Ao longo deste trabalho foi proposta uma nova rota de tratamento térmico para o aço AISI 52100, principal material utilizado na fabricação de rolamentos. Esta nova rota visa refinar a microestrutura de carbonetos presentes no material, com o objetivo de otimizar as propriedades mecânicas. Os tratamentos térmicos realizados conduziram a uma diminuição no tamanho dos carbonetos quando comparados com a amostra tradicional. Para medir a tenacidade à fratura evitando a dificuldade experimental de se nuclear pré-trincas em materiais frágeis, foi utilizada a metodologia Chevron, como formalizada na ASTM E-1304(97). Algumas das amostras submetidas a nova rota apresentaram maior tenacidade à fratura quando comparadas a amostra tratada na rota convencional. O material tratado na nova rota de tratamento térmico foi avaliado também em ensaio de impacto, usando-se corpos de prova Charpy de secção reduzida, sem entalhe. Os resultados obtidos mostraram que o material com carbonetos mais finos apresentavam menor energia absorvida no impacto quando comparados com a amostra tratada na rota convencional. Este comportamento a princípio contraditório foi explicado pela maior presença de sítios de nucleação na amostra com carbonetos mais finos. A maior densidade de sítios nas condições do ensaio de impacto conduziu a uma intensificação da nucleação de trincas, levando a uma menor energia absorvida durante o ensaio de impacto; este efeito ocorre mesmo quando o mecanismo de nucleação de trincas envolve a nucleação e coalescimento de microcavidades. Procurou-se fazer uma correlação entre a morfologia das superfícies de fratura obtidas no ensaio Chevron, o tamanho do carboneto das amostras e o micromecanismo atuante. Para amostras com superfície de fratura com aspecto fibroso foi associado o micromecanismo de fratura controlado por deformação. Para amostras com superfície de fratura com aspecto intergranular foi associado o micromecanismo de fratura controlado por tensão. / This work proposes a new heat treatment route for AISI 52100 steel, the most used material for bearings. The new route is designed so as to refine the carbides distribution in material, with the aim of increasing the fracture toughness. In order to measure the fracture toughness a Chevron notch methodology was used, as described in ASTM E-1304(97). Obtaining a static pre-crack on brittle materials is difficult and expensive; the Chevron notch methodology allows avoiding this difficulty. The heat treatments reduced the carbide sizes as compared with conventionally heat-treated steels. Some samples treated by this new route presented an increase in Chevron notch fracture toughness. The materials treated by the new heat treatment route were also tested in impact using a subsize Charpy specimen, without notch. Materials with fine carbides presented less dissipated energy in impact test then the material conventionally treated. This behavior is associated with the increase in number of carbide particles, as second phase particles are known to behave as sites for microvoid initiation and growth. The higher density of such sites presented in the material with fine carbides enhance this mechanism, lowering the dissipated energy measured in impact test. A correlation between fracture morphology, carbide size and fracture mechanisms was attempted. Samples with fine carbides presents fibrous transgranular fracture morphologies with strain controlled fracture micromechanism while samples with coarse carbides presented intergranular type morphologies with stress controlled micro-mechanism.

