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This diploma thesis deals with the creation of penetration of cast iron with graphite casting cast into bentonite molds. In the first part of the thesis is theoretically described the formation of penetration, its main causes, consequences and the elimination of this defect. The second part analyzes the causes of the defect with the Minitab statistical software and shows the possible connections of the input materials to the occurrence of the defect. Next, the experimental finding of the cause of the defect, which is focused on the measurement of the pressures in the form of the casting, is devoted to it.

This project mainly investigated how the niobium(Nb) content influences the microstructure and mechanical properties of grey cast iron. Considering the mechanism, the study also analyzes the relationship between microstructure and mechanical properties. Generally, the work is based on 127 test bars/samples from two cylinder heads and three batches of plates, which were studied by measuring tensile strength, microhardness, graphite size, carbide amount and chemistry. The result data has been evaluated with statistical methods. The experiments mainly included the preparation of the samples for test and analysis. The mechanical properties in this study are evaluated by the tensile strength of the grey cast iron. Meanwhile, various microscopies were applied to observe how niobium and cooling rate influence the microstructure. Finally, from the analysis results, it tells that the niobium does affect the tensile strength of grey cast iron. Higher the niobium content is, higher the tensile strength is. The computed result based on the data also shows niobium’s strong effect. The faster cooling rate will increase the tensile strength and pearlite microhardness of grey cast iron as well. The carbide amount of grey cast iron can be increased by the addition of niobium content. Furthermore, some future work needs to be done to explain the unsolved problem in this result. The reasons of why a specific position A-2-d of plates has high values of tensile strength demand more microstructure investigation. For the niobium influence, more experiments and data containing a larger range of niobium content also need to be done to prove the mathematics results in this report. / Detta projekt undersökte huvudsakligen hur innehållet av niob (Nb) påverkar gråstålens mikrostruktur och mekaniska egenskaper. Med tanke på mekanismen analyserar undersökningen även förhållandet mellan mikrostruktur och mekaniska egenskaper. Arbetet baseras i allmänhet på 127 provstänger / prover från två cylinderhuvuden och tre satser av plattor, vilka studerades genom mätning av draghållfasthet, mikrohårdhet, grafitstorlek, karbidmängd och kemi. Resultatdata har utvärderats med statistiska metoder. Experimenten inbegriper huvudsakligen beredningen av proven för test och analys. De mekaniska egenskaperna i denna studie utvärderas av gråstålets draghållfasthet. Under tiden applicerades olika mikroskopier för att observera hur niob- och kylhastigheten påverkar mikrostrukturen. Slutligen, från analysresultaten, berättar den att niobet påverkar draghållfastheten hos grågjutjärn. Ju högre niobinnehållet är, desto högre är draghållfastheten. Det beräknade resultatet baserat på data visar också niobins starka effekt. Den snabbare kylhastigheten ökar också draghållfastheten och pearliten-mikrohårdheten hos grågjutjärn. Karbidmängden av grågjutjärn kan ökas genom tillsats av niobhalt. Vidare måste vissa framtida arbeten göras för att förklara det olösta problemet i detta resultat. Skälen till varför en specifik position A-2-d av plattor har höga dragkrafter kräver mer mikrostrukturundersökning. För niobinpåverkan måste fler experiment och data som innehåller ett större antal niobinnehåll också göras för att bevisa matematikresultaten i denna rapport.

The main purpose of the thesis work is based on achieving same mechanical properties on the three different sized bearing housings. The key mechanical property that had to be focused on was the hardness of the parts. In order to achieve this goal, chemical compositions of the parts have studied. However there were some limitations on the composition variants. Allowed variables of the compositions are silicon, nickel and copper. Due to necessity another element, Molybdenum (Mo), was also introduced. After many simulations three different compositions are proposed. Then the feasibility of results of casting simulation software investigated. And finally an optimization guideline has proposed. Chemical composition researches have carried on casting simulation software, which is called Magma5. Following the completion of the simulations phase, proposed compositions trial casted at the company. Subsequent to trial castings cast parts had tested for their hardness values. In order to bring the thesis to completion simulation outputs and trial test results had compared. With the help of a casting simulation software composition optimisation of different sized parts could be easily optimised in order to achieve same results. Many simulations are executed with different composition for the silicon, nickel, copper and molybdenum variants. It was seen that Mo additions significantly increase the mechanical properties of the parts. Nickel and copperacts similarly on the hardness values, however nickel addition reduce undercooling tendency at a greater rate. Good inoculation is vital for the parts with thin sections. Decent inoculation helps to improve the microstructure and helps to get closer results tothe simulated values. However software represents key information aboutundercooled zones on the part. Software ensures 95% to 97% correct values on hardness results.

