The study of dross in ductile cast iron main shafts was performed at Global Castings Guldsmedshyttan AB and presented in this master thesis. The purpose of the study was to obtain answers to why dross defects were present in some of the foundry's casted main shafts, with the main problem located at the flange of the shaft. The chemical composition of the dross formations and which steps in the casting process that increased the dross formation were of interest. The study only included dross in main shafts manufactured at Global Castings Guldsmedshyttan AB. Dross particles form when elements such as Mg, Ca, Si and Mn react with O. These elements, which are highly reactive to O, are used in ductile cast irons to achieve the spheroidal graphite nodules that regulate the cast materials ductile properties. If a higher amount of dross particles has formed, the particles will start to cluster, resulting in a growing dross formation. Dross formations works as surface crack initiation points and reduces the castings fatigue strength and ductility. During the study it was seen that the cause of dross formations is a combination of many parameters increasing the melts exposure to O resulting in dross defects. The dross formations could be connected to worn out ladles, low melt temperatures, incorrect additions of Mg treatment, lack of an extra slag removal station and finally turbulence as the melt were poured into the mould. At Global Castings Guldsmedshyttan AB a greater part of the main shafts containing dross defects were a result of worn out ladles and low melt temperatures. The types of dross found in the main shaft material were mainly Mg, Ca, Si and Al which had reacted with O. S bonded with Mg and Ca was also detected in the dross formations. It was shown that the dross particles could be derived from charge material, Mg treatment and inoculation. To avoid dross defects the first step would be to set up an extra slag station, shorten the interval of maintenance of the ladles and to better adjust the melt temperature to the condition of the specific ladle. To minimize dross due to excess Mg a better controlled process would be recommended with an increased number of monitored manufacturing parameters. / Studien av dross i axlar tillverkade av segjärn gjordes hos Global Castings Guldsmedshyttan AB och presenteras i denna examensrapport. Syftet med studien var att hitta anledningar till varför drossdefekter bildas i flänsen på vissa av gjuteriets tillverkade axlar. Drossens kemiska komposition likväl de steg i tillverkningsprocessen som inverkade på drossbildning var av intresse. Studien inkluderade endast drossdefekter i axlar tillverkade av Global Castings Guldsmedshyttan AB. Drosspartiklas bildas när till exempel Mg, Ca, Si och Mg reagerar med O. Dessa ämnen, vilka är väldigt reaktiva med syre, används vid framställning av segjärn för att de sfäriska grafitnodulerna som starkt reglerar materialets duktila egenskaper ska bildas. Ett större antal drosspartiklar i en smälta leder till kluster av dross vilka växer i takt med att nya partiklar bildas. Dross fungerar som sprickinitieringspunkter i gjutgodsytor och reducerar godsets utmattningshållfasthet och duktilitet.   Under studien kunde det ses att dross bildas på grund av en kombination av parametrar som ökar smältans exponering av syre vilket resulterar i drossdefekter. Drossdefekter kunde kopplas till slitna skänkar, låga smälttemperaturer, felaktig mängd magnesiumbehandling, brist på en extra slaggstation och slutligen turbulens när smätan hälls i formen. Hos Global Castings Guldsmedshyttan AB är en stor del av axlarna med drossdefekter ett resultat av framför allt slitna skänkar och låga smälttemperaturer. Vid analys sågs det att ett antal olika typer av drosspartiklar kan bildas i det duktila gjutjärn som används till axlarna; främst Mg, Ca, Si och Al som reagerat med O. Mg och Ca som bundit med S kunde också hittas i vissa av de studerade drossformationerna. Det kunde visas att den kemiska kompositionen i drosspartiklarna var härrörande från grundmaterialet, magnesiumbehandlingen och ympmedlet.  Ett första steg Global Castings Guldsmedshyttan AB skulle kunna ta för att undvika drossdefekter är att ha en extra slaggstation, införa tätare underhåll av skänkarna och bättre anpassa smälttemperaturen till skicket på den specifika skänken. För att minimera dross som bildats på grund av ett överskott av Mg skulle en mer kontrollerad process rekommenderas med ett ökat antal bevakade tillverkningsparametrar.

