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Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.3.2019.tde-26022018-154047
Document
Author
Full name
Ana Paola Villalva Braga
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2017
Supervisor
Committee
Tschiptschin, Andre Paulo (President)
Júnior, Mário Boccalini
Monteiro, Maurício de Jesus
Serantoni, Claudia Regina
Souza, Roberto Martins de
Title in Portuguese
Investigação dos mecanismos de nucleação de trincas de fadiga térmica em um aço ferramenta com carbonetos de nióbio.
Keywords in Portuguese
Aço ferramenta
Carboneto de nióbio
Fadiga dos materiais
Nucleação de trinca
Oxidação
Abstract in Portuguese
Foram realizados ensaios de fadiga térmica em um aço ferramenta com carbonetos de nióbio, aplicando-se exclusivamente tensões térmicas aos corpos de prova, a partir do controle da temperatura a cada ciclo térmico e da atmosfera a que o corpo de prova foi exposto. O objetivo deste trabalho foi investigar e entender os mecanismos de nucleação de trincas de fadiga térmica e da formação da malha de trincas na superfície em corpos de prova submetidos a ciclos térmicos semelhantes aos sofridos por ferramentas de conformação a quente. Para isso, olhou-se em maiores detalhes para as características da superfície durante os primeiros estágios da formação das trincas e para a microestrutura próxima à superfície. Foram realizados ensaios de oxidação estática, medição do campo de temperaturas, cálculo de tensões por modelamento com elementos finitos e ensaios de fadiga térmica com variação de quatro condições de ensaio: temperatura máxima, velocidade de aquecimento, dureza do material e atmosfera. O dano após os ensaios de fadiga térmica foi avaliado a cada 1000 ciclos em microscópio óptico para medição da densidade de trincas secundárias (de relevância secundária, mas que geralmente surgem primeiro). Após a falha, os corpos de prova foram analisados em seção transversal e por tomografia de raios-X, para caracterização das trincas primárias (de maior relevância). Ao final do trabalho, conclui-se que o estudo de fadiga térmica deve sempre estar associado ao estudo da oxidação do material, para simular as condições de operação normal de ferramentas. Os mecanismos de surgimento de uma malha de trincas secundária, restrita à camada de óxido, e uma malha de trincas primária, que leva o material à falha, são distintos porém relacionados. A formação de malha secundária acelera a nucleação de trincas primárias pelo surgimento de pontos de concentração de tensão e de oxidação preferencial. Os carbonetos de nióbio têm papel importante na nucleação de trincas primárias e secundárias, pela formação de interface e pela concentração de tensões. Todos os parâmetros variados nos ensaios tiveram impacto relevante na evolução do dano de fadiga térmica, sendo que alguns causam efeito na malha secundária e outros influenciam a malha primária e o tempo de vida dos corpos de prova.
Title in English
Investigation of the mechanisms of thermal fatigue crack nucleation in a tool steel with niobium carbides.
Keywords in English
Crack nucleation
Niobium carbide
Oxidation
Thermal fatigue
Tool steel
Abstract in English
Thermal fatigue tests were carried out in a tool steel with niobium carbides, applying only thermal stresses to the test specimens, by temperature and atmosphere control on each thermal cycle to which the specimen was exposed. The aim of this work was to investigate and understand the nucleation mechanisms of thermal fatigue and the formation of the crack network on the surface in specimens subjected to thermal cycles similar to those suffered by hot forming tools. For this, we looked in greater detail for the surface characteristics during the early stages of cracking and for the microstructure close to the surface. Static oxidation tests, measurement of the temperature fields, stress calculation by finite element modeling and thermal fatigue tests with four test conditions were performed: maximum temperature, heating rate, material hardness and atmosphere. The damage after the thermal fatigue tests was evaluated every 1000 cycles under optical microscope to measure the secondary crack density (of secondary relevance, which usually arise first). After the failure, the specimens were analyzed in cross-section and by X-ray tomography, to characterize the primary cracks (of major relevance). At the end, it is concluded that the study of thermal fatigue must always be associated to the study of the oxidation of the material, to simulate the normal operating conditions of tools. The mechanisms for the appearance of a secondary crack network, restricted to the oxide layer, and a primary crack network, which leads the material to failure, are distinct but related. Secondary network formation accelerates the nucleation of primary cracks by the appearance of preferential stress concentration and oxidation sites. The niobium carbides play an important role in the nucleation of primary and secondary cracks, by formation of interfaces and concentration of stresses. All parameters varied in the tests had a relevant impact on the evolution of the thermal fatigue damage, some of which have an effect on the secondary network and others influence the primary network and the lifetime of the specimens.
 
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Publishing Date
2019-12-13
 
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