Les prévisions alarmistes en ressources naturelles encouragent la recherche de solutions alternatives au niveau mondial. Le recyclage devient alors un défi majeur pour la société, en particulier pour les produits dérivés du pétrole comme les huiles de transformateur. Cette étude est basée sur la recherche de nouvelles voies de revalorisation de ces huiles, par l’analyse critique du contexte concurrentiel, des segments de marché potentiels, ainsi que des propriétés physico-chimiques de ces huiles. Nous nous sommes attachés à déterminer l’adéquation des performances et caractéristiques des huiles de transformateur régénérées aux exigences propres au marché de l’usinage et de la mise en forme des métaux. L’usure des matériaux dans le cadre de la lubrification limite et au-delà, est un domaine d’étude complexe combinant la mécanique, la physique du solide, la chimie ainsi que la thermodynamique des phénomènes irréversibles. Dans le cadre de cette étude les performances d’hydrocarbures neufs, usagés (pollué par les Polychlorobiphényls) et régénérés, ayant des propriétés physico-chimiques et rhéologiques proches, sont comparés dans le cadre d’essais sclérométriques et tribométriques sur une fonte à graphite sphéroïdal, matériau de frottement largement employé dans l’industrie du transport. Une séquence de techniques d’analyse de surface est développée afin de caractériser les morphologies des surfaces et quantifier les déformations de matières résultantes du frottement. La complémentarité des essais sclérométriques et tribométriques, qui permettent d’étudier les performances des hydrocarbures dans différents états de contraintes, respectivement de compression et de cisaillement, révèlent les bonnes performances des huiles de transformateurs régénérées. En quantifiant spécifiquement les performances des huiles revalorisée à travers la détermination de paramètres tribologiques classiques, comme les taux de déformations, les coefficients de frottements ou encore les temps d’initiation au grippage. La composition finale de l’huile régénérée, à savoir la longueur des chaines hydrocarbonées, les teneurs en eau et en PCB, conditionne son comportement tribologique. Suite à ce bilan positif portant sur les performances des huiles de transformateur régénérées en usure abrasive et catastrophique, la mise en forme des métaux peut être identifiée comme une nouvelle voie de valorisation matière de ces huiles. / The alarming forecasts of natural resources encourage worldwide the search for alternative solutions. Hence recycling becomes a major challenge for society, especially for petroleum products such as transformer oils. This study is based on finding new ways of valorizing these oils, which is a complex problem that must meet the economic, political, regulatory, environmental and scientific constraints and challenges. A critical analysis of the competitive environment, of the potential market segments, as well as physic-chemical properties of these oils is the basis to determine new ways of revalorization. In this study, we attempted to determine the suitability and performance characteristics of transformer oil regenerated to the specific requirements of the machining and shaping of metals. The wear of materials under boundary lubrication and beyond this regime, is a complex area of study combining mechanics, solid state physics, chemistry and thermodynamics of irreversible processes. In this study the performance of new, used ( polluted by polychlorinated biphenyls ) and regenerated oils with close physic-chemical and rheological properties are compared in scratch test and tribometric with a ductile cast iron, which is friction material widely used in the transportation industry. A sequence of surface analysis techniques is developed to characterize the morphologies of the surfaces and quantify the resulting deformation of the friction material. The complementarity of scratch an tribometric tests for the study of the performance of hydrocarbons in different stress states, respectively compression and shear, reveals the good performances of regenerated transformer oils. This study has allowed discriminating the behavior of various origins oils under conditions of extreme friction, and specifically quantifying the performance of the regenerated oils through the determination of classical tribological parameters such as rate of deformation, friction coefficients or time to seizure. The final composition of the regenerated oils, ie the length and nature of the hydrocarbon chains, the water and PCBs content and the presence of polar molecules, determines its tribological behavior. Thus, the study showed that the performance of regenerated oils increases with the water and PCB content. Following this positive assessment on the regenerated oil performances in case of abrasive and catastrophic wear, machining and shaping of metals can be identified as a new way for regenerated transformers oils.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第22067号 / 工博第4648号 / 新制||工||1725(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科材料工学専攻 / (主査)教授 安田 秀幸, 教授 辻 伸泰, 教授 宇田 哲也 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DGAM

The diploma thesis deals with the modification and inoculation of cast iron with spheroidal graphite, the influence of the chemical composition on the shape and size of the graphite nodules and ferrite/perlite ratio in the structure. The aim of the practical part was to determine the effect of inoculant containing bismuth (SMW 605) on microstructure and mechanical properties of ferritic ductile cast iron GJS 400-15. The dissolving time of mold inoculant was further investigated. The samples were subjected to a tensile test, Charpy impact test, hardness test and graphite morphology and ferrite/perlite examination using standard ČSN EN ISO 945-1.

