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Thesis (Ph.D)--Mechanical Engineering, Georgia Institute of Technology, 2010. / Committee Chair: David L. McDowell; Committee Member: G. B. Olson; Committee Member: K. A. Gall; Committee Member: Min Zhou; Committee Member: R. W. Neu. Part of the SMARTech Electronic Thesis and Dissertation Collection.

Thesis (M.Sc.(Applied Science: Metallurgy))--University of Pretoria, 2009. / Abstract in English. Includes bibliographical references.

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O estudo de usinabilidade de um material é muito importante para a determinação das características de fabricação por usinagem. Este estudo se aplica ao aço inoxidável martensítico AISI 420 C endurecido, usado na fabricação de peças de alta precisão, instrumentos cirúrgicos, eixos, turbinas e cutelaria. Deste modo, realizaram-se investigações utilizando corpos de prova endurecidos (têmpera e revenimento) com durezas de (48  1) e (53  2) HRC no torneamento a seco utilizando ferramentas de metal-duro classe ISO S com grãos extrafinos e revestimento PVD. Para estes corpos de prova variaram-se a velocidade de corte e o avanço e avaliaram-se as forças de usinagem e as tensões residuais geradas na peça. Para o material com 53 HRC, também foram analisadas a vida da ferramenta e a rugosidade. Na análise dos resultados obtidos para o material com 48 HRC, as tensões residuais tornaram-se menos compressivas (circunferencial) e mais trativas (axial) com o aumento do avanço. Além disso, os menores valores de tensão residual foram gerados utilizando menor avanço com maior velocidade de corte. Nos ensaios para o material a 53 HRC, o tempo de vida da ferramenta ficou entre 100 e 350 min para as condições ensaiadas. Os desgastes de flanco e entalhe foram evidenciados em todas as situações. O flanco da ferramenta também apresentou adesão de material da peça em todas as condições. Ao analisar os insertos em seu fim de vida, constatou-se que os mecanismos de desgastes predominantes foram a abrasão e o atrittion. Nas condições mais severas, a superfície da ferramenta exibiu trincas mecânicas e a camada subsuperficial da peça apresentou modificações microestruturais. Os perfis e os parâmetros de rugosidade registrados foram afetados pelo desgaste ao longo da vida da ferramenta. Com relação às tensões residuais circunferenciais geradas com a ferramenta nova, estas foram, em sua maioria, tensões de compressão. Com a progressão do desgaste de flanco, houve um aumento dos valores das tensões (de compressivas para menos compressivas ou até mesmo trativas). Já para as tensões axiais, os valores mostraram a tendência de se manterem compressivos. Observou-se para os perfis de tensões analisados que as tensões residuais foram compressivas e dependeram da profundidade da camada subsuperficial. Portanto, dentro das condições estudadas, conclui-se que peças de AISI 420 C endurecido podem ser fabricadas por torneamento de acabamento com ferramentas de metal-duro, permitindo obter vida longa para a ferramenta de corte, baixos valores de rugosidade, bem como valores de tensão residual compressiva, que são dados de usinabilidade importantes para esse material. / The study of the material’s machinability is very important for the determination of important machining properties. This logic applies to hardened martensitic stainless steel AISI 420 C used in the manufacture of high precision parts, surgical instruments, shafts, turbines and cutlery. In this way, investigations were carried out using hardened workpieces (quenching and tempering) with hardness of (48  1) and (53  2 HRC) in dry turning using ISO-S grade carbide tools with extra-fine grains and PVD coating. For these workpieces, the cutting speed and the feed rate were varied and the machining forces and the residual stresses generated in the part were evaluated. For the material with 53 HRC, the tool-life and the surface roughness were also analyzed. In the analysis of the results obtained for the material with 48 HRC, residual stresses become less compressive (circumferential direction) and more tensile (axial direction) with increasing feed-rate. Moreover, smaller values of residual stress were generated using lower feed-rate at higher cutting speed. In the tests for the material at 53 HRC, the tool-life was between 100 and 350 min for the conditions tested. Flank and notch wear were evidenced in all situations. The flank face of the tool also showed adhesion of the workpiece material under all cutting conditions. When analyzing the inserts at their end of life, it was verified that the main mechanisms of tool wear were abrasion and attrition. In addition, under the most severe cutting conditions, the flank face of the tool exhibited mechanical cracks and the subsurface layer of the workpieces presented microstructural modifications. The registered profiles and roughness parameters were affected by wear during the tool-life. With respect to the circumferential residual stresses generated with the fresh tool, these were mostly compressive stresses. With the progression of tool flank wear, there was an increase in the values of the residual stress (from compressive to less compressive or even tractive). For the axial residual stresses, the values showed a tendency to remain compressive. It was observed for the residual stress profiles analyzed that the residual stresses were compressive and depended on the depth of subsurface layer. Therefore, within the cutting conditions considered, it can be concluded that hardened martensitic stainless steel AISI 420 C parts can be manufactured by finishing turning with carbide tools, allowing long tool-life, low surface roughness values, as well as compressive residual stress values, which are important machinability information for this material.

