A excelente resistência à corrosão dos aços inoxidáveis austeníticos é a principal característica de sua ampla gama de aplicações nas mais diversas indústrias. Entretanto, as limitadas propriedades mecânicas da austenita, restringem o uso dessas ligas em sistemas que requeiram melhor desempenho tribológico sem prejuízo de sua resistência à corrosão. Métodos de endurecimento superficial convencionais tendem a formar precipitados que reduzem a disponibilidade dos elementos responsáveis pela passivação da liga, favorecendo a ação de agentes corrosivos. A descoberta de uma fase supersaturada em intersticiais denominada austenita expandida, ou Fase-S, tem lançado novas perspectivas sobre as opções de endurecimento superficial dos aços inoxidáveis austeníticos. Produzida por modernas técnicas baseadas no emprego do plasma, a austenita expandida apresenta elevadíssima dureza, da ordem de 14 GPa, sem prejuízo de sua resistência à corrosão, uma vez que não ocorre precipitação observável por microscopia ótica ou de varredura. Caracterizações mecânicas das camadas de austenita expandida por ensaios que simulem situações mais próximas da real condição de trabalho do material fornecem um conjunto de dados empíricos relevantes para a compreensão e modelagem de fenômenos tribológicos atuantes em um dado sistema mecânico. Nesse sentido, a microesclerometria instrumentada aparece com excelente opção de ferramenta para os estudos direcionados à Engenharia de Superfície. O presente trabalho apresenta os resultados de uma série de ensaios de microesclerometria instrumentada realizados em amostras de aço AISI 316 nitretadas a plasma por 20 h em forno de corrente contínua, utilizando a tecnologia de tela ativa, temperatura de 400 ºC e atmosfera formada por três partes de nitrogênio para cada parte de hidrogênio (3N2:1H2), resultando na formação de austenita expandida na superfície. Também são discutidos a caracterização das amostras, o baixo coeficiente de atrito (< 0,1) verificado experimentalmente e a ausência de falha adesiva da camada durante o ensaio. / One of the main reasons for the common utilization of austenitic stainless steels by various industries remains on their great corrosion resistance. On the other hand, the poor mechanical properties of austenite restrict the use of these alloys in systems which require better tribological performance without decreasing their corrosion resistance. Conventional case hardening techniques promote precipitate formation, reducing availability of passivation elements in metallic matrix, what can ease the action of corrosive external agents. The discovery of a carbon and/or nitrogen supersaturated phase, called expanded austenite or S-phase, brought new perspectives over case hardening options for austenitic stainless steels. Obtained by recent techniques based on plasma, expanded austenite has very high hardness, around 14 GPa, without reducing corrosion resistance, since no precipitate is noticeable by optical or scanning electronic microscopy. Using testing apparatus that simulates real work conditions, mechanical characterization of expanded austenite layers gives an important set of empirical data. These data are useful for comprehension and modeling of tribological phenomena occurring in a given mechanical system. In this way, instrumented microscratch test appears as an interesting option to be used in studies oriented to the Surface Engineering field. This work presents results from a series of instrumented microscratch tests performed over AISI 316 stainless steel samples with an expanded austenite layer. Plasma nitriding surface treatment was carried out during 20 h, in an active screen DC reactor under 400 ºC and atmosphere compounded by three parts of nitrogen for each part of hydrogen (3N2:1H2). The tribological behavior of the expanded austenite layer was characterized in a series of linear scratch tests. The results show that in the beginning of the scratch test the coefficient of friction was kept smaller than 0,1. When the first cracks appear the apparent coefficient of friction steadily increases, indicating that cracking of the nitrided layer lead to an increase of the coefficient of friction. Although the expanded austenite layer cracks, no adhesive failure was observed, the hardened layer being preserved during the whole scratch test.

