Ductility-dip cracking mechanism in Ni-Cr-Fe alloys

Orientador: Antonio José Ramírez LondoñoTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: A fratura por queda de ductilidade (FQD) é um tipo de falha que ocorre em temperatura elevada e que afeta adversamente diversos materiais metálicos com estrutura cristalina cúbica de faces centradas (CFC), tais como, ligas de Níquel, Cobre e aços inoxidáveis. Na FQD é observada uma forte redução da ductilidade e a ocorrência de fratura intergranular no intervalo de temperatura homologa entre 0,4 e 0,8, e sob aplicação de esforços de tensão. Diversos autores têm proposto alguns fenômenos metalúrgicos, tais como o escorregamento ao longo dos contornos de grão e a precipitação de carbonitretos e carbonetos, como fatores que influenciam o comportamento da FQD em estrutura bruta de solidificação de ligas de Níquel. Não obstante, o mecanismo fundamental operante neste tipo de fratura ainda não está totalmente esclarecido. Neste trabalho é estudado o mecanismo operante na FQD em função do papel da precipitação de carbonitretos e das características microestruturais na estrutura bruta de solidificação de ligas Ni-Cr-Fe endurecidas por solução sólida. Foram fabricadas e avaliadas cinco ligas experimentais baseadas na composição da liga 690 com e sem adições de Nb, Mo e Hf, as quais foram projetadas com o suporte do método Calphad. A avaliação da FQD foi realizada a través da aplicação iterativa de técnicas de caracterização baseadas em microscopia eletrônica, combinada com a determinação experimental da energia de falha de empilhamento (EFE) usando radiação sincrotron e o uso de ensaio termomecânico in situ em temperatura elevada acoplado a um microscópio eletrônico de varredura (MEV), cujos resultados permitiram realizar mapeamento da deformação a partir de imagens digitais. O teste in situ facilitou o acompanhamento, em tempo real, do fenômeno de FQD dentro do intervalo de temperaturas entre 500 °C e 1000 °C, evidenciando a ocorrência de escorregamento ao longo dos contornos de grão, o que por sua vez permitiu a identificação das etapas do fenômeno com suas respectivas características. Nas ligas experimentais com adições de Nb e Hf foram obtidos contornos de grão fortemente ondulados devido à alta freqüência de precipitados primários intergranulares finos. A adição de Mo nas ligas experimentais juntamente com as adições de Nb e Hf contribuíram para uma forte diminuição da EFE. Os contornos de grão ondulados foram relacionados com o bloqueio mecânico do escorregamento que ocorre ao longo dos mesmos, como sugerido por diversos autores. A presença de Mo na rede cristalina e a baixa EFE contribuíram na restrição da mobilidade de discordâncias em temperaturas elevadas. As características anteriores foram relacionadas com o aumento da resistência a FQD. Finalmente, baseado na evidencia experimental obtida neste trabalho é proposto um mecanismo fundamental de ocorrência da FQD em estruturas brutas de solidificação por soldagem de ligas Ni-Cr-Fe similar ao mecanismo de fluência sem domínio da difusão com escorregamento ao longo dos contornos de grão proposto por Rachinger.Abstract: Ductility-dip cracking (DDC) is a high temperature fracture phenomenon, which affects several face centered cubic (FCC) metallic materials, such as Nickel alloys, Copper alloys, and stainless steels. DDC is observed as a drastic reduction of ductility that leads to intergranular fracture at homologous temperature range between 0,4 and 0,8 under tensile stress. Diverse theories related to the grain boundary sliding and to carbides and carbonitrides precipitation were proposed to describe DDC behavior in Ni-alloys; however, the fundamental mechanism of DDC is not clear yet. In this work is investigated the fundamental mechanism of DDC, as well as the role of carbonitride precipitates and metallurgical characteristics on this phenomenon in aswelded solid-solution strengthened Ni-Cr-Fe alloys. Experimental alloys were designed by means of Calphad methodology using the alloy 690 chemical composition as the start point. Five compositions with Nb, Mo and Hf additions were subsequently fabricated and evaluated. The DDC evaluation was performed using electron microscopy characterization techniques, experimental measurements of stacking fault energy (SFE) using synchrotron radiation, and a scanning electron microscopy thermo-mechanical in situ test that allows a strain mapping from digital images. The in situ test has allowed obtaining at real time information about of DDC phenomenon on the temperature range between 500 °C and 1000 °C. Evidences of grain boundary sliding (GBS) were obtained through high temperature experiments, consequently allowing the recognition of DDC stages characteristics. Wavy grain boundaries were obtained in Ni-Cr-Fe alloys with Nb and Hf additions due to the high frequency and homogeneous distribution of fine intergranular primary precipitates. Mo, Nb, and Hf additions contributed for a perceptible SFE reduction. Several authors suggested that wavy grain boundaries block GBS, while the Mo presence in the crystal lattice leads to SFE reduction, which is related to the restriction of dislocations mobility at high temperature and to the increase of DDC resistance. Finally, a new fundamental mechanism of DDC is proposed based on experimental evidences for as-welded structures of Ni-Cr-Fe alloys, which is similar to the creep mechanism without diffusion, involving grain boundary sliding mechanism proposed by Rachinger.DoutoradoMateriais e Processos de FabricaçãoDoutor em Engenharia Mecânic