This diploma thesis is focused on production and problems in production of thin-walled ductile iron castings, especially in the inoculation process. The focus is on the influence of elements on the structure and mechanical properties of ductile iron and as well as the influence of some elements, that are commonly used in inoculation alloys. Furthermore, the factors that affect the production technology are written, i.e., solidification rate, wall thickness, cooling rate, and factors used for affecting the thin-walled castings production, i.e., the use of insulating moulding compounds and increasing the graphite nodule count. At the end of the theoretical part, important production processes are analysed, namely inoculation and spheroidization. The experimental part is focused on influencing the structure and mechanical properties using several types of inoculants of different chemical compositions, whereas the tested thicknesses of the test plates are 3-, 5- and 8-mm. Hardness, tensile strength and ductility are evaluated on these plates. Finally, the volume of ferrite in the structure, shape and size of the graphite nodules were examined.

Submitted by Angela Maria de Oliveira (amolivei@uepg.br) on 2018-11-22T18:11:23Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) Tiago Jacumasso.pdf: 9316680 bytes, checksum: 9e1e6195d90b660e6d32c4f13481bf5b (MD5) / Made available in DSpace on 2018-11-22T18:11:23Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) Tiago Jacumasso.pdf: 9316680 bytes, checksum: 9e1e6195d90b660e6d32c4f13481bf5b (MD5) Previous issue date: 2018-08-31 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A mecânica da fratura foi desenvolvida, utilizando-se uma descrição geométrica euclidiana que pressupõem uma trinca lisa sem irregularidades. Por esta razão, a modelagem matemática de uma trinca rugosa, usando a geometria fractal, tem sido a preocupação de vários autores nas últimas décadas. O intuito destes pesquisadores é descrever o fenômeno da fratura de forma mais autentica e precisa. Uma das formas de se avaliar as propriedades mecânicas de um material fraturado é usando o conceito de integral-J. Este conceito aplicado ao fenômeno da fratura define uma curva de resistência ao crescimento de trinca chamado de curva J-R. Sendo assim, vários modelos fractais de curva J-R têm sido propostos. Um dos modelos que vem ganhando destaque na literatura científica foi proposto por ALVES (2010, 2011). Por esta razão investigou-se, neste trabalho, a aplicação desse modelo no estudo da fratura do ferro fundido nodular e ferro fundido nodular austemperado (ADI). O objetivo foi avaliar os efeitos dos tratamentos térmicos de austêmpera na microestrutura e nas propriedades mecânicas de uma liga de ferro fundido nodular. Para tanto foi empregado duas rotas de tratamentos térmicos: austêmpera convencional, consistindo de austenitização a 900ºC por 60min, seguida de austêmpera até 250ºC e à 300ºC, com permanência por 60min e 120min para cada temperatura, totalizando quatro condições, com resfriamento ao ar. As amostras tratadas termicamente foram caracterizadas com auxílio de microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura (FEG) e difração de raios X (DRX), com objetivo de determinar suas fases e microconstituintes. O efeito das condições de tratamento nas propriedades mecânicas foi verificado por ensaios de dureza Vickers e de impacto instrumentado Charpy. Por meio de ensaios de impacto instrumentado e solicitação mecânica de tração e com o auxílio de microscopia eletrônica por emissão de campo (FEG) foi possível estudar o crescimento de trincas rugosas na fratura do ferro fundido nodular austemperado, comparando os resultados entre as quatro condições de tratamento térmico de austêmpera. Deste modo, foi possível fornecer dados experimentais para comprovar a validade da equação da curva J-R na presença de uma trinca rugosa proposta por ALVES (2010, 2011) com base na geometria fractal e na mecânica da fratura. Os resultados obtidos permitiram comparar e discutir o efeito das rotas de tratamento térmico, no sentido de desenvolver as propriedades mecânicas do ferro fundido nodular para aplicações diversas. As curvas D J ajustadas pelo modelo fractal mostraram-se em boa concordância com aquelas obtidas pelo método descrito na ASTM E1820-17a (2017). O ADI tratado a 300ºC por 60 minutos foi o material que apresentou as melhores condições de resistência mecânica a tração e ao impacto, superando o material