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Cutting tools are subject to extreme environment during processing, with hightemperatures and pressures. CVD coatings are used to increase lifetime andperformance of the WC/Co composite. Residual stresses in the coatings areinteresting as they may be destructive or constructive for the material duringoperation. Blasting is used to change the as-deposited tensile stress to compressive.The usefulness of X-ray diffraction (XRD) and nanobeam diffraction (NBD) forcharacterization of strains in the different coating layers has been investigated. XRDwith different anode materials has been used to determine the macrostress in thelayers and an attempt was done to calculate the average microstrain and crystallitesize. NBD was used to study the microstrain within single grains of the differentmaterials. A specimen preparation method has been developed for the studiedsamples using the FIB.The XRD analysis shows that the measurement condition is of great importanceduring stress measurements. The macrostress of the different samples show that theZrCN type coating is less stressed than the TiCN type coating after deposition. It isalso shown that the ZrCN type coating is less affected by the blasting. Determinationof microstrain and crystallite size from XRD needs further development.The NBD is a good method to evaluate microstrain within single grains, or betweengrains oriented in the same zone axis. The analyses show more strain within thegrains after blasting. The measurements indicate more strain variation in the Al2O3layer in the TiCN system compared to the ZrCN system.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:13Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2010-09-20Bitstream added on 2014-06-13T20:35:21Z : No. of bitstreams: 1 suyama_di_me_ilha.pdf: 1507336 bytes, checksum: 25314bb28cba6a4bdcb4957ea5b7de49 (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / A usinagem é um dos processos de fabricação mais utilizados mundialmente. Com destacada importância no setor industrial, este processo se encontra em contínua evolução com o surgimento de novos materiais (com propriedades melhoradas), novas ferramentas (mais resistentes ao desgaste e de custo reduzido) e novas máquinas (mais rígidas, mais precisas e com maior nível de tecnologia embarcada). Neste contexto surgiu a usinagem com altas velocidades de corte que, apesar do surgimento na década de 1930, tem pesquisas realizadas no meio acadêmico e industrial, mais aberta e divulgadamente, há cerca de 20 anos. Entretanto, a maioria dos trabalhos refere-se, de um modo geral, a estudos sobre produtividade, custo, desempenho de ferramentas e máquinas-ferramentas, entre outros. Poucos estudos procuram investigar possíveis efeitos desse tipo de usinagem na integridade superficial do produto usinado. Em função dessa lacuna e do aprimoramento de processo de obtenção de aços ferríticos com grãos ultrafinos (com refino de grão em toda seção transversal), este trabalho visou descobrir se há efeito do fresamento com alta velocidade de corte (High-Speed Cutting - HSC) sobre a rugosidade quantitativa e visual, sobre o campo de tensões residuais presentes na superfície (mensurados por difração de raios X) e sobre comportamento em fadiga (através de flexão em quatro pontos) da peça usinada. Observou-se que, quantitativamente, a rugosidade melhorou 63% quando comparada à usinagem feita sob condições ditas convencionais. De modo análogo, o campo de tensões residuais (de tração para ambas as condições convencional e HSC) foi reduzido em 73% e a resistência à fadiga para um determinado número de ciclos foi elevada, porém com limite de fadiga igual para todas as condições de usinagem. Em suma, do ponto de vista do desempenho, a usinagem HSC provém melhorias significativas ao componente usinado / Machining is one of the most widely used manufacturing processes worldwide. With outstanding importance in the industrial sector, this process is continually evolving with the emergence of new materials (with improved properties), new tools (more wear resistance and low cost) and new machines (more stiffness, more precision and with a higher level of embedded technology). In this context came the machining with high speed cutting that, despite the rise in the 1930s, has researches conducted in academy and industry, with more emphasis, about 20 years ago. However, most of the works refers, in general, to studies