Revista de la Facultad de Ingeniería Universidad Central de Venezuela

Fatigue behaviour of an annealed AISI 1045 steel coated with Ni-P autocatalytic deposits

Se ha investigado la influencia del espesor y del post-tratamiento térmico de los recubrimientos autocatalíticos de Ni-P depositados en un acero AISI 1045 recocido, sobre el comportamiento a la fatiga en condiciones de flexión rotativa. Los espesores de los recubrimientos fueron ~7, 17 y 37 μm. Los post-tratamientos térmicos fueron a 200 ºC durante 60 min. (PTT-1) y otro escalonado a 200 ºC durante 60 min. y luego a 400 ºC durante 60 min. (PTT-2). Se determinó que los depósitos tienen un valor promedio de microdureza de 653 y 1044 KHN50 para las condiciones de PTT-1 y PTT-2, respectivamente. Se encontró que el esfuerzo de fluencia y el esfuerzo real a carga máxima disminuyen levemente; contrario a esto, el esfuerzo real a la fractura disminuye significativamente a medida que aumenta el espesor de los depósitos para ambos PTT. Además, se encontró que el depósito de 7 μm de espesor con PTT-1 no produce modificación significativa en la vida a la fatiga al ser comparado con los resultados obtenidos del substrato y al aumentar el espesor se produce una marcada disminución en la vida a la fatiga. Así mismo, los depósitos con PTT-2 presentan una mayor disminución en la vida a la fatiga al ser comparados con los resultados de los depósitos con PTT-1, aunque dicho efecto se hace menos marcado al aumentar el espesor de los mismos.

A study has been carried out in order to investigate the effect of thickness and post heat treatment of an autocatalytic electroless Ni-P deposit (EN), plated on an annealed AISI 1045 steel, on the fatigue behavior under rotating bending conditions. The thickness of the coating was of approximately 7, 17 and 37 μm. The post heat treatments were: firstly, at 200°C for 60 min. (PHT-1) and secondly at 200°C for 60 min. followed at 400°C for 60 min. (PHT-2). It has been determined that the deposits have a mean hardness of 663 and 1044 KHN50, after PHT-1 and PHT-2 respectively. Also, it has been found that the flow stress and the ultimate tensile true stress decrease slightly, whereas the true fracture stress decreases significantly as the thickness of the deposits increases for both PHT. It has been determined that the deposit of 7 μm in thickness after PHT-1 does not give rise to any significant change in fatigue life, as compared with the uncoated substrate. Also, it has been observed that as the thickness of the EN plating increases, the fatigue life of the coated samples decreases markedly. The deposits subjected to the PHT-2 treatment give rise to a more pronounced decrease in fatigue life as compared with the deposits subjected to the PHT-1, although such an effect is less marked as the thickness of the coatings increases.

Recrystallization orocess during the annealing of a 0,04%c al-killed steel

Se evaluó el proceso de recristalización de un acero comercial con 0,04%C calmado al aluminio, con un porcentaje de reducción en frío de 80%, sometido a un tratamiento térmico de recocido a velocidades de calentamiento de 12ºC/h, 20ºC/h, 40ºC/h y 650ºC/min y luego mantenidas por un máximo de 15 horas a 700ºC. Los resultados de la caracterización microestructural efectuada mediante microscopía óptica, microscopía electrónica de barrido y transmisión, evidenciaron que la temperatura de recristalización del material calentado a velocidades lentas (12ºC/h, 20ºC/h y 40ºC/h) se encuentra entre 600 y 650ºC, desarrollándose un grano recristalizado alargado tipo pancake, cuyo crecimiento durante la etapa de mantenimiento fue insignificante. En las muestras calentadas rápidamente a 650ºC/min, la recristalización ocurrió inmediatamente al alcanzar los 700ºC, la estructura de grano recristalizado fue más equiaxial y el tamaño de grano cambió apreciablemente durante la etapa de mantenimiento. La cementita experimentó un grado importante de esferoidización, se observó además la precipitación de partículas de AlN y su posterior engrosamiento durante el mantenimiento a la temperatura de recristalización.