bruto de fundição na tenacidade a fratura, calculada pelos parâmetros fractais da curva. Este ferro fundido nodular austemperado é comparado ao da classe de alta resistência de ADI. / The mechanics of the fracture were developed using a geometric Euclidean description that assumes a smooth crack without irregularities. For this reason, the mathematical modeling of a rough crack, using fractal geometry, has been the concern of several authors in the last decades. The aim of these researchers is to describe the fracture phenomenon more authentically and accurately. One of the ways to evaluate the mechanical properties of a fractured material is by using the concept of integral-J. This concept applied to the fracture phenomenon defines a crack growth resistance curve called the J-R curve. Thus, several fractal J-R curve models have been proposed. One of the models that have gained prominence in the scientific literature was proposed by ALVES (2010, 2011). For this reason we investigated the application of this model in the study of nodular cast iron and austempered nodular cast iron (ADI). The objective was to evaluate the effects of thermal treatments of austempering in the microstructure and mechanical properties of a ductile cast iron alloy. Two routes of thermal treatments were used: conventional austenitic, consisting of austenitization at 900ºC for 60min, followed by tempering up to 250ºC and at 300ºC, with permanence for 60min and 120min for each temperature, totaling four conditions, with air cooling. The thermally treated samples were characterized by optical microscopy, scanning electron microscopy (FEG) and X - ray diffraction (XRD), in order to determine their phases and microconstituents. The effect of the treatment conditions on the mechanical properties was verified by tests of Vickers hardness and instrumented impact Charpy. By means of instrumented impact and mechanical tensile stress tests and with the aid of field emission electron microscopy (FEG), it was possible to study the growth of rough cracks in austempered nodular cast iron fracture, comparing the results between the four conditions of heat treatment. Thus, it was possible to provide experimental data to prove the validity of the J-R curve equation in the presence of a rough crack proposed by ALVES (2010, 2011) based on fractal geometry and fracture mechanics. The results obtained allowed to compare and discuss the effect of heat treatment routes in order to develop the mechanical properties of nodular cast iron for different applications. The D J curves fitting by the fractal model show in agreement with the curves obtained by the method described in the ASTM E1820-17a (2017). The ADI treated at 300ºC for 60 minutes was the material that presented the best conditions of tensile and impact mechanical strength, surpassing the crude casting material in the fracture toughness, calculated by the fractal parameters of the curve. This austempered nodular cast iron is compared to that of the ADI high strength class.

A aplicação do novo conceito de tratamento térmico, chamado de têmpera e partição (Q&P), desenvolvido para a obtenção de aços da terceira geração da classe AHSS (Advanced high strengh steel ou aços avançados de alta resistência), mostra-se uma alternativa para o processamento de ferros fundidos nodulares com alta resistência mecânica. No processo Q&P, o carbono presente na martensita supersaturada, formada na etapa de têmpera, é utilizado para estabilizar a austenita não transformada durante a etapa de partição, mantendo-a estável na temperatura ambiente. Essa rota de tratamento térmico consiste em realizar uma têmpera no material (após uma etapa prévia de austenitização) numa faixa de temperatura entre o Ms e Mf (temperatura de início e fim da transformação martensítica, respectivamente), seguido de um reaquecimento e manutenção a uma temperatura acima do Ms (etapa isotérmica de partição) com o objetivo de que o carbono migre da martensita supersaturada para a austenita remanescente promovendo sua estabilização. Essa partição do carbono só é possível caso a precipitação da cementita seja suprimida, e isso é conseguido com a presença de elementos de liga, como o Si e/ou Al. Neste trabalho foi feito um estudo sobre as características microestruturais e mecânicas de um ferro fundido nodular (3,47%C; 2,47%Si; 0,2%Mn) submetido ao tratamento térmico de têmpera e partição, o qual foi denominado neste trabalho como, Q&PDI (Quenched and Partitioned