The large number of vehicles operating on the roads cause high emissions and consequently a negative effect on the environment. When developing and optimizing internal combustion engines, certain requirements must be considered, which are environmental regulations, reduced fuel consumption and increased specific power. In order to meet these demands, an increase of the engine combustion pressure will occur usually accompanied with a temperature increase. During start-up and shut-down of an engine, it is subjected to cyclic thermo-mechanical fatigue (TMF) loads. The turbo manifold and exhaust manifolds connected to the engine is also subjected to these thermo-mechanical fatigue loads and thereby exposed to alternating tensile and compression loads. As these TMF loads will increase in the near future due to the development and optimization of internal combustion engines, it is important to understand the limitations of the material for these loads. In collaboration with Scania CV AB in Södertälje, this thesis covers the investigation of influence of nitrocarburizing (NC) on TMF properties of three ductile irons (DCI) labelled HiSi, SiMo51 and SiMo1000 intended to be used for components in the exhaust system. Nitrocarburizing is a thermo-chemical process where nitrogen and carbon diffuses from the process medium into the surface zone of a ferrous metal. The purpose of the NC is to increase the wear properties in contact areas between different parts. The oxidation with and without nitrocarburizing are studied both after isothermal and stress free oxidation tests at 780 °C and after TMF loads with combined cyclic variation of mechanical and thermal loads. In addition, the properties such as hardness, defects, porosity, microstructure, composition of both the materials and of the oxide layer have been investigated. For SiMo1000+NC cracks formed during nitrocarburizing were positioned parallel to the surface edge in the diffusion zone and consequently an increased diffusion of nitrogen into the material, i.e. deeper diffusion depth. SiMo1000+NC showed highest hardness, highest compressive residual stresses and thickest oxide layer. SiMo1000 showed highest resistance against oxidation due to the protective aluminum oxide layer. Oxide crack initiations after thermo-mechanical tests with a protective silicon oxide layer around the cracks for HiSi and SiMo51 and a protective aluminum oxide layer around the cracks for SiMo1000. In materials with nitrocarburizing, these protective layers of either silicon oxide or aluminum oxide were more distributed into the material. In SiMo1000+NC, crack initiations were not oxidized.

Scania wants to lower the weight of their trucks, including the goal to reduce the carbon dioxide emissions, and one way to do that is to use laser welding instead of fastenings.This bachelor thesis work is about laser welding of ductile cast iron, or spheroidal graphite cast iron or nodular cast iron, to QT-steels and case hardening steel and evaluation of the mechanical properties of the weld. Also laser welding of cast steel to the same two materials are being evaluated in this work. Tests are done to evaluate the effect on the material from laser welding. The tests are tensile tests and Vickers hardness test; both across and along the weld and in some areas of interest. EDS (Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy) is used to analyze the composition in the weld and light optical microscope is used to look at the fusion zone (FZ) and the heat affected zone (HAZ). The results shows that the hardness is high in the heat affected zone due to the formation of martensite and that the materials mix more towards the root of the weld. The materials also mix more if the weld depth is deeper. The width of the heat affected zone seems to be longer if the heat input is higher. It is also clear that welding of cast steel is less complicated than the welding of ductile cast iron. That is because ductile cast iron gets a hard and brittle heat affected zone (HAZ) while the cast steel does not. The cast steel can also be welded without filler wire without getting to hard or to brittle. If laser welding is to be used in the future the component should be constructed in such a way that the fusion zone is not carrying the main load. Tests on fatigue strength should also first be done on a finished component as it cannot be tested on the samples in this work. This work was conducted at Scania AB and the royal institute of technology, KTH, in Sweden. / Scania vill sänka vikten på sina lastbilar, bland annat för att minska utsläppen av koldioxid, och ett sätt att göra det är att lasersvetsa istället för att använda bultar. Detta kandidatexamensarbete handlar om lasersvetsning av segjärn, eller nodulärt gjutjärn som det också kallas, till seghärdningsstål och sätthärdningsstål samt utvärdering av svetsens mekaniska egenskaper. Även lasersvetsning av gjutstål till samma stålsorter som ovan utvärderas i detta arbete.Tester görs för att utvärdera effekten på materialet från lasersvetsningen. Testerna är dragprov och Vickers hårdhetstestning; både tvärs över och längs med svetsen samt även i vissa områden av särskilt intresse. EDS (Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy) används för att analysera sammansättningen i svetsen och ljusoptiskt mikroskop används för att se svetsgodset och den värmepåverkade zonen. Resultaten visar att hårdheten går upp i den värmepåverkade zonen på grund av martensit bildning och att materialen blandar sig mer närmare svetsroten. Materialen blandar sig också mer om svetsdjupet är djupare. Den värmepåverkade zonens bredd verkar vara större om sträckenergin är hög. Det står också klart att svetsning av gjutstål är mindre komplicerat än svetsning av segjärn eftersom segjärnet får en hög hårdhet i den värmepåverkade zonen medan det inte alls blir så för gjutstålet. Gjutstålet kunde också svetsas utan tillsatsmaterial utan att få ett för hårt eller sprött svetsgods. Om man vill använda lasersvetsning i framtiden ska komponenter konstrueras så att svetsen inte bär huvudvikten eftersom resultatet visar att svetsgodset får lägre brottgräns. Utmattningstester borde också göras på en färdig komponent eftersom det inte kan testas på proven från det här arbetet. Detta arbete utfördes på Scania AB och Kungliga Tekniska Högskolan, KTH, i Sverige.