Made available in DSpace on 2016-12-12T20:25:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Everton Ruggeri.pdf: 24321266 bytes, checksum: d9116328281ce8d4d01d557335e3d70b (MD5) Previous issue date: 2014-09-09 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In recent years, the study of chatter vibrations has been intensifying in the machining of materials, however, the analysis of chatter vibration has been conducted only for machining of ductile materials and few studies analyzing these vibrations in machining of brittle materials are found in the literature. The chatter vibrations in machining process can considerably compromise the workpiece surface finish, tool wear and in some cases provide severe damage to the machine-tool. Thus there is an imminent need to expand the theory of chatter vibrations for the class of brittle materials. To analyze the vibrations of the process and zones where the process is stable, and where it is unstable, the stability lobes diagram was used. This diagram is constructed in most cases for applications at high speed cutting. In this work, the analysis of the stability lobe diagram was made for application at low cutting speed, where the phenomenon of damping arises. The damping is a crucial factor in the process, it increases system stability. The phenomenon of damping was considered in the formulation of chatter vibrations using the indentation model of Wu. Apart from consideration of the damping effect, an analysis of dynamic stiffness on the mechanical system adopted was made by means of a simulation using the peak to peak method of passing of the tool in the workpiece. For experiments validations, the signals of force and acceleration were acquired and an analysis was conducted in time and frequency domain to identify where the vibrations emerged. The workpiece surface finish and RMS value of the signals were checked and compared with the stability conditions of the process. The results demonstrated perfectly the consequences that the chatter vibrations present in machining of grey cast iron and proved that the stability lobe diagram shows good results to detect the vibrations in machining of brittle materials, determining the areas where the material removal should be avoid. / Nos últimos anos, o estudo das vibrações regenerativas tem-se intensificando na usinagem de materiais, entretanto, a análise das vibrações regenerativas vem sendo conduzidas apenas para a usinagem de materiais dúcteis e poucos trabalhos analisando essas vibrações na usinagem de materiais frágeis são encontrados na literatura. As vibrações regenerativas no processo de usinagem podem comprometer consideravelmente o acabamento superficial da peça, o desgaste da ferramenta e em alguns casos proporcionar danos severos à máquina-ferramenta. Por isso, há uma necessidade eminente de expandir a teoria das vibrações regenerativas para a classe de materiais frágeis. Para analisar as vibrações no processo e regiões onde se possui um corte estável e onde há um corte instável, foi utilizado o diagrama de lóbulos de estabilidade. Este diagrama é construído na grande maioria dos casos para aplicações em alta velocidade de corte. Neste trabalho, a análise do diagrama de lóbulos de estabilidade foi feita para ensaios em baixa velocidade de corte, onde o fenômeno de amortecimento surge. O amortecimento é um fator crucial no processo, pois aumenta a estabilidade do sistema. O fenômeno de amortecimento foi considerado na formulação das vibrações regenerativas utilizando o modelo de indentação de Wu. Além da consideração do amortecimento, uma análise da influência da rigidez no sistema mecânico adotado foi realizada por uma simulação utilizando o método pico a pico, da passagem da ferramenta no corpo de prova. Para validação dos experimentos realizados, os sinais de força e de aceleração foram adquiridos e uma análise foi conduzida no domínio do tempo e no domínio da frequência para identificar onde as vibrações surgiram. O acabamento superficial da peça e valor RMS dos sinais também foram verificados e comparados com as condições de estabilidade do processo. Os resultados demonstraram perfeitamente as consequências que as vibrações regenerativas apresentam na usinagem do ferro fundido cinzento e comprovam que o diagrama de lóbulos de estabilidade mostra bons resultados para identificação das vibrações na usinagem de materiais frágeis, determinando as zonas onde se deve evitar a remoção de material.

Subject of the diploma thesis was to resolve influence of grey cast iron on penetration into cement sand. Methodology of trial was designed and its attestation was implemented in experimental and running conditions. On boundary-line cement sand and pouring metal was certified generation of complex allied substances. Created mathematical model of mechanical penetration proved influence of temperature and chemical composition of grey cast iron on range of penetration.

