Friction stir welding of high strength steel ISO 3183 X80M

Orientadores: Antonio Jose Ramirez Londono, Paulo Roberto MeiTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: Neste trabalho chapas do aço ISO 3183 X80M, foram soldadas empregando o processo de soldagem por atrito com pino não consumível, conhecido em inglês como ''Friction Stir Welding'', através de dois passes, sendo um em cada lado da chapa, utilizando ferramentas de NBCP (Nitreto de Boro Cúbico Policristalino). Juntas soldadas com aportes térmicos diferenciados foram processadas para estudo visando entender a influência da velocidade rotacional e de soldagem nas transformações microestruturais e no desempenho mecânico das juntas. Para tal, foram utilizadas as técnicas de microscopias óptica e eletrônica de varredura e transmissão, EBSD (Electron Backscattering Diffraction) e difração de raios-X para caracterização microestrutural. A determinação da história térmica, juntamente com ensaios mecânicos de microdureza, tração, dobramento e tenacidade à fratura (CTOD) complementaram a avaliação das juntas. Pelas análises microestruturais realizadas nas juntas de menor e maior aporte térmico e com o auxílio da história térmica, ficaram evidenciados os efeitos da deformação abaixo e acima da temperatura de não recristalização, da taxa de resfriamento e da recristalização dinâmica e metadinâmica na evolução microestrutural da zona misturada. Ensaios de dureza por microindentação Vickers e de tenacidade à fratura revelaram que a junta produzida com menor aporte térmico apresentou menor dureza e maior tenacidade na zona misturada. Por outro lado, a dureza e a tenacidade da zona afetada pelo calor não foram influenciadas pela variação dos parâmetros adotados neste trabalho. Os ensaios de dobramento não revelaram quaisquer descontinuidades nos corpos de prova, enquanto que nos ensaios de tração as amostras romperam sempre no metal de base, indicando uma alta resistência mecânica da junta soldada quando comparado ao metal de base. Tais resultados combinados validam completamente as juntas soldadas por SAPNC em relação às normas vigentes para a sua aplicação. As características microestruturais corroboram com o desempenho mecânico das juntas avaliadasAbstract: In this work X80M ISO 3183 steel plates were welded using the Friction Stir Welding process by two passes, one on each side of the plate using PCBN (Polycrystalline Cubic Boron Nitride) tools. To understand the influence of the rotational and welding speed on the microstructural evolution and mechanical performance of the welded joints, samples with different heat inputs were processed. To this end, optical, scanning and transmission electron microscopy, EBSD (Electron Backscattering Diffraction), X-ray diffraction were used for the microstructural characterization. The thermal history registration with the mechanical tests of microhardness, tensile, bending and fracture toughness (CTOD) completed the evaluation of the joints. Based on the microstructural characterization and thermal history analyses of the joints with lower and higher heat input, the effects of deformation below and above the non-recrystallization temperature, cooling rate, and dynamic and metadynamic recrystallization on the microestrutural evolution of the stir zone were evidenced. Vickers microhardness and fracture toughness tests showed that the joint produced with lower heat input has lower hardness and higher toughness within the stir zone. Moreover, the hardness and toughness of the heat affected zone were not influenced by the parameters variation adopted in this work. The bending test did not revealed discontinuities in the specimens, while the tensile test specimens failed within the base metal, indicating a higher resistance of the weld metal when compared to the base metal. Such combined results fully validate the FSW joints regarding its commercial application. The microstructural observations are in agreement with the mechanical performance of the jointsDoutoradoMateriais e Processos de FabricaçãoDoutor em Engenharia Mecânic

Efeito do Nb na cinética de revenimento de aços de baixo carbono.

