Austempered Ductile Iron (ADI) is a ferrous material that was first fabricated in the second half of last century, therefore a relatively new material compared to steel, which has been used for different applications by mankind for some millennia now. ADI';s mechanical properties, such as its strength-to-weight ratio, which has proven to outperform that of forged steel by up to 10%, are very suitable for structural applications, such as connecting rods, crankshafts, and heavy farm machinery among others. The main goal of this work is to perform an analysis of the machinability of two ASTM grades of ADI, namely 2 and 3. The samples used in this work were cast and austempered according to ASTM standards for the production of grade 2 (G2) and grade 3 (G3) ADI. Characterization was accomplished through tensile and hardness tests, metallography and X-ray diffraction. Machinability was evaluated by analyzing tool life, cutting forces, surface finish and chip characteristics in turning operations. A quick-stop test was also performed. Tool life when machining G2 was 33% lower than G3, although the latter is a harder material. Abrasion and adhesion were the wear mechanisms observed through SEM images, whereas in other cast irons mainly abrasion is observed. Cutting forces measurements showed that the value of Kc1,1 decreased 19%, from 1448 to 1175N/mm2, for G2 as the depth of cut increased from 2 to 5mm at a cutting speed of 80m/min and 18%, from 1501 to 1236N/mm2, for G3. Surface roughness measurements proved that a smoother surface is obtained for both alloys at f = 0.10mm/rev when using an insert with nose radius 1.6mm instead of smaller radii. Both alloys presented similar surface quality. All chips observed were segmented.

Um novo ciclo de tratamento térmico denominado como têmpera e partição vem sendo desenvolvido em aços com elevados teores de silício, como rota para obtenção de estruturas com frações consideráveis de austenia retida. Essa rota de tratamento m térmico consiste em realizar uma têmpera temperaturas intermediárias entre Ms e Mf, seguido de um reaquecimento com manutenção em patamares isotérmicos por certos intervalos de tempo, objetivando estabilizar a austenita remanescente através da partição do carbono a partir da martensita supersaturada. No presente trabalho, duas ligas de ferros fundidos nodulares convencionais, com diferentes teores de silício e manganês, foram submetidas a ciclos de têmpera e partição. As amostras foram austenitizadas a 900°C por duas horas. Uma das ligas foi temperada em óleo a 160°C e a outra a 170°C por 2 minutos. Imediatamente após a têmpera as amostras foram reaquecidas em temperaturas entre 300 e 450°C por intervalos de tempo que variaram entre 2 e 180 minutos. A caracterização microestrutural foi realizada através de microscopia eletrônica de varredura (MEV) e difração de raios x. A caracterização mecânica foi feita através de ensaios de energia absorvida ao impacto, dureza HRC e ensaios de tração. A caracterização microestrutural evidenciou que os ciclos de têmpera e partição são viáveis na obtenção de frações consideráveis de austenita retida nos ferros fundidos nodulares. A caracterização mecânica evidenciou que foi possível obter boas combinações de energia absorvida ao impacto, resistência à tração e alongamento. Em todas as condições testadas é possível perceber uma janela de processo bem definida caracterizada por valores crescentes das propriedades mecânicas nos primeiros minutos do ciclo de partição e que decrescem após certo intervalo de tempo. O conjunto de propriedades mecânicas obtidas através dessa rota de tratamentos térmicos indica que os ferros fundidos nodulares submetidos ao ciclo de têmpera e partição podem se constituir como alternativa tecnológica para aplicações comerciais nas quais os ferros fundidos nodulares austemperados já são materiais consolidados. / A new heat treatment cycle known as quenching and partitioning has been developed in commercial steel alloys containing silicon as a way to obtain structures with controlled fractions of retained austenite. This heat treatment cycle consists in performing a quenching in temperatures between Ms and Mf, followed by a reheating with isothermal holding by different time intervals. The aim of this cycle is to achieve the austenite stabilization by diffusion of carbon from the supersaturated plates of martensite. In this work, two conventional ductile cast iron alloys, with two different contents of silicon and manganese were heat-treated in quenching and partitioning cycle. The samples were austenitized at 900°C for two hours, followed by quenching in oil at 160° C and 170° C for two minutes. Immediately after quenching, the samples were reheated at temperatures between 300 and 450°C for time intervals between 2 and 180 minutes. The microstructural characterization was performed using electronic microscopy (SEM) and x-ray diffraction. The mechanical characterization was performed using impact tests, hardness and tensile strength tests. The microstructural characterization showed that the cycles of quenching and partitioning are viable to obtain considerable fractions of retained austenite in nodular cast by this heat treatment route. The mechanical characterization showed that it was possible to obtain good combinations of energy absorbed in the impact, tensile strength and elongation. In all tested conditions was possible to perceive a well-defined process window characterized by increasing values of mechanical properties in the first minutes of the partitioning step, and decrease after certain time intervals. The set of mechanical properties obtained by this route of heat treatments indicates that nodular cast iron subjected to tempering and partitioning cycle can be constituted as an alternative technology for commercial applications in which austempered ductile irons are already consolidated materials.

