Thesis (M. S.)--Mechanical Engineering, Georgia Institute of Technology, 2009. / Committee Chair: Sitaraman, Suresh; Committee Member: Peak, Russell; Committee Member: Ume, Charles

Orientador: Juno Gallego / Resumo: Os aços microligados são materiais já tradicionais e muito versáteis por suas propriedades mecânicas superiores, sendo sua evolução diretamente ligada com a otimização da composição química e do processamento termomecânico. É um tipo de aço que apresenta uma microestrutura refinada, alta resistência mecânica, boa usinabilidade e soldabilidade e tem substituído aços comuns por atingir essas propriedades mecânicas a partir de processos de fabricação mais baratos. Os aços estudados são comerciais, apresentam limite de escoamento entre 419 MPa e 646 MPa e grãos ferríticos finos com tamanhos inferiores a 3,70 μm. Neste trabalho são investigadas chapas industriais produzidas por laminação controlada, visando analisar a correlação entre a microestrutura ferrítico-perlítica e as propriedades mecânicas encontradas nas diferentes secções longitudinal, transversal e normal da chapa laminada. As diferenças entre as diferentes secções não são bem exploradas atualmente, então este estudo contribui para uma melhor compreensão da anisotropia introduzida pelo processamento termomecânico industrial. Foram feitas correlações entre as propriedades, confirmando a existência de diferenças estatisticamente significativas entre as secções, constatando que esses aços podem apresentar variações em suas propriedades de acordo com a secção de análise adotada. Foi confirmada a correlação de Hall-Petch nos aços estudados, e a influência dos mecanismos de endurecimento foi avaliada para estes materiais. / Abstract: Microalloyed steels are traditional materials and very versatile due to their superior mechanical properties, being its evolution directly linked with an optimization of the chemical composition and the thermomechanical processing. It is a type of steel that has a fine microstructure, high mechanical strength, good machinability and weldability, and has substituted common steels for achieving these mechanical properties with a cheaper manufacturing process. The studied steels are commercial and have yield strength between 419 MPa and 646 MPa and fine ferritic grains with size smaller than 3.70 μm. In this work are investigated industrial plates produced by controlled lamination, aiming to analyze the correlations between ferrit-perlitic microstructure and the mechanical properties found in the different sections of the hot rolled plate (longitudinal, transverse and normal). The differences between the different sections are not well explored, so this study contributes to a better understanding of the anisotropy introduced by industrial thermomechanical processing. Correlations were made between the properties, confirming the existence of significant differences between the different sections, finding that these steels may show different properties according to the section of analysis adopted. The Hall-Petch correlation was confirmed in the studied steels, and the influence of the hardening mechanisms was also evaluated. / Mestre

[pt] A modelagem do acoplamento entre os fenômenos mecânicos e térmicos em sólidos inelásticos é considerada neste trabalho. O acoplamento termomecânico é importante em determinadas situações, como por exemplo, no estudo de problemas envolvendo deformações inelásticas cíclicas em estruturas metálicas. Um procedimento sistemático para obtenção de equações constitutivas termodinamicamente admissíveis é apresentado. Através deste procedimento, baseado na Termodinâmica dos Processos Irreversíveis, foi possível obter uma teoria constitutiva para modelar o comportamento anisotérmico de metais e ligas metálicas. Dois tipos de acoplamentos termomecânicos foram identificados: o acoplamento interno, associado à dissipação interna do processo mecânico, e o térmico, associado à dependência dos parâmetros das equações constitutivas com a temperatura. A teoria foi particularizada para materiais elasto-viscoplásticos. Simulações com barras foram realizadas para estudar fenômenos como o aquecimento de metais provocado por solicitações mecânicas complexas e o comportamento de metais submetidos a grandes gradientes de temperatura. Uma variável de dano foi incorporada ao modelo, permitindo estudar a influência do acoplamento termodinâmico em processos de degradação do material como fadiga de baixo ciclo. / [en] The present work is concerned with the modeling of the coupling between mechanical and termal phenomena. The thermomechanical coupling is important in some problems like those involving inelastic cyclic deformation in metallic structures. A systematic procedure to obtain thermodynamically admissible constitutive equations is presented. Such procedure has a strong thermodynamic basis and is used to obtain a constant theory to model the anisothermal behavior of metals and alloys. Two kinds of thermomechanical couplings can be identified: the internal coupling, related with the internal dissipation in the mechanical process and the thermal coupling, related with the dependence of the material parameters in the constitutive equations on temperature. The theory is particularized to elasto-viscoplastic materials. Uniaxial simulations were performed to study the heating of metals due to complex mechanical loadings and the behavior of metals subjected to high temperature gradients. A damage variable is introduced in the model to study the influence of the thermomechanical coupling in processes involving the degradation of the material like in low-cycle fatigue.

