O presente trabalho trata sobre a influência do teor de enxofre, em quatro aços com uma composição química similar (famílias ABNT 1045 e ABNT 1145), na microestrutura, nas propriedades estáticas, dinâmicas e nos processos de usinagem. Para esta análise foi feita uma caracterização microestrutural de cada material para determinar parâmetros tais como a fração de inclusões de sulfeto de manganês (MnS) e a fração volumétrica de perlita. Também foi feita uma caracterização mecânica que consistiu em ensaios estáticos mediante o ensaio de tração e dureza, e um ensaio dinâmico utilizando a barra de Hopkinson, com o objetivo de observar o comportamento das inclusões e do próprio material quando deformado com altas e baixas taxas de deformação. Para a caracterização durante a usinagem destes aços foram feitos ensaios de torneamento para avaliar as forças de corte e de avanço em velocidades de corte de 190, 110, 45 e 15 m/min. A rugosidade dos corpos-de-prova também foi medida. Os resultados obtidos nos ensaios de torneamento e da caracterização microestrutural foram analisados estatisticamente para observar variações do comportamento das forças de usinagem de cada aço sob diferentes condições de velocidade de corte, e tentar correlacionar esse comportamento com a microestrutura do material. Observou-se que o aço 1045-A apresentou forças de usinagem (força de corte e força de avanço) superiores que os demais aços, já o aço que apresentou menores forças de usinagem foi o aço 1145-B. Isto é apenas uma tendência, devido que não houve diferença estatística que avaliasse esse comportamento. Também se observou que a rugosidade é um parâmetro que depende mais da velocidade de corte que da distribuição e/ou morfologia das inclusões. Evidenciou-se a formação de aresta postiça de corte (APC) numa faixa de velocidades (15-50 m/min), o que influenciou na rugosidade para estas condições de velocidades. Verificou-se que o comportamento das inclusões em baixas taxas de deformação é de caráter frágil, entanto que em altas taxas seu comportamento é plástico e deforma junto com a matriz. / This work deals with the sulfur influence on the microstructure and on the static, dynamic and machining behavior of four steels with similar chemical composition. (ABNT 1045 and ABNT 1145). Microstructure characterization of the materials was performed in order to obtain the area fraction of the phases of perlite and sulfide inclusions. A mechanical characterization of the materials was also performed, consisting in a set of static (tension and hardness test) and dynamic tests (Split Hopkinson Pressure Bar Test) with the objective of observing the deformation behavior of the sulfide inclusions at low and high strain rates. Various machining tests were carried out at different cutting speeds, namely 190, 110, 45 e 15 m min-1, for obtaining the cutting forces during de machining process. After the machining tests, the roughness of the steels was also measured. Later on, the results of the different experiments were analyzed with statistical tools and then compared to establish a correlation between the cutting forces and microstructure. The higher cutting forces were registered for the 1045-A steel and the lower for the 1145-B steel. However, this was considered merely a trend given that no statistical difference was found to support any conclusion. It was also observed a stronger roughness dependency on the cutting speed than in the distribution and/or morphology of the inclusions. The steels were observed to form a built-up edge (BUE) in a range of cutting velocities of 15-50 m/min. This phenomenon affected the roughness for these cutting velocities. The behavior of the sulfide inclusions was observed to be brittle under low strain rates. On the other hand, under high strain rates, a plastic deformation behavior was observed with inclusions participating in the plastic flow of the metal matrix.

