Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor em Engenharia Metalúrgica, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Prof. Doutor H. Maia F. e Costa

As três famílias de ligas de maior importância comercial para a indústria de fundição apresentam a formação de eutéticos do tipo facetado/não-facetado durante a solidificação: os ferros fundidos com grafita (eutético austenita/grafita), os ferros fundidos brancos (eutético austenita/carboneto) e as ligas Al-Si (eutético alfa/silício). No caso dos ferros fundidos brancos, a morfologia dos carbonetos eutéticos exerce influência decisiva sobre o comportamento mecânico e a resistência à degradação (em função de solicitações como abrasão ou ciclos térmicos e/ou mecânicos) das ligas resistentes a desgaste pertencentes ao sistema Fe-C-X (em que X representa um ou mais dos elementos Cr, V, Mo, W e, mais raramente, Nb). Investigou-se o efeito do potencial nucleante do banho metálico sobre o eutético de ligas do sistema Fe-C-V, e conseqüentemente sobre a morfologia do carboneto. As alterações de morfologia do eutético austentita/carboneto VC em função da adição de alumínio ou titânio foram avaliadas por meio de microscopias óptica e eletrônica de varredura. Observou-se que a adição de alumínio ou titânio, em ligas com teores residuais de oxigênio ou nitrogênio, promoveu alteração do eutético VC de irregular para fibroso (no caso da adição de alumínio) e para divorciado (no caso da adição de titânio). Conclui-se que a presença de partículas nucleantes induziu a nucleação seletiva da fase facetada (carboneto VC) a temperaturas mais elevadas, diminuindo o grau de cooperação durante o crescimento do eutético. / The three most commercially important families of alloys for the foundry industry show the formation of faceted/non-faceted eutectics type during solidification: cast irons with graphite (austenite/graphite eutectic), white cast irons (austenite/carbide eutectic) and Al-Si alloys (alfa/silicon eutectic). In the case of white cast irons, the eutectic carbide morphology has decisive influence on mechanical behavior and on degradation resistance (due to solicitation such as abrasion or thermal and/or mechanical cycling) of wearing resistant alloys of the Fe-C-X system (where X stands for one or more of the following elements: Cr, V, Mo, W and, seldom, Nb). The metallic bath nucleant potential on the eutectic of the Fe-C-V system and, thus, on the carbide morphology, were investigated. It was evaluated the nucleant potential for aluminum and titanium addition to the bath. The morphologies changes for the austenite/carbide eutectic were evaluated by optical and scanning electronic microscopy. It was observed that aluminum or titanium addition in alloys with residual content of oxygen or nitrogen promoted VC eutectic morphology change from irregular to fibrous (when aluminum is added) and to divorced (when titanium is added). It is concluded that the presence of nucleant agents in the metallic bath induced the preferred nucleation of the faceted phase at higher temperatures, decreasing the cooperation during the eutectic growth.

