No forjamento em matriz aberta o tempo gasto com retrabalhos e descarte de material não conforme gera custos e atraso no atendimento ao cliente. A fim de minimizar estas perdas, realizou-se uma revisão dos principais conceitos e fundamentos do processo de forjamento a quente em matriz aberta que influenciam na qualidade interna do produto. Com o intuito de desenvolver o processo de forjamento a quente em matriz aberta de chapas do aço W.NR. 1.2714 com espessura de 311 mm, largura de 634 mm e comprimento de 6000 mm, avaliou-se as descontinuidades internas deste produto. Através de análises preliminares realizadas, foi possível observar que a descontinuidade interna típica tratava-se de vazio. Com este resultado, desenhou-se um projeto experimental com corpos de prova quadrados com defeitos falsos de 30 mm de diâmetro e forjados para simular uma das etapas do forjamento de chapas. Foram selecionadas três combinações de matrizes e dois tempos de encharque. Todos os corpos de prova foram aquecidos no mesmo forno sob mesmas condições e forjados com duas reduções de 50 mm cada (33% - deformação relativa total), com giro de 180 graus entre elas. Após o resfriamento ao ar, as amostras sofreram alívio de tensões e foram cortadas em serra a 150 mm da extremidade do furo. As variáveis respostas do plano experimental foram a área do furo, o alargamento e o alongamento. A amostra forjada com a combinação de matriz AC, composta pela matriz funil na parte superior e mesa de forjamento na parte inferior e tempo de encharque de 7h teve o furo caldeado. Com todas as combinações de matrizes, o tempo de encharque de 7h levou a menor área do furo, maior alargamento e maior alongamento que o tempo de 11h. / In open die forging the time spent on rework, and disposal of non-compliant material, generates costs and delays in customer service. To minimize these losses, a review of key concepts and fundamentals of the process of open die forging was carried out emphasizing the internal quality of the product. In order to develop the process of open die hot forging in plate steel W.NR 1.2714 with a thickness of 311 mm, width 634 mm and a length of 6000 mm, internal discontinuities of this product were evaluated. Through preliminary analysis was possible to observe that the typical internal discontinuity were voids. With this result, experiments were designed for square specimens with false defects of 30 mm in diameter, which were forged in order to simulate one of the steps in the forging of plates. Three combinations of dies and two soak times were selected. All samples were heated in the same furnace on the same conditions and forged with two reductions of 50 mm each (33% - total relative deformation) with 180 degrees among them. After air cooling, the samples were heated up to promote a stress relief and were cut at a position 150 mm from the edge of the hole. Output variables were the area of the hole, widening and lengthening. The sample forged with the combination of die AC, with funnel die at the top and forging table at the bottom and the soaking time of 7 hours had the hole closed. For all combinations of dies, the soaking time of 7 hours led to a lower area of the hole, higher widening and lengthening than for 11hours soak time.

A microestrutura resultante do processo de forjamento a quente é influenciada por variáveis como temperatura, deformação, tamanho de grão austenítico inicial e taxa de resfriamento. A proposta deste trabalho é estudar o comportamento termomecânico do aço ABNT 4140 mantido nas temperaturas de 900, 1000, 1100 e 1200ºC por 22, 66 e 200 minutos e, posteriormente, forjado e tratado termicamente em patamares semelhantes aos de recozimento direto e revenimento e, ainda, analisar a influência da temperatura sobre o fenômeno de crescimento de grão. Esta pesquisa correspondeu a uma das etapas do projeto BRAGECRIM (Iniciativa Brasil-Alemanha para Pesquisa Colaborativa em Tecnologia de Manufatura), realizado em parceria entre o Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul e o Instituto de Conformação Mecânica (IBF) da Universidade Técnica de Aachen (RWTH - Aachen). O projeto objetiva a realização de um estudo para o desenvolvimento do processo de forjamento incremental de eixos vazados para aerogeradores, sendo que este trabalho analisa, de forma independente, as propriedades do material utilizado no forjamento referido. Foram elaboradas sequências e rotas de aquecimento-forjamento-resfriamento, sendo observado o fenômeno metalúrgico de recristalização completa na amostra aquecida a 1200ºC por 200min. / The microstructure resulting from the forging process is studied as a function of variables such as temperature, deformation, starting austenite grain size and cooling rate. The purpose of this work is to study the thermomechanical behavior of steel ABNT 4140 maintained at temperatures of 900, 1000, 1100 and 1200°C for 22, 66 and 200 minutes and subsequently forged and post heat treated at similar levels to those of direct annealing and tempering. Furthermore, the influence of temperature on the phenomenon of grain growth is also analyzed. This work is a part of a research project named BRAGECRIM (Brazil-German Initiative for Collaborative Research in Manufacturing Technology), in collaboration with the Laboratory of Mechanical Manufacturing (LDTM) of the Federal University of Rio Grande do Sul and the Institute of Mechanical Forming (IBF) of the Technical University of Aachen. The aim of the project is to study the development of incremental forging process of hollow shafts for wind turbines. However, the work presented in this study analyzes independently, the properties of the material in relation to the forging process. Sequences and routes of heating-forging-cooling were elaborated, being observed metallurgical phenomenon of complete recrystallization in the specimen heated at 1200°C for 200min.