A microestrutura resultante do processo de forjamento a quente é influenciada por variáveis como temperatura, deformação, tamanho de grão austenítico inicial e taxa de resfriamento. A proposta deste trabalho é estudar o comportamento termomecânico do aço ABNT 4140 mantido nas temperaturas de 900, 1000, 1100 e 1200ºC por 22, 66 e 200 minutos e, posteriormente, forjado e tratado termicamente em patamares semelhantes aos de recozimento direto e revenimento e, ainda, analisar a influência da temperatura sobre o fenômeno de crescimento de grão. Esta pesquisa correspondeu a uma das etapas do projeto BRAGECRIM (Iniciativa Brasil-Alemanha para Pesquisa Colaborativa em Tecnologia de Manufatura), realizado em parceria entre o Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul e o Instituto de Conformação Mecânica (IBF) da Universidade Técnica de Aachen (RWTH - Aachen). O projeto objetiva a realização de um estudo para o desenvolvimento do processo de forjamento incremental de eixos vazados para aerogeradores, sendo que este trabalho analisa, de forma independente, as propriedades do material utilizado no forjamento referido. Foram elaboradas sequências e rotas de aquecimento-forjamento-resfriamento, sendo observado o fenômeno metalúrgico de recristalização completa na amostra aquecida a 1200ºC por 200min. / The microstructure resulting from the forging process is studied as a function of variables such as temperature, deformation, starting austenite grain size and cooling rate. The purpose of this work is to study the thermomechanical behavior of steel ABNT 4140 maintained at temperatures of 900, 1000, 1100 and 1200°C for 22, 66 and 200 minutes and subsequently forged and post heat treated at similar levels to those of direct annealing and tempering. Furthermore, the influence of temperature on the phenomenon of grain growth is also analyzed. This work is a part of a research project named BRAGECRIM (Brazil-German Initiative for Collaborative Research in Manufacturing Technology), in collaboration with the Laboratory of Mechanical Manufacturing (LDTM) of the Federal University of Rio Grande do Sul and the Institute of Mechanical Forming (IBF) of the Technical University of Aachen. The aim of the project is to study the development of incremental forging process of hollow shafts for wind turbines. However, the work presented in this study analyzes independently, the properties of the material in relation to the forging process. Sequences and routes of heating-forging-cooling were elaborated, being observed metallurgical phenomenon of complete recrystallization in the specimen heated at 1200°C for 200min.

