[pt] O advento e consolidação do processo de lingotamento contínuo, hoje dominante no setor siderúrgico, trouxe à tona os crescentes esforços de investigação e análise dos fenômenos relacionados com o comportamento dos aços a elevadas temperaturas. Diferentemente do lingotamento convencional, o lingotamento contínuo é um processo dinâmico no qual ocorre a oscilação do molde enquanto o veio em solidificação é continuamente extraído ao mesmo tempo que é submetido a um segundo resfriamento dito secundário. No Brasil há um parque industrial de empresas que se dedicam à laminação a quente de semiacabados fornecidos por terceiros como placas de aço, as quais são cortadas a quente sob a forma de tarugos de seção quadrada que são então destinados a laminação. A linha de produção dessas empresas compreende basicamente produtos estruturais tais como barras chatas, barras redondas, barras quadradas, cantoneiras e até perfis especiais destinados à indústria automobilística e de máquinas. Uma série catastrófica de eventos de qualidade relacionados com trincas emergiu da laminação de tarugos de aço SAE 1020 oriundos de placas continuamente lingotadas. Essas trincas, porventura preexistentes ou latentes no interior das placas podem ter sido exacerbadas por efeitos de zonas termicamente afetas durante as operações de corte. A solução proposta para superação dessa contingência foi então a de criação de um aço de substituição com teores inferiores de carbono e maior conteúdo de ligas que preservasse as propriedades mecânicas do material laminado. Teores inferiores de carbono não apenas contribuem para a minimização dos efeitos oriundos das transformações peritéticas como também agem favoravelmente sobre as consequências decorrentes de zonas termicamente afetadas. Essa proposta foi bem sucedida e a composição química desse aço de substituição denominado pseudo-1020 passou a ser desde então padrão de laminação. Amostras do SAE 1020 laminado com ocorrências de trincas e do aço de substituição foram obtidas e transformadas em corpos de prova para a realização de ensaios de tração, dureza e impacto. Essa dissertação objetiva apresentar toda a fenomenologia relacionada com a ocorrência de trincas superfícies e internas em aços continuamente lingotados, em especial os submetidos a transformações peritéticas, e as premissas que fundamentaram a criação do aço de substituição e os resultados auferidos. / [en] The advent and consolidation of the continuous casting process, currently dominant in the Steel Industry, raised the increasing investigation and analyses efforts on the phenomena related to the high-temperature behavior of the steels. Unlike the conventional ingot casting process, the continuous casting is a dynamic process in which occurs the mold oscillation while the strand under solidification is continuously withdrawn and submitted to a secondary cooling operation. In Brazil, it can be found an industrial park of companies dedicated to the hot rolling of semis supplied by third parties as steel slabs, which ones are flame cut in the form of square billets for rolling. The production mix of these companies encompasses structural steels such as flat bars, round bars, angles and even special profiles for the machines and automotive industries. A catastrophic series of quality events related to cracking emerged from the rolling of SAE 1020 billets made from continuously cast slabs. These cracks, perhaps pre-existing or latent in the inner parts of the slabs could be exacerbated by thermal affected zones during the flame-cut operations. The propose solution to overcoming this contingency was the creation of a replacement steel grade with lower carbon content and higher alloy content aiming to preserve the mechanical properties of the as rolled material. Lower carbon contents does not only contributes to the minimization of the effects arising from the peritetic transformations as also act in favor on the consequences coming from thermal affected zones. This proposition was well successful and the chemical composition of this replacement steel called pseudo- 1020 since then became a rolling standard. Samples of the rolled SAE 1020 steel with cracks occurrences and of the replacement steel were taken and transformed in specimens for tensile strengths, hardness and impact tests.This paper aims to present all related phenomena to the occurrence of inner and superficial cracks in continuously cast steels, in special the ones submitted to peritetic transformations, and the premises that support the creation of a replacement steel and the related results.