Thesis (M. S.)--Mechanical Engineering, Georgia Institute of Technology, 2009. / Committee Chair: Dr. Richard W. Neu; Committee Member: Dr. David L. McDowell; Committee Member: Dr. Itzhak Green.

O estudo de usinabilidade de um material é muito importante para a determinação das características de fabricação por usinagem. Este estudo se aplica ao aço inoxidável martensítico AISI 420 C endurecido, usado na fabricação de peças de alta precisão, instrumentos cirúrgicos, eixos, turbinas e cutelaria. Deste modo, realizaram-se investigações utilizando corpos de prova endurecidos (têmpera e revenimento) com durezas de (48  1) e (53  2) HRC no torneamento a seco utilizando ferramentas de metal-duro classe ISO S com grãos extrafinos e revestimento PVD. Para estes corpos de prova variaram-se a velocidade de corte e o avanço e avaliaram-se as forças de usinagem e as tensões residuais geradas na peça. Para o material com 53 HRC, também foram analisadas a vida da ferramenta e a rugosidade. Na análise dos resultados obtidos para o material com 48 HRC, as tensões residuais tornaram-se menos compressivas (circunferencial) e mais trativas (axial) com o aumento do avanço. Além disso, os menores valores de tensão residual foram gerados utilizando menor avanço com maior velocidade de corte. Nos ensaios para o material a 53 HRC, o tempo de vida da ferramenta ficou entre 100 e 350 min para as condições ensaiadas. Os desgastes de flanco e entalhe foram evidenciados em todas as situações. O flanco da ferramenta também apresentou adesão de material da peça em todas as condições. Ao analisar os insertos em seu fim de vida, constatou-se que os mecanismos de desgastes predominantes foram a abrasão e o atrittion. Nas condições mais severas, a superfície da ferramenta exibiu trincas mecânicas e a camada subsuperficial da peça apresentou modificações microestruturais. Os perfis e os parâmetros de rugosidade registrados foram afetados pelo desgaste ao longo da vida da ferramenta. Com relação às tensões residuais circunferenciais geradas com a ferramenta nova, estas foram, em sua maioria, tensões de compressão. Com a progressão do desgaste de flanco, houve um aumento dos valores das tensões (de compressivas para menos compressivas ou até mesmo trativas). Já para as tensões axiais, os valores mostraram a tendência de se manterem compressivos. Observou-se para os perfis de tensões analisados que as tensões residuais foram compressivas e dependeram da profundidade da camada subsuperficial. Portanto, dentro das condições estudadas, conclui-se que peças de AISI 420 C endurecido podem ser fabricadas por torneamento de acabamento com ferramentas de metal-duro, permitindo obter vida longa para a ferramenta de corte, baixos valores de rugosidade, bem como valores de tensão residual compressiva, que são dados de usinabilidade importantes para esse material. / The study of the material’s machinability is very important for the determination of important machining properties. This logic applies to hardened martensitic stainless steel AISI 420 C used in the manufacture of high precision parts, surgical instruments, shafts, turbines and cutlery. In this way, investigations were carried out using hardened workpieces (quenching and tempering) with hardness of (48  1) and (53  2 HRC) in dry turning using ISO-S grade carbide tools with extra-fine grains and PVD coating. For these workpieces, the cutting speed and the feed rate were varied and the machining forces and the residual stresses generated in the part were evaluated. For the material with 53 HRC, the tool-life and the surface roughness were also analyzed. In the analysis of the results obtained for the material with 48 HRC, residual stresses become less compressive (circumferential direction) and more tensile (axial direction) with increasing feed-rate. Moreover, smaller values of residual stress were generated using lower feed-rate at higher cutting speed. In the tests for the material at 53 HRC, the tool-life was between 100 and 350 min for the conditions tested. Flank and notch wear were evidenced in all situations. The flank face of the tool also showed adhesion of the workpiece material under all cutting conditions. When analyzing the inserts at their end of life, it was verified that the main mechanisms of tool wear were abrasion and attrition. In addition, under the most severe cutting conditions, the flank face of the tool exhibited mechanical cracks and the subsurface layer of the workpieces presented microstructural modifications. The registered profiles and roughness parameters were affected by wear during the tool-life. With respect to the circumferential residual stresses generated with the fresh tool, these were mostly compressive stresses. With the progression of tool flank wear, there was an increase in the values of the residual stress (from compressive to less compressive or even tractive). For the axial residual stresses, the values showed a tendency to remain compressive. It was observed for the residual stress profiles analyzed that the residual stresses were compressive and depended on the depth of subsurface layer. Therefore, within the cutting conditions considered, it can be concluded that hardened martensitic stainless steel AISI 420 C parts can be manufactured by finishing turning with carbide tools, allowing long tool-life, low surface roughness values, as well as compressive residual stress values, which are important machinability information for this material.