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor em Engenharia Metalúrgica, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação dos Prof. Doutores H. Maia e Costa e M. Allibert

Submitted by Stéfany Moreira (stemellra@yahoo.com.br) on 2013-03-11T12:59:05Z No. of bitstreams: 1 DISSERTAÇÃO_AvaliaçãoAmaciamentoAço.pdf: 15774852 bytes, checksum: 6be0334d33747343a4d5a08e709a58ae (MD5) / Approved for entry into archive by Neide Nativa (neide@sisbin.ufop.br) on 2013-03-13T19:42:30Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DISSERTAÇÃO_AvaliaçãoAmaciamentoAço.pdf: 15774852 bytes, checksum: 6be0334d33747343a4d5a08e709a58ae (MD5) / Made available in DSpace on 2013-03-13T19:42:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DISSERTAÇÃO_AvaliaçãoAmaciamentoAço.pdf: 15774852 bytes, checksum: 6be0334d33747343a4d5a08e709a58ae (MD5) Previous issue date: 2008 / As mudanças no comportamento de amaciamento que ocorrem durante a deformação a quente de aços inoxidáveis ferríticos tipo ABNT 430 foram analisadas por meio de simulação de laminação por ensaios de torção a quente, objetivando a obtenção de microestrutura adequada para as etapas de estampagem. Corpos-de-prova para ensaio de torção foram usinados a partir de uma chapa do aço inoxidável do tipo ABNT 430 retirada após laminação de desbaste. Ensaios de torção em resfriamento contínuo foram realizados em uma máquina universal de ensaios mecânicos. O aquecimento dos corpos-de-prova foi realizado por uma bobina de indução eletromagnética acoplada a uma fonte com controlador programável. Uma atmosfera de proteção composta por argônio e nitrogênio na proporção de 85/15 foi utilizada com a finalidade de evitar a oxidação e reduzir a desnitretação da amostra. Um ciclo de visão geral foi feito para a determinação das temperaturas de mudança de comportamento de amaciamento através do ajuste da curva de tensão média de torção em função do inverso da temperatura. Os corpos-de-prova foram aquecidos até 1200°C a uma velocidade de 2°C/s e mantidos nesta temperatura por 120s, antes do resfriamento a 1°C/s. A partir de 1170°C foram aplicados passes de deformação equivalente de 0,2 a cada intervalo de 30°C até a temperatura final de 690°C. As temperaturas de mudança de comportamento de amaciamento determinadas foram aproximadamente 850°C e a 1000°C. Ensaios interrompidos foram então realizados em temperaturas no intervalo de 1050°C a 810°C. Ao término de cada ensaio o corpo-de-prova foi submetido a resfriamento rápido com CO2 e sua microestrutura foi analisada por microscopia óptica com luz polarizada. Em seguida foram realizados ensaios com mesmo ciclo aquecimento e resfriamento e aplicada a deformação equivalente de 1,0 em passe único nas temperaturas de 1080, 930 e 840°C. As micrografias das amostras de múltiplos passes, associadas às medidas de dureza confirmaram a existência de duas temperaturas de ocorrência de mecanismos de amaciamento distintos. Nas amostras dos ensaios de passes simples, foi observado recristalização naquelas deformadas em 840 e 930°C, e recuperação e contornos de subgrãos na amostra deformada em 1080°C. A recristalização do aço inoxidável ABNT 430 pode ocorrer na faixa de temperatura de aproximadamente 850 a 1000°C, para temperaturas acima desta faixa a recuperação é o mecanismo de amaciamento predominante. __________________________________________________________________________________________ / ABSTRACT: The softening behavior changes that occur during hot deformation of ABNT 430 ferritic stainless steels were analyzed by hot rolling simulation using torsion tests aiming at achieving better microstructure for drawing process. Torsion specimens were machined from hot rolled plates 28mm in thickness after roughing mill. Interrupted deformation torsion tests were performed during continuous cooling. Tests were carried out in an electro-mechanical Instron 1125 universal testing computer controlled machine. The specimens were heated in an induction heating system. They were protected from oxidation as well as loss of N2 by a gas mixture of Ar plus N2 in the ratio of 85/15. A cycle of general vision was made for the temperatures determination of change in softening behavior of the steel through the adjustment of the curve of torsional mean stress in function of the inverse of the temperature. Specimens were first heated up to 1200°C with a rate of 2°C/s and held at this temperature for 120s. The samples were then cooled down at a constant rate of 1°C/s. During cooling, deformations of equivalent strain of 0.2 were applied to the specimens at a strain rate 0.3s-1. The first deformation was applied at 1170°C and the others with an interval of 30°C from each other. The last deformation was applied at 690°C. The temperatures of change of softening behavior had been determined at approximately 850°C and 1000°C. Interrupted torsion tests were performed in temperatures in the interval of 1050°C to 810°C. At the end of each assay the sample was submitted to fast cooling with CO2 and its microstructure was analyzed by optic microscopy with polarized light and microhardness measurements. Torsion tests with same heating and cooling cycle were carried through applying the equivalent deformation of 1.0 in only one pass, in the temperatures of 1080, 930 and 840°C. The micrographs of the samples of multiple passes, associated to the measurements of microhardness confirmed the existence of two temperatures of occurrence of distinct mechanisms of softening. In the single pass tests, recrystallization was observed in the samples deformed at 840 and 930°C, and recovery and subgrain boundaries in the sample deformed at 1080°C. The recrystallization of stainless steel ABNT 430 can occur approximately in the temperature range of 850 to 1000°C. For temperatures above of these values recovery is the predominant softening mechanism.