Efectos de la geometría del hombro de la herramienta sobre las propiedades mecánicas de juntas soldadas por fricción-agitación de aleación de aluminio AA1100

In this work were studied the effects of shoulder geometry of tool on microstructure evolution and mechanical properties of friction stir welded joints of AA1100 aluminum alloy using a milling machine. Three designs of shoulder geometry were evaluated with the aim to induce different distributions of thermal cycles in welding regions. Thermal cycles were measured using thermocouples and a data system acquisition. A microstructural characterization and crystallographic analysis of the welded regions were carried out using optical, scanning electron microscopy, and electron backscattering diffraction. The mechanical properties were measured by transverse tension, guided bend and hardness tests. The weldability behavior was established based on the experimental data. Results showed that the features shoulder tools produced an important effect on the thermal cycles, generating a plasticized wide region and biggest grain size in stir zone when compared with flat shoulder tool.En este trabajo se estudiaron los efectos de la geometría del hombro de la herramienta en la evolución de la microestructura y las propiedades mecánicas de juntas soldadas de aleación de aluminio AA1100 obtenidos por fricción-agitación usando una máquina fresadora. Tres diseños de hombros se evaluaron con el objetivo de inducir distribuciones diferentes de ciclos térmicos en las regiones de soldadura. Los ciclos térmicos se midieron utilizando termopares y un sistema de adquisición de datos. Caracterización microestructural y análisis cristalográfico de las regiones soldadas se hicieron usando, microscopía óptica y electrónica de barrido, además de difracción de electrones retrodispersados. Las propiedades mecánicas se determinaron por ensayos de tracción, doblez guiado y pruebas de dureza. El comportamiento de la soldabilidad se estableció con base en datos experimentales. Los resultados mostraron que las herramientas con hombro configurado tienen un efecto importante en los ciclos térmicos, generando una amplia región plastificada y el mayor tamaño de grano en la zona de agitación en comparación con la herramienta de hombro plano

Método de acoplamiento por multifísica para simular el proceso de soldadura por Fricción - Agitación

In In this work the methods are developed to perform simulations of the friction stir welding process using the ANSYS software working scheme, developing multiphysics couplings between computational fluid dynamics tools to Model the viscoplastic effect of the fluidity of the material when it is stirred by means of a solid tool modeled in the Transient Structure application that allows calculating the thermo-mechanical effects of the study process. The results show the validations corresponding to the modeled and experimentally performed analysis showing a lot of reliability in the proposed method. The torque reached in the process is maintained in the ranges of 14 Nm, the maximum temperature reached in the process was 540°C, this being 78.3% of the melting temperature of the material studied, having an adequate range for these studies.En este trabajo, los métodos se desarrollan para realizar simulaciones del proceso de soldadura por fricción y agitación utilizando el esquema de trabajo del software ANSYS, desarrollando acoplamientos multifísicos entre herramientas de dinámica de fluidos computacionales para modelar el efecto viscoplástico de la fluidez del material cuando se agita por medio de un herramienta sólida modelada en la aplicación Estructura transitoria que permite calcular los efectos termomecánicos del proceso de estudio. Los resultados muestran las validaciones correspondientes al análisis modelado y realizado experimentalmente que muestra mucha confiabilidad en el método propuesto. El torque alcanzado en el proceso se mantiene en los rangos de 14 Nm, la temperatura máxima alcanzada en el proceso fue de 540°C, siendo esta el 78.3% de la temperatura de fusión del material estudiado, teniendo un rango adecuado para estos estudios