Motores de combustão interna são submetidos a carregamentos térmicos e mecânicos que podem resultar em trincas devido ao fenômeno de fadiga termomecânica, FTM. Ferros fundidos tem sido uma escolha comum para a fabricação de blocos e cabeçotes de motores a diesel. Para melhorar o desempenho dos motores é importante ter uma compreensão clara do comportamento em FTM destes materiais, permitindo a previsão de vida, melhorando as propriedades de novas ligas, bem como aumentar a confiabilidade desses componentes. Assim, este projeto teve como objetivo avaliar a vida em FTM de dois tipos de ferro fundido usado na fabricação de motores de combustão interna. Os testes foram realizados em um sistema de teste mecânico MTS 810, em controle de deformação com 100% de restrição (Δε = 0), utilizando um forno de indução de alta frequência para aquecimento e um dispositivo de resfriamento (condução e convecção), registrando as tensões e número de ciclos. Os ciclos térmicos aplicados simulam as condições de trabalho, em modo acelerado, de um motor de combustão interna, aplicando um ciclo térmico em forma de uma onda trapezoidal, com temperaturas mínimas e máximas de 50 e 420°C, respectivamente e um tempo de permanência de 180 s na temperatura máxima, e tempo de ciclo total de 300 s. Os resultados mostram que o ferro fundido vermicular apresenta uma vida em FTM maior que o ferro fundido cinzento porque a morfologia dos veios de grafita que atuam como concentradores de tensão no ferro fundido cinzento reduz acentuadamente a sua rigidez durante a tensão trativa, causando a formação de micro trincas em um número menor de ciclos. / Internal combustion engines are subjected to thermal and mechanical loads that may result in cracks due to thermomechanical fatigue phenomenon, TMF. Cast irons have been a common choice for the manufacture of blocks and cylinder heads of diesel engines. To improve the engines performance it is important to have a clear understanding of the FTM behavior of these materials, enabling life prediction, improving the properties of new alloys, as well as increase the reliability of these components. Thus, this project aims to evaluate the TMF life of two types of cast iron used in the manufacture of internal combustion engines. The tests were performed on a MTS 810 mechanical testing system, in displacement control and 100% restriction (Δε = 0), using a highfrequency induction furnace for heating and a cooling device (conduction and convection), recording the stresses, strains and number of cycles. The thermal cycles applied have heating and cooling cycles that simulate the work conditions, in accelerated mode, of an internal combustion engine, applying an trapezoidal wave shape, with minimum and maximum temperatures of 50 and 420°C respectively, and a 180 s dwell time at maximum temperature, and total cycle time of 300 s. The results showed that compact cast iron presents TMF life larger than the gray cast iron because the morphology of graphite flakes in the gray cast iron reduces markedly their rigidity during the traction portion of the tensile part of the cycle, causing the defects formation at smaller number of cycles. The thermomechanical behavior of these two types of cast irons are discussed in detail.

Motores de combustão interna são submetidos a carregamentos térmicos e mecânicos que podem resultar em trincas devido ao fenômeno de fadiga termomecânica, FTM. Ferros fundidos tem sido uma escolha comum para a fabricação de blocos e cabeçotes de motores a diesel. Para melhorar o desempenho dos motores é importante ter uma compreensão clara do comportamento em FTM destes materiais, permitindo a previsão de vida, melhorando as propriedades de novas ligas, bem como aumentar a confiabilidade desses componentes. Assim, este projeto teve como objetivo avaliar a vida em FTM de dois tipos de ferro fundido usado na fabricação de motores de combustão interna. Os testes foram realizados em um sistema de teste mecânico MTS 810, em controle de deformação com 100% de restrição (Δε = 0), utilizando um forno de indução de alta frequência para aquecimento e um dispositivo de resfriamento (condução e convecção), registrando as tensões e número de ciclos. Os ciclos térmicos aplicados simulam as condições de trabalho, em modo acelerado, de um motor de combustão interna, aplicando um ciclo térmico em forma de uma onda trapezoidal, com temperaturas mínimas e máximas de 50 e 420°C, respectivamente e um tempo de permanência de 180 s na temperatura máxima, e tempo de ciclo total de 300 s. Os resultados mostram que o ferro fundido vermicular apresenta uma vida em FTM maior que o ferro fundido cinzento porque a morfologia dos veios de grafita que atuam como concentradores de tensão no ferro fundido cinzento reduz acentuadamente a sua rigidez durante a tensão trativa, causando a formação de micro trincas em um número menor de ciclos. / Internal combustion engines are subjected to thermal and mechanical loads that may result in cracks due to thermomechanical fatigue phenomenon, TMF. Cast irons have been a common choice for the manufacture of blocks and cylinder heads of diesel engines. To improve the engines performance it is important to have a clear understanding of the FTM behavior of these materials, enabling life prediction, improving the properties of new alloys, as well as increase the reliability of these components. Thus, this project aims to evaluate the TMF life of two types of cast iron used in the manufacture of internal combustion engines. The tests were performed on a MTS 810 mechanical testing system, in displacement control and 100% restriction (Δε = 0), using a highfrequency induction furnace for heating and a cooling device (conduction and convection), recording the stresses, strains and number of cycles. The thermal cycles applied have heating and cooling cycles that simulate the work conditions, in accelerated mode, of an internal combustion engine, applying an trapezoidal wave shape, with minimum and maximum temperatures of 50 and 420°C respectively, and a 180 s dwell time at maximum temperature, and total cycle time of 300 s. The results showed that compact cast iron presents TMF life larger than the gray cast iron because the morphology of graphite flakes in the gray cast iron reduces markedly their rigidity during the traction portion of the tensile part of the cycle, causing the defects formation at smaller number of cycles. The thermomechanical behavior of these two types of cast irons are discussed in detail.

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.