The recrystallization process of a commercial 0.04%C Al-killed steel, cold rolled up to 80% subjected to a annealing heat treatment at variable heating rates was evaluated in the present study. For this purpose, samples were isothermally annealed at various heating rates (12ºC/h, 20ºC/h, 40ºC/h and 650ºC/min) and then soaked at 700ºC for 15 hours. The microstructural evolution of the samples followed by optical microscopy, scanning and transmission electron microscopy, showed that the recrystallization process took place between 600 and 650ºC for the samples heated at low rates (12ºC/h, 20ºC/h and 40ºC/h), and the grain structure developed was the so called pancake type. The grain size for these samples showed an insignificant growth during the holding stage at 700ºC. On the other hand, with the samples heated at 650ºC/min, the recrystallizaction occurred on reaching 700ºC, the grain structure was more equiaxial and the grain size changed appreciably during the holding stage. The spheroidization process of cementite occurred in significant amounts during the holding stage at 700ºC. The precipitation and coarsening of AlN particles were also evaluated during the holding stage at 700ºC.

Ductility at high temperature of a medium carbon steel

Se estudia en este trabajo la ductilidad en caliente y comportamiento a fractura de un acero estructural no aleado susceptible de sufrir agrietamiento transversal. Para evaluar la posible influencia de elementos residuales e inclusiones, el acero comercial se compara con uno de similar composición obtenido en laboratorio a partir de hierro casi puro a partir del método de refusión por electroescoria. Posteriormente los materiales se evaluaron mecánicamente mediante ensayos de tracción a temperaturas entre 1000 y 650ºC a una velocidad de deformación de 10-3 s-1. La reducción en área de las muestras ensayadas se empleó como medida de la ductilidad en caliente. A cada temperatura, el comportamiento de la ductilidad se relación con las fases presentes así como con los mecanismos de fractura que actuaban. Para ello se efectuó un análisis de las superficies de fractura empleando un microscopio electrónico de barrido.

The hot ductility and fracture behaviour of a C-Mn steel susceptible to transversal cracking in the corners is studied. In order to evaluate the influence of residual elements and inclusions, this steel was compared with another one with the same main composition obtained by electro-slag from almost pure iron. Tensile tests at temperatures ranging from 1000ºC to 650ºC and an initial strain rate of 1·10-3s-1 were carried out for reheated samples of both steels. The reduction in area of the samples tested to fracture was used as a measure of the hot ductility. For each temperature, the ductility behaviour was related both to the phases and to the fracture mechanisms present. For this purpose, the fracture surfaces of the tensile specimens were examined by scanning electron microscopy.

Tribology on steels with duplex treatments: A review

El objetivo de este trabajo es ofrecer el estado de arte relacionado de diferentes estudios con enfoque tribológico en aceros de herramienta con tratamientos tipo dúplex basados en nitruración (gaseosa e iónica) + recubrimientos duros delgados obtenidos por técnicas asistidas por plasma. Los aceros de herramienta son aquellos utilizados para conformar y maquinar otros materiales, por lo tanto son diseñados para tener una durabilidad aceptable bajo condiciones severa de servicio, en donde las elevadas cargas de contacto, alta temperatura, fricción y ambiente erosivos generan fallas en las piezas por desgaste, fatiga térmica, erosión y corrosión. Los tratamientos tipo dúplex ofrecen excelentes posibilidades para mejorar la vida útil de los aceros para herramientas y aunque se conocen sus beneficios la gran variedad de herramientas existentes hace complejo establecer condiciones generales para obtener un mismo tratamiento tipo dúplex que mejore la vida útil de la herramienta bajo las diversas condiciones. Es por esta razón que el estudio de los tratamientos tipo dúplex requiere de un amplio entendimiento de su desempeño tribológico. Esta revisión enfoca su discusión en términos de la adhesión del tratamiento tipo dúplex y su desempeño tribológico.