Ductile Iron ou Ferro Fundido Nodular Temperado e Particionado). Para isso foi realizada uma austenitização plena nas amostras, a 880°C, por duas horas, seguida de uma têmpera em óleo pré-aquecido nas temperaturas de 140 e 170°C. A etapa de partição foi feita nas temperaturas de 300, 375 e 450°C, com intervalos de tempo variando de 5 a 120 minutos. A caracterização microestrutural foi realizada através de microscopia ótica, microscopia eletrônica de varredura e EBSD. A técnica de difração de raios-X foi empregada para quantificar a fração volumétrica e o teor de carbono na austenita retida. Ensaios de dilatometria, difração de raios-X \"in situ\" e nanoindentação foram empregados para auxiliar na análise das transformações de fases que ocorreram na etapa de partição, como a transformação bainítica e a precipitação de carbonetos de transição nas placas de martensita. A caracterização mecânica foi feita através de ensaios de tração, impacto, dureza, nanoindentação, tenacidade à fratura e resistência à fadiga. Ensaios de compressão auxiliaram na análise da transformação martensítica induzida por deformação. Os resultados obtidos mostraram que é possível obter ferros fundidos nodulares com alta resistência mecânica (limite de resistência >1450 MPa), com consideráveis ductilidade (de até 9%) e energia absorvida sob impacto (de até 81 J), bem como tenacidades à fratura de 55 MPa.m1/2 e limites de fadiga de 550 MPa. Este comportamento é proporcionado por uma microestrutura singular, constituída por uma dispersão homogênea de placas de martensita numa matriz de ausferrita bastante refinada, com consideráveis frações volumétricas de austenita retida (max. 23%). / Quenching and partitioning (Q & P), a new heat treatment concept developed to obtain third generation AHSS (Advanced High Strength Steel), is an alternative for processing of nodular cast irons in order to obtain high mechanical strength. In the Q & P process, the carbon present in the supersaturated martensite formed in the quenching step diffuses towards the untransformed austenite during the partition step, keeping it stable at room temperature. This heat treatment route consists of quenching the material (after a previous step of austenitization) in a temperature range between Ms and Mf (beginning and end temperature of the martensitic transformation, respectively), followed by reheating and maintenance at a temperature above the Ms (isothermal stage of partition) allowing the carbon to migrate from the supersaturated martensite to the remaining austenite, promoting its stabilization. This partition of carbon is only possible if precipitation of cementite is suppressed; this is achieved adding alloying elements such as Si and/or Al. In this work a study was made on the microstructural and mechanical characteristics of a ductile iron (3.47%C; 2.47%Si; 0.2%Mn), submitted to a Q&P heat treatment, in this work named Q & PDI (Quenched and Partitioned Ductile Iron). A full sample austenitization was carried out at 880 ° C for two hours, followed by a pre-heated oil quanching at temperatures of 140 and 170 ° C. The partitioning step was at temperatures of 300, 375 and 450Â ° C, with time intervals ranging from 5 to 120 minutes. Microstructural characterization was performed through optical microscopy, scanning electron microscopy and EBSD. The X-ray diffraction technique was used to quantify the volumetric fraction and the carbon content in the retained austenite. Dilatometry, X-ray diffraction \"in situ\" and nanoindentation were also used to aid in the analysis of the phase transformations that occurred in the partitioning stage, such as the bainitic transformation and the precipitation of transition carbides in the martensite plates. Mechanical characterization was performed through tensile, impact, hardness, nanoindentation, fracture toughness and fatigue strength tests. Compression tests aided in the analysis of the deformation induced martensitic transformation. The results showed that it is possible to obtain nodular cast irons with high mechanical strength (resistance limit> 1450 MPa), with considerable ductility (up to 9%) and energy absorbed under impact (up to 81 J), as well as fracture toughness of 55 MPa.m -1 / 2 and fatigue limits of 550 Mpa. This behavior is provided by a unique microstructure, consisting of a homogeneous dispersion of martensite plates in a very refined ausferrite matrix, with considerable volumetric fractions of retained austenite (max. 23%).

