Microstructural characterization of layers produced by plasma nitriding on austenitic and superaustenitic stainless steel grades

High chromium content is responsible for the formation of a protective passive surface layer on austenitic stainless steels (ASS). Due to their larger amounts of chromium, superaustenitic stainless steels (SASS) can be chosen for applications with higher corrosion resistance requirements. However, both of them present low hardness and wear resistance that has limited their use for mechanical parts fabrication. Plasma nitriding is a very effective surface treatment for producing harder and wear resistant surface layers on these steel grades, without harming their corrosion resistance if low processing temperatures are employed. In this work UNS S31600 and UNS S31254 SASS samples were plasma nitrided in temperatures from 400 °C to 500 °C for 5 h with 80% H 2-20% N2 atmosphere at 600Pa. Nitrided layers were analyzed by optical (OM) and transmission electron microscopy (TEM), x-ray diffraction (XRD), and Vickers microhardness testing. Observations made by optical microscopy showed that N-rich layers were uniform but their thicknesses increased with higher nitriding temperatures. XRD analyses showed that lower temperature layers are mainly composed by expanded austenite, a metastable nitrogen supersaturated phase with excellent corrosion and tribological properties. Samples nitrided at 400 °C produced a 5 μm thick expanded austenite layer. The nitrided layer reached 25 lm in specimens treated at 500 °C. There are indications that other phases are formed during higher temperature nitriding but XRD analysis was not able to determine that phases are iron and/or chromium nitrides, which are responsible for increasing hardness from 850 up to 1100 HV. In fact, observations made by TEM have indicated that formation of fine nitrides, virtually not identified by XRD technique, can begin at lower temperatures and their growth is affected by both thermodynamical and kinetics reasons. Copyright © 2012 by ASTM International.

Development of an optimized methodology for tensile testing of carbon steels in hydrogen environment

The study was performed at OCAS, the Steel Research Centre of ArcelorMittal for the Industry market. The major aim of this research was to obtain an optimized tensile testing methodology with in-situ H-charging to reveal the hydrogen embrittlement in various high strength steels. The second aim of this study has been the mechanical characterization of the hydrogen effect on hight strength carbon steels with varying microstructure, i.e. ferrite-martensite and ferrite-bainite grades. The optimal parameters for H-charging - which influence the tensile test results (sample geometry type of electrolyte, charging methods effect of steel type, etc.) - were defined and applied to Slow Strain Rate testing, Incremental Step Loading and Constant Load Testing. To better understand the initiation and propagation of cracks during tensile testing with in-situ H-charging, and to make the correlation with crystallographic orientation, some materials have been analyzed in the SEM in combination with the EBSD technique. The introduction of a notch on the tensile samples permits to reach a significantly improved reproducibility of the results. Comparing the various steel grades reveals that Dual Phase (ferrite-martensite) steels are more sensitive to hydrogen induced cracking than the FB (ferritic-bainitic) ones. This higher sensitivity to hydrogen was found back in the reduced failure times, increased creep rates and enhanced crack initiation (SEM) for the Dual Phase steels in comparison with the FB steels.

