Efeito da soldagem el?trica por centelhamento na microestrutura, propriedades mec?nicas e resist?ncia ? fadiga de um a?o para trilhos ferrovi?rios ? an?lise experimental e num?rica.

Programa de P?s-Gradua??o em Engenharia de Materiais. Departamento de Engenharia Metal?rgica, Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto.As ferrovias s?o submetidas a condi??es operacionais que exigem cada vez mais dos materiais, uma vez que o volume de cargas, a velocidade das composi??es e o fluxo sobre os trilhos t?m crescido para atender ao aumento de demanda por transportes. Para a constru??o das vias, se destaca o processo de soldagem el?trica por centelhamento (Flash Butt Welding - FBW), devido ? maior facilidade para controle e obten??o de juntas com qualidade aceit?vel. No entanto, as altera??es estruturais e mec?nicas decorrentes dos ciclos t?rmicos do processo e a introdu??o de tens?es residuais t?m sido associadas a falhas prematuras por fadiga em juntas soldadas de trilhos de a?os perl?ticos. Apesar do problema de redu??o localizada de dureza ser bem conhecido na literatura, n?o h? trabalhos que aplicam dilatometria para descrever a forma??o da Zona Termicamente Afetada (ZTA), tendo essa not?vel lacuna de conhecimento dificultado a evolu??o do processo FBW. Al?m disso, dois fatores t?m sido descritos como chave para falhas por fadiga na regi?o da alma: tens?es residuais e a presen?a de concentradores de tens?o devido ao mau acabamento superficial, n?o havendo trabalhos que quantifiquem ou comparem os efeitos na vida em fadiga do componente. Neste contexto, detalhada caracteriza??o mec?nica e estrutural foi realizada em a?o para trilhos ferrovi?rios soldado por centelhamento, juntamente com ensaios de dilatometria para descrever a evolu??o microestrutural de toda a ZTA e suas correla??es com as propriedades. Medidas de tens?es residuais superficiais foram obtidas e ensaios de fadiga foram realizados considerando os efeitos das altera??es estruturais e de concentra??o de tens?o, dados que alimentaram modelos num?ricos pelo M?todo dos Elementos Finitos (MEF) para quantificar os efeitos destas vari?veis de modo comparativo na vida em fadiga do componente real. Os resultados apresentados permitem compreender os mecanismos das altera??es morfol?gicas da perlita em toda a ZTA em termos de transforma??es de fases e podem ser utilizados para sistematicamente orientar mudan?as nos par?metros do processo ou controlar a taxa de resfriamento de modo a obter melhores condi??es metal?rgicas/mec?nicas. Os resultados de ensaios mec?nicos, fadiga e simula??es num?ricas mostram que h? grande potencial de melhoria no comportamento do componente a partir da ado??o de medidas de baixo custo relativo, por exemplo, esmerilhamento de todo o perfil soldado, com quantifica??o relativa dos efeitos das vari?veis sobre a vida do componente por fadiga. Os resultados de fadiga obtidos por simula??o mostram ainda que o elevado n?vel de tens?es residuais normais no sentido vertical na alma ? o fator mais cr?tico do ponto de vista da vida do componente soldado.The growth in demand for rail transport implies higher speed of compositions, higher number of wagons and higher flow over the rails. Flash Butt Welding is the main process used to build railroads because it allows better control on the welding parameters and, therefore better welding quality. But, welded joints represent a discontinuity on microstructure and in mechanical properties of the railroad besides the introduction of high residual tensile stresses that have been associated with premature fatigue failures. The structural changes resulting from the Flash Butt Welding (FBW) of pearlitic rails have been associated with wear/premature failures due to local hardness variation, despite this, there are no studies applying dilatometry to correlate the welding thermal cycles with the microstructural development of such material. There is a knowledge lack on the mechanisms that control the microstructure development and it has hindered the setting of FBW process parameters in order to improve weld performance. In addition, two variables have been described as key to fatigue failures in the web; residual tensile stresses and stress concentrators due to poor surface finish, however, there are no works that quantify or compare its effects on the fatigue life of the component. In this context, detailed structural and mechanical characterizations of flash butt welded rails were performed, along with dilatometry tests in order to describe the structural evolution of the HAZ regions and correlate them with the properties. Surface residual stress measurements were obtained and fatigue tests were conducted considering the effects of structural changes and stress concentration, the obtained data fed numerical models by the finite element method to quantify the effects of these variables in a comparative way on the fatigue life of the real component. The results allow understanding, in detail, how the pearlite morphology is affected in terms of phase transformations by the weld thermal cycles of the FBW process and its relation with the properties and some failure modes. In addition, the dilatometric results presented have the potential to provide systematic guidance for turning FBW parameters and/or applying controlled accelerated cooling to achieve improved metallurgical features. The results of mechanical tests, fatigue and numerical simulations show that there is great potential for improvement in the mechanical behavior of the component by the adoption of low-cost measures, for example, grinding of the entire welded profile, with relative quantification of the variables effects on the fatigue life. The fatigue life of the welded component is mainly affected by the high level of vertical normal residual stresses at the web of the joint, as obtained by FEM