Estágio realizado na DuritCast e orientado pelo Eng.º Luís Sierra / Tese de mestrado integrado. Engenharia Metalúrgica e de Materiais. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Contém anexos / Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor em Engenharia Mecânica, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Professor Jorge Seabra

Um novo ciclo de tratamento térmico denominado como têmpera e partição vem sendo desenvolvido em aços com elevados teores de silício, como rota para obtenção de estruturas com frações consideráveis de austenia retida. Essa rota de tratamento m térmico consiste em realizar uma têmpera temperaturas intermediárias entre Ms e Mf, seguido de um reaquecimento com manutenção em patamares isotérmicos por certos intervalos de tempo, objetivando estabilizar a austenita remanescente através da partição do carbono a partir da martensita supersaturada. No presente trabalho, duas ligas de ferros fundidos nodulares convencionais, com diferentes teores de silício e manganês, foram submetidas a ciclos de têmpera e partição. As amostras foram austenitizadas a 900°C por duas horas. Uma das ligas foi temperada em óleo a 160°C e a outra a 170°C por 2 minutos. Imediatamente após a têmpera as amostras foram reaquecidas em temperaturas entre 300 e 450°C por intervalos de tempo que variaram entre 2 e 180 minutos. A caracterização microestrutural foi realizada através de microscopia eletrônica de varredura (MEV) e difração de raios x. A caracterização mecânica foi feita através de ensaios de energia absorvida ao impacto, dureza HRC e ensaios de tração. A caracterização microestrutural evidenciou que os ciclos de têmpera e partição são viáveis na obtenção de frações consideráveis de austenita retida nos ferros fundidos nodulares. A caracterização mecânica evidenciou que foi possível obter boas combinações de energia absorvida ao impacto, resistência à tração e alongamento. Em todas as condições testadas é possível perceber uma janela de processo bem definida caracterizada por valores crescentes das propriedades mecânicas nos primeiros minutos do ciclo de partição e que decrescem após certo intervalo de tempo. O conjunto de propriedades mecânicas obtidas através dessa rota de tratamentos térmicos indica que os ferros fundidos nodulares submetidos ao ciclo de têmpera e partição podem se constituir como alternativa tecnológica para aplicações comerciais nas quais os ferros fundidos nodulares austemperados já são materiais consolidados. / A new heat treatment cycle known as quenching and partitioning has been developed in commercial steel alloys containing silicon as a way to obtain structures with controlled fractions of retained austenite. This heat treatment cycle consists in performing a quenching in temperatures between Ms and Mf, followed by a reheating with isothermal holding by different time intervals. The aim of this cycle is to achieve the austenite stabilization by diffusion of carbon from the supersaturated plates of martensite. In this work, two conventional ductile cast iron alloys, with two different contents of silicon and manganese were heat-treated in quenching and partitioning cycle. The samples were austenitized at 900°C for two hours, followed by quenching in oil at 160° C and 170° C for two minutes. Immediately after quenching, the samples were reheated at temperatures between 300 and 450°C for time intervals between 2 and 180 minutes. The microstructural characterization was performed using electronic microscopy (SEM) and x-ray diffraction. The mechanical characterization was performed using impact tests, hardness and tensile strength tests. The microstructural characterization showed that the cycles of quenching and partitioning are viable to obtain considerable fractions of retained austenite in nodular cast by this heat treatment route. The mechanical characterization showed that it was possible to obtain good combinations of energy absorbed in the impact, tensile strength and elongation. In all tested conditions was possible to perceive a well-defined process window characterized by increasing values of mechanical properties in the first minutes of the partitioning step, and decrease after certain time intervals. The set of mechanical properties obtained by this route of heat treatments indicates that nodular cast iron subjected to tempering and partitioning cycle can be constituted as an alternative technology for commercial applications in which austempered ductile irons are already consolidated materials.