Este trabalho tem como objetivo avaliar o efeito do processo de agitação eletromagnética (AE) utilizado no lingotamento contínuo (LC) e nas propriedades mecânicas e metalúrgicas dos aços ABNT 1025 (com adições de manganês e silício) forjados a quente, para a confecção de flanges de tubulações industriais. As matériasprimas fornecidas foram caracterizadas através de composição química e macrografia. Compararam-se os aços provenientes de três condições de fornecimento: 1º) LC sem AE somado à laminação a quente (LQ); 2º) LC com AE; e 3º) LC sem AE. Em seguida, foram extraídos billets de seção quadrada de 120mmx120mmx58mm das três condições citadas para subsequentes forjamentos a quente e fabricação de flanges. Assim, são mostrados os resultados das propriedades obtidas e a comparação com a norma de validação ASTM A 105 (especificação padrão para forjados de aço carbono para aplicação em tubulações) utilizada nesse tipo de forjado. Através da norma, foram verificados os requisitos químicos e ensaios de tração e de dureza. As propriedades foram, também, analisadas através de metalografias (macro e micro), ensaios de impacto e ensaios não destrutivos de líquidos penetrantes. Através da teoria elementar da plasticidade, os valores requeridos para a força de forjamento da peça em estudo, durante o processo de forjamento a quente, foram estimados em caráter formativo e didático. De acordo com os fundamentos teóricos observados na revisão bibliográfica e com os resultados práticos obtidos, constatou-se a aprovação dos aços provenientes do LC com AE como alternativa aos provenientes da LQ (tradicionalmente fornecidos às forjarias) para a confecção de flanges forjados desse tipo de aço. Na análise dos forjados provenientes do LC sem AE também ocorreu a reprovação de diversos resultados, mostrando o efeito da AE como alternativa para as propriedades desse tipo de forjado. / The objective of this work is to evaluate the effect of the process of electromagnetic stirring (ES) used in continuous ingot (CI) in the mechanical and metallurgic properties of 1025 ABNT hot forged steels (with the addition of manganese and silicon) for the manufacture of flanges of industrial pipes. At first, the supplied raw materials were characterized trough chemical compound and macrograph. Then, steels from the following three supplying conditions [ 1º) CI without ES plus hot rolling (HR); 2º) CI with ES; and 3º) CI without ES] were compared. Afterwards, billets were extracted from a square section measuring 120mmx120mmx58mm, from the three previous conditions, to be hot forged and to the manufacture of connection flanges. Thus, the results from these properties and the comparison with the validation norm ASTM A 105 (standard specification for steel-carbon forgings for the application in pipes) for this type of forged are shown. Through this norm, chemical requirements, tension and hardness tests were verified. The properties were also analyzed through metallographies (macro and micro), impact tests and non-destructive tests of penetrating liquids. Through the elementary plasticity theory, the demanded values for the forging force of the studied piece, during the hot forging process, were estimated as didactic and formative natures. According to the theoretical substances observed in the bibliography and to these practical results, the steels from CI with ES were approved as an alternative to the ones from HR (traditionally supplied to forging companies) to the manufacture of forged flanges of this type of steel. Moreover, in the analysis of forgings from CI without ES, the disapproval of various results also occurred, showing the effect of ES as an alternative to the properties of this type of forging.

