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Este trabalho apresenta uma metodologia experimental para investigar a relação entre taxas de desgaste abrasivo e dureza. Investigam-se os regimes moderado e severo de desgaste abrasivo em função da razão entre a dureza do abrasivo (HA) e a dureza do material desgastado (H). Foram realizados ensaios pino contra lixa, utilizando vidro como abrasivo em dois tamanhos, grana #80 e grana #240, e pinos com 3 mm de diâmetro sob força de 20 N. Os materiais ensaiados foram os aços AISI 1006 e AISI 52100, este último em diferentes condições metalúrgicas, e um ferro fundido branco de alto cromo, de composição eutética e matriz perlítica. Três tipos de resposta do sistema tribológico foram utilizadas para avaliar os regimes de desgaste: perda de massa, coeficiente de atrito e força de penetração do abrasivo. Determinaram-se as perdas de massa ao longo dos ensaios; o coeficiente de atrito medido por meio de célula de carga e a força de penetração com o uso de ensaios instrumentados de dureza estimando-se a profundidade máxima de penetração com base no parâmetro Rz. A partir das medidas de dureza, foi utilizado um parâmetro para incorporar os efeitos do comportamento elasto-plástico dos materiais, que considera a morfologia de impressão de dureza. Com este parâmetro, foi possível obter uma dureza denominada \"verdadeira\", que incorpora os efeitos de formação de bordas ou retração dos materiais. Verificou-se que os valores de resistência ao desgaste relativa não dependem do tamanho do abrasivo, mas que os valores de coeficiente de atrito dependem, sob regime severo de desgaste. Por sua vez, no regime moderado, os valores de coeficiente de atrito são independentes do tamanho do abrasivo. / This work presents an experimental methodology to investigate the relationship between abrasive wear rates and hardness. The mild and severe abrasive wear regimes are investigated in relation to the abrasive hardness-to-worn material hardness ratio (HA/H). Pin-against-paper tests were performed, using glass as abrasive material in two grain sizes, grit #80 and grit #240, and 3-mm diameter pins under 20 N of applied load. The tested materials were AISI 1006 e AISI 52100 steels, the last one in different metallurgical conditions, and a high-chromium white cast iron, with eutetic composition and pearlitic matrix. Three kinds of tribological system responses were used to evaluate the wear regimes: mass loss, friction coefficient and load of penetration of abrasive. Mass losses were determined along testing time; friction coefficient was determined by means of load cell and the load of penetration using instrumented hardness test, selecting the maximum depth penetration based on the Rz roughness parameter. From hardness measurements, a parameter was used to incorporate the elastic-plastic behavior of materials, which consider the indentation hardness morphology. Using this parameter, it was possible to obtain a kind of hardness called \"true\", which incorporate the pilling-up and sinking-in effects. It has been demonstrated that the relative abrasive resistance is not dependent of the abrasive particle size, but the friction coefficient values change, under severe wear regime. On the other hand, under mild regime, the friction coefficient values are independent of the abrasive particle size.