New stricter environmental legislation requires lower emissions and fuel consumption of automotive engines. Therefore the fuel efficiency must be increased but this leads to higher loads in the engine. As for the exhaust system it is affected by higher thermomechanical loads. Until today the turbo manifold has been nitrocarburized in order to increase the wear resistance in slip joints with other exhaust components. The problem is that there is no knowledge of how the nitrocarburizing affects the thermomechanical properties of the material. The purpose of this thesis work is to examine the difference in thermomechanical properties with and without nitrocarburizing on the three different ductile irons High Silicon, SiMo51 and SiMo1000 intended for exhaust components. Thermo-mechanical fatigue (TMF) experiments were performed on test rods to evaluate difference in number of cycles to failure. In each cycle the test-rod was affected by a combination of mechanical loads and thermal loads resembling those found on exhaust components. Light optical microscopy, scanning electron microscopy and x-ray radiography were used to examine microcracks and damage mechanisms of the materials. It was found that the nitrocarburizing did not affect the number of cycles to failure in any large extent. Further, it was also found that SiMo1000 on average has the longest lifetime followed by SiMo51 and High Silicon. Although, the difference is small for many loadings and taking a 95% confidence band into account the curves overlap for many loading cases.

O processo de roleteamento é um tratamento superficial, comumente utilizado em peças fabricadas em aços e ferros fundidos nodulares, em regiões onde há concentradores de tensões, com o intuito de melhorar as propriedades de resistência à fadiga. Este processo endurece e introduz tensões residuais compressivas na camada superficial do material, através de deformação controlada, provocando uma redução das tensões de tração que atuam na superfície da peça submetida a carregamentos cíclicos. Este trabalho teve como principal objetivo o estudo do efeito do roleteamento superficial sobre o comportamento em fadiga de um ferro fundido nodular de matriz perlítica, utilizado na fabricação de virabrequins pela indústria automobilística. Foram realizados ensaios de fadiga por flexão rotativa em corpos de prova lisos e com entalhe. Os corpos de prova com entalhe foram divididos em dois grupos, com e sem roleteamento superficial. Foi utilizado entalhe com geometria semicircular com raio de 1,20mm e profundidade de 0,70mm. Para o processo de roleteamento foi utilizado um rolete com diâmetro de 15,00mm e com raio de curvatura de 1,30mm e aplicada uma força de compressão de 2390N. A introdução de tensões residuais compressivas pelo trabalho a frio, dificultou a nucleação e a propagação de trincas na camada superficial dos entalhes roleteados. Isto ficou evidenciado pelo aumento do valor do limite de fadiga para 483MPa obtido para o material entalhado e roleteado, enquanto que para o material nas condições de sem entalhe e somente entalhado estes valores foram de 300MPa e 168Mpa, respectivamente. / Surface rolling is a mechanical treatment commonly used in parts fabricated with steel and ductile cast iron, specifically in stress concentration regions, to improve fatigue properties. This process hardens and introduces compressive residual stresses to the surface of the material through the application of controlled strains, thus provoking a reduction of resulting tensile stress at its surface under cyclic loading. This work deals with the effect of surface rolling on high cycle fatigue behavior of a pearlitic ductile cast iron used in crankshaft by automotive industries. Rotating bending fatigue tests were performed in both smooth and notched specimens. The notched specimens were divided into two groups: with and without surface rolling treatment. The specimens notch geometry was semicircular with radius of 1.20mm and depth of 0.70mm. The rolling treatment was carried out using a roller with diameter of 15,00mm, curvature radius of 1.30mm and a compression force of 2390N. The introduction of compressive residual stresses under cold work made difficult the nucleation and propagation of the crack on the rolled surface of the notch. It was confirmed by the increase of the endurance limit of the surface rolled specimens to 483MPa in comparison with the smooth and notched specimens, respectively, 300MPa and 168 MPa.