on productivity, cost, performance of tools and machine tools, among others. Few studies seek to investigate possible effects of this type of machining on surface integrity of the machined product. Because of this gap on this subject and the enhancement of the process to obtain low carbon ferritic steels with ultrafine grains (with grain refinement throughout the whole cross section), this work searched whether there is effect of milling with high speed cutting (High-Speed Cutting - HSC) on the quantitative and visual roughness, on the residual stress field on the surface (measured by X-ray diffraction) and on the fatigue limit (by four point bending) of the workpiece. It was observed that, quantitatively and in average, the roughness reduced 63% when compared to machining done under stated conventional conditions. Similarly, the residual stress field (tensile for both conventional and HSC conditions) was reduced by 73% and the fatigue strength was improved, but with fatigue limit equal to all cutting conditions. In short, from the standpoint of performance, HSC machining brings significant improvements for the machined component

Resumo: A usinagem é um dos processos de fabricação mais utilizados mundialmente. Com destacada importância no setor industrial, este processo se encontra em contínua evolução com o surgimento de novos materiais (com propriedades melhoradas), novas ferramentas (mais resistentes ao desgaste e de custo reduzido) e novas máquinas (mais rígidas, mais precisas e com maior nível de tecnologia embarcada). Neste contexto surgiu a usinagem com altas velocidades de corte que, apesar do surgimento na década de 1930, tem pesquisas realizadas no meio acadêmico e industrial, mais aberta e divulgadamente, há cerca de 20 anos. Entretanto, a maioria dos trabalhos refere-se, de um modo geral, a estudos sobre produtividade, custo, desempenho de ferramentas e máquinas-ferramentas, entre outros. Poucos estudos procuram investigar possíveis efeitos desse tipo de usinagem na integridade superficial do produto usinado. Em função dessa lacuna e do aprimoramento de processo de obtenção de aços ferríticos com grãos ultrafinos (com refino de grão em toda seção transversal), este trabalho visou descobrir se há efeito do fresamento com alta velocidade de corte (High-Speed Cutting - HSC) sobre a rugosidade quantitativa e visual, sobre o campo de tensões residuais presentes na superfície (mensurados por difração de raios X) e sobre comportamento em fadiga (através de flexão em quatro pontos) da peça usinada. Observou-se que, quantitativamente, a rugosidade melhorou 63% quando comparada à usinagem feita sob condições ditas convencionais. De modo análogo, o campo de tensões residuais (de tração para ambas as condições convencional e HSC) foi reduzido em 73% e a resistência à fadiga para um determinado número de ciclos foi elevada, porém com limite de fadiga igual para todas as condições de usinagem. Em suma, do ponto de vista do desempenho, a usinagem HSC provém melhorias significativas ao componente usinado / Abstract: Machining is one of the most widely used manufacturing processes worldwide. With outstanding importance in the industrial sector, this process is continually evolving with the emergence of new materials (with improved properties), new tools (more wear resistance and low cost) and new machines (more stiffness, more precision and with a higher level of embedded technology). In this context came the machining with high speed cutting that, despite the rise in the 1930s, has researches conducted in academy and industry, with more emphasis, about 20 years ago. However, most of the works refers, in general, to studies on productivity, cost, performance of tools and machine tools, among others. Few studies seek to investigate possible effects of this type of machining on surface integrity of the machined product. Because of this gap on this subject and the enhancement of the process to obtain low carbon ferritic steels with ultrafine grains (with grain refinement throughout the whole cross section), this work searched whether there is effect of milling with high speed cutting (High-Speed Cutting - HSC) on the quantitative and visual roughness, on the residual stress field on the surface (measured by X-ray diffraction) and on the fatigue limit (by four point bending) of the workpiece. It was observed that, quantitatively and in average, the roughness reduced 63% when compared to machining done under stated conventional conditions. Similarly, the residual stress field (tensile for both conventional and HSC conditions) was reduced by 73% and the fatigue strength was improved, but with fatigue limit equal to all cutting conditions. In short, from the standpoint of performance, HSC machining brings significant improvements for the machined component / Orientador: Alessandro Roger Rodrigues / Coorientador: Ruis Camargo Tokimatsu / Banca: Hidekasu Matsumoto / Banca: Anselmo Eduardo Diniz / Mestre