O Cu e suas ligas têm diferentes aplicações na sociedade moderna devido as excelentes propriedades elétricas, condutividade térmica, resistência à corrosão dentre outras propriedades. Estas aplicações podem ser em válvulas, tubulações, panelas para absorção de energia solar, radiadores para automóveis, condutores de corrente e eletrônico, elementos de termostatos e partes estruturais de reatores nucleares, como, por exemplo, bobinas para campo toroidal para um reator de fusão nuclear. Dentre as ligas utilizadas em reatores nucleares, podemos destacar Cu-Be, Cu-Sn e Cu-Pt. O Ni e o Co, freqüentemente são adicionados às ligas de Cu para que a solubilidade seja deslocada para temperaturas mais elevadas com relação aos sistemas binários de Cu-Sn e Cu-Pt. A adição de Ni-Pt ou Ni-Sn ao Cu em porcentagens iguais ou inferiores a 1,5 % aliado a tratamentos termos-mecânico alteram as propriedades do Cu. Estudamos neste trabalho sete diferentes ligas: três ligas de Cu-Ni-Pt 1 (97,99 % Cu - 1,55 % Ni - 0,46 % Pt), 2 (99,33 % Cu - 0,23 % Ni -0,43 % Pt) 3 (98,01 % Cu - 0,48 % Ni - 1,51 % Pt); três ligas de Cu-Ni-Sn 4 (98,31% Cu - 1,12 % Ni - 0,58 % Sn), 5 (98,79 % Cu – 0,57 % Ni - 0,65 % Sn), 6 (98,39% Cu – 0,46 % Ni – 1,16 % Sn) e Cu eletrolítico 0 (0,0058 % Pb - 0,0007 % Fe - 0,0036 % Ni - 0,0024 % Ag). As referentes ligas foram desenvolvidas a partir de um forno a arco voltaico e passaram por tratamentos termo-mecânicos pré-determinados. As microestruturas foram analisadas diretamente por microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura / EDS e indiretamente por medidas de dureza Vickers e condutividade elétrica. O objetivo deste trabalho, portanto, foi observar e constatar os efeitos da mudança da microestrutura em relação às propriedades dureza e condutividade elétrica. / The Cu and its alloys have different applications in the owed modern society the excellent electric properties, thermal conductivity, resistance to the corrosion and other properties. These applications can be in valves, pipes, pots for absorption of solar energy, radiators for automobiles, current driver, electronic driver, thermostats elements and structural parts of nuclear reactors, as, for example, reels for field toroidal for a reactor of nuclear coalition. The alloys used in nuclear reactors, we can highlight Cu-Be, Cu-Sn and Cu-Pt. Ni and Co frequently are added to the Cu alloys so that the solubility is moved for temperatures more elevated with relationship to the binary systems of Cu-Sn and Cu-Pt. The addition of Ni-Pt or Ni-Sn to the Cu in the same or inferior percentages to 1,5% plus thermomechanical treatments changes the properties of the copper. We studied the electric conductivity and hardness Vickers of the Cu-Ni-Pt and Cu-Ni-Sn and compared with the electrolytic Cu. In the proposed flowcharts, breaking of the obtaining of the ingot, we proceeded with thermo mechanical treatments.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:52:22Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:00:47Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Dissertacao (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Made available in DSpace on 2015-05-08T15:00:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 1709663 bytes, checksum: 35ce26ec1cf65f8e0507ea2d1c7adfd0 (MD5) Previous issue date: 2009-10-13 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Cu-Al-Ni and Cu-Al-Be shape memory alloys were cast under ambient atmosphere, and characterized thought optical microscopy, X-ray diffraction, and differential scanning calorimetry. Superelasticity, and shape recovery were evaluated using mechanical tensile test. Thermomechanical properties of shape memory alloys used were obtained under different temperature range, in which was possible to conclude that Cu-Al-Ni alloy can be used as mechanical actuators for temperatures above 90ºC, as well as this alloy in particular should not be considered for application in temperatures below 30ºC. Differently of CuAlBe alloy that can be used in low temperatures, as well as in temperature superiors to 0ºC, as, for example, mechanical actuators. / Ligas Cu-Al-Ni e Cu-Al-Be forma elaboradas sob atmosfera ambiente e caracterizadas por microscopia, difração de R-X e Calorimetria Diferencial de varredura. Foram realizados nestas ligas ensaios de tração, recuperação de forma e superelasticidade. As propriedades termomecânicas destas ligas realizadas em diferentes temperaturas permitiu concluir que as ligas Cu-Al-Ni podem ser utilizadas como atuadores mecânicos para temperaturas acima de 90°C e que estas ligas não devem ser empregadas em temperaturas abaixo de 30°C. Podemos concluir também que as ligas Cu-Al-be podem ser utilizadas como atuadores mecânicos em temperaturas superiores a 0°C.