Ao longo deste trabalho foi proposta uma nova rota de tratamento térmico para o aço AISI 52100, principal material utilizado na fabricação de rolamentos. Esta nova rota visa refinar a microestrutura de carbonetos presentes no material, com o objetivo de otimizar as propriedades mecânicas. Os tratamentos térmicos realizados conduziram a uma diminuição no tamanho dos carbonetos quando comparados com a amostra tradicional. Para medir a tenacidade à fratura evitando a dificuldade experimental de se nuclear pré-trincas em materiais frágeis, foi utilizada a metodologia Chevron, como formalizada na ASTM E-1304(97). Algumas das amostras submetidas a nova rota apresentaram maior tenacidade à fratura quando comparadas a amostra tratada na rota convencional. O material tratado na nova rota de tratamento térmico foi avaliado também em ensaio de impacto, usando-se corpos de prova Charpy de secção reduzida, sem entalhe. Os resultados obtidos mostraram que o material com carbonetos mais finos apresentavam menor energia absorvida no impacto quando comparados com a amostra tratada na rota convencional. Este comportamento a princípio contraditório foi explicado pela maior presença de sítios de nucleação na amostra com carbonetos mais finos. A maior densidade de sítios nas condições do ensaio de impacto conduziu a uma intensificação da nucleação de trincas, levando a uma menor energia absorvida durante o ensaio de impacto; este efeito ocorre mesmo quando o mecanismo de nucleação de trincas envolve a nucleação e coalescimento de microcavidades. Procurou-se fazer uma correlação entre a morfologia das superfícies de fratura obtidas no ensaio Chevron, o tamanho do carboneto das amostras e o micromecanismo atuante. Para amostras com superfície de fratura com aspecto fibroso foi associado o micromecanismo de fratura controlado por deformação. Para amostras com superfície de fratura com aspecto intergranular foi associado o micromecanismo de fratura controlado por tensão. / This work proposes a new heat treatment route for AISI 52100 steel, the most used material for bearings. The new route is designed so as to refine the carbides distribution in material, with the aim of increasing the fracture toughness. In order to measure the fracture toughness a Chevron notch methodology was used, as described in ASTM E-1304(97). Obtaining a static pre-crack on brittle materials is difficult and expensive; the Chevron notch methodology allows avoiding this difficulty. The heat treatments reduced the carbide sizes as compared with conventionally heat-treated steels. Some samples treated by this new route presented an increase in Chevron notch fracture toughness. The materials treated by the new heat treatment route were also tested in impact using a subsize Charpy specimen, without notch. Materials with fine carbides presented less dissipated energy in impact test then the material conventionally treated. This behavior is associated with the increase in number of carbide particles, as second phase particles are known to behave as sites for microvoid initiation and growth. The higher density of such sites presented in the material with fine carbides enhance this mechanism, lowering the dissipated energy measured in impact test. A correlation between fracture morphology, carbide size and fracture mechanisms was attempted. Samples with fine carbides presents fibrous transgranular fracture morphologies with strain controlled fracture micromechanism while samples with coarse carbides presented intergranular type morphologies with stress controlled micro-mechanism.

Neste trabalho foi medida a tenacidade à fratura de quatro ligas fundidas com composição química base do aço AISI M2 – uma de composição química convencional (liga I), e as demais modificadas por adições de nitrogênio (liga II), cério (liga III) e antimônio (liga IV) – submetidas a tratamentos térmicos visando a decomposição do carboneto M2C, a esferoidização e engrossamento dos carbonetos produto M6C e MC, em altas temperaturas e por diversos tempos. A metodologia empregada nesta avaliação da tenacidade à fratura foi a dos corpos de prova curtos com entalhe chevron segundo ASTM E 1304-97, de forma a superar a necessidade do pré-trincamento por fadiga, procedimento de difícil controle e custoso em materiais como os aços rápidos temperados e revenidos. Verificou-se que a metodologia utilizada para obtenção e ensaio de corpos de prova chevron foi de fácil execução (comparada à metodologia convencional) permitindo grande número de experimentos. Para verificar a consistência dos resultados, em algumas condições, também se utilizou a metodologia convencional segundo a ASTM E 399-90, cujo pré-trincamento foi feito utilizando os procedimentos propostos por Harris e Dunegan. Os resultados obtidos para os aços fundidos foram