La nitruration des aciers est un traitement thermochimique très utilisé dans l'aéronautique. Il est connu pour améliorer la tenue en fatigue des composants mécaniques. Il est basé sur la diffusion de l'azote en surface des pièces traitées. Des mécanismes complexes sont alors mis en jeu et provoquent la naissance de contraintes internes et de déformations dites "résiduelles" des pièces traitées. Suivant leur géométrie, les pièces peuvent se déformer de plusieurs millimètres, et être soumises à des contraintes internes de traction-compression importantes. L'objectif de ce travail est de proposer une modélisation multi-physiques du traitement de nitruration permettant de prédire, pour n'importe quelle géométrie de pièce, les contraintes résiduelles et les déformations qu'elles subiront lors du traitement. Ces informations, précieuses aux ingénieurs, permettront de mieux maîtriser, et donc d'optimiser les processus de dimensionnement et de fabrication des pièces nitrurées. / Nitriding of steel is a thermo-chemical treatment well known to improve the mechanical properties of the material. It is based on the diffusion of nitrogen into the surface of treated parts. Complex phenomena are then involved and generate residual stresses and distortions. Depending on their geometry, parts can be distorted up to several millimeters and be subject to significant internal tensile-compression stresses. The aim of this work is to provide a multi-physical model of the nitriding in order to predict, for any part geometry, their residual stresses and distortions after treatment. These informations, precious for engineers, will allow to optimize the design and the manufacturing processes of nitrided parts.

The presence of residual stresses in engineering components may significantly affect damage evolution and progression towards failure. Correct evaluation of residual stress is of crucial importance for assessing mechanical components, predicting response and ensuring reliability. For example, when failure occurs due to cyclic loading, the underlying damage begins at the nano-, and then micro-scale. It is clear that improving engineering reliability at the micro-scale requires the ability to evaluate residual stress and mechanical properties at the appropriate scale. The key objective of the thesis is to advance the understanding and practice of residual stress evaluation at the micro-scale, and to examine the implications and applications that follow. Significant effort was devoted to the evaluation of two aspects of the relatively novel FIB-DIC micro-ring-core experimental technique: assessing the effects of Ga-ion damage and the quantification of uncertainty in stress evaluation due to unknown crystal orientation. FIB-DIC micro-ring-core milling was then used alongside with synchrotron XRD to study residual stress effects on fatigue crack growth propagation rate following the occurrence of overload or underload. The effects of the two principal mechanisms of crack retardation following an overload, residual stress and crack closure, were separated by testing samples at different loading ratios. Whilst, the acceleration after an underload was studied using validated non-linear FEM analyses. Conceptual focus was placed on the macro-micro-nano residual stress decomposition into Type I, II & III according to scale and, detailed examination was conducted experimentally and numerically. In the context of shot-peening surface treatment, residual stresses were modelled using a novel eigenstrain-based modelling procedure for arbitrarily shaped components. Furthermore, a fine scale characterisation was performed of the recast layer produced by EDM, with particular attention paid to the residual stress. The investigations presented in this thesis open new perspectives for the assessment of material reliability. Improved failure prediction models will be elaborated based on the insights obtained in the present study.