Para o correto dimensionamento da maioria dos componentes estruturais é necessário informações sobre a resposta do material quando submetido à fadiga de alto e baixo ciclo, bem como conhecer as propriedades monotônicas (não-cíclicas) e cíclicas dos materiais. Na literatura são encontradas amplas divulgações de dados sobre diversos materiais de engenharia (Ex. SAE J1099 Technical Report on Fatigue Properties). Porém, quando se trata de ferro fundido nodular estas informações são limitadas, sendo assim, visa-se neste trabalho caracterizar as propriedades monotônicas e cíclicas destes materiais em complemento aos trabalhos já publicados na literatura e propor métodos para a estimativa destas propriedades a partir da dureza. Faz-se necessário a proposição de métodos estimativos das propriedades mecânicas destes materiais baseados na dureza devido às suas grandes variações que são inerentes ao processo de fundição. Em um mesmo componente podem existir diferentes classes de ferro fundido, que apesar de possuir a mesma composição química, podem apresentar variações nas propriedades mecânicas devido à formação de diferentes estruturas metalúrgicas que são sensíveis às taxas de resfriamento do material que variam de acordo com as características geométricas da peça que está sendo fundida, principalmente a variação da espessura. Neste estudo a determinação das relações entre as propriedades monotônicas e cíclicas dos ferros fundidos nodulares foram obtidas a partir do tratamento dos dados publicados na literatura levando-se em consideração o índice de qualidade. Foi proposto um modelo contínuo com relação à dureza para a estimativa das propriedades monotônicas, do coeficiente de resistência cíclico e do expoente de encruamento cíclico e para a estimativa das propriedades cíclicas que experimentalmente demonstraram não ter correlação com a dureza foi proposto uma forma discreta, que consistiu na recomendação de valores típicos definidas por faixas de dureza. / For the correct design of the most part of structural components is necessary to have information about the material response under both high cycle and low cycle fatigue, as well as the knowledge of monotonic and cyclic materials properties. In literature a major publication of several engineering material data can be found (e.g, SAE J1099 - Technical Report on Fatigue Properties), but regarding to ductile iron this information is quite limited. Therefore, this work aims to characterize the monotonic and cyclic properties of this material in complementing to the available data in the literature and also make a proposition of methods to estimate this properties from hardness. The mechanical properties estimation model from hardness is relevant to take into account the inherent variations of casting process, which for the same chemical composition can be found different grades in a same part. This fact occurs due to the formation of different metallurgical structures that is influenced by cooling ratio which changes accordingly to geometrical characteristic of the part, especially the thickness variation. In this study the determination of the relation between monotonic and cyclic properties from hardness has been determined from literature data processing taking into account the Quality Index. For monotonic properties, the cyclic strength coefficient and the cyclic strain hardening exponent estimation has been proposed a continuous method based on hardness and for the cyclic properties that experimentally showed to remain independent of hardness has been recommended one set of properties for specific hardness ranges.

A aplicação do novo conceito de tratamento térmico, chamado de têmpera e partição (Q&P), desenvolvido para a obtenção de aços da terceira geração da classe AHSS (Advanced high strengh steel ou aços avançados de alta resistência), mostra-se uma alternativa para o processamento de ferros fundidos nodulares com alta resistência mecânica. No processo Q&P, o carbono presente na martensita supersaturada, formada na etapa de têmpera, é utilizado para estabilizar a austenita não transformada durante a etapa de partição, mantendo-a estável na temperatura ambiente. Essa rota de tratamento térmico consiste em realizar uma têmpera no material (após uma etapa prévia de austenitização) numa faixa de temperatura entre o Ms e Mf (temperatura de início e fim da transformação martensítica, respectivamente), seguido de um reaquecimento e manutenção a uma temperatura acima do Ms (etapa isotérmica de partição) com o objetivo de que o carbono migre da martensita supersaturada para a austenita remanescente promovendo sua estabilização. Essa partição do carbono só é possível caso a precipitação da cementita seja suprimida, e isso é conseguido com a presença de elementos de