Este trabalho está inserido em um projeto que procura estudar a viabilidade técnica da aplicação de um relativamente novo conceito de tratamento térmico, chamado de Têmpera e Partição (T&P), como alternativa para o processamento de ferros fundidos nodulares com alta resistência mecânica. O processo T&P tem por objetivo a obtenção de microestruturas multifásicas constituídas de martensita e austenita retida, estabilizada em carbono. A martensita confere elevada resistência mecânica, enquanto a austenita confere ductilidade. No processo T&P, após a austenitização total ou parcial da liga, o material é temperado até uma temperatura de têmpera TT entre as temperaturas Ms e Mf para produzir uma mistura controlada de martensita e austenita. Em seguida, na etapa de partição, o material é mantido isotermicamente em uma temperatura igual ou mais elevada (denominada temperatura de partição TP) para permitir a partição de carbono da martensita para a austenita. O carbono em solução sólida diminui a temperatura Ms da austenita, estabilizando-a à temperatura ambiente. O presente trabalho procurou estudar aspectos de transformações de fases -- com ênfase na evolução microestrutural e cinética das reações -- do tratamento térmico de Têmpera e Partição (T&P) aplicado a uma liga de ferro fundido nodular (Fe-3,47%C-2,47%Si-0,2%Mn). Tratamentos térmicos consistiram de austenitização a 880 oC por 30 min, seguido de têmpera a 140, 170 e 200 oC e partição a 300, 375 e 450 oC por até 2 h. A caracterização microestrutural foi feita por microscopia óptica (MO), eletrônica de varredura (MEV), difração de elétrons retroespalhados (EBSD) e análise de microssonda eletrônica (EPMA). A análise cinética foi feita por meio de ensaios de dilatometria de alta resolução e difração de raios X in situ usando radiação síncrotron. Resultados mostram que a ocorrência de reações competitivas -- reação bainítica e precipitação de carbonetos na martensita -- é inevitável durante a aplicação do tratamento T&P à presente liga de ferro fundido nodular. A cinética da reação bainítica é acelerada pela presença da martensita formada na etapa de têmpera. A reação bainítica acontece, a baixas temperaturas, desacompanhada da precipitação de carbonetos e contribui para o enriquecimento em carbono, e consequente estabilização, da austenita. Devido à precipitação de carbonetos na martensita, a formação de ferrita bainítica é o principal mecanismo de enriquecimento em carbono da austenita. A microssegregação proveniente da etapa de solidificação permanece no material tratado termicamente e afeta a distribuição da martensita formada na etapa de têmpera e a cinética da reação bainítica. Em regiões correspondentes a contornos de célula eutética são observadas menores quantidades de martensita e a reação bainítica é mais lenta. A microestrutura final produzida pelo tratamento T&P aplicado ao ferro fundido consiste de martensita revenida com carbonetos, ferrita banítica e austenita enriquecida estabilizada pelo carbono. Adicionalmente, foi desenvolvido um modelo computacional que calcula a redistribuição local de carbono durante a etapa de partição do tratamento T&P, assumindo os efeitos da precipitação de do crescimento de placas de ferrita bainítica a partir da austenita. O modelo mostrou que a cinética de partição de carbono da martensita para a austenita é mais lenta quando os carbonetos precipitados são mais estáveis e que, quando a energia livre dos carbonetos é suficientemente baixa, o fluxo de carbono acontece da austenita para a martensita. A aplicação do modelo não se limita às condições estudadas neste trabalho e pode ser aplicada para o planejamento de tratamentos T&P para aços. / The present work belongs to a bigger project whose main goal is to study the technical feasibility of the application of a relatively new heat treating concept, called Quenching and Partitioning (Q&P), as an alternative to the processing of high strength ductile cast irons. The aim of the Q&P process is to obtain multiphase microstructures consisting of martensite and carbon enriched retained austenite. Martensite confers high strength, whereas austenite confers ductility. In the Q&P process, after total or partial austenitization of the alloy, the material is quenched in a quenching temperature TQ between the Ms and Mf temperatures to produce a controlled mixture of martensite and austenite. Next, at the partitioning step, the material is isothermally held at a either equal or higher temperature (so called partitioning temperature TP) in order to promote the carbon diffusion (partitioning) from martensite to austenite. The present work focus on the study of phase transformations aspects -- with emphasis on the microstructural evolution and kinetics of the reactions -- of the Q&P process applied to a ductile cast iron alloy (Fe-3,47%C-2,47%Si-0,2%Mn). Heat treatments consisted of austenitization at 880 oC for 30 min, followed by quenching at 140, 170, and 200 oC and