Market potentialfor free-cutting steels in Europe

Työn tavoitteena oli selvittää tilannetta Euroopan automaattiteräsmarkkinoilla ja sen perusteella arvioida Imatra Steelin mahdollisuuksia kilpailla kyseessä olevilla markkinoilla. Tärkein tavoite oli kokonaismarkkinapotentiaalin arvioiminen Saksan, Ruotsin, Englannin ja Suomen markkinoilla. Lisäksi selvitettiin käytetyt automaattiteräslajit ja mitta-alue, hintataso sekä koneistukseenliittyviä teknisiä yksityiskohtia.Tavoitteena oli myös kartoittaa asenteita ja mielipiteitä mahdollisesta lyijyn käytön kieltämisestä teräksen seosaineena tulevaisuudessa. Paremman kokonaiskuvan saamiseksi analysoitiin myös kilpailutilannetta Euroopassa. Työn teoriakehyksessä tutkittiin teollisuustuotteiden markkinatutkimuksen suorittamisen erityispiirteitä, markkinapotentiaalin määrittämiseen liittyviä käsitteitä ja kilpailija-analyysin suorittamista. Empiirinen tutkimus suoritettiin pääasiassa asiantuntijoiden haastattelujen ja kyselyjen avulla. Haastateltavina oli tukkureita ja loppukäyttäjiä. Kilpailutilanteen kartoittaminen perustuu lähinnä sekundääriseen tietoon, Internet-sivuihin ja myyntikonttoreiden aikaisemmin keräämään tietoon.Automaattiterästen kokonaispotentiaaliksi Euroopassa arvioitiin miljoona tonnia ja suurin osa kaupasta käydään tutkituilla markkina-alueilla. Suurimmat volyymit sijoittuvat pienemmille mitta-alueille, Æ 12 - 50 mm. Markkinoita hallitsee muutama suuri teräksen valmistaja. Imatra Steel kohtuullisen pienenä toimittajana ei pysty kilpailemaan volyymilla ja tuotevalikoimallaan suurten teräsjättien kanssa. Imatra Steelin mahdollinen strategiavaihtoehto olisi yrittää löytää ne kapeat segmentit ja markkinaraot, joilla sen tuotteet jatietotaito tuovat asiakkaalle suurimman mahdollisen hyödyn verrattuna kilpailijoihin.

Pyörivän magneettivuon aiheuttamien tehohäviöiden mittaus sähköteräslevystä.

Kiertomagnetoinnin, eli pyörivän magneettivuon, on havaittu aiheuttavan sähkökoneiden rautapiireissä käytetyissä sähköteräslevyissä merkittävästi vaihtovuota suuremman tehohäviön. Sähkökoneet suunnitellaan käyttäen vaihtovuomittaukseen perustuvia levymateriaalin tehohäviöarvoja, vaikka pyörivien sähkökoneiden rautapiireissä on alueita, joissa esiintyy pyörivä vuontiheysjakauma. Tämän johdosta rautahäviöiden tarkka laskeminen on vaikeaa. Työssä käsitellään rautaa magneettisena materiaalina, siinä muodostuvia tehohäviöitä vaihtovuolla sekä pyörivällä magneettivuolla sekä esitetään pyörivän magneettivuon aiheuttamien tehohäviöiden mittaukseen soveltuvat mittalaitteet ja laitteiden toiminnan perusta. Pyörivän magneettivuon aiheuttamat tehohäviöt määritetään sähkö- ja magneettikentänvoimakkuuden mittaukseen perustuvalla laitteistolla, joka suunniteltiin ja valmistettiin työn yhteydessä. Mittaukset suoritettiin kidesuuntaamattomille sähköteräksille M350-50A, M600-50A ja M800-50A. Mittaustulosten perusteella laitteistoa voidaan pitää toimivana.