A comparative study of corrosion resistance in welded joints of aluminium alloy AA1100 obtained by friction-stir and gas metal arc welding processes

En este estudio se evaluó el comportamiento a la corrosión de juntas soldadas obtenidas mediante soldadura por fricción-agitación y por fusión al arco eléctrico de aleación de aluminio AA1100. Con el fin de comparar los efectos de ambos procesos sobre la resistencia a la corrosión, se realizaron pruebas en cámara de niebla salina y ensayos de polarización potenciodinámica, usando cloruro de sodio con base en las normas ASTM B117 y ASTM G5, respectivamente. Se analizaron la velocidad de corrosión, pérdida de masa y curvas de comportamiento potenciodinámico. Los análisis fueron complementados con estereología y con observación de las superficies ensayadas por medio de microscopia electrónica de barrido. Los resultados muestran que la corrosión fue localizada en ambos procesos de soldadura, siendo predominante en la región de soldadura para los procesos al arco. Se presentó para el proceso al arco mayores pérdidas de masa y velocidad de corrosión que para el proceso en estado sólido.In this study was evaluated the corrosion behavior of welded joints obtained by electric arc and friction stir welding in AA1100 aluminum alloy with the aim to compare the effects of the process on the corrosion resistance. Tests were performed on salt spray chamber and potentiodynamic polarization test on welded joints based on ASTM B117 and ASTM G5 standards, respectively, using NaCl. The corrosion rate, mass loss behavior and potentiodynamic curves were analyzed. The analyzes were complemented by observation of tested surfaces with stereology and scanning electron microscopy. The results showed that localized corrosion was observed in both processes, which was stronger in the fusion region of welding arc processed samples. Furthermore, this last kind of samples showed higher mass loss and higher corrosion rate than the solid state processed samples

Effects of shoulder geometry of tool on microstructure and mechanical properties of friction stir welded joints of AA1100 aluminum alloy

In this work were studied the effects of shoulder geometry of tool on microstructure evolution and mechanical properties of friction stir welded joints of AA1100 aluminum alloy using a milling machine. Three designs of shoulder geometry were evaluated with the aim to induce different distributions of thermal cycles in welding regions. Thermal cycles were measured using thermocouples and a data system acquisition. A microstructural characterization and crystallographic analysis of the welded regions were carried out using optical, scanning electron microscopy, and electron backscattering diffraction. The mechanical properties were measured by transverse tension, guided bend and hardness tests. The weldability behavior was established based on the experimental data. Results showed that the features shoulder tools produced an important effect on the thermal cycles, generating a plasticized wide region and biggest grain size in stir zone when compared with flat shoulder tool.En este trabajo se estudiaron los efectos de la geometría del hombro de la herramienta en la evolución de la microestructura y las propiedades mecánicas de juntas soldadas de aleación de aluminio AA1100 obtenidos por fricción-agitación usando una máquina fresadora. Tres diseños de hombros se evaluaron con el objetivo de inducir distribuciones diferentes de ciclos térmicos en las regiones de soldadura. Los ciclos térmicos se midieron utilizando termopares y un sistema de adquisición de datos. Caracterización microestructural y análisis cristalográfico de las regiones soldadas se hicieron usando, microscopía óptica y electrónica de barrido, además de difracción de electrones retrodispersados. Las propiedades mecánicas se determinaron por ensayos de tracción, doblez guiado y pruebas de dureza. El comportamiento de la soldabilidad se estableció con base en datos experimentales. Los resultados mostraron que las herramientas con hombro configurado tienen un efecto importante en los ciclos térmicos, generando una amplia región plastificada y el mayor tamaño de grano en la zona de agitación en comparación con la herramienta de hombro plano

Método de acoplamiento por multifísica para simular el proceso de soldadura por Fricción - Agitación