partitioning at 300, 375 e 450 oC up to 2 h. The microstructural characterization was carried out by optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM), backscattered diffraction (EBSD), and electron probe microanalysis (EPMA). The kinetic analysis was studied by high resolution dilatometry tests and in situ X-ray diffraction using a synchrotron light source. Results showed that competitive reactions -- bainite reaction and carbides precipitation in martensite -- is unavoidable during the Q&P process. The bainite reaction kinetics is accelerated by the presence of martensite formed in the quenching step. The bainite reaction occurs at low temperatures without carbides precipitation and contributes to the carbon enrichment of austenite and its stabilization. Due to carbides precipitation in martensite, growth of bainitic ferrite is the main mechanism of carbon enrichment of austenite. Microsegregation inherited from the casting process is present in the heat treated material and affects the martensite distribution and the kinetics of the bainite reaction. In regions corresponding to eutectic cell boundaries less martensite is observed and the kinetics of bainite reaction is slower. The final microestructure produced by the Q&P process applied to the ductile cast iron consists of tempered martensite with carbides, bainitic ferrite, and carbon enriched austenite. Additionally, a computational model was developed to calculate the local kinetics of carbon redistribution during the partitioning step, considering the effects of carbides precipitation and bainite reaction. The model showed that the kinetics of carbon partitioning from martensite to austenite is slower when the tempering carbides are more stable and that, when the carbides free energy is sufficiently low, the carbon diffuses from austenite to martensite. The model is not limited to the studied conditions and can be applied to the development of Q&P heat treatments to steels.

Neste trabalho, estudou-se a integridade superficial durante o torneamento de um ferro fundido nodular com carbonetos, considerando a heterogeneidade microestrutural (fração volumétrica, tamanho e morfologia de grafita e dos carbonetos) e os efeitos dos parâmetros de corte (avanço, velocidade de corte e profundidade de corte), baseados num planejamento fatorial fracionário 24-1. Este texto apresenta, numa primeira parte, uma revisão baseada em referências bibliográficas clássicas da engenharia de superfícies, na tentativa de definir os conceitos que compõem a integridade da superfície. Posteriormente, descrevem-se os resultados de ensaios preliminares, realizados com a finalidade avaliar os níveis do processo e os efeitos desses parâmetros na integridade da superfície. Finalmente, realizaram-se os ensaios de usinagem em corpos-de-prova de ferro fundido nodular com carboneto, nos diâmetros de 80 mm e 140mm. Durante os ensaios de torneamento empregaram-se duas velocidades de corte (60 m/min e 180 m/min), dois avanços (0,1 mm/rev e 0,3 mm/rev) e duas profundidades de corte (0,2 mm e 0,3 mm). Após os ensaios de usinagem, foram realizadas: a avaliação das propriedades do material usinado (dureza e microestrutura), a análise de topografia da superfície usinada mediante avaliação da rugosidade, e a avaliação da influência dos parâmetros de usinagem na rugosidade. Encontrou-se uma dependência estatisticamente significativa da variação nas propriedades mecânicas dos corpos-de-prova em função da microestrutura, e mostraram-se os efeitos dessas variações em termos da integridade da superfície usinada. / In this work, the surface integrity of a ductile cast iron with carbides was studied during turning operations, considering the microstructural heterogeneity (volume fraction, size and morphology of the graphite and carbides) and the effect of the machining parameters (feed, cutting speed and depth of cut), based on a fractional factorial design 24-1. This work presents, initially, a literature review based on classic works on surface engineering, as an attempt to define the main concepts of surface integrity. Later, the results of preliminary test are described, which were conducted in order to define the process levels and the effects of these levels on the surface integrity. Finally, turning tests were conducted on specimens of ductile iron with carbides, at diameters of 80 and 140 mm. Two cutting speeds (60 m/min and 180 m/min), two feeds (0,1 mm/rev and 0,3 mm/rev) and two depths of cut (0,2 mm and 0,3 mm) were selected during the tests. Machined specimens were analyzed in terms of the properties of the machined material (hardness and microstructure) and of the roughness of the machined surface. The effect of the machining parameters on the roughness was also studied. A statistically significant dependence was observed for the properties of the machined specimens as a function of the microstructure and the effect of these properties on the surface integrity is presented.