Immersioultraäänitutkimuksen kehittäminen

Teräksenvalmistajilta edellytetään jatkuvasti panostusta laadun ja laadunvarmistuksen kehittämiseen. Teräksen laatu ja puhtaus korostuvat varsinkin silloin, kun terästä käytetään vaativiin käyttökohteisiin, kuten autoteollisuuden tarpeisiin. Ultraäänitarkastusmenetelmää käytetään laadun-varmistuksessa teräksen sisävikojen etsimiseen. Ultraäänitarkastuksessa lähetetään suuritaajuuksista ääntä kappaleeseen. Ääni etenee materiaalissa ja heijastuu erilaisista epäjatkuvuuskohdista. Luotaimeen palaavaa ääntä analysoimalla saadaan tietoa teräksestä ja sen sisävioista. Ultraäänitarkastuksen ongelmana on vian tyypin määrittäminen hankaluus sekä herkkyys tutkittavan materiaalin aineominaisuuksille. Työn tavoitteena oli immersioultraäänitarkastuksen kehittäminen sovellettuna teräksenvalmistajan tarpeisiin. Materiaalin aineominaisuuksista tutkittiin seostuksen vaikutusta. Teräslajit tarkastettiin valssitilaisena, karkaistuna ja normalisoituna. Lisäksi tutkittiin kappaleen pinnankarheuden ja -muodon vaikutusta tarkastukseen. Vikatyyppien tunnistamisen mahdollisuuksia ultra-äänitarkastuksessa selvitettiin käyttäen FFT- taajuusanalyysiä. Erilailla lämpökäsitellyillä teräslajeilla näytti eniten tuloksiin vaikuttavan terästen raekoko. Valssitilaisilla teräksillä raekoko on suuri, jolloin ultraääni vaimenee voimakkaasti teräksessä. Huomattavaa kuitenkin oli, että mikäli lämpö-käsittelyillä ei teräksen raekokoa saada juuri pienennettyä, ei myöskään vaimeneminen vähene. Tämän vuoksi lämpökäsittely ei välttämättä ole aina tarpeellinen valmisteltaessa ultraääninäytteitä. Fourier’n taajuusanalyysissä huomattiin olevan eroavaisuuksia verrattaessa huokosista ja sulkeumista palaavien kaikujen taajuusspektrejä. Näiden tulosten perusteella näyttäisi olevan mahdollista käyttää FFT- menetelmää ultraääni-tarkastuksessa vikojen luokitteluun.

WiseRoot-prosessilla hitsatun päittäisliitoksen väsymislujuus

Työssä tutkittiin Kempin WiseRoot-prosessilla hitsattujen päittäisliitosten väsymiskestävyyttä laboratoriokokein ja väsymiskestävyyden mitoitusmenetelmillä. WiseRoot-hitsausprosessi on räätälöity lyhytkaariprosessi juuripalkojen hitsaukseen yhdeltä puolelta. Väsytyskoekappaleissa käytettiin eri lujuusluokan rakenneteräksiä sekä materiaalipaksuuksia. Mantsinen Group Ltd Oy hitsasi lisäksi yhdeltä ja kahdelta puolelta hitsattuja vertailukappaleita normaalilla MAG-hitsausprosessilla. Väsymismitoitus tehdään yleisesti perustuen väsymisluokkiin, joten väsytyskokeilla ja mitoitusmenetelmillä saatuja tuloksia tarkasteltiin näiden luokitusten avulla. Tuloksia vertailtiin sekä keskenään että standardeista löytyviin väsymisluokkasuosituksiin. Väsymiskestävyyden mitoitusmenetelmistä työssä käytettiin nimelliseen jännitykseen, teholliseen lovijännitykseen ja paikalliseen venymään perustuvaa menetelmää sekä murtumismekaniikkaa. Laboratoriokokeiden perusteella voidaan todeta, että WiseRoot-hitsausprosessilla on mahdollista tuottaa yhdeltä puolelta päittäisliitos, jonka väsymiskestävyys on verrattavissa kahdelta puolelta hitsattuun päittäisliitokseen. Mitoitusmenetelmillä saadut tulokset olivat pääsääntöisesti konservatiivisia verrattuna koetuloksiin. Ainoastaan paikalliseen venymään perustuvalla menetelmällä saadut väsymisluokat olivat suurempia kuin väsytyskoetulosten perusteella lasketut väsymisluokat.