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Metalúrgica, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Prof. Dr.ª Silva Ribeiro

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica(Opção de Materiais e Processos Tecnológicos), na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Made available in DSpace on 2016-12-08T17:19:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 0 Capa-Sumario.pdf: 106772 bytes, checksum: 6233f32589849e604817fec8f6305e39 (MD5) Previous issue date: 2008-02-28 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work examines the influence of austenitizing parameters on the microstructure of ductile cast iron austempered from the critical zone, called in this work as NAZC Nodular Austemperado a partir da Zona Crítica (ductile iron austempered from the critical zone). Initially a differential thermal analysis was performed to determinate the critical temperatures range, according to this analysis the critical zone is placed between 750 e 850o C. Alloyed ductile iron specimens were austenitized within the critical zone and water quenched to evaluate the amount of phases present in the final microstructure, proeutectoid ferrite and martensite. This preliminary study was conducted in order to quantify the amount of austenite (martensite at room temperature) which would become ausferrite later in the study of austempering. The treatment of austempering results in a dual microstructure of ausferrite and proeutectoid ferrite. The microstructural and quantitative analysis allowed the evaluation of the amount of phases formed, as well the evolution of microstructural transformation. This study was the basis to determine the parameters of austenitizing to austempering. Austempering treatments were performed under several conditions of austenitizing, until a microetruture related to a high mechanical strength and ductility were obtained. It s possible control the microetruture and consequently the properties from the control of the austenitizing temperature and time and austempering conditions. The microstructural analyses of austempered specimens showed that the austenitizing temperature within the critical zone of 790 °C and times of 3 and 4 hours led to a final microstructure formed by approximately 49 and 64% of ausferrite. An austempered material in these conditions of austenitizing should present an interesting set of mechanical properties, a mechanical strength next to the pearlitic grades associated with a considerable elongation, near the ferritic grades. The austempered materials from the critical zone of this study also present a good distribution between the phases proeutectoid ferrite and ausferrite, even near eutectic cell boundary and around graphite nodules, what must produce good properties of fatigue. / Este trabalho avalia a influência dos parâmetros de austenitização sobre a microestrutura do ferro fundido nodular austemperado a partir da zona crítica, denominado neste trabalho como NAZC - Nodular Austemperado a partir da Zona Crítica. Inicialmente foi realizada uma análise térmica diferencial para determinação da faixa de temperaturas crítica, conforme essa análise a zona crítica se situa entre 750 e 850o C. Amostras de ferro nodular com adição de elementos de liga foram austenitizadas dentro da zona crítica e temperadas em água para avaliação da quantidade de fases presentes na microestrutura final, ferrita pró-eutetóide e martensita. Esse estudo preliminar foi realizado a fim de quantificar a quantidade de austenita (martensita na temperatura ambiente), a qual se transformaria em ausferrita no estudo posterior de austêmpera. O tratamento de austêmpera resulta em uma microestrutura bifásica composta por ausferrita e ferrita pró-eutetóide. As análises microestruturais e quantitativa permitiram avaliar a quantidade de fases formadas, bem como a evolução da transformação microestrutural. Esse estudo foi a base para a determinação dos parâmetros de austenitização para austêmpera. Foram realizados tratamentos de austêmpera em diversas condições de austenitização, até que fosse obtida uma microestrutura relacionada à elevada resistência mecânica e ductilidade. É possível controlar a microestrutura e consequentemente as propriedades a partir do controle da temperatura e tempo de austenitização e das condições de austêmpera. As análises microestruturais de amostras austemperadas mostraram que a temperatura de austenitização dentro da zona crítica de 790o C e tempos de 3 e 4 horas levaram a uma microestrutura final formada por aproximadamente 49 e 64% de ausferrita. Um material austemperado nessas condições de austenitização deve apresentar um interessante conjunto de propriedades mecânicas, ou seja, uma resistência mecânica próxima a de classes perlíticas associada a um considerável alongamento, próximo ao de classes ferríticas. Os materiais austemperados a partir da zona crítica deste estudo também apresentam uma boa distribuição entre as fases ferrita pró-eutetóide e ausferrita, mesmo próxima aos contornos de célula e nódulos de grafita, o que deve conferir boas propriedades de fadiga.