Este trabalho está inserido em um projeto que procura estudar a viabilidade técnica da aplicação de um relativamente novo conceito de tratamento térmico, chamado de Têmpera e Partição (T&P), como alternativa para o processamento de ferros fundidos nodulares com alta resistência mecânica. O processo T&P tem por objetivo a obtenção de microestruturas multifásicas constituídas de martensita e austenita retida, estabilizada em carbono. A martensita confere elevada resistência mecânica, enquanto a austenita confere ductilidade. No processo T&P, após a austenitização total ou parcial da liga, o material é temperado até uma temperatura de têmpera TT entre as temperaturas Ms e Mf para produzir uma mistura controlada de martensita e austenita. Em seguida, na etapa de partição, o material é mantido isotermicamente em uma temperatura igual ou mais elevada (denominada temperatura de partição TP) para permitir a partição de carbono da martensita para a austenita. O carbono em solução sólida diminui a temperatura Ms da austenita, estabilizando-a à temperatura ambiente. O presente trabalho procurou estudar aspectos de transformações de fases -- com ênfase na evolução microestrutural e cinética das reações -- do tratamento térmico de Têmpera e Partição (T&P) aplicado a uma liga de ferro fundido nodular (Fe-3,47%C-2,47%Si-0,2%Mn). Tratamentos térmicos consistiram de austenitização a 880 oC por 30 min, seguido de têmpera a 140, 170 e 200 oC e partição a 300, 375 e 450 oC por até 2 h. A caracterização microestrutural foi feita por microscopia óptica (MO), eletrônica de varredura (MEV), difração de elétrons retroespalhados (EBSD) e análise de microssonda eletrônica (EPMA). A análise cinética foi feita por meio de ensaios de dilatometria de alta resolução e difração de raios X in situ usando radiação síncrotron. Resultados mostram que a ocorrência de reações competitivas -- reação bainítica e precipitação de carbonetos na martensita -- é inevitável durante a aplicação do tratamento T&P à presente liga de ferro fundido nodular. A cinética da reação bainítica é acelerada pela presença da martensita formada na etapa de têmpera. A reação bainítica acontece, a baixas temperaturas, desacompanhada da precipitação de carbonetos e contribui para o enriquecimento em carbono, e consequente estabilização, da austenita. Devido à precipitação de carbonetos na martensita, a formação de ferrita bainítica é o principal mecanismo de enriquecimento em carbono da austenita. A microssegregação proveniente da etapa de solidificação permanece no material tratado termicamente e afeta a distribuição da martensita formada na etapa de têmpera e a cinética da reação bainítica. Em regiões correspondentes a contornos de célula eutética são observadas menores quantidades de martensita e a reação bainítica é mais lenta. A microestrutura final produzida pelo tratamento T&P aplicado ao ferro fundido consiste de martensita revenida com carbonetos, ferrita banítica e austenita enriquecida estabilizada pelo carbono. Adicionalmente, foi desenvolvido um modelo computacional que calcula a redistribuição local de carbono durante a etapa de partição do tratamento T&P, assumindo os efeitos da precipitação de do crescimento de placas de ferrita bainítica a partir da austenita. O modelo mostrou que a cinética de partição de carbono da martensita para a austenita é mais lenta quando os carbonetos precipitados são mais estáveis e que, quando a energia livre dos carbonetos é suficientemente