Este trabalho visa o refinamento do procedimento para estimativa dos parâmetros elasto-plásticos de tenacidade à fratura, integral J e CTOD, incorporando o efeito de dissimilaridade mecânica devido à introdução de juntas soldadas utilizando a metodologia eta, tal efeito não é previsto na formulação das atuais normas de avaliação de tenacidade à fratura, porém a dissimilaridade mecânica afeta fortemente a relação entre o carregamento global do espécime e as forças motrizes na ponta da trinca. Para o desenvolvimento das análises foi empregada a geometria normalizada C(T), compacta, pois esta pode apresentar potencias vantagens sobre a geometria SE(B), flexão três pontos, como menor consumo de material para a confecção dos espécimes, menor capacidade do aparato experimental e fácil manipulação na prática dos testes laboratoriais, porém carece de fatores eta quando comparados ao tradicional espécime SE(B). Os principais objetivos deste trabalho são gerar um compêndio de fatores eta e propor uma formulação robusta que incorpore os efeitos de dissimilaridade mecânica para o cálculo de integral J e CTOD. Para tal intento a matriz de análise deste trabalho abrange diferentes comprimentos de trinca, níveis de dissimilaridade mecânica e larguras de cordão de solda, 0.45a/W0.6 e 1M y 1.3, 10 mm2h20 mm respectivamente. As análises numéricas foram realizadas nas condições de estado plano de deformação (2D) e tridimensional (incluindo o efeito acoplado entre os campos de tensões e deformações no plano e fora do plano), os resultados fornecem um bom suporte ao uso da geometria C(T) com trinca central no cordão de solda para avaliação de tenacidade à fratura em juntas soldadas de materiais comumente aplicados na construção de dutos e vasos de pressão. / This work focuses on the evaluation procedure to determine the elastic-plastic J integral and CTOD fracture toughness based upon the eta-method for C(T) fracture specimens including overmatched weldments. Since fracture toughness test protocols do not address weld strength mismatch effect, this effect strongly alters the relationship between global loads and crack driving forces. The objectives of this investigation are to enlarge plastic eta-factor data base for C(T) specimen and to develop a robust formulation to address weld strength mismatch. The present analyses enable the introduction of a larger set of plastic eta-factors for a wide range of crack sizes (as measured by the a/W-ratio) and material properties, including different levels of weld strength mismatch, applicable to structural, pipeline and pressure vessel steels. Very detailed non-linear finite element analyses for plane-strain and full 3D models of standard C(T) fracture specimens provide the evolution of load with increased crack mouth opening displacement (and LLD) required for the estimation procedure. The results provide a strong support to use the plastic eta-factor in J integral and CTOD estimation procedures for center notch welded C(T) fracture specimen.

A interação dinâmica resultante do impacto de esferas de aço contra chapas de alumínio é estudada através da representação numérica de testes experimentais, os quais imitam freqüentes colisões de pequenos fragmentos contra a fuselagem de aeronaves. Importância é dada à modelagem do comportamento visco-plástico do material da chapa, o que conduz à proposição de uma modificação no método de caracterização dinâmica mecânica de material, realizado através de um equipamento denominado Barra de Hopkinson. Adicionalmente, a influência de possíveis erros na seleção de parâmetros de simulação, relacionados ao contato, amortecimento estrutural e principalmente ao material, é discutida através de análises numéricas de sensibilidade. Testes de impacto foram conduzidos de forma a se obter a velocidade balística das chapas. O deslocamento máximo permanente das chapas a baixas velocidades também foi medido. O método de caracterização dinâmica de material proposto é então avaliado pela comparação dos resultados de simulações numéricas frente aos dados experimentais obtidos nos testes de impacto. As predições de deslocamento máximo permanente, para testes sem perfuração da chapa, e de velocidade balística, para testes de perfuração total, indicaram uma boa concordância numérico-experimental, respeitadas as observações realizadas acerca dos parâmetros envolvidos. / Dynamic interaction present on impact of steel spheres against aluminum panels is studied through a numerical model of experimental tests, which reproduce common collisions of small debris against airplane fuselages. This thesis emphasizes the panel-material visco-plastic behaviour modeling, which leads to a modification of the material dynamic characterization method, based on a Split Hopkinson Pressure Bar. Influence of possible errors in some numerical simulations parameters, related to contact, structural damping and material behaviour is also discussed by sensitivity numerical analyses. Impact tests were conducted to obtain the ballistic velocity of the panels. Also, the final maximum plate deformation at low velocities was measured. The proposed dynamic characterization method is explored by comparing the numerical simulation and the impact tests. The predicted maximum impact point displacement, for no perforation cases, and the ballistic velocity, for total perforation tests, present a good numerical-experimental agreement, bearing in mind the observations about the various used parameters.