The aim of this work is to establish the state of the art related to a tribological focus on tool steels with different duplex treatments based on nitriding (gaseous or ionic) + hard thin coatings by plasma assisted techniques. Tool steels are used to forge and machine other materials, and are thus designed to withstand extreme conditions, such as high contact loads, high temperatures and aggressive environments. Duplex treatments offer excellent possibilities to improve tool steel performance. Although their beneficial characteristics to improve service life are well known, at present several combinations (and several tool steel specifications) make it difficult to obtain a unique and universal duplex treatment. For this reason duplex treatments require a broad knowledge of tribological performance. This review is focused in terms related to adhesion and tribological performance of duplex treatments.

Surface analysis of rolled steel samples

El cambio en la rugosidad superficial de muestras de aceros de bajo carbono laminados en caliente y en frío se analizó por medio de dos técnicas diferentes: microscopía de fuerza atómica e interferometría óptica. Los valores de rugosidad se relacionaron con las fuerzas y velocidades de laminación en frío para evaluar su dependencia. Se encontró que ambos métodos de medición presentan la misma tendencia, aunque con diferente magnitud, lo que se atribuye tanto al área de inspección, como a la resolución y precisión de cada equipo. Se concluye que las mediciones obtenidas por ambas técnicas no son excluyentes, sino que cada método proporciona información adecuada y complementaria para este tipo de estudios.

Changes in the average surface roughness of hot and cold rolled low carbon steel strips were analyzed by two different techniques: atomic force microscopy and optical interferometry. The values of roughness were related with rolling speed and force to evaluate their relationship. It was found that both methods show the same trend, but with a different magnitude, a feature that is attributed to both the area being measured and the resolution and precision of the different techniques. It is concluded that either method yields useful advantages in this type of study.

Dynamics of two-phase downward flows in submerged entry nozzles and their influence on the two-phase flow in the mold

Gas-liquid flows inside the submerged entry nozzle (SEN) of a slab mold and their influence on the flow field in the mold were studied using video recording, mathematical simulations and Digital Particle Image Velocimetry (DPIV) approaches. Coalescence-breakup phenomena of bubbles in liquid steel flowing through a slab mold were studied using a water model. At low gas loads (ratio of mass flow rates of gas and liquid in the submerged entry nozzle) bubble dynamics consist of coalescence-breakup and dragged processes from the SEN until close to the narrow wall. At high gas loads, bubbles are accumulated close to the narrow wall where they coalesce, break and ascend toward the bath surface forming bubble swarms or descend along the narrow wall by dragging forces exerted by liquid phase on the surfaces of the bubbles. These swarms consist of coalescing bubbles and agglomerating groups of bubbles. The presence of bubbles in the flow decreases the magnitudes of vorticity values in the flow field of mono-phase flows. Thus, to increase the casting speed, the injection of argon should be adjusted to an appropriate level to avoid an excess of liquid entrainment to the flux phase. Bubbly and annular flows in the SEN yield structurally-uncoupled and structurally coupled flows in the mold, respectively. High gas loads at high casting rates lead to increases of bubble population and bubbles sizes due to coalescence processes whose rate exceeds that of their breakup. The presence of gas bubbles or gas layers inside the SEN lead to periodical twisting of the liquid flow that induces biased flows through both ports yielding uneven flows in the mold. A multiphase mathematical model predicts acceptably well the flow dynamics of two-phase flows inside the SEN.