baixa, o fluxo de carbono acontece da austenita para a martensita. A aplicação do modelo não se limita às condições estudadas neste trabalho e pode ser aplicada para o planejamento de tratamentos T&P para aços. / The present work belongs to a bigger project whose main goal is to study the technical feasibility of the application of a relatively new heat treating concept, called Quenching and Partitioning (Q&P), as an alternative to the processing of high strength ductile cast irons. The aim of the Q&P process is to obtain multiphase microstructures consisting of martensite and carbon enriched retained austenite. Martensite confers high strength, whereas austenite confers ductility. In the Q&P process, after total or partial austenitization of the alloy, the material is quenched in a quenching temperature TQ between the Ms and Mf temperatures to produce a controlled mixture of martensite and austenite. Next, at the partitioning step, the material is isothermally held at a either equal or higher temperature (so called partitioning temperature TP) in order to promote the carbon diffusion (partitioning) from martensite to austenite. The present work focus on the study of phase transformations aspects -- with emphasis on the microstructural evolution and kinetics of the reactions -- of the Q&P process applied to a ductile cast iron alloy (Fe-3,47%C-2,47%Si-0,2%Mn). Heat treatments consisted of austenitization at 880 oC for 30 min, followed by quenching at 140, 170, and 200 oC and partitioning at 300, 375 e 450 oC up to 2 h. The microstructural characterization was carried out by optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM), backscattered diffraction (EBSD), and electron probe microanalysis (EPMA). The kinetic analysis was studied by high resolution dilatometry tests and in situ X-ray diffraction using a synchrotron light source. Results showed that competitive reactions -- bainite reaction and carbides precipitation in martensite -- is unavoidable during the Q&P process. The bainite reaction kinetics is accelerated by the presence of martensite formed in the quenching step. The bainite reaction occurs at low temperatures without carbides precipitation and contributes to the carbon enrichment of austenite and its stabilization. Due to carbides precipitation in martensite, growth of bainitic ferrite is the main mechanism of carbon enrichment of austenite. Microsegregation inherited from the casting process is present in the heat treated material and affects the martensite distribution and the kinetics of the bainite reaction. In regions corresponding to eutectic cell boundaries less martensite is observed and the kinetics of bainite reaction is slower. The final microestructure produced by the Q&P process applied to the ductile cast iron consists of tempered martensite with carbides, bainitic ferrite, and carbon enriched austenite. Additionally, a computational model was developed to calculate the local kinetics of carbon redistribution during the partitioning step, considering the effects of carbides precipitation and bainite reaction. The model showed that the kinetics of carbon partitioning from martensite to austenite is slower when the tempering carbides are more stable and that, when the carbides free energy is sufficiently low, the carbon diffuses from austenite to martensite. The model is not limited to the studied conditions and can be applied to the development of Q&P heat treatments to steels.