Made available in DSpace on 2016-12-08T17:19:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CAPA.pdf: 147633 bytes, checksum: 3c34cc1f4871957c46fad623f4fb2aae (MD5) Previous issue date: 2009-11-20 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In the present work the influence of austenitizing temperature on mechanical properties Austempered Ductile Iron from intercritical austenitizing temperature ranges was investigated. A heat treatment for development of material with improved mechanical properties for application in suspension parts is shown. Samples of alloyed ductile iron with a fully ferritic matrix was austenitized within intercritical range between 775°C and 820°C for 5h and then austempered at 360°C for 2h to produce ductile iron with dual matrix; with different percentages of free ferrite. After the heat treatment, the samples were sends for mechanical testing (tensile, impact and hardness tests) and for metallographic analysis. The percentages of free ferrite ranged from 9,5 to 21%, new ferrite of 7 to 10%; the observation of new ferrite was made through special reagents. The austenite (ausferrite at room temperature) nucleates firstly in the eutectic cell. The intercritical austenitizing can be interpreted in two stages: 1) short times the austenite is found only in the eutectic cell or grain boundaries and 2) long times the austenitizing also occur inside of grain. Due long times of austenitizing, it is probably that this work has arrived to the equilibrium of phases in austenitizing, which explain fewer ferrite, when compared with other literature. Samples exhibited good combination mechanical properties, with high strength and excellent amount of elongation. The study presents fracture s microstructure from scan electron microscopy of tension s specimen, has noticed large dimples near graphite; quantities of cleavage s area increase with decrease ferrite in the microstructure. The materials show few secondary cracks, characteristic in tension tests of high strength irons. Quality index (IQ) were calculated for samples this work, specimen austenitized to 805°C has shown better result to tensile test. However, it is important to add that specimen austenitized to 790°C has shown better result to components that require impact strength. The result of mechanical properties achieved in this study follow an extrapolation of the values of international standard (ex. ASTM), which facilitates the normalizing this group of materials, including it in present standard of austempered ductile iron. / Estuda-se no presente trabalho a influência das temperaturas de austenitização nas propriedades mecânicas do ferro fundido nodular austemperado a partir da zona crítica. Apresenta-se um tratamento térmico para o desenvolvimento de materiais com propriedades mecânicas otimizadas para aplicação em componentes de suspensão. Amostras de ferro fundido nodular ligado com matriz inicialmente ferrítica foram austenitizadas dentro da zona crítica entre 775 e 820°C por 5h e então transferidos para austêmpera a 360°C por 2h para produzir ferros fundidos nodulares com matriz dual; com diferentes percentagens de ferrita proeutetóide. Após o tratamento térmico, as amostras foram encaminhadas para ensaios mecânicos de tração, impacto e dureza, seguindo então para análise metalográfica. As percentagens de ferrita proeutetóide variaram de 9,5 a 21%, e as quantidades de ferrita nova foram de 7 a 10%; a observação da ferrita nova foi através do uso de reagentes especiais. Os locais preferenciais para o início da transformação de ferrita para austenita (ausferrita a temperatura ambiente) foram os contornos de células eutéticas. A austenitização intercrítica pode ser interpretada em dois estágios: 1) curtos tempos - a austenita encontra-se apenas em contornos de célula eutética e de grão e 2) longos tempos a austenitização ocorre também dentro do grão. Devido aos longos tempos de austenitização empregados, é provável que neste trabalho se esteja próximo ao equilíbrio de fases na austenitização, o que explica as menores quantidades de