Proposition of an empirical model for determination of critical temperatures during continuous cooling in heat affected zones of IF steels welded by the TIG process.

A?os IF s?o amplamente empregados na ind?stria automobil?stica. No decorrer das aplica??es de soldagem, eles passam pela transforma??o de fase austenita (?) ? ferrita (?) que ocorre por nuclea??o e crescimento de gr?o e, em condi??es isot?rmicas, ? descrita pela equa??o JMAK. Todavia, as transforma??es de fases p?s-soldagem acontecem a partir de resfriamento cont?nuo. Assim, o presente trabalho caracterizou a cin?tica de transforma??o ? ? ? e prop?s um modelo emp?rico para prever as temperaturas cr?ticas durante o resfriamento cont?nuo em zonas termicamente afetadas de tr?s tipos de a?os IF. Amostras dos a?os foram submetidas a ensaios dilatom?tricos com diferentes taxas de resfriamento cont?nuo. Determinaram-se as temperaturas cr?ticas de transforma??o de fase (???) e obteve-se uma equa??o emp?rica que correlacionou a temperatura cr?tica com a taxa de resfriamento e que viabilizou a previsibilidade da cin?tica de transforma??o de fases. Processo de soldagem TIG mecanizado foi aplicado nos a?os IF com monitoramento de ciclos t?rmicos e, em regi?es da ZTA com condi??es de austenitiza??o e taxa de resfriamento similares ?s utilizadas nos ensaios dilatom?tricos, verificou-se que a equa??o emp?rica obtida ? uma alternativa vi?vel para prever as temperaturas cr?ticas e a microestrutura durante o resfriamento cont?nuo na ZTA destes materiais.IF steels are widely used in the automotive industry. In the course of the welding applications, they undergo the transformation of austenite (?) ? ferrite (?) phase that occurs by nucleation and grain growth and, under isothermal conditions, is described by the JMAK equation. However, post-weld phase transformations occur under continuous cooling conditions. Thus, the present work characterized the transformation kinetics ? ? ? and proposed an empirical model to predict critical temperatures during continuous cooling in heat affected zones of three types of IF steels. Samples of the steels were submitted to dilatometric tests with different rates of continuous cooling. The critical phase transformation temperatures (? ? ?) were determined and an empirical equation was obtained which correlated the critical temperature with the cooling rate, which enabled the predictability of phase transformation kinetics. Mechanized TIG process was applied to IF steels with thermal cycling monitoring and, in regions of the HAZ with austenitizing conditions and cooling rates similar to those used in the dilatometric tests, it was verified that the obtained empirical equation is a viable alternative to predict the critical temperatures and the microstructure during the continuous cooling in the HAZ of these steels

Evaluation of standard API casing connections and parametric API buttress improvement by finite element analysis.

Threaded and coupled connections generally present a non-uniform stress distribution, which is related to the higher stiffness of the box when compared to the pin. The non-uniform stress distribution can contribute to fatigue cracks and other failure modes in high pressure oil wells. An API 5CT P110 steel obtained from a seamless pipe was mechanically characterized. FEA models were carried out to investigate and compare two API casing connections under make-up torque and tensile efforts. A parametric study was performed using numerical models to determine the influence of some geometric features on the behavior of the API Buttress threaded connection. The API Buttress connection supported higher tensile loads than the API Short Round, however both standard connections showed high stress concentration in the last engaged thread and a non-uniform stress distribution. The manufacturing of grooves at the first and the last engaged threads proved to be an efficient way to reduce the stress concentration of Buttress casing connection and could be an alternative to the development of new products

Simulation of flash-butt welding process of a railway steel. Part 1 : residual stress analysis via FEM.