O estudo de usinabilidade de um material é muito importante para a determinação das características de fabricação por usinagem. Este estudo se aplica ao aço inoxidável martensítico AISI 420 C endurecido, usado na fabricação de peças de alta precisão, instrumentos cirúrgicos, eixos, turbinas e cutelaria. Deste modo, realizaram-se investigações utilizando corpos de prova endurecidos (têmpera e revenimento) com durezas de (48  1) e (53  2) HRC no torneamento a seco utilizando ferramentas de metal-duro classe ISO S com grãos extrafinos e revestimento PVD. Para estes corpos de prova variaram-se a velocidade de corte e o avanço e avaliaram-se as forças de usinagem e as tensões residuais geradas na peça. Para o material com 53 HRC, também foram analisadas a vida da ferramenta e a rugosidade. Na análise dos resultados obtidos para o material com 48 HRC, as tensões residuais tornaram-se menos compressivas (circunferencial) e mais trativas (axial) com o aumento do avanço. Além disso, os menores valores de tensão residual foram gerados utilizando menor avanço com maior velocidade de corte. Nos ensaios para o material a 53 HRC, o tempo de vida da ferramenta ficou entre 100 e 350 min para as condições ensaiadas. Os desgastes de flanco e entalhe foram evidenciados em todas as situações. O flanco da ferramenta também apresentou adesão de material da peça em todas as condições. Ao analisar os insertos em seu fim de vida, constatou-se que os mecanismos de desgastes predominantes foram a abrasão e o atrittion. Nas condições mais severas, a superfície da ferramenta exibiu trincas mecânicas e a camada subsuperficial da peça apresentou modificações microestruturais. Os perfis e os parâmetros de rugosidade registrados foram afetados pelo desgaste ao longo da vida da ferramenta. Com relação às tensões residuais circunferenciais geradas com a ferramenta nova, estas foram, em sua maioria, tensões de compressão. Com a progressão do desgaste de flanco, houve um aumento dos valores das tensões (de compressivas para menos compressivas ou até mesmo trativas). Já para as tensões axiais, os valores mostraram a tendência de se manterem compressivos. Observou-se para os perfis de tensões analisados que as tensões residuais foram compressivas e dependeram da profundidade da camada subsuperficial. Portanto, dentro das condições estudadas, conclui-se que peças de AISI 420 C endurecido podem ser fabricadas por torneamento de acabamento com ferramentas de metal-duro, permitindo obter vida longa para a ferramenta de corte, baixos valores de rugosidade, bem como valores de tensão residual compressiva, que são dados de usinabilidade importantes para esse material. / The study of the material’s machinability is very important for the determination of important machining properties. This logic applies to hardened martensitic stainless steel AISI 420 C used in the manufacture of high precision parts, surgical instruments, shafts, turbines and cutlery. In this way, investigations were carried out using hardened workpieces (quenching and tempering) with hardness of (48  1) and (53  2 HRC) in dry turning using ISO-S grade carbide tools with extra-fine grains and PVD coating. For these workpieces, the cutting speed and the feed rate were varied and the machining forces and the residual stresses generated in the part were evaluated. For the material with 53 HRC, the tool-life and the surface roughness were also analyzed. In the analysis of the results obtained for the material with 48 HRC, residual stresses become less compressive (circumferential direction) and more tensile (axial direction) with increasing feed-rate. Moreover, smaller values of residual stress were generated using lower feed-rate at higher cutting speed. In the tests for the material at 53 HRC, the tool-life was between 100 and 350 min for the conditions tested. Flank and notch wear were evidenced in all situations. The flank face of the tool also showed adhesion of the workpiece material under all cutting conditions. When analyzing the inserts at their end of life, it was verified that the main mechanisms of tool wear were abrasion and attrition. In addition, under the most severe cutting conditions, the flank face of the tool exhibited mechanical cracks and the subsurface layer of the workpieces presented microstructural modifications. The registered profiles and roughness parameters were affected by wear during the tool-life. With respect to the circumferential residual stresses generated with the fresh tool, these were mostly compressive stresses. With the progression of tool flank wear, there was an increase in the values of the residual stress (from compressive to less compressive or even tractive). For the axial residual stresses, the values showed a tendency to remain compressive. It was observed for the residual stress profiles analyzed that the residual stresses were compressive and depended on the depth of subsurface layer. Therefore, within the cutting conditions considered, it can be concluded that hardened martensitic stainless steel AISI 420 C parts can be manufactured by finishing turning with carbide tools, allowing long tool-life, low surface roughness values, as well as compressive residual stress values, which are important machinability information for this material.