A falha devido à ocorrência de fadiga térmica de materiais utilizados como ferramentas para trabalho a quente é identificada durante serviço e ocorre devido ao acúmulo de dano localizado. O aço AISI H13 é comumente utilizado em ferramentas para a conformação a quente devido à sua boa tenacidade à fratura e resistência ao desgaste, e considerável resistência à perda de dureza a quente. Este trabalho teve como motivação estudar a relação entre a microestrutura do aço H13 e os carregamentos térmicos e mecânicos, que possam levar à falha de ferramentas para forjamento a quente. Para este estudo, fez-se uso de meios computacionais (simulação numérica) aliados aos conhecimentos de caracterização microestrutural e do comportamento mecânico dos materiais. Nesta abordagem, elabora-se uma malha na microestrutura do referido aço no software OOF2®, do NIST, e as análises são feitas a partir da aplicação do método dos elementos finitos com o emprego do software Abaqus®. Com isso, torna-se possível examinar o efeito de aspectos microestruturais, como a influência dos precipitados, na ocorrência de tensões e de deformações na microestrutura de forma a obter um mapeamento de regiões críticas ao dano e à falha na ferramenta de forjar a quente. Os estudos são baseados e comparados com trabalhos já publicados, e simulam carregamentos e variações de temperatura no material em questão de modo a verificar as condições que favorecem a nucleação de trincas por fadiga térmica. Como principais conclusões e contribuições obtidas da análise realizada, podem ser destacadas: (i-) as regiões críticas que vêm a propiciar a nucleação de trincas térmicas são os precipitados e as interfaces; (ii-) no campo de tensões, a propriedade das fases que exerce a maior influência é o módulo de elasticidade; (iii-) os diferentes coeficientes de expansão térmica das fases geram deformações térmicas mais elevadas e tensões compressivas nas interfaces; (iv-) as deformações térmicas nos precipitados são superiores às da matriz devido à influência no campo de tensões; (v-) em termos de tensões térmicas, o momento do ciclo térmico mais crítico para a matriz é o resfriamento; e (vi-) ao passo que, nos precipitados, a etapa mais crítica é o aquecimento. / Failure due to thermal fatigue can occur in hot working tool materials and its onset takes place in the regions where the highest stress and strain are reached. AISI H13 steel is often used as a hot working tool since it has good toughness and wear resistance, and also a sensible resistance to loss of hot hardness. This study was carried out by means of finite element method (FEM) combined with microstructural characterization and mechanical behavior of materials analysis. According to this approach, H13 steel microstructure, in which carbides could be observed, was meshed by means of OOF2® (NIST). Moreover, the ABAQUS® commercial FEM software was used to simulate thermal and mechanical loading applied in the tool throughout mechanical processing. The conducted analysis allowed to observe the effect of precipitates on stress-strain distribution at different temperatures and loads. Hence, critical regions, in which damage could be favored as well failure onset in the microstructure of the hot forging tool, are displayed. The investigation was based on and compared to literature results and it showed that it can be possible to design the microstructure of hot forging materials, in which an improvement in the thermal fatigue resistance could be improved. The main remarks and conclusions of this work are as follows: (i-) precipitates and interfaces are preferential regions to nucleation and growth of cracks, and they seem to work as stress concentrators; (ii-) modulus of elasticity of phases has the strongest influence in the stress fields of the microstructure; (iii-) the mismatch between thermal expansion coefficients of the phases leads to compressive stresses on interfaces and also the highest thermal strain; (iv-) thermal strains are higher on the precipitates than on the steel matrix; (v-) elastic-plastic properties of steel matrix influenced on thermal cycles. In addition, cooling is the most critical condition of thermal stresses by analyzing each thermal cycle in this phase; and (vi-) whereas the precipitates have elastic behavior, and the most critical step is the heating, in which the maximum temperature of the cycle is reached.