As três famílias de ligas de maior importância comercial para a indústria de fundição apresentam a formação de eutéticos do tipo facetado/não-facetado durante a solidificação: os ferros fundidos com grafita (eutético austenita/grafita), os ferros fundidos brancos (eutético austenita/carboneto) e as ligas Al-Si (eutético alfa/silício). No caso dos ferros fundidos brancos, a morfologia dos carbonetos eutéticos exerce influência decisiva sobre o comportamento mecânico e a resistência à degradação (em função de solicitações como abrasão ou ciclos térmicos e/ou mecânicos) das ligas resistentes a desgaste pertencentes ao sistema Fe-C-X (em que X representa um ou mais dos elementos Cr, V, Mo, W e, mais raramente, Nb). Investigou-se o efeito do potencial nucleante do banho metálico sobre o eutético de ligas do sistema Fe-C-V, e conseqüentemente sobre a morfologia do carboneto. As alterações de morfologia do eutético austentita/carboneto VC em função da adição de alumínio ou titânio foram avaliadas por meio de microscopias óptica e eletrônica de varredura. Observou-se que a adição de alumínio ou titânio, em ligas com teores residuais de oxigênio ou nitrogênio, promoveu alteração do eutético VC de irregular para fibroso (no caso da adição de alumínio) e para divorciado (no caso da adição de titânio). Conclui-se que a presença de partículas nucleantes induziu a nucleação seletiva da fase facetada (carboneto VC) a temperaturas mais elevadas, diminuindo o grau de cooperação durante o crescimento do eutético. / The three most commercially important families of alloys for the foundry industry show the formation of faceted/non-faceted eutectics type during solidification: cast irons with graphite (austenite/graphite eutectic), white cast irons (austenite/carbide eutectic) and Al-Si alloys (alfa/silicon eutectic). In the case of white cast irons, the eutectic carbide morphology has decisive influence on mechanical behavior and on degradation resistance (due to solicitation such as abrasion or thermal and/or mechanical cycling) of wearing resistant alloys of the Fe-C-X system (where X stands for one or more of the following elements: Cr, V, Mo, W and, seldom, Nb). The metallic bath nucleant potential on the eutectic of the Fe-C-V system and, thus, on the carbide morphology, were investigated. It was evaluated the nucleant potential for aluminum and titanium addition to the bath. The morphologies changes for the austenite/carbide eutectic were evaluated by optical and scanning electronic microscopy. It was observed that aluminum or titanium addition in alloys with residual content of oxygen or nitrogen promoted VC eutectic morphology change from irregular to fibrous (when aluminum is added) and to divorced (when titanium is added). It is concluded that the presence of nucleant agents in the metallic bath induced the preferred nucleation of the faceted phase at higher temperatures, decreasing the cooperation during the eutectic growth.

O presente trabalho tem como objetivo avaliar o comportamento quanto à corrosão do aço 300M em contato com 1,1,1-tricloroetano nas diversas condições de seu uso, tanto na ausência como na presença de água como impureza. O aço 300M é utilizado na fabricação de um dos componentes do Veículo Lançador de Satélites (VLS) denominado envelope motor. Diversos ensaios gravimétricos foram realizados simulando as condições quando o aço 300M é submetido à limpeza superficial pela ação de 1,1,1-tricloroetano, que é impelido, sob pressão, em direção às paredes internas do envelope motor à temperatura de ebulição do solvente. Dessa forma, a superfície do aço fica exposta à ação das fases líquida, vapor e líquida condensada do hidrocarboneto clorado. De conformidade com alguns trabalhos existentes na literatura que se referem a outros metais ou tipos de aço diferentes daquele utilizado neste trablaho, foi constatado que, no meio contendo apenas 1,1,1-tricloroetano, o aço 300M praticamente não sofreu corrosão, tanto na fase líquida como na fase de vapor. Entretanto, comportamento diverso foi observado quando a água estava presente no meio sendo constatado aumento da velocidade de corrosão do aço 300M em função da quantidade crescente de água. Outra constatação foi a de que o processo de corrosão ocorria na fase aquosa enquanto a fase orgânica pura não produzia qualquer perturbação à superfície do metal imerso e em contato com as duas fases. Foi observado, também, a existência de um tempo de "incubação" para a ocorrência do processo de corrosão, tempo esse que pode ser interpretado como sendo necessário para que fosse atingida uma concentração suficiente de HCl produzido na fase aquosa.

