Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Prof. Doutor António Torres Marques

Estágio realizado no INEGI e orientado pelo Eng.º P. J. R. O. Nóvoa / Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Trabalho realizado na Ferespe-Fundição de Ferro e Aço. Lda. e orientado pelo Engº Pedro Lacerda / Tese de mestrado. Engenharia Metalúrgica e de Materiais. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Prof. Doutor António Torres Marques

Os aços da classe SAE 5120 são largamente utilizados para a produção de eixos e engrenagens de caixas de transmissão. As adições de nióbio e boro neste aço visam modificar a microestrutura e, consequentemente, alteram as propriedades metalúrgicas e mecânicas deste aço. Adições de nióbio ancoram o crescimento de grão austenítico, permitindo um aumento de produtividade no processamento visto que temperaturas de laminação e de tratamento térmico mais elevadas podem ser aplicadas sem que ocorra o crescimento de grão austenítico. O boro encontra-se tanto na forma solúvel como nãosolúvel nos aços. O boro solúvel aumenta a temperabilidade, devido à segregação deste elemento durante a solidificação nos contornos de grãos, retardando a nucleação da ferrita. O boro não-solúvel (combinado) também contribui para o ancoramento dos contornos de grãos austeníticos, visto que este se combina com o nitrogênio formando o BN cuja temperatura de solubilização é por volta de 1360ºC. O objetivo principal foi avaliar a cinética de transformação do aço SAE 5120 com a adição simultânea de boro e nióbio por meio da curva de transformação por resfriamento contínuo (CCT) a partir do campo austenítico (930oC). As amostras foram caracterizadas por microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura e por ensaios de dureza, possibilitando a construção da curva CCT para diferentes taxas de resfriamento. Na análise metalográfica observou-se a segregação de manganês e cromo da matéria-prima (estrutura bandeada) e a forte tendência de formação da bainita. Com o auxílio do programa de simulação termodinâmica computacional Thermocalc, foi possível simular as fases termodinamicamente estáveis, verificando que o boro e o nióbio formam precipitados estáveis em altas temperaturas (acima de 1150ºC), sendo os principais responsáveis pelo refino de grão. A temperabilidade e comportamento mecânico foram avaliados pelos ensaios Jominy e o ensaio de impacto Brugger, respectivamente. A influência dos elementos de liga nestes ensaios foi avaliada através de método de regressão linear por meio do software Minitab. / SAE 5120-alloyed steel is largely used to manufacture transmission gears and shafts for automotive industry. Alloying with niobium and boron is intentionally made to modify the microstructure and, consequently, promoting changes in metallurgical and mechanical proprieties. Alloying with niobium prevents austenitic grain growth (pinning effect), leading to an increase of productivity since higher rolling mill and heat treatment temperatures can be achieved. Boron can be found either soluble or insoluble in steels. Soluble B increases hardness, because it segregates to grain boundaries retarding the nucleation of ferrite. Insoluble B, on the other hand, also plays a role on avoiding austenitic grain growth due to its chemical reaction with N forming BN whose solubility temperature is around 1360ºC. The main target of this work was to evaluate the kinetics of phase transformations by continuous cooling transformation (CCT) from the austenitic field (930oC). The microstructure was analyzed by optical microscope, scanning eléctron microscope (SEM), and hardness testing, allowing building the CCT diagram with different cooling rates. It was observed by means of conventional metallography the segregation of Mn and Cr (banding) during solidification of the raw material and a strong propensity to form bainite. Using the Thermocalc software, it was possible to predict the thermodynamically stable phases, proving that boron and niobium form stable precipitates at high temperatures (above 1150ºC) responsible to decrease austenitic grain size. The hardenability and mechanical properties were investigated by Jominy and Brugger impact tests, respectively. The effect alloy adding in these tests were analyzed by linear regression in the software Minitab.