liga, como o Si e/ou Al. Neste trabalho foi feito um estudo sobre as características microestruturais e mecânicas de um ferro fundido nodular (3,47%C; 2,47%Si; 0,2%Mn) submetido ao tratamento térmico de têmpera e partição, o qual foi denominado neste trabalho como, Q&PDI (Quenched and Partitioned Ductile Iron ou Ferro Fundido Nodular Temperado e Particionado). Para isso foi realizada uma austenitização plena nas amostras, a 880°C, por duas horas, seguida de uma têmpera em óleo pré-aquecido nas temperaturas de 140 e 170°C. A etapa de partição foi feita nas temperaturas de 300, 375 e 450°C, com intervalos de tempo variando de 5 a 120 minutos. A caracterização microestrutural foi realizada através de microscopia ótica, microscopia eletrônica de varredura e EBSD. A técnica de difração de raios-X foi empregada para quantificar a fração volumétrica e o teor de carbono na austenita retida. Ensaios de dilatometria, difração de raios-X \"in situ\" e nanoindentação foram empregados para auxiliar na análise das transformações de fases que ocorreram na etapa de partição, como a transformação bainítica e a precipitação de carbonetos de transição nas placas de martensita. A caracterização mecânica foi feita através de ensaios de tração, impacto, dureza, nanoindentação, tenacidade à fratura e resistência à fadiga. Ensaios de compressão auxiliaram na análise da transformação martensítica induzida por deformação. Os resultados obtidos mostraram que é possível obter ferros fundidos nodulares com alta resistência mecânica (limite de resistência >1450 MPa), com consideráveis ductilidade (de até 9%) e energia absorvida sob impacto (de até 81 J), bem como tenacidades à fratura de 55 MPa.m1/2 e limites de fadiga de 550 MPa. Este comportamento é proporcionado por uma microestrutura singular, constituída por uma dispersão homogênea de placas de martensita numa matriz de ausferrita bastante refinada, com consideráveis frações volumétricas de austenita retida (max. 23%). / Quenching and partitioning (Q & P), a new heat treatment concept developed to obtain third generation AHSS (Advanced High Strength Steel), is an alternative for processing of nodular cast irons in order to obtain high mechanical strength. In the Q & P process, the carbon present in the supersaturated martensite formed in the quenching step diffuses towards the untransformed austenite during the partition step, keeping it stable at room temperature. This heat treatment route consists of quenching the material (after a previous step of austenitization) in a temperature range between Ms and Mf (beginning and end temperature of the martensitic transformation, respectively), followed by reheating and maintenance at a temperature above the Ms (isothermal stage of partition) allowing the carbon to migrate from the supersaturated martensite to the remaining austenite, promoting its stabilization. This partition of carbon is only possible if precipitation of cementite is suppressed; this is achieved adding alloying elements such as Si and/or Al. In this work a study was made on the microstructural and mechanical characteristics of a ductile iron (3.47%C; 2.47%Si; 0.2%Mn), submitted to a Q&P heat treatment, in this work named Q & PDI (Quenched and Partitioned Ductile Iron). A full sample austenitization was carried out at 880 ° C for two hours, followed by a pre-heated oil quanching at temperatures of 140 and 170 ° C. The partitioning step was at temperatures of 300, 375 and 450Â ° C, with time intervals ranging from 5 to 120 minutes. Microstructural characterization was performed through optical microscopy, scanning electron microscopy and EBSD. The X-ray diffraction technique was used to quantify the volumetric fraction and the carbon content in the retained austenite. Dilatometry, X-ray diffraction \"in situ\" and nanoindentation were also used to aid in the analysis of the phase transformations that occurred in the partitioning stage, such as the bainitic transformation and the precipitation of transition carbides in the martensite plates. Mechanical characterization was performed through tensile, impact, hardness, nanoindentation, fracture toughness and fatigue strength tests. Compression tests aided in the analysis of the deformation induced martensitic transformation. The results showed that it is possible to obtain nodular cast irons with high mechanical strength (resistance limit> 1450 MPa), with considerable ductility (up to 9%) and energy absorbed under impact (up to 81 J), as well as fracture toughness of 55 MPa.m -1 / 2 and fatigue limits of 550 Mpa. This behavior is provided by a unique microstructure, consisting of a homogeneous dispersion of martensite plates in a very refined ausferrite matrix, with considerable volumetric fractions of retained austenite (max. 23%).