The laser weldability of lean duplex stainless steels

Ruostumattomien terästen hinta on kasvanut maailman laajuisen kysynnän kasvun seurauksena. Samoin on käynyt myös ruostumattomien terästen valmistukseen käytettävien seosaineiden hinnalle. Terästen valmistajat ovatkin kehittäneet lean duplex teräksiä vastatakseen hintatietoisten markkinoiden kysyntään. Näissä lean duplex teräksissä kalliita seosaineita kuten nikkeliä ja molybdeenia on korvattu typellä ja mangaanilla. Houkutteleviksi vaihtoehdoiksi perinteisille ruostumattomille teräksille lean duplex laadut tekee myös niiden hyvät lujuus- ja korroosio-ominaisuudet. Kirjallisuus osio esittelee lasereiden toimintaperiaatteen. Myös avaimenreikähitsauksen periaate on esitetty. Ruostumattomien terästen yleisimmät seosaineet ovat esitelty, kuten myös syy niiden seostamiseen. Ruostumattomat duplex-teräkset on esitelty samoin kuin lean duplex teräkset. Kokeellisen osion koehitsit hitsattiin osin samalla tuotantolinjalla lopputuotteen kanssa ja osin laboratoriossa. Koemateriaaleina olivat lean duplex teräkset 1.4162 ja 1.4362 joiden materiaalipaksuudet olivat 1.2 mm ja 1.5 mm. Hitsatuille lamelleille tehtiin painetestaus. Makroskopiaa ja valomikroskopiaa käytettiin koehitsien arvioinnissa kuten myös ristivetokoetta. Kiinnostavimmista hitseistä määritettiin myös faasisuhde. Lean duplex teräs 1.4362 havaittiin sopivammaksi laaduksi tämän kaltaisessa sovelluksessa, mutta myös laatu 1.4162 täyttää sovelluksen hitsille asetetut vaatimukset, tosin huomattavasti pienemmässä parametri ikkunassa. Valittu menetelmä faasisuhteen määrittämiseen osoittautui epätarkaksi, joten faasisuhteen osalta tämän tutkimuksen tulokset ovat vain suuntaa-antavia.

Feasibility studies of the weldability of structural steels used in the offshore environment

The rising demand for oil and gas has made it very necessary for the oil and gas industries to explore the offshore. There is a huge resources which is available in the offshore. The search for oil and gas is faced with greater challenges because of the nature of the marine environment as it poses difficult and harsh conditions for the construction of offshore structures. The major problem of the construction of offshore structure is the ability to produce a sound weld that gives the whole structure the structural integrity needed to withstand the harsh environmental conditions. This research work presents the performance of typical offshore steels with improved weldability. The ability of reducing the carbon content of thermo-mechanically rolled steels down to 0.08% makes it possible to achieve good weldability, toughness and strength for high strength steels used in offshore applications. Importantly, the ideal welding procedure should be strictly followed as recommended. The fabrication process is as important as the welding procedure in achieving a sound weld which is free of weld defects such as hydrogen induced cracking, lamellar tearing and solidification cracking. This research work also considers the corrosion as it affects offshore structure and necessary measures to mitigate the problem caused by corrosion.

Capacity of an I-beam made of S960 QC based on Eurocode 3

The capacity of beams is a very important factor in the study of durability of structures and structural members. The capacity of a high-strength steel I-beam made of S960 QC was investigated in this study. The investigation included assessment of the service limits and ultimate limits of the steel beam. The thesis was done according to European standards for steel structures, Eurocode 3. An analytical method was used to determine the throat thickness, deformation, elastic and plastic moment capacities as well as the fatigue life of the beam. The results of the analytical method were compared with those obtained by Finite Element Analysis (FEA). Elastic moment capacity obtained by the analytical method was 172 kNm. FEA and the analytical method predicted the maximum lateral-torsional buckling (LTB) capacity in the range of 90-93 kNm and the probability of failure as a result of LTB is estimated to be 50%. The lateral buckling capacity meant that the I-beam can carry a safe load of 300 kN instead of the initial load of 600 kN. The beam is liable to fail shortly after exceeding the elastic moment capacity. Based on results in of the different approaches, it was noted that FEA predicted higher deformation values on the load-deformation curve than the analytical results. However, both FEA and the analytical methods predicted identical results for nominal stress range and moment capacities. Fatigue life was estimated to be in the range of 53000-64000 cycles for bending stress range using crack propagation equation and strength-life approach. As Eurocode 3 is limited to steel grades up to S690, results for S960 must be verified with experimental data and appropriate design rules.