Este trabalho tem como objetivo avaliar o efeito do processo de agitação eletromagnética (AE) utilizado no lingotamento contínuo (LC) e nas propriedades mecânicas e metalúrgicas dos aços ABNT 1025 (com adições de manganês e silício) forjados a quente, para a confecção de flanges de tubulações industriais. As matériasprimas fornecidas foram caracterizadas através de composição química e macrografia. Compararam-se os aços provenientes de três condições de fornecimento: 1º) LC sem AE somado à laminação a quente (LQ); 2º) LC com AE; e 3º) LC sem AE. Em seguida, foram extraídos billets de seção quadrada de 120mmx120mmx58mm das três condições citadas para subsequentes forjamentos a quente e fabricação de flanges. Assim, são mostrados os resultados das propriedades obtidas e a comparação com a norma de validação ASTM A 105 (especificação padrão para forjados de aço carbono para aplicação em tubulações) utilizada nesse tipo de forjado. Através da norma, foram verificados os requisitos químicos e ensaios de tração e de dureza. As propriedades foram, também, analisadas através de metalografias (macro e micro), ensaios de impacto e ensaios não destrutivos de líquidos penetrantes. Através da teoria elementar da plasticidade, os valores requeridos para a força de forjamento da peça em estudo, durante o processo de forjamento a quente, foram estimados em caráter formativo e didático. De acordo com os fundamentos teóricos observados na revisão bibliográfica e com os resultados práticos obtidos, constatou-se a aprovação dos aços provenientes do LC com AE como alternativa aos provenientes da LQ (tradicionalmente fornecidos às forjarias) para a confecção de flanges forjados desse tipo de aço. Na análise dos forjados provenientes do LC sem AE também ocorreu a reprovação de diversos resultados, mostrando o efeito da AE como alternativa para as propriedades desse tipo de forjado. / The objective of this work is to evaluate the effect of the process of electromagnetic stirring (ES) used in continuous ingot (CI) in the mechanical and metallurgic properties of 1025 ABNT hot forged steels (with the addition of manganese and silicon) for the manufacture of flanges of industrial pipes. At first, the supplied raw materials were characterized trough chemical compound and macrograph. Then, steels from the following three supplying conditions [ 1º) CI without ES plus hot rolling (HR); 2º) CI with ES; and 3º) CI without ES] were compared. Afterwards, billets were extracted from a square section measuring 120mmx120mmx58mm, from the three previous conditions, to be hot forged and to the manufacture of connection flanges. Thus, the results from these properties and the comparison with the validation norm ASTM A 105 (standard specification for steel-carbon forgings for the application in pipes) for this type of forged are shown. Through this norm, chemical requirements, tension and hardness tests were verified. The properties were also analyzed through metallographies (macro and micro), impact tests and non-destructive tests of penetrating liquids. Through the elementary plasticity theory, the demanded values for the forging force of the studied piece, during the hot forging process, were estimated as didactic and formative natures. According to the theoretical substances observed in the bibliography and to these practical results, the steels from CI with ES were approved as an alternative to the ones from HR (traditionally supplied to forging companies) to the manufacture of forged flanges of this type of steel. Moreover, in the analysis of forgings from CI without ES, the disapproval of various results also occurred, showing the effect of ES as an alternative to the properties of this type of forging.

A aplicação de chapas de aço como revestimento em matrizes de forjamento a quente tem sido estudada como uma alternativa inovadora, dentro de um projeto de cooperação internacional titulado “Evaluation of Sheet Metal Covers to Improve Tool Life in Forging”. Pesquisa realizada em parceria com a Alemanha pelo programa BRAGECRIM. Essas chapas serviriam como um metal de sacrifício em matrizes de forjamento a quente, que pretende substituir tratamentos superficiais de alto custo. As limitações geométricas e propriedades mecânicas das chapas garantiriam o sucesso ou não da gravura conforme o design exigido pela ferramenta, como também o número de ciclos de forjamento mantendo-se a integridade. Desta forma, o conhecimento das propriedades mecânicas em chapas e ductilidade torna-se fundamental para garantir os limites de aplicabilidade. Portanto, este trabalho tem como objetivo avaliar as propriedades mecânicas e os aspectos metalúrgicos em diferentes temperaturas de duas chapas de alta resistência DP600 e Hardox450®, os quais possuem diferentes microestruturas e ductilidade. Esta escolha se deve as diferentes aplicações que ambos os materiais possuem na indústria automobilística, devido as suas propriedades físicas, com a hipótese que influenciará na aplicação como máscaras que irão proteger as matrizes. Para isso foram realizados ensaios de dureza após ciclos de aquecimento e tração em diferentes temperaturas, com taxa de deformação controlada, simulando as condições térmicas que o material irá suportar durante o processo de forjamento. Para avaliar a ductilidade das chapas foi realizado o ensaio de estiramento biaxial. Uma análise pelo método de elementos finitos foi utilizada no ensaio de estiramento de punção esférico Erichsen, o qual foi possível pela análise de laboratório validar os experimentos e então a realização da simulação de estampagem de uma geometria bi radial em formato de copo. Os resultados de tração e dureza mostram que o DP600 possui considerável