A proposta deste estudo é fornecer uma visão íntegra e profunda da vida em fadiga de um material aço SAE 5160 para a fabricação de feixes de mola, cujo objetivo principal é otimizar o projeto deste componente na tentativa de reduzir custo e peso, para tanto, o aço SAE 5160 submetido aos processos de tratamento térmico e shot peening, através do levantamento de uma curva de fadiga pelo ensaio de flexão por três pontos. Apresenta também, os resultados obtidos na caracterização do material, como pôr a análise de tensões residuais por difração por raios-X, das microestruturas, da dureza e da composição química, visando o objetivo de identificar possíveis variáveis que possam influenciar nas características técnicas e interferir na vida à fadiga deste aço SAE 5160. Os ensaios realizados mostram o comprometimento da resistência à fadiga deste material, pois é possível verificar uma não homogeneidade nos valores de dureza, a presença de descarbonetação e variação nos valores de tensões residuais, invalidando as amostras na ordem de cinquenta por cento. Com os resultados obtidos no levantamento da curva de fadiga e dados coletados em campo, é demonstrado a validação das curvas de projeto. / The purpose of this study is to provide a full and deep view of fatigue life of a steel material SAE 5160 for the production of leaf springs, whose main objective is to optimize the design of this component in order to reduce cost and weight, therefore the SAE 5160 steel was subjected to the heat treatment processes, and shot peening, via a test fatigue curve by the three-point deflection test. It also presents the results obtained in the characterization of the material, how to put the analysis of residual stresses by X-ray diffraction, the microstructure, hardness and chemical composition, in order to identify potential variables that may influence the technical characteristics and interfere with the fatigue life of the SAE 5160 steel. The tests performed present reduced resistance to fatigue of the material; it is not possible to verify the homogeneity of hardness, the presence of decarburization and variation in the values of residual stresses, invalidating the samples in the order of fifty percent. With the results in the lifting of fatigue and data collected in the field curve, is present the validation of design curves.

A aspersão térmica por chama hipersônica tem se destacado pelo método rápido e eficiente para aplicação de revestimentos com grandes vantagens como: tempo, custo e qualidade. Os revestimentos de Inconel 625 apresentam uma série de aplicações industriais principalmente nos segmentos industriais: químico e petroquímico. Neste contexto, o presente trabalho tem por objetivo avaliar as tensões residuais em revestimentos de Inconel 625 obtidos por aspersão térmica de chama hipersônica (HVOF) através do método de difração de raios-X. Os revestimentos de Inconel 625 sobre substrato de aço ABNT 4140 foram produzidos por aspersão térmica utilizando-se dois equipamentos com os seguintes combustíveis para produção da chama: um combustível gasoso, o propano e um combustível líquido, o querosene. Realizou-se a análise de topo, em pontos aleatórios, das amostras para quantificar as tensões residuais e, após, esta medida inicial obteve-se a construção de um perfil de tensões residuais através do método de remoção de camada, em média de 10 - 20 μm do revestimento de Inconel 625. Este trabalho também tem interesse em avaliar além das tensões residuais, se as características dos revestimentos de Inconel 625 também variam em função do combustível utilizado na aspersão térmica. A morfologia dos revestimentos obtidos foi analisada por microscopia óptica. A rugosidade dos revestimentos foi avaliada por trilha medida no rugosímetro. Foi avaliada a dureza através do perfil longitudinal pelo ensaio de micro dureza Vickers. A tendência da superfície a apresentar hidrofilia ou hidrofobicidade foi avaliada pela molhabilidade através do método da gota séssil. A resistência a corrosão dos revestimentos foram avaliados pelos ensaios de névoa salina, monitoramento do potencial de circuito aberto e pelas curvas de polarização potenciodinâmica em água do mar sintética. Neste trabalho após os ensaios realizados para ambos os revestimentos obtidos por HVOF, utilizando-se duas fontes de combustível distintas, notam-se diferenças quanto ao perfil de tensões residuais, microestrutura, desempenho frente à corrosão, sendo que o processo com combustível líquido apresentou melhor desempenho. / The thermal spray flame hypersonic has been highlighted by the rapid and efficient method for applying coatings with big advantages: time, cost and quality. Inconel 625 coatings have a number of industrial applications especially in industries: chemical and petrochemical. In this context, the current study aims to evaluate the residual stresses in Inconel 625 coatings obtained by thermal spray hypersonic flame (HVOF) through the X – ray diffraction method. The Inconel 625 coating on SAE 4140 steel substrate was produced by thermal spraying using two equipments with the following fuel flame production: a gaseous fuel, propane or a liquid fuel, kerosene. Was performed top consideration in random points, the samples to quantify residual stresses, and after this initial