A microestrutura resultante do processo de forjamento a quente é influenciada por variáveis como temperatura, deformação, tamanho de grão austenítico inicial e taxa de resfriamento. A proposta deste trabalho é estudar o comportamento termomecânico do aço ABNT 4140 mantido nas temperaturas de 900, 1000, 1100 e 1200ºC por 22, 66 e 200 minutos e, posteriormente, forjado e tratado termicamente em patamares semelhantes aos de recozimento direto e revenimento e, ainda, analisar a influência da temperatura sobre o fenômeno de crescimento de grão. Esta pesquisa correspondeu a uma das etapas do projeto BRAGECRIM (Iniciativa Brasil-Alemanha para Pesquisa Colaborativa em Tecnologia de Manufatura), realizado em parceria entre o Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul e o Instituto de Conformação Mecânica (IBF) da Universidade Técnica de Aachen (RWTH - Aachen). O projeto objetiva a realização de um estudo para o desenvolvimento do processo de forjamento incremental de eixos vazados para aerogeradores, sendo que este trabalho analisa, de forma independente, as propriedades do material utilizado no forjamento referido. Foram elaboradas sequências e rotas de aquecimento-forjamento-resfriamento, sendo observado o fenômeno metalúrgico de recristalização completa na amostra aquecida a 1200ºC por 200min. / The microstructure resulting from the forging process is studied as a function of variables such as temperature, deformation, starting austenite grain size and cooling rate. The purpose of this work is to study the thermomechanical behavior of steel ABNT 4140 maintained at temperatures of 900, 1000, 1100 and 1200°C for 22, 66 and 200 minutes and subsequently forged and post heat treated at similar levels to those of direct annealing and tempering. Furthermore, the influence of temperature on the phenomenon of grain growth is also analyzed. This work is a part of a research project named BRAGECRIM (Brazil-German Initiative for Collaborative Research in Manufacturing Technology), in collaboration with the Laboratory of Mechanical Manufacturing (LDTM) of the Federal University of Rio Grande do Sul and the Institute of Mechanical Forming (IBF) of the Technical University of Aachen. The aim of the project is to study the development of incremental forging process of hollow shafts for wind turbines. However, the work presented in this study analyzes independently, the properties of the material in relation to the forging process. Sequences and routes of heating-forging-cooling were elaborated, being observed metallurgical phenomenon of complete recrystallization in the specimen heated at 1200°C for 200min.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / Neste trabalho, treze amostras de aÃo ASTM A516 Gr. 60, que à um tipo de aÃo carbono muito utilizado na construÃÃo de tubos de pressÃo e caldeiras pela indÃstria, foram selecionados para uma avaliaÃÃo do comportamento microestrutural de cada amostra apÃs um processo de tratamento termomecÃnico. Os mÃtodos utilizados para este ensaio foram os nÃo destrutivos: ruÃdo magnÃtico de Barkhausen (RMB) e correntes parasitas (CP), sÃo tÃcnicas eletromagnÃ-ticas com caracterÃsticas dependentes da microestrutura das amostras que se pretende avaliar. As amostras foram divididas em grupos e cada grupo passou por um tratamento diferente dos demais. Dois grupos de oito amostras foram laminados a frio com reduÃÃo de espessura de 1, 3, 5 e 7% sendo que um dos grupos foi normalizado. Uma amostra ficou como recebido da fÃbrica, amostra de referÃncia, e o restante foi normalizado e em seguida foi feito um recozi-mento a 750ÂC. Em seguida, todos os grupos foram caracterizados metalograficamente atravÃs de um microscÃpio Ãptico para definir o tamanho mÃdio de grÃos. ApÃs esta etapa foram coletados sinais de RMB e CP. Os sinais foram avaliados por meio de tÃcnicas de processa-mento de sinais e funÃÃes estatÃsticas, assim determinar valores que correspondam ao reflexo dos tratamentos termomecÃnicos sobre as microestruturas. Para os sinais de RMB buscou-se a posiÃÃo e amplitude mÃxima de pico, o sinal de energia, rms, assimetria e curtoses voltados apenas para domÃnio do tempo. Jà para os sinais de CP, buscaram-se as variaÃÃes de fase ou angular e amplitude para diferentes frequÃncias de excitaÃÃo da sonda. Os dados foram con-frontados com