Tese de mestrado. Engenharia Metalúrgica e de Materiais - especialização em Fundição. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 1998

Submitted by Stéfany Moreira (stemellra@yahoo.com.br) on 2013-03-08T13:53:17Z No. of bitstreams: 1 DISSERTAÇÃO_InfluênciaGrauDeformação.pdf: 18295639 bytes, checksum: 53f500515e5f55f15506a44ca75b05c0 (MD5) / Approved for entry into archive by Neide Nativa (neide@sisbin.ufop.br) on 2013-03-13T17:51:33Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DISSERTAÇÃO_InfluênciaGrauDeformação.pdf: 18295639 bytes, checksum: 53f500515e5f55f15506a44ca75b05c0 (MD5) / Made available in DSpace on 2013-03-13T17:51:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DISSERTAÇÃO_InfluênciaGrauDeformação.pdf: 18295639 bytes, checksum: 53f500515e5f55f15506a44ca75b05c0 (MD5) Previous issue date: 2005 / Nesse trabalho, o crescimento de trinca da/dN x ΔK foi estudado em dois aços bifásicos largamente usados na indústria automotiva, com cerca de 8% a 12% de fração volumétrica de martensita. A principal diferença entre esses aços é a composição química. Um dos aços tem adições de cromo enquanto o outro tem silício como elemento de liga. Além da composição química, o efeito de 10% de pré-deformação e tratamento térmico de “Baking Hardening” na resistência à fadiga foi verificado. Os aços bifásicos têm mostrado recentemente excelente resistência ao crescimento de trinca por fadiga, particularmente a baixas taxas de crescimento, perto do fator limiar de intensidade de tensão (ΔKTh), abaixo do qual as trincas permanecem paradas (latentes). Essa resistência depende da microestrutura do aço e é atribuida primeiramente à morfologia do caminho percorrido pela trinca e associação com efeitos de fechamento de trinca. Corpos-de-prova do tipo C(T) com 3,85mm de espessura e 50mm de largura na orientação T-L foram usados nos experimentos. A freqüência de ensaio foi de 30Hz e os experimentos foram realizados ao ar (aproximadamente 25ºC, R.H.=60%), e razão entre tensões R, de 0,1. Os resultados mostraram que os dois aços têm comportamento similar na resistência ao crescimento de trinca por fadiga. Não foi notado um efeito significante do tratamento mecânico e térmico nos dois aços, o que representa um resultado prático bastante interessante, pois esses tratamentos fazem parte do processo de fabricação das rodas. Modelos matemáticos de previsão de vida em fadiga por equações de Paris, Forman, Priddle, Collipriest, Elber e Hall, foram empregados, e os resultados experimentais mostraram uma boa concordância com os mesmos na região II. Desses modelos o que melhor se ajustou aos resultados experimentais foi o de Priddle. Os outros modelos apresentam uma característica menos conservativa na região do ΔKth que o de Priddle, o que torna esse modelo mais interessante se redução de peso e custos forem objetivos do projeto. __________________________________________________________________________________________ / ABSTRACT: In this work, fatigue crack growth da/dN x ΔK has been studied in two dual-phase steels broadly used in the automotive industry, with, approximately, 8% to 12% of martensite volumetric fraction. The main difference between the steels is the chemical composition: one of the steels has chromium additions while the other has silicon as an alloy element. Besides the chemical composition, the effect of 10% of predeformation and a bake hardening heat treatment in the resistance to fatigue were verified. Dual-phase steels have been shown recently to display excellent resistance to fatigue crack growth, particularly at low growth rates approaching the threshold stress intensity range (ΔKth) below which long cracks remain dormant. Such resistance depends on the microstructure of the steel and is attributed primarily to meandering crack path morphology and associated crack closure effects. C(T) specimens with 3.85mm thickness and 50mm width in T-L orientation were used for the experiments. Testing frequency was 30Hz. The experiments were performed in ambient air (approximately 25oC, R.H. = 60%), at R stress ratio of 0.1. Results showed that the two steels present a similar behavior in fatigue crack growth resistance. It was not noticed significant effect of the mechanical and heat treatments in both steels. This is a very interesting practical result, because these treatments are part of the industrial process. Mathematical Models of Paris, Forman, Priddle, Collipriest, Elber and Hall were used and the experimental results showed a good agreement with them in region II. The best fitness in the results is Priddle. The others models presents a less conservative characteristic at ΔKth region in relation to the Priddle model, This reason becomes this model interesting if weight and costs reduction are important on the project.

Submitted by Stéfany Moreira (stemellra@yahoo.com.br) on 2013-03-06T15:24:59Z No. of bitstreams: 1 DISSERTAÇÃO_ModelagemFísicaComputacional.pdf: 5854982 bytes, checksum: ecfcddf347c34239247952670bdbdf8f (MD5) / Approved for entry into archive by Neide Nativa (neide@sisbin.ufop.br) on 2013-03-13T21:54:50Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DISSERTAÇÃO_ModelagemFísicaComputacional.pdf: 5854982 bytes, checksum: ecfcddf347c34239247952670bdbdf8f (MD5) / Made available in DSpace on 2013-03-13T21:54:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DISSERTAÇÃO_ModelagemFísicaComputacional.pdf: 5854982 bytes, checksum: ecfcddf347c34239247952670bdbdf8f (MD5) Previous issue date: 2011 / Devido ao aumento das exigências de qualidades dos aços, as empresas siderúrgicas têm melhorado continuamente seus processos e produtos. Os aços “clean steel”, são exemplos de produtos desenvolvidos para atender a um nível superior de qualidade. “Clean Steel” ou aço limpo pode significar menor número de impurezas ou residuais (Cu, Sn, por exemplos) e baixos níveis de inclusão. A homogeneização do banho, através da agitação do aço líquido, é um fator importante durante o processo siderúrgico, já que a homogeneização térmica e da composição química é um dos requisitos crítico do processo. A fim de minimizar os efeitos negativos das inclusões pode-se melhorar a taxa de remoção destas durante o refino secundário do aço e/ou modificar a morfologia e composição das inclusões. A remoção de inclusões está relacionada a fenômenos de fluxo. Assim, este trabalho é baseado em duas abordagens principais: 1 - Estudar o comportamento fluidodinâmico do aço líquido em uma panela de aciaria com injeção de gás inerte. Modelagem física e matemática (CFD) foram empregadas para avaliar a influência da taxa de injeção e da distribuição do gás, além da posição do plugue poroso sobre o campo de velocidade. O modelo numérico – CFD, foi validado pelas medições realizadas via “Particle Image Velocimetry” (PIV). 2 - A evolução do teor de inclusão de um aço acalmado ao alumínio foi avaliada através das análises de TOS e MEV. Como resultado, foi desenvolvido um modelo macroscópico para prever a remoção de inclusão com base nos mecanismos de Saffman & Turner e de Stokes. Ao final, evidenciou-se a influência de parâmetros operacionais, como vazão de gás injetado e tempo de tratamento, na flotação de inclusões não metálicas. A condição e vazão de 33,5 Nm3/h foi mais eficiente na remoção de inclusões, e as inclusões remanescentes eram menores nesta condição. Observou-se aumento da homogeneização do banho com a adição de mais um plugue poroso, com queda de 9% no tempo de mistura, quando se divide a mesma vazão de gás simetricamente entre os dois plugues. E o modelo matemático proposto mostrouse eficiente para descrever esse processo industrial. __________________________________________________________________________________________ / ABSTRACT: Due to increasing steel quality requirements steelmaking companies have been continuously improving their processes and products. Clean steel is an example of a product developed for better quality. Clean steel could mean either lower impurity (Cu, Sn as examples) amount or lower inclusionary levels. Stirring of liquid