measurement was obtained building a profile of residual stresses by layer removal method, on average 10 - 20 μm of Inconel 625 coating. This work also has an interest in evaluating besides the residual stresses, the characteristics of Inconel 625 coatings also vary depending on the fuel used in thermal spraying. The morphology of the coatings obtained was analyzed by optical microscopy. The roughness of the coatings was evaluated by measuring the track roughness. The hardness was evaluated by the longitudinal profile by micro Vickers hardness test. The tendency of the surface to provide hydrophilicity or hydrophobicity was evaluated by the wettability by sessile drop method. The corrosion resistance of the coatings was evaluated by salt spray tests, monitoring the open circuit potential and the potentiodynamic polarization curves in synthetic sea water. In this work after the tests carried out for both coatings obtained by HVOF, using two sources of different fuel, are noticeable differences in the profile of residual stresses, microstructure performance against corrosion, being the process liquid fuel showed better performance.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The occurrence of distortions of structures is common during welding. Such distortions are more severe in the case of large structures, such as shipbuilding. Since distortions can increase manufacturing costs and time during shipbuilding, a thorough study of causes and consequences of distortions is necessary. Therefore, this work aims to study the distortion phenomenon during welding processes and contribute to ship construction by using numerical and experimental techniques. This work can be split into two steps, in which factors that cause distortions were explored by using numerical approach. The first step was the investigation of distortion occurrence in simple structures, namely common joints employed in welding. The influence of joint type on thermal efficiency, restrictions (boundary conditions) on T joint, heat input and rotational-distortion geometry was also investigated. Afterwards, experimental runs for model calibration were carried out by using inverse method of Differential Evolution (DE) for estimating the parameter of Gaussian-heat distribution. Temperature fields were measured by thermocouples and infrared camera with previous emissivity calibration during weldments. The second step was the simulation of complex structures similar to panels made by thin plate and T joints (reinforcement) commonly found in naval construction. These complex structures are. The initial conditions for the simulation of complex structures were the forces calculated by simulation on the simple structures (basically T joints). This technique is called equivalent forces . The simulations were validated by experimental runs, in which a panel was welded and displacement measured by three-dimensional coordinate table. The results show a very good agreement between the simulations and experimental results for both temperature and displacements values. / Durante o processo de soldagem é comum o aparecimento de distorções das estruturas que estão sendo fabricadas. Tais distorções são ainda mais severas em grandes estruturas como, por exemplo, na fabricação de navios. Uma vez que tais distorções podem aumentar o custo e o tempo da fabricação de tais embarcações, torna-se relevante um estudo mais detalhado das causas e consequências destas distorções em soldagem. Desta forma, este trabalho busca estudar o fenômeno das distorções no processo de soldagem e consequentemente, contribuir para construção naval, utilizando-se técnicas numérica e experimentais. O trabalho foi dividido em duas etapas, onde foram explorados fatores que causam distorções e abordagens numéricas para seu cálculo. A primeira etapa foi investigação da ocorrência de distorções em estruturas simples na forma de juntas comuns à soldagem. Verificou-se a influência do tipo de junta no rendimento térmico de soldagem, a influência das restrições ou fixações das chapas na junta em T e a influência do calor e da geometria na distorção rotacional. Em seguida, foram realizados ensaios experimentais para calibração do modelo através do método inverso para estimação do parâmetro de distribuição gaussiana da fonte de calor utilizando-se a técnica de Evolução Diferencial (ED). Foram também medidos os campos de temperatura com auxílio de termopares e com câmera infravermelha, utilizando-se de calibração prévia da emissividade do material durante a soldagem. A segunda etapa foi a simulação de estruturas complexas que são mais frequentemente encontradas na construção naval. Estas estruturas complexas são similares a painéis contendo chapa fina e juntas em T como reforço estrutural. As condições iniciais para a simulação das estruturas complexas foram as forças calculadas pela simulação de estruturas simples (basicamente juntas em T ). Esta abordagem é chamada de forças equivalentes . As simulações foram validades por ensaios experimentais, onde um painel foi soldado e as deformações medidas por uma mesa de coordenadas tridimensional. Os resultados demonstram concordância entre simulação e medição experimental tanto para os campos de temperatura, quanto para as deformações. / Doutor em Engenharia Mecânica