Os aços da classe SAE 5120 são largamente utilizados para a produção de eixos e engrenagens de caixas de transmissão. As adições de nióbio e boro neste aço visam modificar a microestrutura e, consequentemente, alteram as propriedades metalúrgicas e mecânicas deste aço. Adições de nióbio ancoram o crescimento de grão austenítico, permitindo um aumento de produtividade no processamento visto que temperaturas de laminação e de tratamento térmico mais elevadas podem ser aplicadas sem que ocorra o crescimento de grão austenítico. O boro encontra-se tanto na forma solúvel como nãosolúvel nos aços. O boro solúvel aumenta a temperabilidade, devido à segregação deste elemento durante a solidificação nos contornos de grãos, retardando a nucleação da ferrita. O boro não-solúvel (combinado) também contribui para o ancoramento dos contornos de grãos austeníticos, visto que este se combina com o nitrogênio formando o BN cuja temperatura de solubilização é por volta de 1360ºC. O objetivo principal foi avaliar a cinética de transformação do aço SAE 5120 com a adição simultânea de boro e nióbio por meio da curva de transformação por resfriamento contínuo (CCT) a partir do campo austenítico (930oC). As amostras foram caracterizadas por microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura e por ensaios de dureza, possibilitando a construção da curva CCT para diferentes taxas de resfriamento. Na análise metalográfica observou-se a segregação de manganês e cromo da matéria-prima (estrutura bandeada) e a forte tendência de formação da bainita. Com o auxílio do programa de simulação termodinâmica computacional Thermocalc, foi possível simular as fases termodinamicamente estáveis, verificando que o boro e o nióbio formam precipitados estáveis em altas temperaturas (acima de 1150ºC), sendo os principais responsáveis pelo refino de grão. A temperabilidade e comportamento mecânico foram avaliados pelos ensaios Jominy e o ensaio de impacto Brugger, respectivamente. A influência dos elementos de liga nestes ensaios foi avaliada através de método de regressão linear por meio do software Minitab. / SAE 5120-alloyed steel is largely used to manufacture transmission gears and shafts for automotive industry. Alloying with niobium and boron is intentionally made to modify the microstructure and, consequently, promoting changes in metallurgical and mechanical proprieties. Alloying with niobium prevents austenitic grain growth (pinning effect), leading to an increase of productivity since higher rolling mill and heat treatment temperatures can be achieved. Boron can be found either soluble or insoluble in steels. Soluble B increases hardness, because it segregates to grain boundaries retarding the nucleation of ferrite. Insoluble B, on the other hand, also plays a role on avoiding austenitic grain growth due to its chemical reaction with N forming BN whose solubility temperature is around 1360ºC. The main target of this work was to evaluate the kinetics of phase transformations by continuous cooling transformation (CCT) from the austenitic field (930oC). The microstructure was analyzed by optical microscope, scanning eléctron microscope (SEM), and hardness testing, allowing building the CCT diagram with different cooling rates. It was observed by means of conventional metallography the segregation of Mn and Cr (banding) during solidification of the raw material and a strong propensity to form bainite. Using the Thermocalc software, it was possible to predict the thermodynamically stable phases, proving that boron and niobium form stable precipitates at high temperatures (above 1150ºC) responsible to decrease austenitic grain size. The hardenability and mechanical properties were investigated by Jominy and Brugger impact tests, respectively. The effect alloy adding in these tests were analyzed by linear regression in the software Minitab.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (Especialização em Estruturas). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Tese de Doutoramento. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2005