Devido a crescente necessidade de elevação dos níveis de conformação em peças estampadas em geral, existe uma demanda cada vez maior em ligas e processos diversificados que atendam as variadas exigências do setor de produtos estampados e posteriormente tratados termicamente para aumento de dureza. Desse modo desenvolveu-se a liga C80U modificada, que é uma variante da liga C80U especificada na norma DIN EN ISO 4957 porém com adição de Cromo, entretanto a liga C80U modificada ainda é pouco estudada e pouca informação técnica se tem a seu respeito. Com a finalidade de melhor conhecimento técnico dessa liga, foram conduzidos estudos de caracterização em amostras laminadas a quente e após processo de esferoidização posteriormente sendo revestidas com fosfato de zinco. Foram realizados estudos de composição química, microestrutura, textura cristalográfica, propriedades mecânicas e estrutura do fosfato, além de levantamento da curva CLC através do método Nakazima e evolução da rugosidade 2D e 3D em amostras com e sem revestimento de fosfato, antes e após conformação. Através dos resultados parciais encontrados, foi possível definir o lado da curva CLC relacionado ao estiramento da chapa bem como comparar o deslocamento e a força do punção no teste Nakazima conformando-se amostras esferoidizadas sem revestimento e com revestimento de fosfato. / Due to the increasing demand for enhanced formability levels of stamped parts in general, there is also an increasing demand for various alloys and processes that comply with the various requirements associated with stamped products that are subsequently heat treated to increase their hardness. Along this line, a modified C80U alloy has been developed, which is a variant of the alloy C80U specified in the standard DIN EN ISO 4957 but with the addition of Chrome. However, this alloy is still poorly studied and little technical information is available about it. In order to increase the knowledge of this alloy, characterization studies were conducted on hot rolled, after spheroidization and subsequently coated with zinc phosphate samples. The studies performed included chemical composition, microstructure, crystallografic texture, mechanical properties and analysis of the phosphate structure, as well as Nakazima tests in order to obtain the forming limit diagram (FLD) curve and the 2D and 3D roughness evolution of spheroidized samples coated and uncoated before and after the stamping process. Through the partial results obtained, it was possible to define the side of FLD curve related to stretching of the sheet as well as comparing the displacement and force of the punch on Nakazima test, stamping spheroidized samples both uncoated and coated with zinc phosphate.

Este trabalho visa o refinamento do procedimento para estimativa dos parâmetros elasto-plásticos de tenacidade à fratura, integral J e CTOD, incorporando o efeito de dissimilaridade mecânica devido à introdução de juntas soldadas utilizando a metodologia eta, tal efeito não é previsto na formulação das atuais normas de avaliação de tenacidade à fratura, porém a dissimilaridade mecânica afeta fortemente a relação entre o carregamento global do espécime e as forças motrizes na ponta da trinca. Para o desenvolvimento das análises foi empregada a geometria normalizada C(T), compacta, pois esta pode apresentar potencias vantagens sobre a geometria SE(B), flexão três pontos, como menor consumo de material para a confecção dos espécimes, menor capacidade do aparato experimental e fácil manipulação na prática dos testes laboratoriais, porém carece de fatores eta quando comparados ao tradicional espécime SE(B). Os principais objetivos deste trabalho são gerar um compêndio de fatores eta e propor uma formulação robusta que incorpore os efeitos de dissimilaridade mecânica para o cálculo de integral J e CTOD. Para tal intento a matriz de análise deste trabalho abrange diferentes comprimentos de trinca, níveis de dissimilaridade mecânica e larguras de cordão de solda, 0.45a/W0.6 e 1M y 1.3, 10 mm2h20 mm respectivamente. As análises numéricas foram realizadas nas condições de estado plano de deformação (2D) e tridimensional (incluindo o efeito acoplado entre os campos de tensões e deformações no plano e fora do plano), os resultados fornecem um bom suporte ao uso da geometria C(T) com trinca central no cordão de solda para avaliação de tenacidade à fratura em juntas soldadas de materiais comumente aplicados na construção de dutos e vasos de pressão. / This work focuses on the evaluation procedure to determine the elastic-plastic J integral and CTOD fracture toughness based upon the eta-method for C(T) fracture specimens including overmatched weldments. Since fracture toughness test protocols do not address weld strength mismatch effect, this effect strongly alters the relationship between global loads and crack driving forces. The objectives of this investigation are to enlarge plastic eta-factor data base for C(T) specimen and to develop a robust formulation to address weld strength mismatch. The present analyses enable the introduction of a larger set of plastic eta-factors for a wide range of crack sizes (as measured by the a/W-ratio) and material properties, including different levels of weld strength mismatch, applicable to structural, pipeline and pressure vessel steels. Very detailed non-linear finite element analyses for plane-strain and full 3D models of standard C(T) fracture specimens provide the evolution of load with increased crack mouth opening displacement (and LLD) required for the estimation procedure. The results provide a strong support to use the plastic eta-factor in J integral and CTOD estimation procedures for center notch welded C(T) fracture specimen.