resistência mecânica em altas temperaturas com boa ductilidade, porém não maior que o Hardox450®, que perde em termos de ductilidade devido a fenômenos de fragilização em altas temperaturas. A simulação numérica permitiu avaliar como seria o produto estampado em uma geometria 3D, sobre os aspectos geométricos da chapa e os efeitos de anisotropia do DP600, como também suas tensões. / The application of sheet metal cover in hot forging dies has been studied as an innovative alternative, within an international project titled "Evaluation of sheet metal covers to improve tool life in forging". Research carried out in partnership with Germany under the BRAGECRIM program. The sheet metal would apply as a sacrificial membrane in the hot forging die, which intended to replace expensive surface treatments. The geometrical limitations and mechanical properties of the plates would guarantee the success or failure of the engraving according to the design required by the tool, as well as the number of forging cycles maintaining the integrity. In this way, the knowledge of the mechanical properties of the sheet metals and ductility becomes fundamental to guarantee the limits of applicability. Therefore, this work has as objective to evaluate the mechanical properties and the metallurgical aspects in different temperatures of two advanced High Strength Steel Sheets DP600 and Hardox450®, which have different microstructures and ductility. This choice is due to the different applications that both materials have in the automotive industry due to their properties, with the hypothesis that will influence the application as masks that will protect dies. Therefore, a hardness test has performed after heating cycles and tensile tests at different temperatures, with a controlled strain rate, simulating the thermal conditions that the material will withstand during the forging process. Biaxial stretching test to evaluate the ductility of the plates were performed. An inverse analysis by the finite element method was used in the Erichsen biaxial stretching test, in which it has been possible to validate the experiments and then to perform the stamping simulation of a bi-radial geometry in a cup format. The results show that the DP600 has considerable mechanical resistance at high temperatures with good ductility, but not higher than the Hardox450®, which is inferior in terms of ductility due to embrittlement phenomena at high temperatures. The numerical simulation allowed an evaluation of how the product can be stamped in a 3D geometry, the geometric aspects of the plate, the anisotropy effects of the DP600, as well as stress distributions.

A aplicação de chapas de aço como revestimento em matrizes de forjamento a quente tem sido estudada como uma alternativa inovadora, dentro de um projeto de cooperação internacional titulado “Evaluation of Sheet Metal Covers to Improve Tool Life in Forging”. Pesquisa realizada em parceria com a Alemanha pelo programa BRAGECRIM. Essas chapas serviriam como um metal de sacrifício em matrizes de forjamento a quente, que pretende substituir tratamentos superficiais de alto custo. As limitações geométricas e propriedades mecânicas das chapas garantiriam o sucesso ou não da gravura conforme o design exigido pela ferramenta, como também o número de ciclos de forjamento mantendo-se a integridade. Desta forma, o conhecimento das propriedades mecânicas em chapas e ductilidade torna-se fundamental para garantir os limites de aplicabilidade. Portanto, este trabalho tem como objetivo avaliar as propriedades mecânicas e os aspectos metalúrgicos em diferentes temperaturas de duas chapas de alta resistência DP600 e Hardox450®, os quais possuem diferentes microestruturas e ductilidade. Esta escolha se deve as diferentes aplicações que ambos os materiais possuem na indústria automobilística, devido as suas propriedades físicas, com a hipótese que influenciará na aplicação como máscaras que irão proteger as matrizes. Para isso foram realizados ensaios de dureza após ciclos de aquecimento e tração em diferentes temperaturas, com taxa de deformação controlada, simulando as condições térmicas que o material irá suportar durante o processo de forjamento. Para avaliar a ductilidade das chapas foi realizado o ensaio de estiramento biaxial. Uma análise pelo método de elementos finitos foi utilizada no ensaio de estiramento de punção esférico Erichsen, o qual foi possível pela análise de laboratório validar os experimentos e então a realização da simulação de estampagem de uma geometria bi radial em formato de copo. Os resultados de tração e dureza mostram que o DP600 possui considerável resistência mecânica em altas temperaturas com boa ductilidade, porém não maior que o Hardox450®, que perde em termos de ductilidade devido a fenômenos de fragilização em altas temperaturas. A simulação numérica permitiu avaliar como seria o produto estampado em uma geometria 3D, sobre os aspectos geométricos da chapa e os efeitos de anisotropia do DP600, como também suas tensões. / The application of sheet metal cover in hot forging dies has been studied as an innovative alternative, within an international project titled "Evaluation of sheet metal covers to improve tool life in forging". Research carried out in partnership with Germany under the BRAGECRIM program. The sheet metal would apply as a sacrificial membrane in the hot forging die, which intended to replace expensive surface treatments. The geometrical limitations and mechanical properties of the plates would guarantee the success or failure of the engraving according to the design required by the tool, as well as the number of forging cycles maintaining the integrity. In this way, the knowledge of the