steel is an important step during the steelmaking process since achieving chemical composition and temperature homogenization is a critical requirement. In order to minimize the negative effects of inclusions, one may is improve the rate of inclusions removal during the secondary refining of molten steel and modify the inclusions morphology and chemical composition. Inclusion removal is related to flow phenomena. Thus this work is based on two main approaches: 1 – Studying the fluid dynamic behavior of liquid steel in a ladle fitted with inert gas injection. Physical and mathematical modeling (CFD) have been employed to assess the influence of gas flow rate and gas distribution, nozzle position on the velocity field. CFD modeling was validated by Particle Image Velocimetry (PIV) measurements. 2 – The evolution of inclusion content of a given aluminum killed steel has been followed using techniques such as TOS, SEM. As a result a macroscopic model for inclusion removal based on Saffman & Turner and Stokes mechanisms have been developed. As a conclusion, the influence of operating parameters such as flow rate of gas injected and treatment time, in the flotation of non-metallic inclusions, was observed. The gas flow rate of 33.5 Nm3/h was more efficient in removal non-metallic inclusions, and the remaining inclusions were smaller in this condition. There was an increase of the bath homogenization with the addition of a more porous plug. The mixing time down in 9%, when it shares the same gas flow rate symmetrically between the two plugs. And the mathematical model was shown to be efficient to describe this industrially process.

Submitted by Stéfany Moreira (stemellra@yahoo.com.br) on 2013-03-06T17:04:00Z No. of bitstreams: 1 DISEERTAÇÃO_EffectAdditionsFormation.pdf: 2939704 bytes, checksum: b8574d6fa25523b2dad22c94e5d4a45b (MD5) / Approved for entry into archive by Neide Nativa (neide@sisbin.ufop.br) on 2013-03-13T22:11:16Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DISEERTAÇÃO_EffectAdditionsFormation.pdf: 2939704 bytes, checksum: b8574d6fa25523b2dad22c94e5d4a45b (MD5) / Made available in DSpace on 2013-03-13T22:11:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DISEERTAÇÃO_EffectAdditionsFormation.pdf: 2939704 bytes, checksum: b8574d6fa25523b2dad22c94e5d4a45b (MD5) Previous issue date: 2009 / Interstitial Free steels feature alloying elements present in an ultra low C matrix that account for C stabilization and consequently a high number of C free interstitials in a ferrite matrix that give these steels the ideal texture, low yield point, favorable plastic strain ratios, high elongation and n-value necessary for an ideal performance on forming press, drawing and stamping operations especially for automotive body part applications. This Master’s thesis indicates that Ti-stabilized IF steel substrates are more reactive than dual-stabilized IF steel substrates probably due to the presence of islands of Nb oxides at the interface between the steel substrate and the GA coating. These Nb oxides may block the Fe-Zn interdiffusion along the ferrite grain boundaries. Hence, higher reactivity rates for Ti-stabilized IF steel grades mean that this substrate is more prone than a dual-stabilized IF steel to the formation of outbursts and consequently the formation of craters, which are morphologically characterized as clusters of outbursts, whose formation mechanisms are based on capillarity effects accounting for amounts of liquid Zn being drained away from these spots. Besides, this work has also explored the typical chemistry and morphology features of craters on top of dark and light streaked areas on GA coatings, showing that there are d crystals on the bottom of craters on light streaked areas, whereas G phase was found on the bottom of craters on dark streaked areas. Also, it turns out that craters on dark streaked regions are deeper than those on light streaked areas. On top of that, the crater coverage on dark streaked regions is larger than on light streaked areas.