Neste trabalho foram estudadas as microestruturas, dureza, e resistência ao impacto em aço alta resistência e baixa liga (ARBL) na ZAC. O processo de soldagem foi por arco submerso, utilizando corrente de 600A, tensão de 25V, velocidade de soldagem de 25,5; 24; 20,94; e 19,5 cm/min. Utilizou-se chapa de aço USI-SAC-50. Os quatro aportes de calor produzidos 3,53; 3,75; 4,24; 4,61 kJ/mm, permitiram variações microestruturais na região de granulação grosseira da ZAC, promovendo variações nas medidas de durezas e nos resultados do ensaio de impacto medido à -25ºC e -10ºC. Quando realizado o tratamento térmico de alívio de tensões a 580ºC por 1 hora, as morfologias das microestruturas e medidas de dureza na região grosseira da ZAC, praticamente foram iguais, independente do aporte de calor. Os resultados do ensaio de impacto realizado à -25ºC, com e sem tratamento térmico, não sofreram alterações significativas para os valores das energias absorvidas na ZAC. Já a -10ºC a mudança foi mais significativa. O aspecto da morfologia da fratura na região de granulação grosseira da ZAC, após o ensaio de impacto, foi coerente para os quatro aportes de calor utilizados na soldagem. / It was studied in this report the microstructure, hardness and impact resistance in High Strength Low Alloyed (HSLA) steel in HAZ. The submerged are weld metals were made, using corrent of 600A, are voltage of 25V and travel speed of 25,5; 20,9; 24; and 19,5 cm/min. The USI-SAC-50 steel was used in present report. Four different heat input 3,53; 3,75; 4,24 and 4,61 kJ/mm were used to weld, produced significant changes in the coarse heat affected zone (HAZ) microstructure morphology, and this effect promoted changes on the hardness and the impact results at -25°C and -10°C. Using stress reliev treatment at 580°C for one hour, has changed the microstructure morphology in the coarse heat affected zone and the hardness measurements becames quite similar, therefore independent of the heat input. At -25°C the impact results has shown no variations with the stress reliev heat treatment. However, there were significant changes in the impact results at -10°C. After the impact test, the aspect of morphology facture in the coarse heat affected zone (HAZ), was coherent for the four different heat input, were used to weld.

Neste trabalho foram estudadas as microestruturas, dureza, e resistência ao impacto em aço alta resistência e baixa liga (ARBL) na ZAC. O processo de soldagem foi por arco submerso, utilizando corrente de 600A, tensão de 25V, velocidade de soldagem de 25,5; 24; 20,94; e 19,5 cm/min. Utilizou-se chapa de aço USI-SAC-50. Os quatro aportes de calor produzidos 3,53; 3,75; 4,24; 4,61 kJ/mm, permitiram variações microestruturais na região de granulação grosseira da ZAC, promovendo variações nas medidas de durezas e nos resultados do ensaio de impacto medido à -25ºC e -10ºC. Quando realizado o tratamento térmico de alívio de tensões a 580ºC por 1 hora, as morfologias das microestruturas e medidas de dureza na região grosseira da ZAC, praticamente foram iguais, independente do aporte de calor. Os resultados do ensaio de impacto realizado à -25ºC, com e sem tratamento térmico, não sofreram alterações significativas para os valores das energias absorvidas na ZAC. Já a -10ºC a mudança foi mais significativa. O aspecto da morfologia da fratura na região de granulação grosseira da ZAC, após o ensaio de impacto, foi coerente para os quatro aportes de calor utilizados na soldagem. / It was studied in this report the microstructure, hardness and impact resistance in High Strength Low Alloyed (HSLA) steel in HAZ. The submerged are weld metals were made, using corrent of 600A, are voltage of 25V and travel speed of 25,5; 20,9; 24; and 19,5 cm/min. The USI-SAC-50 steel was used in present report. Four different heat input 3,53; 3,75; 4,24 and 4,61 kJ/mm were used to weld, produced significant changes in the coarse heat affected zone (HAZ) microstructure morphology, and this effect promoted changes on the hardness and the impact results at -25°C and -10°C. Using stress reliev treatment at 580°C for one hour, has changed the microstructure morphology in the coarse heat affected zone and the hardness measurements becames quite similar, therefore independent of the heat input. At -25°C the impact results has shown no variations with the stress reliev heat treatment. However, there were significant changes in the impact results at -10°C. After the impact test, the aspect of morphology facture in the coarse heat affected zone (HAZ), was coherent for the four different heat input, were used to weld.