at 870°C, 900°C and 930°C during 60 minutes. Austempering was carried out in molten metal baths at temperatures of 300°C and 370°C for 30 minutes. Microstructural characterization was carried out by light optical microscopy (LOM) with image analysis, scanning electron microscopy (SEM-FEG) and X-ray diffraction with Rietveld refinement. The mechanical properties were evaluated by tensile and Vickers hardness tests. The as-cast microstructure displayed a very heterogeneous microstructure, characterized by the presence of regions with graphite flotation and carbide containing intercellular regions. The graphite nodules showed low nodularity, of 85%, which was attributed to the fading effect of magnesium alloy. Austempered samples were characterized by the presence of bainitic ferrite, interspersed with retained austenite in films and blocks. The austempering at 300°C resulted in a finer microstructure containing smaller volume fractions of retained austenite. All heat treated samples displayed transformation gradients between graphite flotation and intercellular regions. These gradients affected the mechanical properties, as well as the fracture characteristics. The best results of mechanical properties were obtained in the specimen austenitized at 900°C followed by austempering at 300°C, allowing the ADI produced to fit into a high strength class, according to ASTM A897. The study of fracture surfaces showed a sharp transition between graphite flotation and intercellular regions. The fracture at the vicinity of graphite nodules have occurred by a ductile mechanism, characterized by dimples. It was observed a rapid transition to the cleavage mode at intercellular regions, containing solidification carbides. / O presente trabalho teve como objetivo avaliar a influência dos parâmetros de tratamento térmico de austêmpera na microestrutura e nas propriedades mecânicas de tração e dureza, em uma liga de ferro fundido nodular produzida em condições industriais. A liga em estudo possui de teor de carbono de 3,59%, silício de 2,68% e adições de 0,46% de cobre, possuindo ainda um carbono equivalente de 4,50%. O material foi produzido em condições industriais, em uma fundição localizada no sudoeste do estado do Paraná. Os corpos de prova para retirada de amostras foram obtidos pelo vazamento da liga em moldes de blocos Y. Os tratamentos térmicos de austêmpera consistiram de pré-aquecimento a 500°C, seguido da etapa de austenitização a 870°C, 900°C e 930°C, por um tempo fixo de 60 minutos. A etapa de austêmpera foi realizada em banhos de metais fundidos, em temperaturas de 300°C e 370°C, durante 30 minutos. A caracterização microestrutural de amostras foi realizada pelas técnicas de microscopia ótica, com análise de imagens, microscopia eletrônica de varredura e difração de raios X, com refinamento pelo método de Rietveld. As propriedades mecânicas foram avaliadas por meio de ensaios de tração e dureza Vickers. A liga no estado bruto de fundição apresentou microestrutura bastante heterogênea, caracterizada pela presença de regiões com flotação de grafita e regiões intercelulares contendo carbetos de solidificação. Os nódulos de grafita apresentaram baixo grau de nodularização, de 85%, resultado que foi atribuído ao efeito de fadiga térmica da liga nodularizante. A microestrutura de amostras austemperadas foi caracterizada pela presença de agrupamentos de feixes de ripas de ferrita bainítica, entremeadas por austenita retida, na forma de filmes e blocos. A austêmpera a 300°C produziu microestruturas mais refinadas e com menores frações volumétricas de austenita retida. Em todas as amostras tratadas termicamente, foi observado um gradiente de transformação entre as regiões de flotação de grafita e regiões intercelulares. Estes gradientes afetaram tanto os resultados de propriedades mecânicas, como as características de fratura dos corpos de prova. Os melhores resultados de propriedades mecânicas foram obtidos para a condição de austenitização a 900°C seguida de austêmpera, permitindo enquadrar o ADI em uma classe de alta resistência, segundo a norma ASTM A897. As análises das superfícies de fratura dos corpos de prova de tração mostraram uma mudança nas características de fratura entre as regiões de flotação de grafita e as regiões intercelulares. Nas proximidades dos nódulos de grafita houve predominância do mecanismo de fratura dúctil, caracterizada pela presença de cavidades alveolares (“dimples”), com rápida transição para o modo de fratura por clivagem nas regiões com baixos números de nódulos de grafita, contendo carbetos de solidificação.

Made available in DSpace on 2016-03-15T19:36:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ricardo Mazziero Quartarolo.pdf: 8600660 bytes, checksum: 6058bd2a64c8a23a963ef69194501521 (MD5) Previous issue date: 2015-11-30 / Increasing the energy efficiency of internal combustion engines manufactured for light vehicles is a growing demand from society due to the importance of the transport sector in relation to emissions of greenhouse gases. In a move led by the developed countries of Europe, regulatory agencies have been imposing aggressive emission reduction targets for new cars. The reduction of the mechanical losses caused by friction between engine components through the development of new technologies and materials is mandatory for the most industries involved in the manufacture of engines. The piston rings are responsible for much of the losses due to their adverse operating conditions within the combustion chamber. The interaction between the rings and the cylinder is decisive in determining beyond the mechanical friction losses, wear of the assembly, oil consumption and power. The improvement of mechanical properties of piston rings by heat treatment is an important alternative to reduce friction. The reduction of tangential force is especially important in the rings of the second channel, although they are known as scraper rings, in practice its main function is to stabilize the piston and prevent compression ring floating and consequently the flow of combustion gases into the crankcase. Results suggest that bainitic microstructure, obtained by austempering of the piston rings made from gray cast iron enables the reduction of their tangential force. This reduction has a positive relationship with the engine operating temperature exposure time as found in simulations carried out at constant temperature and logarithmic timescale. / O aumento da eficiência energética dos motores de combustão interna utilizados por automóveis leves é uma demanda crescente da sociedade, devido à representatividade do setor de transporte em relação às emissões dos gases do efeito estufa. Em um movimento liderado pelos países desenvolvidos da Europa, as agências reguladoras vêm impondo metas agressivas de redução de emissões para automóveis novos. A redução das perdas mecânicas geradas pelo atrito entre os componentes do motor através do desenvolvimento de novas tecnologias e materiais é mandatório entre a maior parte das indústrias envolvidas na fabricação de motores. Os anéis de pistão são responsáveis por grande parte dessas perdas, devido às suas condições de operação adversas dentro da câmara de combustão. A interação entre os anéis e o cilindro é decisiva para determinar além das perdas mecânicas por atrito, o desgaste do conjunto, consumo de óleo e potência. A modificação das propriedades mecânicas dos anéis de pistão através de tratamento térmico é uma alternativa importante para reduzir o atrito. Esse efeito é especialmente importante nos anéis de segunda canaleta, que apesar de serem considerados anéis raspadores, na prática tem como principal função estabilizar o conjunto e evitar a flutuação do anel de compressão e consequentemente a passagem de gases de combustão para o cárter. Os resultados sugerem que a microestrutura bainítica, obtida através da austêmpera dos anéis de pistão fabricados a partir de ferro fundido cinzento possibilita a redução da força tangencial, sendo que essa redução apresenta uma relação positiva com o tempo de exposição à temperatura de trabalho do motor conforme constatado em simulações realizadas à temperatura constante e escala logarítmica de tempo.