mechanical properties of the sheet metals and ductility becomes fundamental to guarantee the limits of applicability. Therefore, this work has as objective to evaluate the mechanical properties and the metallurgical aspects in different temperatures of two advanced High Strength Steel Sheets DP600 and Hardox450®, which have different microstructures and ductility. This choice is due to the different applications that both materials have in the automotive industry due to their properties, with the hypothesis that will influence the application as masks that will protect dies. Therefore, a hardness test has performed after heating cycles and tensile tests at different temperatures, with a controlled strain rate, simulating the thermal conditions that the material will withstand during the forging process. Biaxial stretching test to evaluate the ductility of the plates were performed. An inverse analysis by the finite element method was used in the Erichsen biaxial stretching test, in which it has been possible to validate the experiments and then to perform the stamping simulation of a bi-radial geometry in a cup format. The results show that the DP600 has considerable mechanical resistance at high temperatures with good ductility, but not higher than the Hardox450®, which is inferior in terms of ductility due to embrittlement phenomena at high temperatures. The numerical simulation allowed an evaluation of how the product can be stamped in a 3D geometry, the geometric aspects of the plate, the anisotropy effects of the DP600, as well as stress distributions.

São realizados estudos termodinâmicos de nitretos, carbonetos e carbonitretos dos microelementos V, Nb, Al e Ti, utilizando bancos de dados computacionais do programa FactSage, com finalidade de verificar seus potenciais como inibidores do crescimento do grão na faixa de temperatura do processo de forjamento a quente dos aços. Um procedimento para verificação da solubilidade dos compostos dos microelementos por meio do FactSage foi desenvolvido e foram estudadas situações mais complexas e menos abordadas na literatura, tais como o efeito combinado de dois microelementos no aço e o estudo do comportamento dos carbonitretos em altas temperaturas com variantes do porcentual de carbono e nitrogênio. Os estudos demonstraram que os nitretos com presença de titânio possuem elevada estabilidade em altas temperaturas e, por isso, são potencialmente muito efetivos no controle do crescimento do grão. Alguns carbonetos com presença de nióbio apresentam também uma boa estabilidade em altas temperaturas, assim como os carbonitretos desses dois elementos. Foi verificada uma boa correlação dos produtos de solubilidade obtidos tanto por métodos experimentais como por cálculos termodinâmicos apresentados pela literatura, bem como a valiosa contribuição do software para estudos de precipitação e dissolução de carbonetos, nitretos e carbonitretos na austenita, permitindo auxiliar na seleção de aços e/ou modificação da composição de aços convencionais por meio da adição de microelementos juntamente com uma escolha apropriada de porcentuais de nitrogênio e/ou carbono, quando se busca controlar o crescimento do grão em altas temperaturas. Os resultados obtidos podem auxiliar de forma indireta nos estudos de eliminação de tratamentos térmicos convencionais, seja pelo uso de aços microligados com resfriamento controlado, seja pelo uso de aços convencionais de baixa liga temperados logo após forjamento, permitindo, assim, uma redução dos custos globais das peças. Além dessas considerações, os resultados apresentados e a técnica desenvolvida podem também ser úteis em outras áreas em que seja importante o controle do crescimento do grão, tais como laminação a quente e cementação em alta temperatura. / Thermodynamics studies of nitrides, carbides and carbonitrides of the micro elements V, Nb, Al and Ti were performed using the FactSage program databases, in order to verify their potential for grain growth inhibition in a range of temperatures of hot forged steels. A procedure to verify the solubility of compounds of the micro elements was developed by means of FactSage, and it was studied complex states less discussed in literature, such as the combined effect of two micro elements in steel and the behavior of carbonitrides at high temperatures, varying carbon and nitrogen contents. The studies demonstrate that the nitrides with Titanium have high stability in austenite at elevated temperatures: therefore they are potentially highly effective in grain size control. Carbides with Niobium also present effective stability at high temperatures, as well as the carbonitrides of these two elements. A good correlation was verified between the solubility product obtained either by experimental methods, or by thermodynamics calculation presented by literature. Also, a valuable contribution is made by the software in the studies of precipitation and dissolution of nitrides, carbides and carbonitrides in austenite; thus aiding the selection of steels, and/or modification of the chemical composition of standardized steels, by means of adding micro elements; and providing a suitable choice of carbon and nitrogen content when one seeks to control the grain growth at elevated temperatures. Such results can help indirectly in the studies eliminating conventional heat treatment methods, by using micro alloyed steels with controlled cooling and low alloy steels quenched after forging, with overall reducing costs. Besides these considerations, the results presented and the developed procedure can be useful in other areas where grain growth is an important factor, such as in hot rolling and carburizing at high temperature.