El flujo gas-liquido dentro de la buza sumergida de un molde de planchon y su influencia en el campo de flujo se estudio usando grabaciones de video, simulaciones matemáticas y velocimetría de partículas. El fenómeno de coalescencia-rompimiento de burbujas en acero líquido fluyendo a través de un molde de planchon se estudio por medio de un modelo de agua. A bajas cargas de gas, la dinámica de burbujas consiste de procesos de coalescenciarompimiento y arrastre de procesos desde la buza hasta las proximidades de la pared estrecha del molde. A altas cargas de gas las burbujas se acumulan cerca de la pared estrecha donde coalescen, se rompen y ascienden hacia la superficie del baño formando cortinas de burbujas o bien, descienden a lo largo de la pared estrecha debido a las fuerzas de arrastre de la fase líquida ejercidas sobre la superficie de las burbujas. Estas cortinas están formadas de grupos de burbujas que coalescen y se aglomeran. La presencia de burbujas disminuye las magnitudes de los valores de vorticidad en el campo de flujo de flujos monofásicos. Así, para incrementar la velocidad de colada la inyección de argon debería ser ajustada a niveles adecuados para evitar el exceso de arrastre de liquido. Los flujos burbujeante y anular en la buza provocan flujos estructuralmente desacoplados y acoplados respectivamente en el molde. Altas cargas de gas con altas velocidades de colada tienen un aumento en la población y tamaño de burbujas como una consecuencia de los procesos de coalescencia cuyas velocidades exceden a las de rompimiento. La presencia de burbujas o la fase gas provoca arremolinamientos repetitivos del flujo líquido lo que lleva a un flujo dividido en la salida de los puertos observándose un flujo desigual en el molde. Un modelo matemático multifásico predijo adecuadamente la dinámica del flujo bifásico dentro de la buza.

Influence of austenite strengthening on ferritic grain refinement for a Nb-microalloyed steel

Mediante la simulación por torsión de ciclos de laminación, se ha determinado la temperatura de no-recristalización (Tnr) y las temperaturas de transformación de fase durante el enfriamiento (Ar3, Ar1) en un acero microaleado al Nb para diferentes condiciones de deformación (tiempo interpaso y deformación aplicada en cada paso de laminación). Las tres temperaturas críticas mencionadas han sido determinadas siguiendo el método de Jonas et al., que consiste en la representación gráfica de la tensión media de fluencia (MFS) frente a la inversa de la temperatura. Este método permite también determinar una magnitud conocida como "tensión acumulada", que es una manera sencilla y eficaz de cuantificar el progresivo endurecimiento de la austenita entre Tnr y Ar3 sin necesidad de realizar estudios metalográficos .Se ha encontrado que para aquellas condiciones de deformación en que la tensión acumulada al final de la laminación toma valores más altos (tiempos interpaso cortos y bajas deformaciones), el grano ferrítico final es más fino. A medida que se aumenta el tiempo interpaso o la deformación aplicada en cada paso, la tensión acumulada en la austenita disminuye, observándose un engrosamiento del grano ferrítico final. El intervalo de temperatura definido por Tnr y Ar3 establece los límites donde deberían efectuarse los últimos pasos de la laminación industrial con vistas a obtener una austenita con mayor tensión acumulada y por consiguiente una microestructura final más fina y mejores propiedades mecánicas.

Using hot rolling simulation by means of hot torsion tests, non-recrystallization temperature (Tnr) and phase transformation temperatures during cooling (Ar3, Ar1) have been determined for a Nb-microalloyed steel under several deformation conditions (interpass time, pass strain). The three above mentioned rolling critical temperatures have been determined by application of the Jonas et al. method, consisting in the graphical representation of Mean Flow Stress (MFS) against the inverse of temperature. This method allows us to measure simultaneously a magnitude known as "accumulated stress", which is a simple and useful way of quantifying the progressive strengthening of austenite when deformed between Tnr and Ar3, without the need to perform metallographic studies. It has been found that for those rolling conditions where accumulated stress at the end of hot rolling has the highest values (shortest interpass times and lowest strains), final ferritic grain is finer. As long as the interpass time or the pass strain applied increases, accumulated stress drops and the final grain is coarser. The temperature interval limited by Tnr and Ar3 establishes the limits where the final industrial rolling steps should be accomplished in order to obtain a strengthened austenite, higher accumulated stress values and therefore finer final microstructures and improved mechanical properties.