[pt] A grande maioria dos componentes estruturais possui entalhes que concentram localmente as tensões em torno de suas pontas. O fator de sensibilidade ao entalhe q, muito usado para quantificar o efeito deles em fadiga, pode ser associado à geração de trincas não propagantes quando SL(R)/Kt < σn < SL(R)/Kf, onde SL(R) é o limite de fadiga do material em uma dada razão R = σmin/σmax; Kt = σmax/σn é o fator de concentração de tensões (SCF, de stress concentration factor) do entalhe; σn é a amplitude de tensão nominal aplicada; σmax é a máxima tensão na ponta do entalhe; e Kf = 1 + q(Kt – 1) é o fator de concentração de tensões à fadiga, que quantifica o efeito dos entalhes na resistência à fadiga do componente entalhado. Partindo desse comportamento, recentemente foi desenvolvido um modelo para calcular q considerando a influência do gradiente de tensões à frente da raiz do entalhe no comportamento à fadiga de trincas mecanicamente curtas, usando apenas técnicas apropriadas de análise de tensões e as resistências à fadiga do material: o limite de fadiga e o limiar de propagação de trincas longas. Este modelo, cujas previsões foram validadas por vários experimentos apropriados, considera assim todas as características da geometria do entalhe e do carregamento em q, sem precisar de nenhum parâmetro ajustável. Nesse trabalho, esse critério é estendido para tratar problemas de Trincamento Assistido por Meios Corrosivos (EAC), considerando apropriadamente parâmetros de análise de tensão. O efeito da corrosão é quantificado pela resistência do material ao trincamento por EAC, SEAC, e pelo limiar de propagação em condições de EAC, KIEAC, ambos medidos no ambiente agressivo em questão. Esse modelo em particular prevê a existência de uma sensibilidade ao entalhe qc em problemas de EAC quando SEAC/Kt < σmax < SEAC/[1 + qc(Kt - 1)], que pode ser mecanicamente quantificada por técnicas análogas àquelas utilizadas com sucesso para quantificar q em fadiga. Para comprovar experimentalmente a validade do modelo nestas condições, foi escolhido o par {Alumínio (Al) 2024 recozido – Gálio (Ga)} na temperatura de 35ºC, devido à rapidez da sua reação de trincamento sob EAC, a qual permite que suas propriedades básicas, SEAC and KIEAC, sejam determinados rapidamente. Usando somente a mecânica proposta neste novo modelo e as resistências básicas do material à EAC, 8 corpos de prova entalhados foram projetados para alcançar e suportar a máxima tensão na ponta de seus entalhes duas vezes maiores do que SEAC. O modelo prevê que isso é possível devido à interação do gradiente de tensões à frente da ponta do entalhe com a pequena trinca nele iniciada, que permanece não propagante nessas condições. Como nenhum dos corpos de prova assim projetados falhou nesses testes, pode-se concluir que aqueles ensaios suportam a eficácia do modelo, o qual pode ser bastante útil como ferramenta de dimensionamento mecânico no tratamento do efeito de entalhes em problemas de EAC. / [en] The vast majority of structural components have notches that locally concentrate stresses around their tips. The notch sensitivity factor q, widely used to quantify the effect of such notches on fatigue, can be associated with the generation of non-propagating cracks at the notch tips in fatigue tests when SL(R)/Kt < σn < SL(R)/Kf, where SL(R) is the fatigue limit of the material at a given R = σmin/σmax ratio; Kt = σmax/σn is the stress concentration factor (SCF) of the notch; σn is the amplitude of the nominal stress that loads it; σmax is the maximum stress at the notch tip; and Kf = 1 + q(Kt – 1) is the (effective) fatigue SCF, which quantifies the actual notch effect on the fatigue strength of the notched component. Based on this behavior, a model was recently developed to calculate q considering the influence of the stress gradient ahead of the notch tip on the fatigue behavior of mechanically short cracks, using only proper stress analysis techniques and the basic fatigue properties of the material, its fatigue limit and long crack propagation threshold. This model, whose predictions were validated by various appropriated experiments, considers the entire notch geometry and loading characteristics on q, without the need of any data-fitting parameter. In this study, this criterion is extend to properly treat environmentally assisted cracking (EAC) problems considering stress analysis issues. The corrosion effects are quantified by the material resistance to EAC, SEAC, and by its crack propagation threshold under EAC conditions, KIEAC, both measured in the aggressive environment in question. This model in particular predicts the existence of a notch sensitivity qc in EAC problems as well, when SEAC/Kt < σmax < SEAC/[1 + qc(Kt - 1)], which can be mechanically quantified by techniques analogous to those successfully used to quantify q in fatigue. To experimentally prove the validity of this model under EAC conditions, the pair material/aggressive medium chosen is an annealed 2024 Al alloy and Ga at 35oC, due to its very fast EAC reaction, which allows its basic properties, SEAC and KIEAC, to be quickly determined. Using only the mechanics proposed in this new model and the basic material resistances to EAC, 8 notched test specimens were designed to reach and survive to maxima stresses at the tip of their notches twice as large as SEAC. The model predicts that this is possible due to the interaction of the stress gradient ahead of the notch tip with the small crack initiated there, which is non-propagating under such conditions. Since none of the specimens failed in the designed tests, it can be concluded that they support the effectiveness of the model, which may thus be quite useful as a mechanical tool to treat notch effects in EAC problems.