As inclusões de sulfeto de manganês (MnS) são compostos não-metálicos formados no aço pela reação entre o enxofre (S) e o manganês (Mn). A formação das inclusões de MnS durante o processo de produção do aço é esperada e desejada em aços onde a usinabilidade é uma característica importante. Na usinagem, as inclusões apresentam um efeito de concentração de tensão no aço facilitando a quebra do cavaco. Esse efeito está determinado por fatores como tamanho e forma das inclusões e a distribuição das mesmas na matriz metálica. Vários estudos experimentais têm sido realizados com relação a esses fatores, no entanto, não existem modelos numéricos consolidados sobre este tema. O foco deste trabalho foi estudar a relação entre a microestrutura de dois aços para construção mecânica (composição base ABNT 1045) e sua usinabilidade. Um modelo numérico foi proposto para estudar os campos de tensão gerados no aço durante os processos de corte, considerando os aspectos microestruturais (principalmente as inclusões de MnS). As tensões resultantes durante o torneamento foram simuladas com base em medições de força de avanço e de corte durante ensaios de usinagem. Foi obtida uma boa correlação entre o modelo numérico e os resultados experimentais. A análise numérica confirmou que as inclusões atuam como concentradores de tensão e que sua morfologia e distribuição influenciam na usinabilidade do material. / MnS inclusions are non-metallic compounds formed in steel due to chemical reactions between sulfur and manganese. The formation of MnS inclusions during steel production is generally expected and sometimes desired in steels for machining applications. During machining, the stress concentrating effect due to MnS inclusions is determined by factors such as their size, shape and distribution in the metallic matrix. Several experimental studies have been conducted in this area; nevertheless, there are no consolidated numerical models. The main objective of this work was to analyze the relationship between the microstructure of two steels (ABNT 1045) and their machinability. A numerical model was proposed to study the stress fields during the cutting process, considering the microstructural aspects of steels (mainly the MnS inclusions). Stresses during turning were simulated based on experimental measurements of cutting and feed forces. A good agreement between the numerical model and experimental results was observed. Numerical results confirm that MnS inclusions are stress concentrators and their morphology and distribution influence the materials machinability.

As inclusões de sulfeto de manganês (MnS) são compostos não-metálicos formados no aço pela reação entre o enxofre (S) e o manganês (Mn). A formação das inclusões de MnS durante o processo de produção do aço é esperada e desejada em aços onde a usinabilidade é uma característica importante. Na usinagem, as inclusões apresentam um efeito de concentração de tensão no aço facilitando a quebra do cavaco. Esse efeito está determinado por fatores como tamanho e forma das inclusões e a distribuição das mesmas na matriz metálica. Vários estudos experimentais têm sido realizados com relação a esses fatores, no entanto, não existem modelos numéricos consolidados sobre este tema. O foco deste trabalho foi estudar a relação entre a microestrutura de dois aços para construção mecânica (composição base ABNT 1045) e sua usinabilidade. Um modelo numérico foi proposto para estudar os campos de tensão gerados no aço durante os processos de corte, considerando os aspectos microestruturais (principalmente as inclusões de MnS). As tensões resultantes durante o torneamento foram simuladas com base em medições de força de avanço e de corte durante ensaios de usinagem. Foi obtida uma boa correlação entre o modelo numérico e os resultados experimentais. A análise numérica confirmou que as inclusões atuam como concentradores de tensão e que sua morfologia e distribuição influenciam na usinabilidade do material. / MnS inclusions are non-metallic compounds formed in steel due to chemical reactions between sulfur and manganese. The formation of MnS inclusions during steel production is generally expected and sometimes desired in steels for machining applications. During machining, the stress concentrating effect due to MnS inclusions is determined by factors such as their size, shape and distribution in the metallic matrix. Several experimental studies have been conducted in this area; nevertheless, there are no consolidated numerical models. The main objective of this work was to analyze the relationship between the microstructure of two steels (ABNT 1045) and their machinability. A numerical model was proposed to study the stress fields during the cutting process, considering the microstructural aspects of steels (mainly the MnS inclusions). Stresses during turning were simulated based on experimental measurements of cutting and feed forces. A good agreement between the numerical model and experimental results was observed. Numerical results confirm that MnS inclusions are stress concentrators and their morphology and distribution influence the materials machinability.