a amostra de referÃncia, obtendo-se resultados conforme esperado na literatura. / In this study thirteen samples of ASTM A516 Gr 60, which is a type of carbon steel widely used in the construction of pressure pipes for industrial boilers were selected for microstructural evaluation of the behavior of each sample after a process of thermomechanical treatment. The methods used for this test were nondestructive test: Magnetic Barkhausen Noise (MBN) and Eddy Current (EC) which are electromagnetic techniques with great dependence on the microstructural characteristics of the samples were assessed. The samples were divided into groups and each group underwent a different treatment from others. Two groups of eight samples were cold rolled with a thickness reduction of 1, 3, 5 and 7% and one of the groups was normalized. A sample was as received from the factory, reference sample and the remainder was normalized and then annealing was done at 750 ÂC. Then all groups were metallographically characterized using an optical microscope to determine the average grain size. After this step signals MBN and EC were collected. The signals were evaluated using signal processing techniques and statistical functions, thereby determining values that correspond to the reflection of thermomechanical treatments on the microstructures. For signs of MBN sought the position and maximum peak amplitude of the signal energy, rms, skewness, kurtosis directed only to the time domain. As for the signs of EC, we sought variations or phase angle and amplitude for different excitation frequencies of the probe. Data were compared with the reference sample, yielding results as expected in the literature.

A microestrutura resultante do processo de forjamento a quente é influenciada por variáveis como temperatura, deformação, tamanho de grão austenítico inicial e taxa de resfriamento. A proposta deste trabalho é estudar o comportamento termomecânico do aço ABNT 4140 mantido nas temperaturas de 900, 1000, 1100 e 1200ºC por 22, 66 e 200 minutos e, posteriormente, forjado e tratado termicamente em patamares semelhantes aos de recozimento direto e revenimento e, ainda, analisar a influência da temperatura sobre o fenômeno de crescimento de grão. Esta pesquisa correspondeu a uma das etapas do projeto BRAGECRIM (Iniciativa Brasil-Alemanha para Pesquisa Colaborativa em Tecnologia de Manufatura), realizado em parceria entre o Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul e o Instituto de Conformação Mecânica (IBF) da Universidade Técnica de Aachen (RWTH - Aachen). O projeto objetiva a realização de um estudo para o desenvolvimento do processo de forjamento incremental de eixos vazados para aerogeradores, sendo que este trabalho analisa, de forma independente, as propriedades do material utilizado no forjamento referido. Foram elaboradas sequências e rotas de aquecimento-forjamento-resfriamento, sendo observado o fenômeno metalúrgico de recristalização completa na amostra aquecida a 1200ºC por 200min. / The microstructure resulting from the forging process is studied as a function of variables such as temperature, deformation, starting austenite grain size and cooling rate. The purpose of this work is to study the thermomechanical behavior of steel ABNT 4140 maintained at temperatures of 900, 1000, 1100 and 1200°C for 22, 66 and 200 minutes and subsequently forged and post heat treated at similar levels to those of direct annealing and tempering. Furthermore, the influence of temperature on the phenomenon of grain growth is also analyzed. This work is a part of a research project named BRAGECRIM (Brazil-German Initiative for Collaborative Research in Manufacturing Technology), in collaboration with the Laboratory of Mechanical Manufacturing (LDTM) of the Federal University of Rio Grande do Sul and the Institute of Mechanical Forming (IBF) of the Technical University of Aachen. The aim of the project is to study the development of incremental forging process of hollow shafts for wind turbines. However, the work presented in this study analyzes independently, the properties of the material in relation to the forging process. Sequences and routes of heating-forging-cooling were elaborated, being observed metallurgical phenomenon of complete recrystallization in the specimen heated at 1200°C for 200min.