Os efeitos da temperatura e do tempo sobre a cinética de revenimento foram estudados, utilizando chapas de um aço baixo carbono e microligado, contendo Nb (0,031%), e de outro com composição química similar, porém, sem Nb. A lei de cinética de revenimento foi estudada pela equação de Johnson, Mehl e Avrami, a partir da variação da dureza Vickers das amostras revenidas com a temperatura e com o tempo de revenimento para os dois aços. Estas chapas foram submetidas a uma rotina de processamento de austenitização e têmpera, seguido de revenimento a diferentes temperaturas (300, 400,500 e 600 o C) e diferentes intervalos de tempo (300, 900, 1800 e 3600s). As características microestruturais das amostras temperadas e revenidas foram avaliadas através de microscopia ótica e eletrônica de varredura. A microestrutura das amostras temperadas dos aços come sem Nb é constituída essencialmente de martensita e bainita com morfologia acicular (ferrita bainítica), com durezas Vickers (carga de 20kgf) de 445 e 469, respectivamente. Para o aço sem Nb verificou-se que a dureza praticamente não variou com o tempo de revenimento para a temperatura de revenimento de 600 o C e que a dureza tende a saturar para altos tempos de revenimento, para as diferentes temperaturas de revenimento utilizadas. Para o aço com Nb, observou-se uma maior resistência ao revenimento para as temperaturas de revenimento de 500 e 600 o C, associada precipitação de partículas de carbonetos de Nb muito finos e disperso na ferrita. A energia de ativação para o aço sem Nb é de 130kJ/mol e pode-seinferir que o mecanismo que limita a cinética de revenimento do aço sem Nb é a difusão intersticial do carbono na ferrita. Para o aço com Nb a energia de ativação é de 180kJ/mol e pode-se inferir que o mecanismo que limita a cinética de revenimento é a difusão do Nb na ferrita.The effect of temperature and time on the tempering kinetics was studied by using a low carbon steel microalloyed with Nb (0,031) and another with a similar chemical composition, however without Nb. The kinetics law of tempering was studied by the Jonhson-Mehl-Avrami equation, following the Vickers hardness variation with temperature and time, for both steels. The samples were submitted the austenitization and quench process, followed by tempering at different temperatures (300, 400, 500, 600ºC) and different times (300, 900, 1800, 3600s). The microstructural characteristics of the quenched and tempered samples were evaluated through light microscopy and electron scanning microscopy. The microstructure of the quenched steel samples with and without Nb is composed essentially at martensite and bainite with acicular morphology (bainitic ferrite), with Vickers hardness (load 20kgf) of 445 and 469, respectively. The hardness of the steel without Nb did not change with the tempering time at 600ºC and tends to saturate at high tempering times, for the different tempering temperatures used. For the tempering temperatures of 500 and 600ºC, the steel with Nb has a greater tempering resistance and this effect is associated to the precipitation very fine NbC particles dispersed in ferrite matrix. The activation energy of the steel without Nb is 130kJ/mol and the mechanism that controls the tempering kinetics of this steel is the interstitial diffusion of carbon in the ferrite. In the steel with Nb the activation energy is 180kJ/mol and the mechanism that controls the tempering kinetics is the Nb diffusion in the ferrite

Effect of Nb on the tempering kinetics of low carbon steels.

Os efeitos da temperatura e do tempo sobre a cinética de revenimento foram estudados, utilizando chapas de um aço baixo carbono e microligado com Nb e de outro aço com composição química similar, porém sem Nb. A lei de cinética de revenimento foi estudada pela equação de Johnson, Mehl e Avrami, a partir da variação da dureza Vickers das amostras revenidas com a temperatura e com o tempo de revenimento para os dois aços. Para o aço sem Nb, verificou-se que a dureza praticamente não variou com o tempo de revenimento, para a temperatura de revenimento de 600°C, e que a dureza tende a saturar para altos tempos de revenimento, para as diferentes temperaturas de revenimento utilizadas. Para o aço com Nb, observou- se uma maior resistência ao revenimento para as temperaturas de revenimento de 500 e 600°C, associada à precipitação de partículas muito finas de carbonetos de Nb dispersos na ferrita. A energia de ativação, para o revenimento, para o aço sem Nb, é de 130kJ/mol e pudesse inferir que o mecanismo que limita a cinética de revenimento, é a difusão intersticial do carbono na ferrita. Para o aço com Nb, a energia de ativação, para o revenimento é de 180kJ/mol e pode-se inferir que o mecanismo que limita a cinética de revenimento é a difusão do Nb na ferrita.The effect of temperature and time on tempering kinetics was studied by using a low carbon steel microalloyed with Nb (0,031) and another steel with a similar chemical composition, however without Nb. After determining the Vickers hardness values, the kinetics law of tempering was studied by the Jonhson- Mehl-Avrami equation using a variation of temperatures and time for both steels. The hardness of the steel without Nb did not change with the tempering time at 600ºC and tended to saturate at high tempering times, for the different tempering temperatures used. For the tempering temperatures of 500 and 600ºC, the steel with Nb has a greater tempering resistance and this effect is associated to the precipitation of very fine NbC particles dispersed in ferrite matrix. The activation energy of the tempering transformation of the steel without Nb is 130kJ/mol and it could be inferred that the mechanism that controls the tempering kinetics of this steel is the interstitial diffusion of carbon in the ferrite. In the steel with Nb the activation energy is 180kJ/mol and the mechanism that controls the tempering kinetics is the Nb diffusion in the ferrite

Effect of Nb on the tempering kinetics of low carbon steels.