correlacionados com os obtidos para outros aços rápidos convencionais (VM2, M2 Thyssen) e um aço rápido sinterizado (SINTER 23). A microestrutura foi caracterizada utilizando-se técnicas de ataques metalográficos diferenciais, metalografia quantitativa manual e computadorizada e microscopia eletrônica de varredura. A avaliação microestrutural indica que não ocorreu precipitação eutética do carboneto M6C, em nenhuma das ligas fundidas. O carboneto M2C apresenta morfologia tanto irregular (plaquetas – tipo 1) quanto regular-complexa (lamelas – tipo 2). As ligas I, III e IV, apresentaram a predominância da morfologia tipo 1 enquanto que a liga II modificada pelo nitrogênio, apresentou apenas a morfologia tipo 2. O carboneto MC apresentou-se com morfologia regular-complexa. Medidas do espaçamento interdendrítico indicam que não houve influência significativa dos elementos modificadores sobre este parâmetro. Ensaios de resistência à flexão, indicam pouca influência dos elementos modificadores, mas forte influência dos tratamentos térmicos sobre o limite de resistência à ruptura transversal do aço fundido. Em todas as ligas, a resistência à flexão cresceu com o tempo de tratamento a 1200°C, bem como com a temperatura de decomposição em tratamentos por 2 horas. Análise das fraturas por microscopia eletrônica de varredura indicou que o crescimento das trincas se deu na região interdendrítica. O aço convencional apresentou resistência à ruptura transversal muito superior à dos aços fundidos. Os ensaios de tenacidade à fratura apresentaram resultados compatíveis com a literatura para os aços AISI M2 convencional e SINTER 23. Os resultados obtidos para o aço fundido, indicam queda nos valores de tenacidade à fratura nos materiais tratados a 1050°C com o avanço do tempo de tratamento; pouca variação dos valores com o tempo nas amostras tratadas a 1150°C; e aumento significativo da tenacidade à fratura com o tempo de tratamento a 1200°C. Os valores de tenacidade obtidos para os aços rápidos fundidos foram mais elevados que os obtidos para os materiais trabalhados e para o material sinterizado. / Fracture Toughness of four cast alloys with chemical composition based on the High-Speed Steel AISI M2 were measured. One of the alloys (alloy I) had the conventional AISI M2 composition, while the other three were modified by the addition of N (alloy II), Ce (alloy III) and Sb (alloy IV). The cast alloys were heat-treated in order to promote the decomposition of the M2C carbide as well as spheroidize and coarsen the product M6C e MC carbides. The method chosen for measuring fracture toughness was based on the use of short rod and bar chevron notched samples, according to ASTM E1304 – 97, in order to evade the need for fatigue pre-cracking, notoriously difficult for High Speed Steels quenched and tempered. The chevron-notch method proved straightforward and allowed for successful testing a great number of specimens. Conventional compact sample fracture toughness, according to ASTM E 399-90, with pre-cracking obtained using Harris-Dunegan drop-weight procedure, was used to validate the results. The results for cast alloys were compared with conventionally produced High Speed Steels (VM2, M2 Thyssen) and with a powder metallurgy High Speed Steel (SINTER 23). Microstructural characterization was performed using selective etching of polished surfaces, manual and automated quantitative metallography and SEM. Microstructural evaluation of as-cast alloys showed that there was no eutectic precipitation of M6C carbides. The M2C carbides show an irregular eutectic morphology (Type 1- plates) as well as a regular-complex eutectic morphology. Measurements of interdendritic spacing did not detect any effect of the modification. The bending test rupture strengths did not vary with the addition of modifying elements, but increased with the time and temperature of decomposition, spheroidization and coarsening of carbides. Rupture strengths increased with the heat-treatment time at 1200°C as well as with increasing temperatures for 2 h heat-treatments. SEM examination of the fracture surfaces showed that crack preferential growth path was interdendritical. Conventional High Speed Steels tested in bending presented better results for the rupture strength than cast steels. Fracture toughness results for M2 conventional steels and for the SINTER 23 steel were similar to the results from the literature. Fracture toughness results obtained for cast steels diminished with increasing decomposition time at 1050°C, did not change much with increasing decomposition time at 1150°C, increased markedly withy increasing decomposition times at 1200°C. The fracture toughness results for the as-cast steels were higher than the results obtained for the wrought steels and for the powder metallurgy steel.