ferrita obtidas, quando comparado com vários trabalhos da literatura. As amostras apresentaram boas combinações de propriedades mecânicas, com elevadas resistências e ótimos valores de alongamento. Apresentaram-se fractografias obtidas via microscopia eletrônica de varredura dos corpos de prova de tração, onde se observaram grandes quantidades de alvéolos próximos dos nódulos; a quantidade de áreas com clivagem cresce com a diminuição de ferrita na microestrutura. Além disso, os materiais apresentaram poucas trincas secundárias, característica típica em ensaios de tração de ferros fundidos de alta resistência. Foram calculados os índices de qualidade (IQ) para as amostras do trabalho, sendo que a amostra austenitizada a 805°C foi a que apresentou melhor resultado em ensaios de tração. Porém, vale ressaltar que a amostra austenitizada a 790°C apresentou melhores resultados para componentes que exigem resistência ao impacto. Os valores de propriedades mecânicas obtidos seguem uma extrapolação dos valores das normas internacionais (por ex, da ASTM), o que facilita a normalização deste grupo de materiais, incluindo-o nas normas atuais de nodulares austemperados.

Made available in DSpace on 2016-12-08T17:19:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 0 Capa - 1 Introducao.pdf: 288577 bytes, checksum: 440b6dcfb8697dcbdfbfecd21ba397c1 (MD5) Previous issue date: 2010-07-19 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work is part of a research project at UDESC, which aims to understand and compare the process of fracture of ADI with dual matrix structure, such as sites of plastic deformation concentration and crack nucleation, and paths of crack propagation. The fracture mechanisms of two types of duals ADI with different ausferrite volume fraction were compared to those of conventional ADI. Intercritical austenitising temperatures chosen were 790°C and 820°C, and resulted in dual ADI with 17% and 85% of ausferrite respectively. The full ADI, which was austenitised at 900°C, was used to serve as reference material. The three materials were austempered at 360°C for 2h. Results showed that in dual ADI with predominantly ferrite, the nucleation of cracks occurred along the interface graphite/matrix. Increasing the ausferrite volume fraction, the nucleation of cracks tended to occur along the inclusions and intercellular boundaries. Moreover, in dual ADI, the crack propagation and concentration of plastic deformation occurred preferentially in the ferrite. With respect to the fracture´s analysis, all materials showed that the quantities of fracture ductile/fragile were equivalent. The fractures had an aspect predominantly ductile, being formed mostly by dimples with some regions of quasi-cleavage. / Este trabalho faz parte de uma linha de pesquisa executada na UDESC, que visa entender e comparar o processo de fratura dos ADI duais, tais como, locais de concentração de deformação plástica e de nucleação de trincas, e caminhos de propagação de trinca. Os mecanismos de fratura de dois tipos de ADI duais com diferente fração volumétrica de ausferrita foram comparados com o ADI pleno. As temperaturas de austenitização intercrítica escolhidas foram 790°C e 820°C, e resultaram em ADI duais com 17 e 85% de ausferrita respectivamente. O ADI pleno, no qual foi austenitizado a 900°C, foi utilizado para servir de material de referência. Os três materiais foram austemperados a 360°C por 2h. Verificou-se que para o ADI dual com predominância de ferrita, a nucleação da trinca ocorreu junto à interface grafita/matriz. Conforme aumentou a fração volumétrica de ausferrita na matriz, a nucleação da trinca tendeu a ocorrer junto à inclusão intercelular e em contornos de célula. Além disso, nos ADI duais, a propagação da trinca e a concentração de deformação plástica ocorreu preferencialmente na ferrita. Vale ressaltar que os três materiais apresentaram quantidades de fratura dúctil/frágil equivalentes. As fraturas tinham uma característica predominantemente dúctil, sendo formadas na maioria por alvéolos com algumas regiões de quase-clivagem.