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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.3.2018.tde-16072018-134449
Documento
Autor
Nome completo
André Caetano Melado
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2018
Orientador
Banca examinadora
Goldenstein, Helio (Presidente)
Albertin, Eduardo
Guesser, Wilson Luiz
Júnior, Mário Boccalini
Silva, Wanderson Santana da
Título em português
Ferros fundidos nodulares de alta resistência obtidos por tratamento térmico de têmpera e partição: microestrutura e comportamento mecânico.
Palavras-chave em português
Fadiga dos materiais
Fraturas
Têmpera (Engenharia)
Tenacidade dos materiais
Resumo em português
A aplicação do novo conceito de tratamento térmico, chamado de têmpera e partição (Q&P), desenvolvido para a obtenção de aços da terceira geração da classe AHSS (Advanced high strengh steel ou aços avançados de alta resistência), mostra-se uma alternativa para o processamento de ferros fundidos nodulares com alta resistência mecânica. No processo Q&P, o carbono presente na martensita supersaturada, formada na etapa de têmpera, é utilizado para estabilizar a austenita não transformada durante a etapa de partição, mantendo-a estável na temperatura ambiente. Essa rota de tratamento térmico consiste em realizar uma têmpera no material (após uma etapa prévia de austenitização) numa faixa de temperatura entre o Ms e Mf (temperatura de início e fim da transformação martensítica, respectivamente), seguido de um reaquecimento e manutenção a uma temperatura acima do Ms (etapa isotérmica de partição) com o objetivo de que o carbono migre da martensita supersaturada para a austenita remanescente promovendo sua estabilização. Essa partição do carbono só é possível caso a precipitação da cementita seja suprimida, e isso é conseguido com a presença de elementos de liga, como o Si e/ou Al. Neste trabalho foi feito um estudo sobre as características microestruturais e mecânicas de um ferro fundido nodular (3,47%C; 2,47%Si; 0,2%Mn) submetido ao tratamento térmico de têmpera e partição, o qual foi denominado neste trabalho como, Q&PDI (Quenched and Partitioned Ductile Iron ou Ferro Fundido Nodular Temperado e Particionado). Para isso foi realizada uma austenitização plena nas amostras, a 880°C, por duas horas, seguida de uma têmpera em óleo pré-aquecido nas temperaturas de 140 e 170°C. A etapa de partição foi feita nas temperaturas de 300, 375 e 450°C, com intervalos de tempo variando de 5 a 120 minutos. A caracterização microestrutural foi realizada através de microscopia ótica, microscopia eletrônica de varredura e EBSD. A técnica de difração de raios-X foi empregada para quantificar a fração volumétrica e o teor de carbono na austenita retida. Ensaios de dilatometria, difração de raios-X "in situ" e nanoindentação foram empregados para auxiliar na análise das transformações de fases que ocorreram na etapa de partição, como a transformação bainítica e a precipitação de carbonetos de transição nas placas de martensita. A caracterização mecânica foi feita através de ensaios de tração, impacto, dureza, nanoindentação, tenacidade à fratura e resistência à fadiga. Ensaios de compressão auxiliaram na análise da transformação martensítica induzida por deformação. Os resultados obtidos mostraram que é possível obter ferros fundidos nodulares com alta resistência mecânica (limite de resistência >1450 MPa), com consideráveis ductilidade (de até 9%) e energia absorvida sob impacto (de até 81 J), bem como tenacidades à fratura de 55 MPa.m1/2 e limites de fadiga de 550 MPa. Este comportamento é proporcionado por uma microestrutura singular, constituída por uma dispersão homogênea de placas de martensita numa matriz de ausferrita bastante refinada, com consideráveis frações volumétricas de austenita retida (max. 23%).
Título em inglês
High strength ductile iron obtained by quenching and partitioning heat treatment microstructure and mechanical behavior.
Palavras-chave em inglês
Bainitic transformation
Ductile cast iron
Fatigue
Fracture toughness
Quenching and Ppartitioning
TRIP effect
Resumo em inglês
Quenching and partitioning (Q & P), a new heat treatment concept developed to obtain third generation AHSS (Advanced High Strength Steel), is an alternative for processing of nodular cast irons in order to obtain high mechanical strength. In the Q & P process, the carbon present in the supersaturated martensite formed in the quenching step diffuses towards the untransformed austenite during the partition step, keeping it stable at room temperature. This heat treatment route consists of quenching the material (after a previous step of austenitization) in a temperature range between Ms and Mf (beginning and end temperature of the martensitic transformation, respectively), followed by reheating and maintenance at a temperature above the Ms (isothermal stage of partition) allowing the carbon to migrate from the supersaturated martensite to the remaining austenite, promoting its stabilization. This partition of carbon is only possible if precipitation of cementite is suppressed; this is achieved adding alloying elements such as Si and/or Al. In this work a study was made on the microstructural and mechanical characteristics of a ductile iron (3.47%C; 2.47%Si; 0.2%Mn), submitted to a Q&P heat treatment, in this work named Q & PDI (Quenched and Partitioned Ductile Iron). A full sample austenitization was carried out at 880 ° C for two hours, followed by a pre-heated oil quanching at temperatures of 140 and 170 ° C. The partitioning step was at temperatures of 300, 375 and 450Â ° C, with time intervals ranging from 5 to 120 minutes. Microstructural characterization was performed through optical microscopy, scanning electron microscopy and EBSD. The X-ray diffraction technique was used to quantify the volumetric fraction and the carbon content in the retained austenite. Dilatometry, X-ray diffraction "in situ" and nanoindentation were also used to aid in the analysis of the phase transformations that occurred in the partitioning stage, such as the bainitic transformation and the precipitation of transition carbides in the martensite plates. Mechanical characterization was performed through tensile, impact, hardness, nanoindentation, fracture toughness and fatigue strength tests. Compression tests aided in the analysis of the deformation induced martensitic transformation. The results showed that it is possible to obtain nodular cast irons with high mechanical strength (resistance limit> 1450 MPa), with considerable ductility (up to 9%) and energy absorbed under impact (up to 81 J), as well as fracture toughness of 55 MPa.m -1 / 2 and fatigue limits of 550 Mpa. This behavior is provided by a unique microstructure, consisting of a homogeneous dispersion of martensite plates in a very refined ausferrite matrix, with considerable volumetric fractions of retained austenite (max. 23%).
 
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Data de Publicação
2018-07-23
 
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