The final thesis deals with martensitic stainless steel and their mechanical properties. The theoretical part consists of information about corrosion, chemical composition, heat treatment and mechanical properties of various types of steel. The practical part deals with the influence of the cooling rate during heat treatment and nickel content on the mechanical properties and microstructure of the GX4CrNi13-4 steel.

A newly developed martensitic stainless steel powder, called “powder A”, designed for surface coating with laser cladding and PTA cladding was characterized. The purpose with powder A is to achieve both good corrosion resistance and wear resistance in a stainless steel grade. The investigation of powder A was divided into cladding characterization, microstructural investigation and a property comparison to existing grades 316 HSi and 431 L. Powder A was successfully deposited with laser cladding, exhibiting a wide process window, and PTA cladding. In both cases no preheating was required and no cracks were formed. The microstructure examination indicates that powder A has a martensitic structure possibly containing small amounts of ferrite in the grain boundaries. Thermodynamic calculations in computer software Thermo-Calc 4.1 supported this theory. The microstructure of powder A proved to be very stable over a wide range of cladding parameters. Powder A was significantly harder than 316 HSi and 431 L and had better corrosion resistance than 431 L in a chloride environment. Powder A had similar corrosion properties as 316 HSi in the experiments made .The wear performance of the powder A coatings was similar to 431 L. This was surprising since the hardness of the powder A coatings is significantly higher compared to 431 L.