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Title in Portuguese: Avaliação das propriedades mecânicas de ligas modelo de aços com alto teor de manganês para aplicações criogênicas
Title: Evaluation of the mechanical properties of model alloys of high manganese steels for cryogenic applications
Author: Ferreira, Waydson Martins
Advisor(s): Abreu, Hamilton Ferreira Gomes de
Keywords: Ciência dos materiais
Materiais - Propriedades mecânicas
Metais - Fratura
Ligas de aço
High manganese steels
Cryogenic applications
Mechanical properties
Fracture toughness
Issue Date: 31-Jan-2019
Citation: FERREIRA, W. M. Avaliação das propriedades mecânicas de ligas modelo de aços com alto teor de manganês para aplicações criogênicas. 2019. 158 f. Tese (Doutorado em Engenharia e Ciência de Materiais)-Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2019.
Abstract in Portuguese: Os aços alto manganês (Mn) tem sido estudados como alternativas mais baratas em substituição aos aços inoxidáveis austeníticos e aços Fe-9Ni, em tanques de armazenamento e tubulações de gás natural liquefeito (GNL) que operam em temperaturas criogênicas. Esse tipo de aplicação exige que os materiais tenham boa tenacidade à temperatura criogênica. A energia de falha de empilhamento define o mecanismo de deformação das ligas de aço alto Mn, influenciando no seu comportamento sob deformação. Quatro ligas de aço alto Mn com teores de Mn (20-30%) e C (0,2 - 0,6%) foram estudadas analisando-se a microestrutura, a resistência à tração, à tenacidade ao impacto Charpy e tenacidade à fratura CTOD e Integral-J, em ensaios realizados nas temperaturas ambiente e criogênica. Buscou-se relacionar os resultados dos ensaios realizados com os mecanismos de deformação resultante do processo de fabricação dos aços ou da utilização em serviço severo com a energia de falha de empilhamento calculada. A microestrutura das ligas é formada por matriz austenítica, e quando deformada apresenta maclas mecânicas nas temperaturas estudadas, confirmadas também pelo cálculo da EFE, classificando as ligas como aços TWIP. As propriedades mecânicas à tração foram maiores à temperatura criogênica do que à temperatura ambiente, com consequente redução no alongamento. A liga 30Mn26C (30 %Mn; 0,26 %C) apresentou tendências de ductilidade e tenacidade ao impacto surpreendentes à temperatura criogênica, apresentando valores de 28% no alongamento e 73,2 J na energia de impacto Charpy quando comparadas com as outras ligas a essa temperatura. Na correlação da tensão de escoamento, tensão de resistência mecânica e taxa de encruamento, com a EFE foi verificada uma proporcionalidade inversa em relação à temperatura ensaiada, enquanto na relação da EFE com a ductilidade à tração e tenacidade ao impacto Charpy, a proporção é direta. A tenacidade à fratura das ligas na temperatura ambiente foi excelente, sendo a liga com menor teor de Mn e maior teor de C a mais tenaz. A tenacidade à fratura à temperatura criogênica das ligas não foi satisfatória devido a presença de heterogeneidades do processo de fabricação das mesmas. As ligas com maiores teores de Mn e com adição de Al obtiveram melhor tenacidade à fratura na temperatura criogênica. Em termos de tenacidade à temperatura criogênica a liga 30Mn26C é a mais indicada, pois obteve os melhores resultados de tenacidade à fratura (m = 0,152 mm; Jm = 178,1 kJ/m²), juntamente com a liga 22Mn53C, e o maior valor de energia de impacto (73,2 J) dentre todas as ligas.
Abstract: High manganese steels have being studied as a cheaper alternative to replace austenitic stainless steels and Fe-Ni alloys in storage tanks and liquefied natural gas pipes (LNG) applications operating at cryogenic temperatures. This type of application requires that materials have a good toughness to cryogenic temperature. Stacking fault energy (SFE) defines the mechanisms of deformation in high-Mn steels, influencing the behavior of these mechanisms under deformation. Four high-Mn steels with Mn (20-30%) and C (0.2-0.6%) contents were studied by analyzing the microstructure, tensile mechanical properties, Charpy impact toughness, and CTOD and J-Integral fracture toughness in tests performed at room and cryogenic temperatures. We sought to relate the results of tests performed with the mechanisms of deformation resulting from the steelmaking process or from severe service utilization with stacking fault energy calculated from the chemical composition, temperature and microstructure. The microstructure of alloys is formed by austenitic matrix, and when deformation is present the appearance of mechanical twins at studied temperatures, also confirmed by SFE calculation, classifying the alloys as TWIP steels. The tensile mechanical properties were higher at cryogenic temperature than at room temperature, with consequent reduction in elongation. The 30Mn26C (30% Mn; 0.26% C) alloy showed surprising ductility and impact toughness at cryogenic temperature, presenting values of 28% in elongation and 73.2 J in Charpy impact energy when compared to the other alloys at this temperature. In correlation with yield stress, ultimate tensile strength and strain hardening rate with SFE, an inverse proportionality was verified in relation to temperature tested. While, in the relationship of SFE with tensile ductility and Charpy impact toughness, the proportion is direct. The fracture toughness of alloys at room temperature was excellent, the alloy with lower Mn content and higher C content was the most tenacious. The fracture toughness at the cryogenic temperature of alloys was not satisfactory due to the presence of heterogeneities in alloys manufacturing process. Higher Mn contents alloys and with Al addition obtained better fracture toughness at cryogenic temperature. In terms of toughness at cryogenic temperature, the 30Mn26C alloy is the most indicated, because it obtained the best results of fracture toughness (m = 0.152 mm; Jm = 178.1 kJ / m2), together with the 22Mn53C alloy, and the highest impact energy value (73.2 J) of all.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/41413
Appears in Collections:DEMM - Teses defendidas na UFC

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