Influência do aporte térmico da soldagem GTAW no balanço de fases Ferrita/Austenita do Aço Inoxidável Duplex UNS S32205

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEIS

First principles modeling of metallic alloys and alloy surfaces

By alloying metals with other materials, one can modify the metal’s characteristics or compose an alloy which has certain desired characteristics that no pure metal has. The field is vast and complex, and phenomena that govern the behaviour of alloys are numerous. Theories cannot penetrate such complexity, and the scope of experiments is also limited. This is why the relatively new field of ab initio computational methods has much to give to this field. With these methods, one can extend the understanding given by theories, predict how some systems might behave, and be able to obtain information that is not there to see in physical experiments. This thesis pursues to contribute to the collective knowledge of this field in the light of two cases. The first part examines the oxidation of Ag/Cu, namely, the adsorption dynamics and oxygen induced segregation of the surface. Our results demonstrate that the presence of Ag on the Cu(100) surface layer strongly inhibits dissociative adsorption. Our results also confirmed that surface reconstruction does happen, as experiments predicted. Our studies indicate that 0.25 ML of oxygen is enough for Ag to diffuse towards the bulk, under the copper oxide layer. The other part elucidates the complex interplay of various energy and entropy contributions to the phase stability of paramagnetic duplex steel alloys. We were able to produce a phase stability map from first principles, and it agrees with experiments rather well. Our results also show that entropy contributions play a very important role on defining the phase stability. This is, to the author’s knowledge, the first ab initio study upon this subject.

Colonización bacteriana y oxidación de aceros inoxidables austeníticos, ferríticos y dúplex sinterizados

Las características y capacidades de los aceros inoxidables sinterizados se han investigado en una doble vertiente. Por una parte con vista a sus capacidades de resistencia a la oxidación en caliente y por otra parte se ha investigado su capacidad para retener microorganismos que contribuyan a la descontaminación de un ambiente. Por ello, para cada una de estas funciones se han utilizado los aceros inoxidables sinterizados, que se han considerado más adecuados. Para estudiar sus capacidades de resistencia a la oxidación en caliente se ha utilizado un acero inoxidable austenítico AISI 304L, un acero inoxidable ferrítico AISI 430L y un acero inoxidable Fe-16Cr-3Al. Para estudiar sus capacidades para retener microorganismos se ha utilizado un acero inoxidable austenítico AISI 316L, un acero inoxidable ferrítico AISI 430L y un acero inoxidable dúplex 50%/50% de los anteriores. Para esta última finalidad los aceros se han compactado a tres diferentes presiones 300, 500 y 700 MPa, a las que corresponden diferentes porosidades. En relación con el comportamiento frente a la oxidación en caliente, se han cuantificado los incrementos positivos o negativos de volumen, masa y densidad en los diferentes tipos de sinterización y estados de tratamiento de oxidación. Como tónica general de comportamiento, puede decirse que los aceros sinterizados bajo vacío son más resistentes a la oxidación, que los sinterizados en atmósfera de N2-5H2 y que los aceros inoxidables austeníticos son algo más resistentes, que los Cr-Al y estos, a su vez, más que los aceros inoxidables ferríticos. Respecto a la retención de microorganismos, los tres aceros inoxidables sinterizados se han ensayado en diferentes medios de cultivo, utilizando cuatro especies de bacterias. Los mejores resultados se han obtenido con Staphylococcus aureus, muy favorable para su observación y recuento. Se han cuantificado, una vez sinterizados y colonizados por los microorganismos, para cada material y presión de compactación, las áreas de cada uno de los poros y el número de microorganismos situados en los poros y en la superficie sin poros. Se ha establecido en cada caso la densidad de microorganismos en las zonas de poros y en las zonas sin poros. Como tónica general puede decirse, que los aceros inoxidables austeníticos aparecen más favorables para estos estudios, que los aceros dúplex y estos más que los inoxidables ferríticos. Asimismo, se desprende que las áreas de los poros dependen de forma unívoca de la presión de compactación y que para áreas de poros decrecientes las densidades de microorganismos son crecientes. En consecuencia, podría deducirse, que a igualdad de área de poros en una superficie, aquella que tuviera los poros más pequeños, retendría mayor cantidad de bacterias. ABSTRACT The characteristics and capacities of sintered stainless steels have been researched from two perspectives: firstly, with a view to their resistance to hot oxidation, and secondly their capacity to retain microorganisms able to decontaminate the environment. For both these functions, sintered stainless steels were used, which are considered to be the most fit for purpose. To study their resistance to hot oxidation, we used austenitic stainless steel AISI 304L, ferritic stainless steel AISI 430L and stainless steel Fe-16Cr-3Al. To study their ability to retain microorganisms, we used austenitic stainless steel AISI 316L, ferritic stainless steel AISI 430L, and duplex stainless steel, being a 50/50 blend of the two former ones. For this last purpose, the steels were compacted at three different pressures (300, 500 and 700 MPa) corresponding to different porosities. With regard to the hot oxidation, we quantified the positive or negative increments in volume, mass and density in the different types of sintering and oxidation treatment states. As a general performance trend, we observed that vacuum sintered steels are more resistant to oxidation than those sintered in an atmosphere of N2-5H2, and that austenitic stainless steels are slightly more resistant than the Cr-Al steels which, in turn, are more resistant than the ferritic stainless steels. With regard to the retention of microorganisms, the three sintered stainless steels were tested in different culture media using four types of bacteria. The best results for observation and counting were obtained with Staphylococcus aureus bacteria. Once sintered and colonized by microorganisms, for each material and compacting pressure we quantified the areas of the pores and the number of microorganisms situated in the pores and on the pore-free surface. In each case, the density of microorganisms in the pores and in the pore-free areas was established. As a general rule, we can say that the austenitic stainless steels appear to be more favourable for this type of study than the duplex steels which, in turn, are more favourable than the ferritic stainless steels. It also emerged that the areas with the pores depend unequivocally on the compacting pressure, and that the smaller the area of the pore the higher the density of the microorganisms. Consequently, it can be deduced that comparing an equal area of pores on a surface, the one with the smaller pores would retain a larger number of bacteria.