In In this work the methods are developed to perform simulations of the friction stir welding process using the ANSYS software working scheme, developing multiphysics couplings between computational fluid dynamics tools to Model the viscoplastic effect of the fluidity of the material when it is stirred by means of a solid tool modeled in the Transient Structure application that allows calculating the thermo-mechanical effects of the study process. The results show the validations corresponding to the modeled and experimentally performed analysis showing a lot of reliability in the proposed method. The torque reached in the process is maintained in the ranges of 14 Nm, the maximum temperature reached in the process was 540°C, this being 78.3% of the melting temperature of the material studied, having an adequate range for these studies.En este trabajo, los métodos se desarrollan para realizar simulaciones del proceso de soldadura por fricción y agitación utilizando el esquema de trabajo del software ANSYS, desarrollando acoplamientos multifísicos entre herramientas de dinámica de fluidos computacionales para modelar el efecto viscoplástico de la fluidez del material cuando se agita por medio de un herramienta sólida modelada en la aplicación Estructura transitoria que permite calcular los efectos termomecánicos del proceso de estudio. Los resultados muestran las validaciones correspondientes al análisis modelado y realizado experimentalmente que muestra mucha confiabilidad en el método propuesto. El torque alcanzado en el proceso se mantiene en los rangos de 14 Nm, la temperatura máxima alcanzada en el proceso fue de 540°C, siendo esta el 78.3% de la temperatura de fusión del material estudiado, teniendo un rango adecuado para estos estudios

Método de acoplamiento por multifísica para simular el proceso de soldadura por Fricción - Agitación

In In this work the methods are developed to perform simulations of the friction stir welding process using the ANSYS software working scheme, developing multiphysics couplings between computational fluid dynamics tools to Model the viscoplastic effect of the fluidity of the material when it is stirred by means of a solid tool modeled in the Transient Structure application that allows calculating the thermo-mechanical effects of the study process. The results show the validations corresponding to the modeled and experimentally performed analysis showing a lot of reliability in the proposed method. The torque reached in the process is maintained in the ranges of 14 Nm, the maximum temperature reached in the process was 540°C, this being 78.3% of the melting temperature of the material studied, having an adequate range for these studies.En este trabajo, los métodos se desarrollan para realizar simulaciones del proceso de soldadura por fricción y agitación utilizando el esquema de trabajo del software ANSYS, desarrollando acoplamientos multifísicos entre herramientas de dinámica de fluidos computacionales para modelar el efecto viscoplástico de la fluidez del material cuando se agita por medio de un herramienta sólida modelada en la aplicación Estructura transitoria que permite calcular los efectos termomecánicos del proceso de estudio. Los resultados muestran las validaciones correspondientes al análisis modelado y realizado experimentalmente que muestra mucha confiabilidad en el método propuesto. El torque alcanzado en el proceso se mantiene en los rangos de 14 Nm, la temperatura máxima alcanzada en el proceso fue de 540°C, siendo esta el 78.3% de la temperatura de fusión del material estudiado, teniendo un rango adecuado para estos estudios

Study of phase transformations by x-ray diffraction and energy dispersive spectrometry microanalysis in welded joints AA5083-H116 with GMAW-P process and shielded gas mixture 80AR19HE1O2

En este trabajo se estudian las transformaciones de fase en las regiones de soldadura de un solo pase de la aleación AA5083-H116 con proceso GMAW-P automatizado, con gas de protección 80Ar19He1O2, material de aporte ER5183 y con diferentes aportes térmicos. La metodología incluyó un análisis previo de resultados de microscopia óptica que permitió identificar cambios morfológicos en la estructura de las regiones en estudio. Se usó simulación termodinámica computacional mediante el método Calphad para obtener los campos de estabilidad de las fases en aleaciones Al-Mg. A través de microscopía electrónica de barrido y espectrometría por dispersión de energías de rayos X, se identificaron, tanto la morfología, como la composición química de los precipitados en las regiones de soldadura. Finalmente, se utilizó difracción de rayos X, permitiendo obtener difractogramas de las regiones bajo diferentes condiciones de soldadura. Los resultados muestran que, con los diferentes aportes térmicos usados, predomina la matriz FCC rica en Al con Mg en solución sólida, mientras variaron las proporciones de precipitados intermedios de segunda fase FeAl6, FeAl y MnAl12 en las regiones de soldadura.In this work we studied the phase transformations in a single pass welding joint of AA5083-H116 alloy using GMAWP automated process, 80Ar19He1O2 shielding gas mixture, ER5183 filler metal and different heat inputs. The methodology included a preliminary analysis using optical microscopy, which identified morphological changes in microstructure of studied welding regions. A series of computational thermodynamic simulations, based on Calphad method, were used to calculate the phase stability fields in Al-Mg alloys. Scanning electron microscopy and energy dispersive spectrometry techniques were used to identify the morphology and the chemical composition of those precipitates found in welded regions. Finally, X-ray diffraction was used to obtain diffraction patterns of the regions under different welding conditions. Under different heat input values, our results showed that Al-rich FCC matrix with Mg in solid solution predominates in the microstructure, whereas, the proportions of secondary phases (FeAl6, FeAl and MnAl12) changed in some regions of the welded joint