Lujasta teräksestä valmistetun palkin poikkileikkauksen optimointi

Parin viime vuosikymmenen aikana on kehitetty huomattavasti entistä lujempia teräslaatuja, joiden käyttö ei kuitenkaan ole yleistynyt läheskään samaan tahtiin. Korkeamman hinnan lisäksi yksi merkittävä syy tähän on, että suunnittelijoilla ei usein ole riittäviä tietoja siitä, millaisissa tilanteissa lujemman teräslaadun käytöstä on merkittävää hyötyä. Tilannetta ei myöskään helpota se, että käytössä olevat standardit eivät tarjoa lainkaan ohjeistusta kaikkein lujimpien, myötörajaltaan yli 700MPa terästen käyttöön ja mitoitukseen. Tässä työssä pyritään tarjoamaan suunnittelijalle ohjeita ja nyrkkisääntöjä sopivan lujuusluokan ja profiilin valintaan sekä yleisesti lujempien teräslaatujen käyttöön. Lujemman teräslaadun käytöllä voidaan keventää suunniteltavaa rakennetta ja saada aikaan huomattavia painonsäästöjä. Usein ongelmaksi nousevat kuitenkin stabiiliuskriteerit, sillä teräksen lommahduskestävyys määräytyy suuresti sen lujuusluokasta siten, että mitä lujempaa teräs on, sitä helpommin se lommahtaa. Kun tämä yhdistetään siihen, että lujempaa terästä käytettäessä rakenteesta tulee optimoituna muutenkin pienempi ja kevyempi, kasvaa näiden kahden asian yhteisvaikutuksena kantokyvyn mukaan mitoitetun rakenteen taipuma korkeampiin lujuusluokkiin edetessä hyvin nopeasti sallittujen rajojen yli. Työssä etsitään siksi keinoja sopivan kompromissin löytämiseksi lujuuden ja jäykkyyden välille. Koska muotoilulla ja poikkileikkauksella on suuri merkitys sekä taipuman että stabiliteetin kannalta, tutkitaan erilaisia poikkileikkausvaihtoehtoja ja etsitään optimaalista poikkileikkausta taivutuspalkille matemaattisen optimointimallin avulla. Kun eri poikkileikkausvaihtoehdot on käsitelty ja optimoitu taivutuksen suhteen, tutkitaan poikkileikkauksia myös muissa kuormitustapauksissa. Huomattavan raskaan laskentatyön takia apuna käytetään Matlab-ohjelmistoa itse optimointiin ja Femap-ohjelmaa muiden kuormitustapausten tutkimiseen ja tulosten verifioitiin.

S960 QC teräksisen I-palkin äärikestävyyden määrittäminen

Tämän työn tavoitteena oli selvittää eurooppalaisen teräsrakenteiden suunniteltustandardin, Eurokoodi 3:n, soveltuvuus ultralujille teräksille. Tällä hetkellä kyseinen standardi pitää sisällään teräslajit vain S700-teräslajiin asti. Tässä kandidaatintyössä selvitettiin S960 QC –teräksisen I-palkin äärikestävyys ja tarkasteltiin nykyisten suunnitteluohjeiden paikkansapitävyyttä.