Este trabalho apresenta uma metodologia experimental para investigar a relação entre taxas de desgaste abrasivo e dureza. Investigam-se os regimes moderado e severo de desgaste abrasivo em função da razão entre a dureza do abrasivo (HA) e a dureza do material desgastado (H). Foram realizados ensaios pino contra lixa, utilizando vidro como abrasivo em dois tamanhos, grana #80 e grana #240, e pinos com 3 mm de diâmetro sob força de 20 N. Os materiais ensaiados foram os aços AISI 1006 e AISI 52100, este último em diferentes condições metalúrgicas, e um ferro fundido branco de alto cromo, de composição eutética e matriz perlítica. Três tipos de resposta do sistema tribológico foram utilizadas para avaliar os regimes de desgaste: perda de massa, coeficiente de atrito e força de penetração do abrasivo. Determinaram-se as perdas de massa ao longo dos ensaios; o coeficiente de atrito medido por meio de célula de carga e a força de penetração com o uso de ensaios instrumentados de dureza estimando-se a profundidade máxima de penetração com base no parâmetro Rz. A partir das medidas de dureza, foi utilizado um parâmetro para incorporar os efeitos do comportamento elasto-plástico dos materiais, que considera a morfologia de impressão de dureza. Com este parâmetro, foi possível obter uma dureza denominada \"verdadeira\", que incorpora os efeitos de formação de bordas ou retração dos materiais. Verificou-se que os valores de resistência ao desgaste relativa não dependem do tamanho do abrasivo, mas que os valores de coeficiente de atrito dependem, sob regime severo de desgaste. Por sua vez, no regime moderado, os valores de coeficiente de atrito são independentes do tamanho do abrasivo. / This work presents an experimental methodology to investigate the relationship between abrasive wear rates and hardness. The mild and severe abrasive wear regimes are investigated in relation to the abrasive hardness-to-worn material hardness ratio (HA/H). Pin-against-paper tests were performed, using glass as abrasive material in two grain sizes, grit #80 and grit #240, and 3-mm diameter pins under 20 N of applied load. The tested materials were AISI 1006 e AISI 52100 steels, the last one in different metallurgical conditions, and a high-chromium white cast iron, with eutetic composition and pearlitic matrix. Three kinds of tribological system responses were used to evaluate the wear regimes: mass loss, friction coefficient and load of penetration of abrasive. Mass losses were determined along testing time; friction coefficient was determined by means of load cell and the load of penetration using instrumented hardness test, selecting the maximum depth penetration based on the Rz roughness parameter. From hardness measurements, a parameter was used to incorporate the elastic-plastic behavior of materials, which consider the indentation hardness morphology. Using this parameter, it was possible to obtain a kind of hardness called \"true\", which incorporate the pilling-up and sinking-in effects. It has been demonstrated that the relative abrasive resistance is not dependent of the abrasive particle size, but the friction coefficient values change, under severe wear regime. On the other hand, under mild regime, the friction coefficient values are independent of the abrasive particle size.

La sollicitation de fretting apparait comme un processus de dégradation très pénalisant dans les multiples systèmes industriels (aéronautique, industrie automobile, industriels du nucléaire, transports ferroviaires etc. …). Ce processus d’usure engendre dans la plupart des cas soit une réparation (rechargement) des surfaces soit le remplacement des composants (situation la plus souvent observée). La sollicitation de fretting est associée à des micro-déplacements alternés entre deux surfaces en contact. On observe généralement ce type de sollicitation dans tous les contacts soumis à des vibrations ou à des cycles thermiques. La sollicitation de fretting usure dans les contacts électriques est particulièrement pénalisante. Outre l’endommagement des surfaces, ce processus induit une augmentation significative de la résistance électrique des contacts et une perte de fonctionnalité du connecteur en particulier dans les connecteurs basses tensions très sensibles aux fluctuations de la résistance électrique. Pour palier ce problème les industriels de la connectique et leurs clients (industriels de l’automobile) cherchent à mettre en place de nouveaux dépôts palliatifs pour résoudre ces problèmes tout en limitant les surcouts liés à l’utilisation de dépôts nobles tels que l’or.Le sujet de cette thèse porte sur cette problématique avec pour objectif de mettre en place une méthodologie de choix des dépôts pour optimiser la durée de vie des connecteurs. L’étude aborde essentiellement l’influence des conditions de chargements mécaniques et plus particulièrement l’amplitude de débattement / The degradation by fretting appears as a very troublesome process in many industrial systems (spatial, automotive, nuclear industry, railway systems etc. …). This wear process makes it necessary to repair or to replace the destroyed component. The process of degradation by fretting is associated with the micro-displacement between two surfaces in contact. This type of degradation is observed in all types of contacts subjected to the vibrations or thermal variations. The degradation by fretting in electrical contact is particularly dangerous. The wear of the contacting surfaces causes a significant increase of the electrical resistance of the contact and the decay of the functional properties of the connector. This situation concerns especially the low tension connectors very sensible to the fluctuations of the electrical resistance. In order to avoid this situation the automotive industry and its suppliers, the manufacturers of the electrical connectors, are looking for new materials and coatings.The objective of this thesis consists to develop the methodology of choice of the coating materials in order to optimise the lifetime of the electrical contact. The study focuses mainly on the influence of the mechanical conditions, the displacement amplitude in particular, on the performance of the electrical connector.