Os efeitos da temperatura e do tempo sobre a cinética de revenimento foram estudados, utilizando chapas de um aço baixo carbono e microligado com Nb e de outro aço com composição química similar, porém sem Nb. A lei de cinética de revenimento foi estudada pela equação de Johnson, Mehl e Avrami, a partir da variação da dureza Vickers das amostras revenidas com a temperatura e com o tempo de revenimento para os dois aços. Para o aço sem Nb, verificou-se que a dureza praticamente não variou com o tempo de revenimento, para a temperatura de revenimento de 600°C, e que a dureza tende a saturar para altos tempos de revenimento, para as diferentes temperaturas de revenimento utilizadas. Para o aço com Nb, observou- se uma maior resistência ao revenimento para as temperaturas de revenimento de 500 e 600°C, associada à precipitação de partículas muito finas de carbonetos de Nb dispersos na ferrita. A energia de ativação, para o revenimento, para o aço sem Nb, é de 130kJ/mol e pudesse inferir que o mecanismo que limita a cinética de revenimento, é a difusão intersticial do carbono na ferrita. Para o aço com Nb, a energia de ativação, para o revenimento é de 180kJ/mol e pode-se inferir que o mecanismo que limita a cinética de revenimento é a difusão do Nb na ferrita.The effect of temperature and time on tempering kinetics was studied by using a low carbon steel microalloyed with Nb (0,031) and another steel with a similar chemical composition, however without Nb. After determining the Vickers hardness values, the kinetics law of tempering was studied by the Jonhson- Mehl-Avrami equation using a variation of temperatures and time for both steels. The hardness of the steel without Nb did not change with the tempering time at 600ºC and tended to saturate at high tempering times, for the different tempering temperatures used. For the tempering temperatures of 500 and 600ºC, the steel with Nb has a greater tempering resistance and this effect is associated to the precipitation of very fine NbC particles dispersed in ferrite matrix. The activation energy of the tempering transformation of the steel without Nb is 130kJ/mol and it could be inferred that the mechanism that controls the tempering kinetics of this steel is the interstitial diffusion of carbon in the ferrite. In the steel with Nb the activation energy is 180kJ/mol and the mechanism that controls the tempering kinetics is the Nb diffusion in the ferrite

Efeito da rápida austenitização sobre as propriedades mecânicas de um aço SAE1045.

Estudou-se o efeito da rápida austenitização sobre as propriedades mecânicas de um aço SAE 1045, na condição de temperado e revenido a 600ºC. A microestrutura das amostras austenitizadas a 900 e 950ºC e temperadas imediatamente ao atingir essas temperaturas, têm a microestrutura constituída de martensita refinada, com pequena fração volumétrica de ferrita poligonal e ferrita acicular. Os valores dos limites de resistência e escoamento das amostras revenidas são fortemente dependentes do tempo de encharque. As transformações fases no revenimento têm efeitos similares sobre os limites de resistência e escoamento das amostras revenidas. Tais amostras têm altos valores da razão de escoamento (valor médio de 0,91). Os valores do produto do limite de resistência pelo alongamento percentual variaram de 32589MPa.% a 24150MPa.%. A otimização das propriedades mecânicas do aço SAE1045, com alta resistência mecânica e boa ductilidade, foi obtida com austenitização a 900ºC, têmpera imediatamente após atingir essa temperatura e revenimento a 600ºC por 100s.This work studied the effect of fast austenitization on the mechanical properties of SAE1045 steel, as quenched and tempered. The samples austenitized at 900 and 950ºC, and immediately quenched after reaching these temperatures, showed microstructures of refined martensite, with small volume fractions of polygonal and acicular ferrites. The values of the tensile and yield strengths of the tempered samples are strongly dependent on the soaking time. The phase transformations during the tempering have similar effects on the tensile and yield strengths of the tempered samples. These samples have high yield ratio values (average of 0.91). The values of the product of the tensile strength for the percent elongation varied from 32589MPa% to 24150MPa%. The optimization of the mechanical properties of the SAE1045 steel, with high strength and ductility, was achieved for the austenitization at 900ºC, immediately quenched after reaching that temperature, and tempering at 600ºC for 100s

DLC/a-Si:H multilayers films to improve wear resistance of components of common rail injection system

The Common Rail Injection System (CRIS) is diesel engines' main fuel injection system. Due to market needs, such as replacing fuel from diesel to biodiesel, several mechanical problems were observed, including the wear of the metallic components. This paper proposed improving the wear resistance of steel SAE 1045, which can be used in some elements of injection systems, by depositing DLC multilayer films using a plasma Duplex treatment. Firstly, the samples were nitrided in atmospheric plasma and then coated with thin films of DLC/a-Si:H multilayers using a modified pulsed-DC PECVD system. The duplex treatment may reduce friction and consequently facilitate sliding contact. The tribological tests were performed in a cylinder-disc tribometer designed and constructed exclusively to simulate the real contact of components under pressure and movement conditions in the CRIS. The results showed a considerable increase in surface hardness due to the formation of iron nitrides. The DLC/a-Si:H coating reduced the surface roughness because of the plastic deformation of this layer after the tribological tests. Also, this mechanism contributed to the decrease in wear and improved performance of the studied component