An Experimental Study of Submerged Entry Nozzles (SEN) Focusing on Decarburization and Clogging

The submerged entry nozzle (SEN) is used to transport the molten steel from a tundish to a mould. The main purpose of its usage is to prevent oxygen and nitrogen pick-up by molten steel from the gas. Furthermore, to achieve the desired flow conditions in the mould. Therefore, the SEN can be considered as a vital factor for a stable casting process and the steel quality. In addition, the steelmaking processes occur at high temperatures around 1873 K, so the interaction between the refractory materials of the SEN and molten steel is unavoidable. Therefore, the knowledge of the SEN behaviors during preheating and casting processes is necessary for the design of the steelmaking processes  The internal surfaces of modern SENs are coated with a glass/silicon powder layer to prevent the SEN graphite oxidation during preheating. The effects of the interaction between the coating layer and the SEN base refractory materials on clogging were studied. A large number of accretion samples formed inside alumina-graphite clogged SENs were examined using FEG-SEM-EDS and Feature analysis. The internal coated SENs were used for continuous casting of stainless steel grades alloyed with Rare Earth Metals (REM). The post-mortem study results clearly revealed the formation of a multi-layer accretion. A harmful effect of the SENs decarburization on the accretion thickness was also indicated. In addition, the results indicated a penetration of the formed alkaline-rich glaze into the alumina-graphite base refractory. More specifically, the alkaline-rich glaze reacts with graphite to form a carbon monoxide gas. Thereafter, dissociation of CO at the interface between SEN and molten metal takes place. This leads to reoxidation of dissolved alloying elements such as REM (Rare Earth Metal). This reoxidation forms the “In Situ” REM oxides at the interface between the SEN and the REM alloyed molten steel. Also, the interaction of the penetrated glaze with alumina in the SEN base refractory materials leads to the formation of a high-viscous alumina-rich glaze during the SEN preheating process. This, in turn, creates a very uneven surface at the SEN internal surface. Furthermore, these uneven areas react with dissolved REM in molten steel to form REM aluminates, REM silicates and REM alumina-silicates. The formation of the large “in-situ” REM oxides and the reaction of the REM alloying elements with the previously mentioned SEN´s uneven areas may provide a large REM-rich surface in contact with the primary inclusions in molten steel. This may facilitate the attraction and agglomeration of the primary REM oxide inclusions on the SEN internal surface and thereafter the clogging. The study revealed the disadvantages of the glass/silicon powder coating applications and the SEN decarburization. The decarburization behaviors of Al2O3-C, ZrO2-C and MgO-C refractory materials from a commercial Submerged Entry Nozzle (SEN), were also investigated for different gas atmospheres consisting of CO2, O2 and Ar. The gas ratio values were kept the same as it is in a propane combustion flue gas at different Air-Fuel-Ratio (AFR) values for both Air-Fuel and Oxygen-Fuel combustion systems. Laboratory experiments were carried out under nonisothermal conditions followed by isothermal heating. The decarburization ratio (α) values of all three refractory types were determined by measuring the real time weight losses of the samples. The results showed the higher decarburization ratio (α) values increasing for MgO-C refractory when changing the Air-Fuel combustion to Oxygen-Fuel combustion at the same AFR value. It substantiates the SEN preheating advantage at higher temperatures for shorter holding times compared to heating at lower temperatures during longer holding times for Al2O3-C samples. Diffusion models were proposed for estimation of the decarburization rate of an Al2O3-C refractory in the SEN. Two different methods were studied to prevent the SEN decarburization during preheating: The effect of an ZrSi2 antioxidant and the coexistence of an antioxidant additive and a (4B2O3 ·BaO) glass powder on carbon oxidation for non-isothermal and isothermal heating conditions in a controlled atmosphere. The coexistence of 8 wt% ZrSi2 and 15 wt% (4B2O3 ·BaO) glass powder of the total alumina-graphite refractory base materials, presented the most effective resistance to carbon oxidation. The 121% volume expansion due to the Zircon formation during heating and filling up the open pores by a (4B2O3 ·BaO) glaze during the green body sintering led to an excellent carbon oxidation resistance. The effects of the plasma spray-PVD coating of the Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) powder on the carbon oxidation of the Al2O3-C coated samples were investigated. Trials were performed at non-isothermal heating conditions in a controlled atmosphere. Also, the applied temperature profile for the laboratory trials were defined based on the industrial preheating trials. The controlled atmospheres consisted of CO2, O2 and Ar. The thicknesses of the decarburized layers were measured and examined using light optic microscopy, FEG-SEM and EDS. A 250-290 μm YSZ coating is suggested to be an appropriate coating, as it provides both an even surface as well as prevention of the decarburization even during heating in air. In addition, the interactions between the YSZ coated alumina-graphite refractory base materials in contact with a cerium alloyed molten stainless steel were surveyed. The YSZ coating provided a total prevention of the alumina reduction by cerium. Therefore, the prevention of the first clogging product formed on the surface of the SEN refractory base materials. Therefore, the YSZ plasma-PVD coating can be recommended for coating of the hot surface of the commercial SENs.