Neste trabalho pretende-se estabelecer relações entre a micro e a nanoestrutura e a resistência à erosão-cavitação em aços inoxidáveis com alto teor de nitrogênio. Estas relações serão determinadas através do estudo dos mecanismos de deformação plástica e degradação observado nas superfícies e na micro e nanoestrutura durante ensaios de cavitação vibracional. As amostras do aço inoxidável duplex UNS S31803, com aproximadamente 0,9% N em peso, foram obtidas por nitretação gasosa em alta temperatura, divididas em amostras com nitrogênio em solução sólida e solubilizadas e amostras com nitrogênio em solução sólida e encruadas. As amostras de ensaio foram submetidas à cavitação vibratória em água destilada. Os mecanismos de dano que operam nas diferentes etapas do desgaste foram analisados utilizando microscópio eletrônico de varredura (MEV) para diferentes tempos de ensaio, analisando sempre o mesmo local através da perda de massa. A partir dos resultados obtidos nesse trabalho, observa-se que as amostras com nitrogênio em solução sólida e solubilizadas (318HTGN+Sol), e as laminadas (318HTGN+Enc), apresentaram taxa de desgaste 16 e 172 vezes menores, respectivamente, comparadas com o aço AISI 304L solubilizado. Por outro lado, a amostra do aço nitretado, com nitrogênio em solução sólida e solubilizado (318HTGN+Sol), e as laminadas (318HTGN+Enc), apresentaram taxa de desgaste 2 e 17 vezes menores, respectivamente, comparadas com o aço AISI 304L encruado. Foi possível constatar um aumento considerável do tempo de incubação, o que permitiu, de forma detalhada, acompanhar os mecanismos de deformação e evidenciar nos primeiros estágios da cavitação a formação de bandas de escorregamento. Foi possível, também, observar como os contornos de grão ou de macla, locais preferenciais de nucleação do dano, atuam quando comparados com danos no interior dos grãos. / This work aims to establish relationships between micro and nanostructure and cavitation-erosion resistance in high nitrogen stainless steels. These relations will be determined through the study of plastic deformation mechanisms and surface damage, as well as micro and nanostructure during vibratory cavitation testing. An UNS S 31803 samples with 0.9 N (%wt) were obtained by high temperature gas nitriding. Two sample groups were obtained: solubilized in solid solution and solubilized and work hardened. Vibratory cavitation tests were performed in distilled water. The damage mechanisms operating in different stages of wear were analyzed for different times in the same location using scanning electron microscopy (SEM). Mass losses were periodically measured during the cavitation-erosion tests. From the results, it was observed that the (318HTGN+Sol) samples, with nitrogen in solid solution showed wear rates 16.1 times smaller compared to those of the solubilized UNS S30403 steel. The work-hardened (318HTGN+Enc) samples showed wear rates 172.4 times smaller than UNS S30403specimens. The comparison of the 318HTGN+Sol samples with the work-hardened 304L+Enc specimens showed wear rates 2 times smaller, while the 318HTGN+Enc samples showed a wear rate 17 times smaller. Finally, a considerable increase of incubation time was readily observed, which allowed the detailed observation of the deformation mechanisms and the identification of the slip bands formation during the early stages of cavitation erosion. Additionally it was possible to observe the way the grain boundaries and twin boundaries are damaged, acting as preferential sites where the damage initially occurs.