A interação dinâmica resultante do impacto de esferas de aço contra chapas de alumínio é estudada através da representação numérica de testes experimentais, os quais imitam freqüentes colisões de pequenos fragmentos contra a fuselagem de aeronaves. Importância é dada à modelagem do comportamento visco-plástico do material da chapa, o que conduz à proposição de uma modificação no método de caracterização dinâmica mecânica de material, realizado através de um equipamento denominado Barra de Hopkinson. Adicionalmente, a influência de possíveis erros na seleção de parâmetros de simulação, relacionados ao contato, amortecimento estrutural e principalmente ao material, é discutida através de análises numéricas de sensibilidade. Testes de impacto foram conduzidos de forma a se obter a velocidade balística das chapas. O deslocamento máximo permanente das chapas a baixas velocidades também foi medido. O método de caracterização dinâmica de material proposto é então avaliado pela comparação dos resultados de simulações numéricas frente aos dados experimentais obtidos nos testes de impacto. As predições de deslocamento máximo permanente, para testes sem perfuração da chapa, e de velocidade balística, para testes de perfuração total, indicaram uma boa concordância numérico-experimental, respeitadas as observações realizadas acerca dos parâmetros envolvidos. / Dynamic interaction present on impact of steel spheres against aluminum panels is studied through a numerical model of experimental tests, which reproduce common collisions of small debris against airplane fuselages. This thesis emphasizes the panel-material visco-plastic behaviour modeling, which leads to a modification of the material dynamic characterization method, based on a Split Hopkinson Pressure Bar. Influence of possible errors in some numerical simulations parameters, related to contact, structural damping and material behaviour is also discussed by sensitivity numerical analyses. Impact tests were conducted to obtain the ballistic velocity of the panels. Also, the final maximum plate deformation at low velocities was measured. The proposed dynamic characterization method is explored by comparing the numerical simulation and the impact tests. The predicted maximum impact point displacement, for no perforation cases, and the ballistic velocity, for total perforation tests, present a good numerical-experimental agreement, bearing in mind the observations about the various used parameters.

Devido a crescente necessidade de elevação dos níveis de conformação em peças estampadas em geral, existe uma demanda cada vez maior em ligas e processos diversificados que atendam as variadas exigências do setor de produtos estampados e posteriormente tratados termicamente para aumento de dureza. Desse modo desenvolveu-se a liga C80U modificada, que é uma variante da liga C80U especificada na norma DIN EN ISO 4957 porém com adição de Cromo, entretanto a liga C80U modificada ainda é pouco estudada e pouca informação técnica se tem a seu respeito. Com a finalidade de melhor conhecimento técnico dessa liga, foram conduzidos estudos de caracterização em amostras laminadas a quente e após processo de esferoidização posteriormente sendo revestidas com fosfato de zinco. Foram realizados estudos de composição química, microestrutura, textura cristalográfica, propriedades mecânicas e estrutura do fosfato, além de levantamento da curva CLC através do método Nakazima e evolução da rugosidade 2D e 3D em amostras com e sem revestimento de fosfato, antes e após conformação. Através dos resultados parciais encontrados, foi possível definir o lado da curva CLC relacionado ao estiramento da chapa bem como comparar o deslocamento e a força do punção no teste Nakazima conformando-se amostras esferoidizadas sem revestimento e com revestimento de fosfato. / Due to the increasing demand for enhanced formability levels of stamped parts in general, there is also an increasing demand for various alloys and processes that comply with the various requirements associated with stamped products that are subsequently heat treated to increase their hardness. Along this line, a modified C80U alloy has been developed, which is a variant of the alloy C80U specified in the standard DIN EN ISO 4957 but with the addition of Chrome. However, this alloy is still poorly studied and little technical information is available about it. In order to increase the knowledge of this alloy, characterization studies were conducted on hot rolled, after spheroidization and subsequently coated with zinc phosphate samples. The studies performed included chemical composition, microstructure, crystallografic texture, mechanical properties and analysis of the phosphate structure, as well as Nakazima tests in order to obtain the forming limit diagram (FLD) curve and the 2D and 3D roughness evolution of spheroidized samples coated and uncoated before and after the stamping process. Through the partial results obtained, it was possible to define the side of FLD curve related to stretching of the sheet as well as comparing the displacement and force of the punch on Nakazima test, stamping spheroidized samples both uncoated and coated with zinc phosphate.