Trilhos longos, soldados pelo processo Flash Butt Welding (FBW), s?o a realidade das ferrovias brasileiras de m?dia e alta carga por eixo. Embora apresentem caracter?sticas desej?veis do ponto de vista do comportamento din?mico da via, as soldas s?o regi?es de descontinuidade estrutural e mec?nica onde se originam tens?es residuais, e que est?o associadas a falhas prematuras por fadiga. Simula??es num?ricas termomec?nicas, fisicamente n?o-lineares, no dom?nio do tempo, pelo M?todo dos Elementos Finitos (MEF), foram empregadas para avaliar o desenvolvimento de tens?es residuais originadas durante o processo de soldagem. Uma nova abordagem para a inclus?o do aporte de calor envolvido no processo ? proposta. Os resultados num?ricos s?o comparados a medidas experimentais de tens?es residuais superficiais e aspectos macrogr?ficos das juntas, incluindo largura da Zona Termicamente Afetada (ZTA) e dados de taxas de resfriamento. Os resultados mostram boa correla??o entre as an?lises num?ricas e medidas experimentais de tens?es residuais. Aspectos fundamentais relacionados ao desenvolvimento de tens?es residuais s?o esclarecidos a partir da correla??o entre an?lises num?rica e experimental. Ademais, verifica-se que os modelos computacionais podem ser utilizados na previs?o de pontos cr?ticos para nuclea??o de trincas por fadiga e/ou avaliar efeitos de vari?veis de processo sobre o campo de tens?es residuais.Long rails, welded by the Flash-Butt Welding (FBW) process, are the reality of the Brazilian railroads for medium and high axle loads. Although they present desirable characteristics concerning the dynamic behavior of the track, welded joints are regions of structural and mechanical discontinuity where high residual stresses originate, and, consequently, premature fatigue failures may take place. This paper employs the Finite Element Method (FEM) to carry out transient, physically non-linear thermo-mechanical analyses to evaluate residual stresses evolved in the welding process. A new approach is proposed to take into account the heat input involved in the process. The numerical results are compared to experimentally measured surface residual stresses, and to the macrographic joint aspects, including the HAZ width and cooling rate data. The results show a good correlation between the numerical and experimental measurements of residual stresses. Fundamental aspects related to the development of residual stresses are clarified, correlating numerical and experimental analyses. In addition, it is verified that the computational models can be used to predict critical crack nucleation points by fatigue, and/or to evaluate effects of process parameters on the residual stress field

Avaliação de parâmetros geométricos no desempenho de conexões do tipo rosca-luva em tubos para revestimento de poços de petróleo : análise de elementos finitos.

Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais. Rede Temática em Engenharia de Materiais, Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação, Universidade Federal de Ouro Preto.Colunas de revestimento (casing) utilizadas em exploração/produção de petróleo e gás natural são submetidas a pressões e temperatura cada vez maiores, portanto necessitam de alta resistência mecânica e alta tenacidade para suportar as solicitações mecânicas como tração, pressão interna e externa, torção, flexão e fadiga. Para a formação das colunas de revestimento, os tubos são unidos por conexão rosca-luva, que são pontos críticos para a integridade estrutural. As propriedades mecânicas e a estrutura de aço API 5CT grau P110 foram avaliadas por meio de ensaio de tração, impacto Charpy e análise metalográfica em microscópio óptico. Simulações por Método dos Elementos Finitos (MEF) foram empregadas em dois modelos de conexão API, do tipo rosca-luva, equivalentes a tubos de 13 3/8″. As simulações tiveram os seguintes objetivos: comparar a resistência à falha por tração, comparar a concentração de tensão e deformação plástica localizada, e ainda avaliar se alterações geométricas nas luvas ou no perfil das roscas são eficientes para reduzir a concentração de tensão e os seus reflexos em outros modos de falha, ou seja, um estudo parametrizado por MEF. Os resultados indicam que a conexão do tipo API Buttress possui melhor desempenho que a API Short Round em relação à resistência ao carregamento trativo, porém, as duas conexões padronizadas apresentaram alta concentração de tensões na região do último filete encaixado. Dentre as alterações geométricas propostas, a usinagem de chanfros nos filetes extremos do tubo e da luva foi eficiente na obtenção de distribuição de tensões mais uniforme na conexão Buttress, além de reduzir os valores de concentração de tensão e deformação plástica localizada. As modificações da geometria da luva mostraram-se ineficientes na melhoria do desempenho das conexões, pois as variações que promoveram distribuição de tensões mais uniforme aumentaram a tendência de separação tubo-luva. No geral, os resultados obtidos nos modelos numéricos permitem compreender, em parte, como os tipos de conexões influenciam o desempenho de colunas de revestimento de poços de hidrocarbonetos e como acontece o desenvolvimento de conexões proprietárias a partir de modificações das conexões padronizadas.Casing strings are subjected to high pressures under increasing oil well depths, so they increasingly require high strength and good toughness in order to support the stresses, external and internal pressure, bending and fatigue. The casing string is formed by pipes connected by threaded and coupled connections, the threads acts as stress raisers and fatigue damages can arise from that. A seamless API 5CT P110 steel was characterized by tensile test, Charpy impact and optical metallographic analysis. FEA models of casing threaded and coupled connections were carried out to investigate and compare two API threaded and coupled connections under make up torque, tensile and internal pressure. A parametric study was performed on the numeric models to determine the influence of some geometric features on the behavior of the threaded connections. For this parametric study, the API Buttress threaded and coupled connection was used as reference. The results showed that the API Buttress connection support higher tensile loads than the API Short Round, however both standard threaded and coupled connections showed high stress concentration in the last engaged thread and a non uniform stress distribution over the threads. A conical groove opening into the crests of the initial threads of the coupling and into the last threads of the tube was efficient in reducing the stress concentration of the connection and promoting a better relative thread load distribution, the local plastic deformation have been reduced as well. The changes in the overall geometry of the coupling that reduced its stiffness resulted in increases openness of the threads. The parametric study illustrated how proprietary connections are developed based on API standard and how the failure modes are related

MODELLING CHALCOPYRITE LEACHING BY Fe+3 IONS WITH THE SHRINKING CORE MODEL

Chalcopyrite leaching by ferric iron is considered a slow process with low copper recovery; a phenomenon ascribed to the passivation of the mineral surface during leaching. Thus, the current study investigated the leaching kinetics of a high purity chalcopyrite sample in the presence of ferric sulfate as oxidant. The effects of the stirring rate, temperature, Eh and Fe3+ concentration on copper extraction were assessed. The leaching data could be described by the shirking core model (SCM) for particles of unchanging size and indicated diffusion in the ash layer as the rate-controlling step with a high activation energy (103.9±6.5kJ/mol); likely an outcome of neglecting the effect of particle size distribution (PSD) on the kinetics equations. Both the application of the quasi-steady-state assumption to solid-liquid systems and the effect of the particle size distribution on the interpretation of kinetics data are also discussed

A kinetc study of chalcopyrite leaching by ferric sulphate and sodium chloride.

O presente trabalho objetivou estudar a cinética de lixiviação de uma amostra de calcopirita por ferro férrico na presença de íons cloreto. Foram realizados ensaios de bancada com soluções contendo 0,5mol/L de Fe3+ (como sulfato férrico), variando-se a temperatura desde 60ºC até 90ºC, enquanto a concentração de NaCl atingiu 2mol/L. A presença de cloreto foi benéfica ao processo e elevou a extração de cobre de 16,4% na ausência para 29,4% na presença de 1mol/L de NaCl. Os dados experimentais foram ajustados ao modelo do núcleo não reagido para partículas de tamanho constante. Observou-se que a cinética de lixiviação era controlada por reação química na superfície da partícula com uma energia de ativação de 55,6kJ/mol. Na presença de íon cloreto, os valores da constante de velocidade foram entre 1,5 a 2 vezes mais altas do que no sistema sem NaCl, sendo que a ordem da reação em relação ao íon cloreto foi de 0,24.This work aimed at investigating the kinetics of chalcopyrite leaching by ferric sulphate in the presence of chloride ions. That was accomplished through batch tests performed with 0.5mol/L Fe3+ solutions, in which the temperature varied from 60ºC to 90ºC, whereas the NaCl concentration was increased up to 2mol/L. Chloride ions improved copper extractions, which increased from 16.4% in the absence to 29.4% with 1mol/L NaCl. The experimental data were fitted to the shrinking core model for constant particle size. The leaching kinetics was controlled by chemical reaction on the particle surface with activation energy of 55.6kJ/mol. Chloride ions also increased the reaction rate constant, which was about 1.5 to 2 times that in the absence of chloride and the reaction order was 0.24 with respect to NaCl