Tribological behavior of expanded austenite obtained by plasma nitriding of AISI 304 stainless steel

Muestras de acero inoxidable 304 se nitruraron durante 30 min y 40 min, respectivamente, a una temperatura de 400° C en una cámara empleando el método de descarga incandescente. Se utilizó una fuente de corriente directa pulsada, a 400V y 100Hz, y un ambiente gaseoso con una relación de N2/H2 de 1:4. Cuando el periodo de nitruración fue de 30 minutos, se obtuvo sólo una fase de austenita expandida (fase-S) en la superficie modificada. Para un tiempo de nitruración de 40 minutos se observó, además de la austenita expandida, la presencia de los compuestos de Fe4N y CrN incipientes en la zona más externa de la superficie. Se examinó la profundidad de nitruración empleando técnicas de microscopía electrónica de barrido (MEB). Tanto los ensayos para determinar la microdureza de las superficies nitruradas, así como los estudios realizados por MEB revelaron la presencia de una misma profundidad de nitruración (~24 µm) que resultó ser la misma para los dos tiempos de nitruración. Se determinó que la dureza de la fase-S, alrededor de 1500 HK0,025, es 5 veces mayor a la del acero sin nitrurar. Se midió el comportamiento ante el desgaste y las características de fricción de las superficies obtenidas mediante el ensayo de desgaste deslizante bajo la configuración bola-sobre-disco a temperatura ambiente y sin lubricación, usando bolas de alúmina de 6 mm de diámetro. Se empleó una velocidad de 0,1m.s-1, una carga de 5N y una distancia de deslizamiento de 1 km. Se encontró un coeficiente de fricción promedio de 0.7 para los pares tribológicos acero nitrurado/bola de alumina, identificándose un mecanismo de desgaste abrasivo en todos los casos. La determinación de los volúmenes de desgaste indica una mejora de casi 4600% en la resistencia al desgaste del material nitrurado comparado con el acero sin nitrurar. Los resultados se han explicado tomando en consideración los cambios microestructurales que tiene lugar durante el proceso de nitruración iónica.

Samples of AISI 304 stainless steel were nitrided during 30 and 40 minutes at a temperature of 400º C in a chamber, employing the incandescent discharge method. A pulsed DC source was employed, with 400 V and 100Hz, and a gaseous environment with a 1:4 N2-H2 ratio. For the plasma nitriding time of 30 min, a single phase of expanded austenite (S-phase) was obtained in the modified surface. For 40 min of exposure time, the presence of incipient Fe4N and CrN compounds in the more external zone of the surface was also observed. Using Scanning Electron Microscopy (SEM), the depth of the nitrided zone was examined. Both the microhardness tests on the nitrided surface and the SEM studies showed the same nitriding depth, ~24 µm, also the same for the two nitriding times. It was determined that the hardness for the S-phase, around 1500 HK0,025, is five times greater that the one for the steel without nitriding. Both the wear behavior and the friction features of the modified surfaces were studied by sliding wear tests under pin-on-disk configuration, at room temperature without lubrication, using AISI 52100 steel and alumina balls, respectively, as static counterparts. The balls used are of 6 mm in diameter. As additional parameters for the test, velocity of 0,1m.s-1, load of 5N and sliding distance of 1000 m were chosen. Using the AISI 52100 steel, the wear behavior mainly presents a combination of abrasion, adhesion and oxidation mechanisms, achieving a friction coefficient (µ) of 0.55 for all the tribological pairs. With alumina balls, only an abrasive wear mechanism for all the pairs was observed, and the respective friction coefficient was slightly greater than the first case, and equal to 0.6. For all the sliding wear tests, it is shown that the nitriding process improves the wear resistance of the stainless steel, because there is no significant difference between the loss in volume for each nitriding time.