Mecanismo de fratura por queda de ductilidade em ligas Ni-Cr-Fe
Jimy Unfried Silgado
TESE
Português
T/UNICAMP Un2m
[Ductility-dip cracking mechanism in Ni-Cr-Fe alloys]
Campinas, SP : [s.n.], 2010.
213 p. : il.
Orientador: Antonio José Ramírez Londoño
Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica
Resumo: 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...
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Resumo: 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.
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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.
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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...
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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.
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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.
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Ramírez Londoño, Antonio José
Orientador
Tschipstchin, André Paulo
Avaliador
Nunes, Carlos Angelo
Avaliador
Ferreira, Itamar, 1952-
Avaliador
Button, Sérgio Tonini, 1958-
Avaliador
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