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.

Influence of surface texture on the galling characteristics of lean duplex and austenitic stainless steels

Two simulative test methods were used to study galling in sheet forming of two types of stainlesssteel sheet: austenitic (EN 1.4301) and lean duplex LDX 2101 (EN 1.4162) in different surface conditions. Thepin-on-disc test was used to analyse the galling resistance of different combinations of sheet materials and lubricants. The strip reduction test, a severe sheet forming tribology test was used to simulate the conditionsduring ironing. This investigation shows that the risk of galling is highly dependent on the surface texture of theduplex steel. Trials were also performed in an industrial tool used for high volume production of pumpcomponents, to compare forming of LDX 2101 and austenitic stainless steel with equal thickness. The forming forces, the geometry and the strains in the sheet material were compared for the same component.It was found that LDX steels can be formed to high strain levels in tools normally applied for forming ofaustenitic steels, but tool adaptations are needed to comply with the higher strength and springback of thematerial.

Microstructural and electrochemical characterization of friction stir welded duplex stainless steels

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Brazeability of UNS 32101 and UNS S32304 lean duplex stainless steels

CAPES

Corrosion mechanisms of duplex stainless steels in the petrochemical industry

The recent search for new sources of hydrocarbons has led to production from very severe environments which can contain considerable amounts of carbon dioxide, hydrogen sulphide, and chloride ions, combined with temperatures which can exceed 100°C. Oil and gas production from such wells requires highly corrosion-resistant materials. The traditional solution of using carbon steel with additional protection is generally inadequate in these very-aggressive environments. Duplex stainless steels (DSS) are attractive candidates because of their high strength, good general corrosion resistance, excellent resistance to chloride-induced stress corrosion cracking, and good weldability. Although duplex stainless steels have a very good reputation in both subsea and topsides pipework, it is recognized that the tolerance of these materials to variations in microstructure and chemical composition are still not fully understood. The object of this paper is to review the corrosion behaviour of duplex stainless steels in the petrochemical industry, with particular emphasis on microstructures and the effect of changes in chemical composition.