Weldability of High Density Polyethylene Using Friction Stir Welding with a Non-rotational Shoulder Tool

En este trabajo se estudió la soldabilidad de polietileno de alta densidad (PEAD) mediante el proceso de soldadura por fricción agitación (SFA), usando dos herramientas diferentes, una convencional y otra con hombro no rotacional, denominada no convencional. La evaluación comparativa fue realizada bajo combinaciones de los parámetros de velocidad de rotación (vW) y velocidad de avance (vA) ajustados para cada herramienta. La soldabilidad fue valorada con base en inspección visual, la presencia de discontinuidades mediante estereoscopia y microscopia confocal y la dureza en las juntas soldadas. Como resultado se obtuvo que la herramienta no convencional permitió obtener juntas soldadas libres de discontinuidades y con excelente apariencia externa gracias al menor calor aportado. La dureza en la zona agitada fue menor a la del material base, mostrando comportamientos diferenciados en los lados de avance y retroceso en función de los parámetros de procesoIn this work was studied the weldability of high density polyethylene (HDPE) using friction stir welding (FSW) process, and two kind of tools, denominated conventional, and non-conventional tool, which has a non-rotating shoulder. Evaluation was performed using combination of parameters of rotation speed (vW) and welding speed (vA), which were adjusted for each type of tool. Weldability was estimated based on visual inspection, the presence of discontinuities, and tests of stereoscopy and confocal microscopy, and hardness in welded joints. Results shows that the unconventional tool obtains welded joints free of discontinuities and an excellent external appearance due to low heat input. The hardness decreased in the stirred zone compared to material base, showing different behavior on the retreating and advancing sides, depending on the process parameters

Strain analysis of an electromechanical device for force measurement in friction stir welding developed in a universal milling machine /

En este trabajo fue desarrollado el análisis del comportamiento de las deformaciones de un dispositivo electromecánico de medición de fuerzas axiales y horizontales durante el proceso de soldadura por fricciónagitación (SFA). Se detalla la metodología del diseño mecánico del dispositivo y su fabricación. Se realizó simulación computacional de las deformaciones y los esfuerzos involucrados durante la operación usando técnicas de elementos initos con el programa ANSYS®, cuyos resultados fueron comparados con el desempeño real del dispositivo durante la soldadura de una placa de aluminio comercialmente puro. Los resultados mostraron que el intervalo de valores de las deformaciones unitarias simuladas está entre 3,19×10-10 y 3,34×10-3 mm.mm-1, intervalo que tuvo una diferencia menor al 10% con los valores reales medidos. Estos valores sirvieron para validar la posición y precisión de los sensores de deformación (galgas extensiométricas), los cuales son usados para realizar la medida de fuerzas en los sentidos horizontal y vertical durante el proceso SFA.ABSTRACT In this work was analyzed the behavior of strain in an electromechanical device for measuring axial and horizontal forces during friction stir welding (FSW) process. It was described the methodology of mechanical design of the measurement device and its manufacturing. Computer simulation using inite element analysis with ANSYS ® program was used to calculate the strain and stresses involved during operation. Obtained results were compared with the experimental performance of the device during the welding of a commercially pure aluminum plate. The results showed that the range of simulated strain values was between 3.19 × 10-10 and 3.34 × 10-3 mm.mm-1, which had a diference 10% less compared to actual values measured. Obtained values were used to validate the accuracy and the position of strain sensors (strain gages), which were used for measurement of forces in the horizontal and vertical directions of SFA process