Avaliação da Influência de Tratamentos Térmicos Pós-Soldagem Sobre a Microestrutura e Propriedades Mecânicas de Juntas de um Aço API 5L X70Q

ResumoAços que atendem à norma API 5L são aplicados na construção de dutos e há grande interesse naqueles de maior resistência, como o grau API 5L X70Q. Ainda são escassos os estudos relacionados a tubos sem costura. Durante a montagem, os tubos podem ser soldados por eletrodos revestidos (SMAW) e eventualmente sofrer aquecimento indutivo para adequação à topografia do terreno, processos que podem alterar a microestrutura das juntas. Neste trabalho foram obtidas juntas soldadas pelo processo SMAW, a partir de tubo sem costura grau API 5L X70Q. As juntas foram submetidas a tratamentos térmicos pós-soldagem nas temperaturas 920 °C e 600 °C. Foram realizados ensaios de tração, impacto Charpy e microdureza, além de caracterização metalográfica nas amostras de metal base e nas juntas como soldadas e após os tratamentos térmicos. O tratamento térmico a 920 °C promoveu a formação de estrutura ferrita/perlita, com consequente redução na resistência mecânica das juntas a valores inferiores aos especificados para o grau X70Q. Porém, o tratamento térmico a 600 °C mostrou-se benéfico devido à redução da fração volumétrica dos constituintes martensita/austenita e martensita-austenita-bainita, sem reduzir de forma significativa a resistência mecânica e com relativo ganho na tenacidade ao impacto na ZTA e na ZF

Evaluation of the influence of post welding heat treatments on microstructure and mechanical properties of API 5L X70Q weld joints.

Aços que atendem à norma API 5L são aplicados na construção de dutos e há grande interesse naqueles de maior resistência, como o grau API 5L X70Q. Ainda são escassos os estudos relacionados a tubos sem costura. Durante a montagem, os tubos podem ser soldados por eletrodos revestidos (SMAW) e eventualmente sofrer aquecimento indutivo para adequação à topografia do terreno, processos que podem alterar a microestrutura das juntas. Neste trabalho foram obtidas juntas soldadas pelo processo SMAW, a partir de tubo sem costura grau API 5L X70Q. As juntas foram submetidas a tratamentos térmicos pós-soldagem nas temperaturas 920 °C e 600 °C. Foram realizados ensaios de tração, impacto Charpy e microdureza, além de caracterização metalográfica nas amostras de metal base e nas juntas como soldadas e após os tratamentos térmicos. O tratamento térmico a 920 °C promoveu a formação de estrutura ferrita/perlita, com consequente redução na resistência mecânica das juntas a valores inferiores aos especificados para o grau X70Q. Porém, o tratamento térmico a 600 °C mostrou-se benéfico devido à redução da fração volumétrica dos constituintes martensita/austenita e martensita-austenita-bainita, sem reduzir de forma significativa a resistência mecânica e com relativo ganho na tenacidade ao impacto na ZTA e na ZF.Pipelines for oil and gas conduction are manufactured of steel tubes that meet the API 5L requirements. Currently, much of the research related to the materials used in this industry is target to steels with higher tensile strength such as API 5L X70Q. But studies related to seamless pipes remains rare. During the manufacture of the pipelines, the pipes are usually welded by the SMAW process and may be heated by the inducted bending process to fit the topography of the land, processes that can change the proportion or morphology of the constituents in the heat affected zone (HAZ) and in the fused metal. The present study used an API 5L X70Q seamless steel manufactured by the Mannesmann Process to produce weld joints by the SMAW process. The joints were subjected to post weld heat treatments in the temperatures of 920 °C and 600 °C. Mechanical tests which included tensile test, Charpy impact and microhardness were applied, in addition to microstructure evaluation in the joints as welded and after heat treatments. The results showed that the first heat treatment (920 °C) promoted the formation of structure ferrite/pearlite, which reduced the mechanical properties to values under the specified for materials API grade X70Q. The second heat treatment (600 °C) was feasible in reducing the volume fraction of the Martensite-Austenite and Martensite-Austenite-Bainite constituents, without significant reduction in mechanical strength of the welded joints and with significant gain in impact toughness in the HAZ and in the weld metal