Microstructural and environmental effects on fatigue crack propagation in duplex stainless steels

Fatigue crack initiation and propagation in duplex stainless steels are strongly affected by microstructure in both inert and aggressive environments. Fatigue crack growth rates in wrought Zeron 100 duplex stainless steel in air were found to vary with orientation depending on the frequency of crack tip retardation at ferrite/austenite grain boundaries. Fatigue crack propagation rates in 3.5% NaCl solution and high purity water are increased by hydrogen assisted transgranular cyclic cleavage of the ferrite. The corrosion fatigue results are interpreted using a model for the cyclic cleavage mechanism.

Sigma phase morphologies in cast and aged super duplex stainless steel

Solution annealed and water quenched duplex and super duplex stainless steels are thermodynamically metastable systems at room temperature. These systems do not migrate spontaneously to a thermodynamically stable condition because an energy barrier separates the metastable and stable states. However, any heat input they receive, for example through isothermal treatment or through prolonged exposure to a voltaic arc in the welding process, cause them to reach a condition of stable equilibrium which, for super duplex stainless steels, means precipitation of intermetallic and carbide phases. These phases include the sigma phase, which is easily identified from its morphology, and its influence on the material`s impact strength. The purpose of this work was to ascertain how 2-hour isothermal heat treatments at 920 degrees C and 980 degrees C affect the microstructure of ASTM A890/A890M GR 6A super duplex stainless steel. The sigma phase morphologies were found to be influenced by these two aging temperatures, with the material showing a predominantly lacy microstructure when heat treated at 920 degrees C and block-shaped when heat treated at 980 degrees C. (C) 2009 Elsevier Inc. All rights reserved.

Ultrasound, eddy current and magnetic Barkhausen noise as tools for sigma phase detection on a UNS S31803 duplex stainless steel

Sigma phase is a deleterious one which can be formed in duplex stainless steels during heat treatment or welding. Aiming to accompany this transformation, ferrite and sigma percentage and hardness were measured on samples of a UNS S31803 duplex stainless steel submitted to heat treatment. These results were compared to measurements obtained from ultrasound and eddy current techniques, i.e., velocity and impedance, respectively. Additionally, backscattered signals produced by wave propagation were acquired during ultrasonic inspection as well as magnetic Barkhausen noise during magnetic inspection. Both signal types were processed via a combination of detrended-fluctuation analysis (DFA) and principal component analysis (PCA). The techniques used were proven to be sensitive to changes in samples related to sigma phase formation due to heat treatment. Furthermore, there is an advantage using these methods since they are nondestructive. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Estudo da corrosão e inibição dos aços carbono AISI 1010, inoxidável AISI 316 e duplex UNS S31803 em meio de solução de íons cloreto

O comportamento da corrosão e inibição à corrosão dos aços carbono AISI 1010, inox AISI 316 e duplex UNS S31803 foi estudado em meio de solução de íons cloreto à 3,0% (m/v), na ausência e presença do benzimidazol e imidazol como inibidores. A caracterização química e morfológica dos aços foi realizada por meio das técnicas de espectrometria de emissão ótica, difração de raios X (DRX), microscopia ótica, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e energia dispersiva de raios X (EDX). As análises eletroquímicas foram realizadas através das técnicas de polarização potenciodinâmica e espectroscopia de impedância eletroquímica. As análises de DRX e de metalografia mostraram as fases presentes em cada aço, sendo o aço AISI 1010 composto pela fase ferrita, o aço AISI 316 pelas fases de FeNi e Cr e o aço UNS S31803 pelas fases austenita e ferrita. Além disso, a metalografia e as análises de MEV e EDX permitiram identificar regiões e certos elementos presentes nos aços que propiciam à ocorrência da corrosão, tais como inclusões. Os inibidores foram testados em diferentes concentrações (25 ppm, 50 ppm, 100 ppm, 500 ppm e 1000 ppm) para os três aços, através das curvas de polarização e impedância eletroquímica, e verificou-se que para todas as concentrações houve aumento da resistência à corrosão dos aços. Pelas curvas de polarização verificou-se que o benzimidazol proporcionou aos aços AISI 1010, AISI 316 e UNS S31803, eficiências de inibição de cerca de 51%, 71% e 75%, respectivamente. Enquanto que o imidazol apresentou eficiência de cerca de 73%, 95% e 86%, respectivamente. Os resultados de impedância eletroquímica mostraram que as eficiências de inibição do benzimidazol foram de aproximadamente 52%, 73% e 71%, respectivamente, para os aços AISI 1010, AISI 316 e UNS S31803. E por sua vez, o imidazol apresentou eficiências de aproximadamente 96% para os aços AISI 1010 e AISI 316 e 85% para o aço UNS S31803. O teste de perda de massa mostrou que para o aço AISI 1010 tanto o benzimidazol quanto e o imidazol inibiram a corrosão, sendo que reduziram a corrosão em cerca de 17% e 24%, respectivamente. Nas análises das curvas de polarização em estudos com a água do mar observou-se que os inibidores foram menos eficientes do que em meio de solução de cloreto. O benzimidazol obteve eficiências de cerca de 14%, 50% e 33%, respectivamente, para os aços AISI 1010, AISI 316 e UNS S31803. Enquanto que o imidazol apresentou eficiências de aproximadamente 21%, 59% e 34%, respectivamente. Em todas as análises eletroquímicas e análise de perda de massa, o imidazol se mostrou o melhor inibidor para os aços estudados.