O presente trabalho trata sobre a influência do teor de enxofre, em quatro aços com uma composição química similar (famílias ABNT 1045 e ABNT 1145), na microestrutura, nas propriedades estáticas, dinâmicas e nos processos de usinagem. Para esta análise foi feita uma caracterização microestrutural de cada material para determinar parâmetros tais como a fração de inclusões de sulfeto de manganês (MnS) e a fração volumétrica de perlita. Também foi feita uma caracterização mecânica que consistiu em ensaios estáticos mediante o ensaio de tração e dureza, e um ensaio dinâmico utilizando a barra de Hopkinson, com o objetivo de observar o comportamento das inclusões e do próprio material quando deformado com altas e baixas taxas de deformação. Para a caracterização durante a usinagem destes aços foram feitos ensaios de torneamento para avaliar as forças de corte e de avanço em velocidades de corte de 190, 110, 45 e 15 m/min. A rugosidade dos corpos-de-prova também foi medida. Os resultados obtidos nos ensaios de torneamento e da caracterização microestrutural foram analisados estatisticamente para observar variações do comportamento das forças de usinagem de cada aço sob diferentes condições de velocidade de corte, e tentar correlacionar esse comportamento com a microestrutura do material. Observou-se que o aço 1045-A apresentou forças de usinagem (força de corte e força de avanço) superiores que os demais aços, já o aço que apresentou menores forças de usinagem foi o aço 1145-B. Isto é apenas uma tendência, devido que não houve diferença estatística que avaliasse esse comportamento. Também se observou que a rugosidade é um parâmetro que depende mais da velocidade de corte que da distribuição e/ou morfologia das inclusões. Evidenciou-se a formação de aresta postiça de corte (APC) numa faixa de velocidades (15-50 m/min), o que influenciou na rugosidade para estas condições de velocidades. Verificou-se que o comportamento das inclusões em baixas taxas de deformação é de caráter frágil, entanto que em altas taxas seu comportamento é plástico e deforma junto com a matriz. / This work deals with the sulfur influence on the microstructure and on the static, dynamic and machining behavior of four steels with similar chemical composition. (ABNT 1045 and ABNT 1145). Microstructure characterization of the materials was performed in order to obtain the area fraction of the phases of perlite and sulfide inclusions. A mechanical characterization of the materials was also performed, consisting in a set of static (tension and hardness test) and dynamic tests (Split Hopkinson Pressure Bar Test) with the objective of observing the deformation behavior of the sulfide inclusions at low and high strain rates. Various machining tests were carried out at different cutting speeds, namely 190, 110, 45 e 15 m min-1, for obtaining the cutting forces during de machining process. After the machining tests, the roughness of the steels was also measured. Later on, the results of the different experiments were analyzed with statistical tools and then compared to establish a correlation between the cutting forces and microstructure. The higher cutting forces were registered for the 1045-A steel and the lower for the 1145-B steel. However, this was considered merely a trend given that no statistical difference was found to support any conclusion. It was also observed a stronger roughness dependency on the cutting speed than in the distribution and/or morphology of the inclusions. The steels were observed to form a built-up edge (BUE) in a range of cutting velocities of 15-50 m/min. This phenomenon affected the roughness for these cutting velocities. The behavior of the sulfide inclusions was observed to be brittle under low strain rates. On the other hand, under high strain rates, a plastic deformation behavior was observed with inclusions participating in the plastic flow of the metal matrix.

Environmentally-assisted cracking (EAC) phenomena affect the in-service behaviour of austenitic stainless steels in nuclear power plants. EAC includes such degradation phenomena as Stress Corrosion Cracking (SCC) and Corrosion Fatigue (CF). Factors affecting EAC include the material type, microstructure, environment, and stress. This is an important degradation issue for both current and Gen III+ light water reactors, particularly as nuclear power plant lifetimes are extended ( > 60 years). Thus, it is important to understand the behaviour of the alloys used in light water reactors, and phenomena such as SCC to avoid failures. Although there is no agreement on the mechanism(s) of SCC, the importance of localized electrochemical reactions at the material surface is widely recognised. Considerable research has been performed on SCC and CF crack growth, but the initiation phenomena are not fully understood. In this project, novel in situ analytical TEM techniques have been developed and applied to explore localised reactions in Type 304 austenitic stainless steel. In situ transmission electron microscopy has become an increasingly important and dynamic research area in materials science with the advent of unique microscope platforms and a range of specialized in situ specimen holders. In metals research, the ability to image and perform X-ray energy dispersive spectroscopy (XED) analyses of metals in liquids are particularly important for detailed study of the metal-environment interactions with specific microstructural features. To further facilitate such studies a special hybrid specimen preparation technique involving electropolishing and FIB extraction has been developed in this thesis to enable metal specimens to be examined in the liquid cell TEM specimen holder using both distilled H2O and H2SO4 solutions. Furthermore, a novel electrode configuration has been designed to permit the localized electrochemical measurement of electron-transparent specimens in the TEM. These novel approaches have been benchmarked by extensive ex situ experiments, including both conventional electrochemical measurements and microcell measurements. The results are discussed in terms of validation of in situ test data as well as the role of the electron beam in the experiments. In situ liquid cell TEM experiments have also explored the localized dissolution of MnS inclusions in H2O, and correlated the behaviour with ex situ experiments. Based on the research performed in this thesis, in situ liquid cell and in situ electrochemical cell experiments can be used to study nanoscale reactions pertaining to corrosion and localized dissolution leading to "precursor" events for subsequent EAC phenomena.