Este trabalho foi desenvolvido como parte das atividades relacionadas ao projeto de cooperação internacional Brasil-Alemanha intitulado "Bulk metal formed parts for power plants" pertencente ao BRAGECRIM (Iniciativa Brasil-Alemanha para Pesquisa Colaborativa em Tecnologia de Manufatura), realizado em parceria entre o Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul e o Instituto de Conformação Mecânica (IBF) da Universidade Técnica de Aachen (RWTH), Alemanha. Este projeto visa o desenvolvimento do processo de forjamento a quente em matriz aberta para a produção de um eixo vazado para aplicação em aerogeradores de energia, em substituição à eixos maciços usualmente obtidos por fundição, visando aumento de desempenho mecânico e redução de peso da estrutura. Neste trabalho buscou-se analisar, por meio de simulação numérica computacional empregando o método de elementos finitos, diferentes parâmetros de forjamento, de modo a indicar a configuração operacional que se mostra mais adequada para a produção de um eixo vazado para a aplicação pretendida. Para isto, foram realizados cinco experimentos numéricos, avaliando a influência de parâmetros de forjamento na qualidade do produto forjado. Alguns parâmetros analisados foram: a sequência operacional de forjamento, geometrias e combinações de matrizes utilizadas industrialmente, razão de mordida, etc. Para as simulações termomecânicas foi utilizado o software de Elementos Finitos PEP/Larstran acoplado ao módulo de simulação de microestrutura Strucsim. O material utilizado nas simulações foi o aço DIN 42CrMo4 (AISI 4140). Os resultados mostraram que, dentre as diferentes combinações e geometrias de matrizes analisadas, o emprego de um par de matrizes côncavas, aplicando a sequência operacional-A analisada, tende a propiciar um produto de mais alta qualidade, promovendo maior uniformidade de deformação e microestrutura mais homogênea. Também, a razão de mordida influencia diretamente na qualidade do produto, sendo que uma razão de mordida na ordem de 0,6 induz graus de deformação maiores e mais profundos na peça forjada, ao mesmo tempo em que exige maiores cargas de conformação. Comparativos entre resultados da simulação e resultados experimentais de ensaios de compressão a quente de corpos de prova cilíndricos foram realizados para validação do software de simulação numérica. Os resultados experimentais mostraram que o software de simulação numérica pode prever com boa aproximação o fluxo de material e a evolução microestrutural durante o forjamento a quente do aço DIN 42CrMo4. / This work was developed as a part of the activities related to the international cooperation project between Brazil and Germany titled "Bulk formed metal parts for power plants" belonging to BRAGECRIM (Brazil-Germany Initiative for Collaborative Research in Manufacturing Technology). This project is in partnership between the Metal Forming Laboratory (LdTM) from the Federal University of Rio Grande do Sul (UFRGS) and the Institute of Metal Forming (IBF), from Technical University of Aachen (RWTH), Germany. The project aims the development of an open die forging process to produce a hollow shaft for application in wind turbines, replacing the solid shafts usually obtained by casting, in order to increase the mechanical performance and providing weight reduction to wind turbines. The present work aimed to analyze different forging parameters, using Finite Element Method, in order to indicate most suitable forging configuration to the production of a hollow shaft. Five numerical experiments were performed, evaluating the influence of various forging parameters on the quality of the forged product, such as the forging sequence, tool geometries and tool combinations and bite ratio. For thermomechanical simulations the Finite Element software PEP/Larstran was used, coupled to the microstructure simulation module Strucsim. The material used for the numerical simulations was the DIN 42CrMo4 steel (AISI 4140). The results showed that, among the different parameters analyzed, the use of concave dies, applying the operational sequence-A, tends to provide a forged with higher quality, promoting uniform strain distribution and homogeneous microstructure. Also, results showed that a bite ratio around 0,6 provides higher and deeper strain degrees, but requires higher forming loads. Hot compression tests using cylindrical specimens were performed to validate the numerical simulation software, including microstructure evolution. Comparison between simulation and experimental results showed that the numerical simulation software can predict with good approximation the material flow and microstructure evolution during hot forging for DIN 42CrMo4 steel.