Neste trabalho foi medida a tenacidade à fratura de quatro ligas fundidas com composição química base do aço AISI M2 – uma de composição química convencional (liga I), e as demais modificadas por adições de nitrogênio (liga II), cério (liga III) e antimônio (liga IV) – submetidas a tratamentos térmicos visando a decomposição do carboneto M2C, a esferoidização e engrossamento dos carbonetos produto M6C e MC, em altas temperaturas e por diversos tempos. A metodologia empregada nesta avaliação da tenacidade à fratura foi a dos corpos de prova curtos com entalhe chevron segundo ASTM E 1304-97, de forma a superar a necessidade do pré-trincamento por fadiga, procedimento de difícil controle e custoso em materiais como os aços rápidos temperados e revenidos. Verificou-se que a metodologia utilizada para obtenção e ensaio de corpos de prova chevron foi de fácil execução (comparada à metodologia convencional) permitindo grande número de experimentos. Para verificar a consistência dos resultados, em algumas condições, também se utilizou a metodologia convencional segundo a ASTM E 399-90, cujo pré-trincamento foi feito utilizando os procedimentos propostos por Harris e Dunegan. Os resultados obtidos para os aços fundidos foram correlacionados com os obtidos para outros aços rápidos convencionais (VM2, M2 Thyssen) e um aço rápido sinterizado (SINTER 23). A microestrutura foi caracterizada utilizando-se técnicas de ataques metalográficos diferenciais, metalografia quantitativa manual e computadorizada e microscopia eletrônica de varredura. A avaliação microestrutural indica que não ocorreu precipitação eutética do carboneto M6C, em nenhuma das ligas fundidas. O carboneto M2C apresenta morfologia tanto irregular (plaquetas – tipo 1) quanto regular-complexa (lamelas – tipo 2). As ligas I, III e IV, apresentaram a predominância da morfologia tipo 1 enquanto que a liga II modificada pelo nitrogênio, apresentou apenas a morfologia tipo 2. O carboneto MC apresentou-se com morfologia regular-complexa. Medidas do espaçamento interdendrítico indicam que não houve influência significativa dos elementos modificadores sobre este parâmetro. Ensaios de resistência à flexão, indicam pouca influência dos elementos modificadores, mas forte influência dos tratamentos térmicos sobre o limite de resistência à ruptura transversal do aço fundido. Em todas as ligas, a resistência à flexão cresceu com o tempo de tratamento a 1200°C, bem como com a temperatura de decomposição em tratamentos por 2 horas. Análise das fraturas por microscopia eletrônica de varredura indicou que o crescimento das trincas se deu na região interdendrítica. O aço convencional apresentou resistência à ruptura transversal muito superior à dos aços fundidos. Os ensaios de tenacidade à fratura apresentaram resultados compatíveis com a literatura para os aços AISI M2 convencional e SINTER 23. Os resultados obtidos para o aço fundido, indicam queda nos valores de tenacidade à fratura nos materiais tratados a 1050°C com o avanço do tempo de tratamento; pouca variação dos valores com o tempo nas amostras tratadas a 1150°C; e aumento significativo da tenacidade à fratura com o tempo de tratamento a 1200°C. Os valores de tenacidade obtidos para os aços rápidos fundidos foram mais elevados que os obtidos para os materiais trabalhados e para o material sinterizado. / Fracture Toughness of four cast alloys with chemical composition based on the High-Speed Steel AISI M2 were measured. One of the alloys (alloy I) had the conventional AISI M2 composition, while the other three were modified by the addition of N (alloy II), Ce (alloy III) and Sb (alloy IV). The cast alloys were heat-treated in order to promote the decomposition of the M2C carbide as well as spheroidize and coarsen the product M6C e MC carbides. The method chosen for measuring fracture toughness was based on the use of short rod and bar chevron notched samples, according to ASTM E1304 – 97, in order to evade the need for fatigue pre-cracking, notoriously difficult for High Speed Steels quenched and tempered. The chevron-notch method proved straightforward and allowed for successful testing a great number of specimens. Conventional compact sample fracture toughness, according to ASTM E 399-90, with pre-cracking obtained using Harris-Dunegan drop-weight procedure, was used to validate the results. The results for cast alloys were compared with conventionally produced High Speed Steels (VM2, M2 Thyssen) and with a powder metallurgy High Speed Steel (SINTER 23). Microstructural characterization was performed using selective etching of polished surfaces, manual and automated quantitative metallography and SEM. Microstructural evaluation of as-cast alloys showed that there was no eutectic precipitation of M6C carbides. The M2C carbides show an irregular eutectic morphology (Type 1- plates) as well as a regular-complex eutectic morphology. Measurements of interdendritic spacing did not detect any effect of the modification. The bending test rupture strengths did not vary with the addition of modifying elements, but increased with the time and temperature of decomposition, spheroidization and coarsening of carbides. Rupture strengths increased with the heat-treatment time at 1200°C as well as with increasing temperatures for 2 h heat-treatments. SEM examination of the fracture surfaces showed that crack preferential growth path was interdendritical. Conventional High Speed Steels tested in bending presented better results for the rupture strength than cast steels. Fracture toughness results for M2 conventional steels and for the SINTER 23 steel were similar to the results from the literature. Fracture toughness results obtained for cast steels diminished with increasing decomposition time at 1050°C, did not change much with increasing decomposition time at 1150°C, increased markedly withy increasing decomposition times at 1200°C. The fracture toughness results for the as-cast steels were higher than the results obtained for the wrought steels and for the powder metallurgy steel.