Para o correto dimensionamento da maioria dos componentes estruturais é necessário informações sobre a resposta do material quando submetido à fadiga de alto e baixo ciclo, bem como conhecer as propriedades monotônicas (não-cíclicas) e cíclicas dos materiais. Na literatura são encontradas amplas divulgações de dados sobre diversos materiais de engenharia (Ex. SAE J1099 Technical Report on Fatigue Properties). Porém, quando se trata de ferro fundido nodular estas informações são limitadas, sendo assim, visa-se neste trabalho caracterizar as propriedades monotônicas e cíclicas destes materiais em complemento aos trabalhos já publicados na literatura e propor métodos para a estimativa destas propriedades a partir da dureza. Faz-se necessário a proposição de métodos estimativos das propriedades mecânicas destes materiais baseados na dureza devido às suas grandes variações que são inerentes ao processo de fundição. Em um mesmo componente podem existir diferentes classes de ferro fundido, que apesar de possuir a mesma composição química, podem apresentar variações nas propriedades mecânicas devido à formação de diferentes estruturas metalúrgicas que são sensíveis às taxas de resfriamento do material que variam de acordo com as características geométricas da peça que está sendo fundida, principalmente a variação da espessura. Neste estudo a determinação das relações entre as propriedades monotônicas e cíclicas dos ferros fundidos nodulares foram obtidas a partir do tratamento dos dados publicados na literatura levando-se em consideração o índice de qualidade. Foi proposto um modelo contínuo com relação à dureza para a estimativa das propriedades monotônicas, do coeficiente de resistência cíclico e do expoente de encruamento cíclico e para a estimativa das propriedades cíclicas que experimentalmente demonstraram não ter correlação com a dureza foi proposto uma forma discreta, que consistiu na recomendação de valores típicos definidas por faixas de dureza. / For the correct design of the most part of structural components is necessary to have information about the material response under both high cycle and low cycle fatigue, as well as the knowledge of monotonic and cyclic materials properties. In literature a major publication of several engineering material data can be found (e.g, SAE J1099 - Technical Report on Fatigue Properties), but regarding to ductile iron this information is quite limited. Therefore, this work aims to characterize the monotonic and cyclic properties of this material in complementing to the available data in the literature and also make a proposition of methods to estimate this properties from hardness. The mechanical properties estimation model from hardness is relevant to take into account the inherent variations of casting process, which for the same chemical composition can be found different grades in a same part. This fact occurs due to the formation of different metallurgical structures that is influenced by cooling ratio which changes accordingly to geometrical characteristic of the part, especially the thickness variation. In this study the determination of the relation between monotonic and cyclic properties from hardness has been determined from literature data processing taking into account the Quality Index. For monotonic properties, the cyclic strength coefficient and the cyclic strain hardening exponent estimation has been proposed a continuous method based on hardness and for the cyclic properties that experimentally showed to remain independent of hardness has been recommended one set of properties for specific hardness ranges.

The constantly tightening emission regulations demand the engines to be moreefficient, to get more power out of smaller engines. Higher engine loads andcomponent temperatures are causing more stresses to engine components. Therefore,a company that produces engines wanted to study if it would be possible to increasethe capabilities of the components by optimising the used material. In this final project work, a cylinder head will be studied. The cylinder heads for theengines are made of ductile cast iron. The limits of that material are near safety limits,and therefore a better material is needed. In this work are some previous studiesanalysed and tried to find how to optimise the used material. The optimised materialshould have better thermal conductivity properties combined with sufficient strengthproperties. Previous studies were analysed to gather knowledge of the elements that affect thematerial parameters. Those studies showed that copper, silicon, pearlite fraction, andthe use of chills are the elements to be optimised. Silicon and pearlite fraction waschosen as optimisation parameters because of their effect on the thermal conductivityand strength properties. Copper was chosen as an optimisation variable due to its effecton the pearlite formation. Chills were used to affect the cooling rate and thereby thepearlite formation. The work was made using MAGMASOFT™ simulation software to simulate cylinderhead casting. The simulated cylinder head was divided into 4 parts for the simulations.For those sections were then set targets for pearlite fraction according to previousstudies. The silicon content was kept constant in the simulation, based on the studiespresented in this work. Copper content was simulated with variations from 0 to 0.7weight-%, and chill heights were simulated from 20 to 60 mm and without chills. After simulating the different variables, the results were analysed. Then the selectedcasting simulation result was mapped to finite element simulation mesh to include thelocal material parameters to finite element simulation. With the finite elementsimulation, the estimated lifetime of the component was simulated. By analysing the casting simulation results, an optimal combination was found. Theoptimal material parameters for a cylinder head casting would be copper 0.5weight-%, silicon 1.9 weight-% and chills thicker than 40 mm on the flame plate. Theoptimised material gives more possibilities to develop engines even further when thecomponent demands are growing.