Caracterização mecânica e análise da resistência à corrosão em diferentes solos, de aços inoxidáveis duplex

O aço inoxidável é um material de alta durabilidade e resistência, utilizado nos mais diversos setores comerciais. O conhecimento das suas características e propriedades é essencial para uma escolha mais seletiva e vantajosa. Pretende‐se com este trabalho, estudar as propriedades mecânicas, a resistência ao desgaste e o comportamento, em ambientes mais agressivos de três tipos de aços inoxidáveis duplex, produzidos pela OUTOKUMPU e comercialmente conhecidos pelas designações LDX 2101, SAF 2507 e o SAF 2205. Para tal efeito foram realizados ensaios de Dureza Vickers, antes e após dobragem; ensaios de tracção em duas diferentes situações: seguindo a norma NP EN 10002‐ 1:2006 e após a realização de alguns ciclos de carga e descarga; ensaio de Impacto à temperatura ambiente e após arrefecimento criogénico; ensaio de resistência à corrosão. Também foi feito o estudo de resistência ao desgaste com base na técnica de micro‐abrasão por esfera rotativa e o estudo metalográfico. Foi também objetivo deste trabalho, relacionar o uso dos referidos aços duplex e as consequências que esse uso tem para o meio ambiente, bem como o seu comportamento quando exposto a condições extremas. Para tal, foram colocadas amostras dos referidos aços, em dois tipos de solos com condições de humidade e acidez diferentes analisando o seu estado após imersão em solo com condições controladas durante 272 dias.

Estudo comparativo do comportamento de diferentes ferramentas na fresagem de aços duplex

A maquinagem por arranque de apara é, na actualidade, um dos processos de fabrico mais utilizados e de maior relevo no panorama da indústria metalomecânica mundial. Para além da forte evolução que se tem registado ao longo das últimas décadas nos equipamentos ligados à maquinagem, também as ferramentas têm visto o seu desempenho fortemente melhorado, graças essencialmente ao desenvolvimento de revestimentos finos, mono e multicamada, que têm proporcionado o conjunto de propriedades mais indicado a cada situação. Por outro lado, os aços inoxidáveis duplex têm registado um forte incremento na sua aplicação, a qual requer, em muitos casos, o uso da maquinagem para a obtenção das formas necessárias. Tendo em consideração estes dois factores, o presente trabalho visa, essencialmente avaliar qual a ferramenta mais adequada para trabalhar este tipo de ligas, em função do tipo de maquinagem e condições de corte. Para tal, foram utilizadas diferentes ferramentas dotadas da mesma geometria, e seleccionados parâmetros que constituíssem um denominador comum entre os valores indicados pelos diferentes fabricantes. Foram consideradas apenas condições de maquinagem com utilização de fluido de corte e realizados percursos de corte previamente determinados na fresagem, utilizando fresas de topo em condições de maquinagem de alta velocidade. A análise comparativa recaiu sobre a qualidade da superfície gerada por maquinagem, avaliada através de perfilometria, e o desgaste registado por cada uma das ferramentas utilizadas.