A aplicação de chapas de aço como revestimento em matrizes de forjamento a quente tem sido estudada como uma alternativa inovadora, dentro de um projeto de cooperação internacional titulado “Evaluation of Sheet Metal Covers to Improve Tool Life in Forging”. Pesquisa realizada em parceria com a Alemanha pelo programa BRAGECRIM. Essas chapas serviriam como um metal de sacrifício em matrizes de forjamento a quente, que pretende substituir tratamentos superficiais de alto custo. As limitações geométricas e propriedades mecânicas das chapas garantiriam o sucesso ou não da gravura conforme o design exigido pela ferramenta, como também o número de ciclos de forjamento mantendo-se a integridade. Desta forma, o conhecimento das propriedades mecânicas em chapas e ductilidade torna-se fundamental para garantir os limites de aplicabilidade. Portanto, este trabalho tem como objetivo avaliar as propriedades mecânicas e os aspectos metalúrgicos em diferentes temperaturas de duas chapas de alta resistência DP600 e Hardox450®, os quais possuem diferentes microestruturas e ductilidade. Esta escolha se deve as diferentes aplicações que ambos os materiais possuem na indústria automobilística, devido as suas propriedades físicas, com a hipótese que influenciará na aplicação como máscaras que irão proteger as matrizes. Para isso foram realizados ensaios de dureza após ciclos de aquecimento e tração em diferentes temperaturas, com taxa de deformação controlada, simulando as condições térmicas que o material irá suportar durante o processo de forjamento. Para avaliar a ductilidade das chapas foi realizado o ensaio de estiramento biaxial. Uma análise pelo método de elementos finitos foi utilizada no ensaio de estiramento de punção esférico Erichsen, o qual foi possível pela análise de laboratório validar os experimentos e então a realização da simulação de estampagem de uma geometria bi radial em formato de copo. Os resultados de tração e dureza mostram que o DP600 possui considerável resistência mecânica em altas temperaturas com boa ductilidade, porém não maior que o Hardox450®, que perde em termos de ductilidade devido a fenômenos de fragilização em altas temperaturas. A simulação numérica permitiu avaliar como seria o produto estampado em uma geometria 3D, sobre os aspectos geométricos da chapa e os efeitos de anisotropia do DP600, como também suas tensões. / The application of sheet metal cover in hot forging dies has been studied as an innovative alternative, within an international project titled "Evaluation of sheet metal covers to improve tool life in forging". Research carried out in partnership with Germany under the BRAGECRIM program. The sheet metal would apply as a sacrificial membrane in the hot forging die, which intended to replace expensive surface treatments. The geometrical limitations and mechanical properties of the plates would guarantee the success or failure of the engraving according to the design required by the tool, as well as the number of forging cycles maintaining the integrity. In this way, the knowledge of the mechanical properties of the sheet metals and ductility becomes fundamental to guarantee the limits of applicability. Therefore, this work has as objective to evaluate the mechanical properties and the metallurgical aspects in different temperatures of two advanced High Strength Steel Sheets DP600 and Hardox450®, which have different microstructures and ductility. This choice is due to the different applications that both materials have in the automotive industry due to their properties, with the hypothesis that will influence the application as masks that will protect dies. Therefore, a hardness test has performed after heating cycles and tensile tests at different temperatures, with a controlled strain rate, simulating the thermal conditions that the material will withstand during the forging process. Biaxial stretching test to evaluate the ductility of the plates were performed. An inverse analysis by the finite element method was used in the Erichsen biaxial stretching test, in which it has been possible to validate the experiments and then to perform the stamping simulation of a bi-radial geometry in a cup format. The results show that the DP600 has considerable mechanical resistance at high temperatures with good ductility, but not higher than the Hardox450®, which is inferior in terms of ductility due to embrittlement phenomena at high temperatures. The numerical simulation allowed an evaluation of how the product can be stamped in a 3D geometry, the geometric aspects of the plate, the anisotropy effects of the DP600, as well as stress distributions.