Tenacidade ao impacto e resistência a fadiga de aço API 5L X70 modificado ao Nb

O transporte de gás e derivados de petróleo é realizado pelo uso de tubulações, denominadas de oleodutos ou gasodutos, que necessitam de elevados níveis de resistência mecânica e corrosão, aliadas a uma boa tenacidade à fratura e resistência à fadiga. A adição de elementos de liga nesses aços, Ti, V e Nb entre outros, é realizada para o atendimento destes níveis de resistência após o processamento termomecânico das chapas para fabricação destes dutos, utilizando-se a norma API 5L do American Petroleum Institute, API, para a classificação destes aços. A adição de elementos de liga em associação com o processamento termomecânico visa o refino de grão da microestrutura austenítica, o qual é transferido para a estrutura ferrítica resultante. O Brasil é o detentor das maiores reservas mundiais de nióbio, que tem sido apresentado como refinador da microestrutura mais eficiente que outros elementos, como o V e Ti. Neste trabalho dois aços, denominados Normal e Alto Nb foram estudados. A norma API propõe que a soma das concentrações de Nióbio, Vanádio e Titânio devem ser menores que 0,15% no aço. As concentrações no aço contendo mais alto Nb é de 0,107%, contra 0,082% do aço de composição normal, ou seja, ambos atendem o valor especificado pela norma API. Entretanto, os aços são destinados ao uso em dutovias pela PETROBRÁS que impõe limites nos elementos microligantes para os aços aplicados em dutovias. Deste modo estudos foram desenvolvidos para verificar se os parâmetros de resistência à tração, ductilidade, tenacidade ao impacto e resistência à propagação de trinca por fadiga, estariam em acordo com a norma API 5L grau X70 e com os resultados que outros pesquisadores têm encontrado para aços dessa classe. Ainda, como para a formação de uma dutovia os tubos são unidos uns aos outros por processo de soldagem (circunferencial), o estudo de fadiga foi estendido para as regiões da solda e zona termicamente afetada (ZTA). Como conclusão final observa-se que o aço API 5L X70 com Nb modificado, produzido conforme processo desenvolvido pela ArcelorMittal - Tubarão, apresenta os parâmetros de resistência e ductilidade em tração, resistência ao impacto e resistência a propagação de trinca em fadiga (PTF) similar aos aços API 5L X70 com teores de Nb = 0,06 % peso e aqueles da literatura com teores de Nb+Ti+V < 0,15% peso. O metal base, metal de solda e zona termicamente afetada apresentaram curvas da/dN x ΔK similares, com os parâmetros do material C e m, da equação de Paris, respectivamente na faixa de 3,3 - 4,2 e 1.3x10-10 - 5.0x10-10 [(mm/ciclo)/(MPa.m1/2)m].