Neste trabalho pretende-se estabelecer relações entre a micro e a nanoestrutura e a resistência à erosão-cavitação em aços inoxidáveis com alto teor de nitrogênio. Estas relações serão determinadas através do estudo dos mecanismos de deformação plástica e degradação observado nas superfícies e na micro e nanoestrutura durante ensaios de cavitação vibracional. As amostras do aço inoxidável duplex UNS S31803, com aproximadamente 0,9% N em peso, foram obtidas por nitretação gasosa em alta temperatura, divididas em amostras com nitrogênio em solução sólida e solubilizadas e amostras com nitrogênio em solução sólida e encruadas. As amostras de ensaio foram submetidas à cavitação vibratória em água destilada. Os mecanismos de dano que operam nas diferentes etapas do desgaste foram analisados utilizando microscópio eletrônico de varredura (MEV) para diferentes tempos de ensaio, analisando sempre o mesmo local através da perda de massa. A partir dos resultados obtidos nesse trabalho, observa-se que as amostras com nitrogênio em solução sólida e solubilizadas (318HTGN+Sol), e as laminadas (318HTGN+Enc), apresentaram taxa de desgaste 16 e 172 vezes menores, respectivamente, comparadas com o aço AISI 304L solubilizado. Por outro lado, a amostra do aço nitretado, com nitrogênio em solução sólida e solubilizado (318HTGN+Sol), e as laminadas (318HTGN+Enc), apresentaram taxa de desgaste 2 e 17 vezes menores, respectivamente, comparadas com o aço AISI 304L encruado. Foi possível constatar um aumento considerável do tempo de incubação, o que permitiu, de forma detalhada, acompanhar os mecanismos de deformação e evidenciar nos primeiros estágios da cavitação a formação de bandas de escorregamento. Foi possível, também, observar como os contornos de grão ou de macla, locais preferenciais de nucleação do dano, atuam quando comparados com danos no interior dos grãos. / This work aims to establish relationships between micro and nanostructure and cavitation-erosion resistance in high nitrogen stainless steels. These relations will be determined through the study of plastic deformation mechanisms and surface damage, as well as micro and nanostructure during vibratory cavitation testing. An UNS S 31803 samples with 0.9 N (%wt) were obtained by high temperature gas nitriding. Two sample groups were obtained: solubilized in solid solution and solubilized and work hardened. Vibratory cavitation tests were performed in distilled water. The damage mechanisms operating in different stages of wear were analyzed for different times in the same location using scanning electron microscopy (SEM). Mass losses were periodically measured during the cavitation-erosion tests. From the results, it was observed that the (318HTGN+Sol) samples, with nitrogen in solid solution showed wear rates 16.1 times smaller compared to those of the solubilized UNS S30403 steel. The work-hardened (318HTGN+Enc) samples showed wear rates 172.4 times smaller than UNS S30403specimens. The comparison of the 318HTGN+Sol samples with the work-hardened 304L+Enc specimens showed wear rates 2 times smaller, while the 318HTGN+Enc samples showed a wear rate 17 times smaller. Finally, a considerable increase of incubation time was readily observed, which allowed the detailed observation of the deformation mechanisms and the identification of the slip bands formation during the early stages of cavitation erosion. Additionally it was possible to observe the way the grain boundaries and twin boundaries are damaged, acting as preferential sites where the damage initially occurs.

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.

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.

This master’s thesis deals with high-alloyed Ni-Resist cast irons and their properties. The theoretical part describes their chemical composition and individual elements from which are these cast irons composed, their characteristic properties and examples of use in practice. Furthermore, the work focuses on the wear of materials, especially on abrasive wear, because Ni-Resist casts iron exhibit a number of specific properties, such as corrosion resistance, refractoriness and heat resistance and also abrasion resistance, on which is this thesis focused. Attention is also paid to other abrasion resistant materials, because specimens from different materials are compared in the practical part in order to find a more suitable material for the production of plate castings into the shakeouts.