[pt] O desenvolvimento de novas tecnologias com Hidrogênio como fonte de energia ressalta um antigo desafio nos meios de transporte e armazenamento desse, visto que todos materiais estruturais têm susceptibilidade a fragilização pelo hidrogênio. A forma usual de resolver esse problema é o uso de materiais nobres e mais resistentes a fragilização pelo hidrogênio. Uma alternativa para o dimensionamento mecânico em condições de fragilização pelo hidrogênio vem da modelagem de trincas curtas através da mecânica da fratura linear elástica ou Elasto-Plástica. Esses modelos consideram dois parâmetros do material, o Limite de Resistência ao Trincamento Assistido pelo Ambiente e o Limiar de Propagação de Trincas no meio. Nesse trabalho o modelo proposto é validado experimentalmente em condições de Corrosão sob Tensão Induzida por Sulfetos (aço de alta resistência e baixa liga e o aço inoxidável super martensítico UNS S41426 expostos ao sulfeto de hidrogênio), bem como o aço 17-4PH em 200bar(g) de H2. O método de teste T-WOL recomendado no código ASME BPVC para a obtenção da tenacidade à fratura sob alta pressão de H2 é avaliada para materiais com alta tenacidade, a qual não apresentou bons resultados. Como alternativa, uma metodologia modificada a partir da norma ASTM E1820 para obter a curva J-R em H2 a alta pressão é testada, obtendo o limiar de propagação de trincas em condições Elasto-Plásticas. Durante as atividades, uma célula de carga utilizada no interior da autoclave de teste falhou quando exposta a 200bar(g) de H2. Foi realizada análise de falha e redimensionamento, conforme o modelo de trincas curtas proposto, para que células semelhantes pudessem ser utilizadas nos testes subsequentes / [en] The development of new technologies with hydrogen as an energy source underscores a longstanding challenge in its transportation and storage, since all structural materials are susceptible to hydrogen embrittlement. The usual approach to solve this problem is to use nobler materials more resistant to hydrogen embrittlement. An alternative approach to mechanical design under hydrogen embrittlement conditions involves the modeling of the behavior of short cracks through linear elastic or elastoplastic fracture mechanics. These models consider two key material parameters: the Environmental Assisted Cracking Resistance Limit and the Crack Propagation Threshold in the environment. In this study, the proposed model is validated by suitable tests under sulfide stress corrosion cracking - High Strength and Low Alloy steel and a supermartensitic stainless steel UNS S41426 exposed to hydrogen sulfide, and in a 17-4PH steel exposed to high-pressure gaseous hydrogen, at 200 bar(g) of H2. A T-WOL test methodology recommended in ASME BPVC code for measuring the fracture toughness at high pressure of H2 for materials with high toughness is evaluated, and it yields unsatisfactory results. As an alternative, a modified ASTM E1820 test method is proposed to obtain the J-R curve under high-pressure H2, obtaining the crack propagation threshold at elastoplastic conditions. During these activities, a load cell used within the test autoclave failed when exposed to 200 bar(g) of H2. Failure analysis and a new design were conducted according the short crack tolerance model, to allow the use of similar load cells in the following tests.

[pt] O trincamento de camada de mistura asfáltica é o principal tipo de deterioração das rodovias, e o presente estudo pretende contribuir para conhecimento dos processos de fissuramento com o objetivo de incorporar novos parâmetros mecânicos para melhorar projetos de pavimentação rodoviária . A modelagem computacional através do Método dos Elementos Discretos (MED), permitiu fazer uma simulação da iniciação e da propagação do trincamento em um ensaio de tração direta chamado de Disco Circular com Fenda (Disk Shaped compact), considerando uma abordagem da teoria da mecânica da fratura elástica linear (MFEL) e a incorporação do modelo constitutivo de zona coesiva (MZC). As modelagens realizadas permitiram inferir o comportamento de corpos de prova de Disco Circular com Fenda DC(T) feitos em laboratório. O método dos elementos discretos monstrou-se uma ferramenta apropriada para realizar este tipo de simulação. Também foram feitas análises da sensibilidade da resposta do modelo em relação a diversos parâmetros mecânicos do material: módulo de Young (E), resistência à tração (RT) e energia da fratura (Gf). Este último parâmetro foi obtido da área sob a curva tração-deslocamento da abertura da boca da trinca (CMOD). A análise foi realizada considerando o corpo como material homogêneo atribuindo-se a todas as partículas propriedades idênticas. A modelagem numérica 2D foi executada através do programa comercial PFC2D baseado no MED. / [en] The cracking of asphalt mixture layers is the main type of deterioration of roads in Brazil, and this study aims to contribute to improve the knowledge of cracking processes in order to incorporate new mechanical parameters into road pavement projects. Computer modeling by the Discrete Element Method (DEM), permitted the simulation of the initiation and the propagation of cracking in a tensile test called Direct Circular Slotted Disc (Disk Shaped Compact), whose interpretation is based on the theory of linear elastic fracture mechanics and considering an specific elastoplastic model known as the cohesive zone model (CZM). Results of Direct Circular Slotted Disc tests were obtained in laboratory and interpreted by numerical simulations using the discrete element method, with good results. The sensitivity of model response with respect to various mechanical parameters, such as the Young s modulus (E), the tensile strength (RT) and the fracture energy (Gf) was also analyzed. This last parameter (Gf) was obtained considering the area under the traction-displacement curve from the Crack Mouth Opening Displacement (CMOD) test. The analyses were carried out considering the body as a homogeneous material, assigning to all particles identical properties. The 2D numerical model was analyzed using the commercial software PFC2D based on the discrete element method (MED).