Simplified design method for energy dissipating devices in retrofitting of seismically isolated bridges

Abstract: Highway bridges have great values in a country because in case of any natural disaster they may serve as lines to save people’s lives. Being vulnerable under significant seismic loads, different methods can be considered to design resistant highway bridges and rehabilitate the existing ones. In this study, base isolation has been considered as one efficient method in this regards which in some cases reduces significantly the seismic load effects on the structure. By reducing the ductility demand on the structure without a notable increase of strength, the structure is designed to remain elastic under seismic loads. The problem associated with the isolated bridges, especially with elastomeric bearings, can be their excessive displacements under service and seismic loads. This can defy the purpose of using elastomeric bearings for small to medium span typical bridges where expansion joints and clearances may result in significant increase of initial and maintenance cost. Thus, supplementing the structure with dampers with some stiffness can serve as a solution which in turn, however, may increase the structure base shear. The main objective of this thesis is to provide a simplified method for the evaluation of optimal parameters for dampers in isolated bridges. Firstly, performing a parametric study, some directions are given for the use of simple isolation devices such as elastomeric bearings to rehabilitate existing bridges with high importance. Parameters like geometry of the bridge, code provisions and the type of soil on which the structure is constructed have been introduced to a typical two span bridge. It is concluded that the stiffness of the substructure, soil type and special provisions in the code can determine the employment of base isolation for retrofitting of bridges. Secondly, based on the elastic response coefficient of isolated bridges, a simplified design method of dampers for seismically isolated regular highway bridges has been presented in this study. By setting objectives for reduction of displacement and base shear variation, the required stiffness and damping of a hysteretic damper can be determined. By modelling a typical two span bridge, numerical analyses have followed to verify the effectiveness of the method. The method has been used to identify equivalent linear parameters and subsequently, nonlinear parameters of hysteretic damper for various designated scenarios of displacement and base shear requirements. Comparison of the results of the nonlinear numerical model without damper and with damper has shown that the method is sufficiently accurate. Finally, an innovative and simple hysteretic steel damper was designed. Five specimens were fabricated from two steel grades and were tested accompanying a real scale elastomeric isolator in the structural laboratory of the Université de Sherbrooke. The test procedure was to characterize the specimens by cyclic displacement controlled tests and subsequently to test them by real-time dynamic substructuring (RTDS) method. The test results were then used to establish a numerical model of the system which went through nonlinear time history analyses under several earthquakes. The outcome of the experimental and numerical showed an acceptable conformity with the simplified method.

Initiation and early crack growth in VHCF of stainless steels : Experimental and theoretical analysis

Mechanical fatigue is a failure phenomenon that occurs due to repeated application of mechanical loads. Very High Cycle Fatigue (VHCF) is considered as the domain of fatigue life greater than 10 million load cycles. Increasing numbers of structural components have service life in the VHCF regime, for instance in automotive and high speed train transportation, gas turbine disks, and components of paper production machinery. Safe and reliable operation of these components depends on the knowledge of their VHCF properties. In this thesis both experimental tools and theoretical modelling were utilized to develop better understanding of the VHCF phenomena. In the experimental part, ultrasonic fatigue testing at 20 kHz of cold rolled and hot rolled stainless steel grades was conducted and fatigue strengths in the VHCF regime were obtained. The mechanisms for fatigue crack initiation and short crack growth were investigated using electron microscopes. For the cold rolled stainless steels crack initiation and early growth occurred through the formation of the Fine Granular Area (FGA) observed on the fracture surface and in TEM observations of cross-sections. The crack growth in the FGA seems to control more than 90% of the total fatigue life. For the hot rolled duplex stainless steels fatigue crack initiation occurred due to accumulation of plastic fatigue damage at the external surface, and early crack growth proceeded through a crystallographic growth mechanism. Theoretical modelling of complex cracks involving kinks and branches in an elastic half-plane under static loading was carried out by using the Distributed Dislocation Dipole Technique (DDDT). The technique was implemented for 2D crack problems. Both fully open and partially closed crack cases were analyzed. The main aim of the development of the DDDT was to compute the stress intensity factors. Accuracy of 2% in the computations was attainable compared to the solutions obtained by the Finite Element Method.