Neste trabalho, estudou-se a integridade superficial durante o torneamento de um ferro fundido nodular com carbonetos, considerando a heterogeneidade microestrutural (fração volumétrica, tamanho e morfologia de grafita e dos carbonetos) e os efeitos dos parâmetros de corte (avanço, velocidade de corte e profundidade de corte), baseados num planejamento fatorial fracionário 24-1. Este texto apresenta, numa primeira parte, uma revisão baseada em referências bibliográficas clássicas da engenharia de superfícies, na tentativa de definir os conceitos que compõem a integridade da superfície. Posteriormente, descrevem-se os resultados de ensaios preliminares, realizados com a finalidade avaliar os níveis do processo e os efeitos desses parâmetros na integridade da superfície. Finalmente, realizaram-se os ensaios de usinagem em corpos-de-prova de ferro fundido nodular com carboneto, nos diâmetros de 80 mm e 140mm. Durante os ensaios de torneamento empregaram-se duas velocidades de corte (60 m/min e 180 m/min), dois avanços (0,1 mm/rev e 0,3 mm/rev) e duas profundidades de corte (0,2 mm e 0,3 mm). Após os ensaios de usinagem, foram realizadas: a avaliação das propriedades do material usinado (dureza e microestrutura), a análise de topografia da superfície usinada mediante avaliação da rugosidade, e a avaliação da influência dos parâmetros de usinagem na rugosidade. Encontrou-se uma dependência estatisticamente significativa da variação nas propriedades mecânicas dos corpos-de-prova em função da microestrutura, e mostraram-se os efeitos dessas variações em termos da integridade da superfície usinada. / In this work, the surface integrity of a ductile cast iron with carbides was studied during turning operations, considering the microstructural heterogeneity (volume fraction, size and morphology of the graphite and carbides) and the effect of the machining parameters (feed, cutting speed and depth of cut), based on a fractional factorial design 24-1. This work presents, initially, a literature review based on classic works on surface engineering, as an attempt to define the main concepts of surface integrity. Later, the results of preliminary test are described, which were conducted in order to define the process levels and the effects of these levels on the surface integrity. Finally, turning tests were conducted on specimens of ductile iron with carbides, at diameters of 80 and 140 mm. Two cutting speeds (60 m/min and 180 m/min), two feeds (0,1 mm/rev and 0,3 mm/rev) and two depths of cut (0,2 mm and 0,3 mm) were selected during the tests. Machined specimens were analyzed in terms of the properties of the machined material (hardness and microstructure) and of the roughness of the machined surface. The effect of the machining parameters on the roughness was also studied. A statistically significant dependence was observed for the properties of the machined specimens as a function of the microstructure and the effect of these properties on the surface integrity is presented.

O processo de roleteamento é um tratamento superficial, comumente utilizado em peças fabricadas em aços e ferros fundidos nodulares, em regiões onde há concentradores de tensões, com o intuito de melhorar as propriedades de resistência à fadiga. Este processo endurece e introduz tensões residuais compressivas na camada superficial do material, através de deformação controlada, provocando uma redução das tensões de tração que atuam na superfície da peça submetida a carregamentos cíclicos. Este trabalho teve como principal objetivo o estudo do efeito do roleteamento superficial sobre o comportamento em fadiga de um ferro fundido nodular de matriz perlítica, utilizado na fabricação de virabrequins pela indústria automobilística. Foram realizados ensaios de fadiga por flexão rotativa em corpos de prova lisos e com entalhe. Os corpos de prova com entalhe foram divididos em dois grupos, com e sem roleteamento superficial. Foi utilizado entalhe com geometria semicircular com raio de 1,20mm e profundidade de 0,70mm. Para o processo de roleteamento foi utilizado um rolete com diâmetro de 15,00mm e com raio de curvatura de 1,30mm e aplicada uma força de compressão de 2390N. A introdução de tensões residuais compressivas pelo trabalho a frio, dificultou a nucleação e a propagação de trincas na camada superficial dos entalhes roleteados. Isto ficou evidenciado pelo aumento do valor do limite de fadiga para 483MPa obtido para o material entalhado e roleteado, enquanto que para o material nas condições de sem entalhe e somente entalhado estes valores foram de 300MPa e 168Mpa, respectivamente. / Surface rolling is a mechanical treatment commonly used in parts fabricated with steel and ductile cast iron, specifically in stress concentration regions, to improve fatigue properties. This process hardens and introduces compressive residual stresses to the surface of the material through the application of controlled strains, thus provoking a reduction of resulting tensile stress at its surface under cyclic loading. This work deals with the effect of surface rolling on high cycle fatigue behavior of a pearlitic ductile cast iron used in crankshaft by automotive industries. Rotating bending fatigue tests were performed in both smooth and notched specimens. The notched specimens were divided into two groups: with and without surface rolling treatment. The specimens notch geometry was semicircular with radius of 1.20mm and depth of 0.70mm. The rolling treatment was carried out using a roller with diameter of 15,00mm, curvature radius of 1.30mm and a compression force of 2390N. The introduction of compressive residual stresses under cold work made difficult the nucleation and propagation of the crack on the rolled surface of the notch. It was confirmed by the increase of the endurance limit of the surface rolled specimens to 483MPa in comparison with the smooth and notched specimens, respectively, 300MPa and 168 MPa.