Estudo do comportamento elasto-plástico cíclico da liga de aço de alta resistência 18Mn3Si2CrMo

Abstract

A liga de alta resistência 18Mn3Si2CrMo é uma liga bastante recente que está a ser estudada e desenvolvida com o objetivo de a implementar nos carris da próxima geração de linhas ferroviárias. As principais vantagens desta liga, quando comparada com os aços atualmente usados para a mesma função, são as melhores propriedades mecânicas e as maiores resistências ao desgaste e ao calor, entre outras. Devido ao facto destes componentes laborarem sob o efeito de carregamentos complexos e em condições de serviço adversas, é fundamental conhecer de forma profunda a sua resposta elasto-plástica cíclica. Neste contexto, um aspeto pouco estudado, que carece de investigação, diz respeito ao efeito da temperatura de transformação martensítica nas propriedades elasto-plásticas cíclicas.Assim sendo, esta dissertação terá o principal objetivo de caracterizar o comportamento elasto-plástico cíclico da liga no regime de fadiga oligocíclica para quatro temperaturas de transformação martensítica (190ºC, 230ºC, 275ºC e 315ºC), bem como determinar as respetivas propriedades elasto-plásticas cíclicas e identificar os principais mecanismos de fratura. De modo a atingir os objetivos referidos, foram realizados ensaios experimentais para estas quatro temperaturas, em controlo de deformação, com amplitudes de deformação entre 0,50% e 1,0%. Numa fase posterior, foi analisado a resposta tensão-deformação e estudou-se a relação tensão-vida, a relação deformação-vida e a relação energia-vida. Por último, as superfícies de fratura foram observadas por microscopia eletrónica de varrimento (SEM), com o propósito de identificar os mecanismos de fratura.Em síntese, esta liga de alta resistência apresenta um comportamento de encruamento cíclico nas primeiras reversões, seguindo-se um período de amaciamento cíclico até que se atinja a fase saturada. Recorrendo às curvas deformação-vida, pode-se concluir que para um baixo número de reversões, a liga apresenta melhor comportamento para as temperaturas de 190ºC e 275ºC. Para um número de reversões mais elevado, o melhor comportamento será verificado para a temperatura de 230ºC. Os principais mecanismos de fratura observados foram: degraus de clivagem, fendas secundárias, estrias, cavidades dúcteis e o aparecimento de algumas partículas de segunda fase para temperaturas mais elevadas.

The 18Mn3Si2CrMo high strength steel is a very recent alloy that is being studied and developed with the goal of implementing it in the rails of the next generation of railway lines. The main advantages of this alloy, when compared to the steels currently used for the same function, are better mechanical properties, and higher resistance to wear and heat, among others. Because these components work under the effect of complex loads and in adverse service conditions, it is essential to know, in depth, their cyclic elastic-plastic response. In this context, a subject which needs additional research concerns the effect of martensitic transformation temperature on cyclic elastic-plastic properties.Therefore, this work aims to characterize the cyclic elastic-plastic behaviour of the alloy in the low-cycle fatigue regime for four martensitic transformation temperatures (190ºC, 230ºC, 275ºC and 315ºC), as well as to determine the cyclic elastic-plastic properties and the main fracture mechanisms. To achieve the above objectives, low-cycle fatigue tests under strain-controlled conditions were performed for these four temperatures, at strain amplitudes in the range of 0,50 to 1,0%. In a second stage, the stress-strain, stress-life, strain-life and energy-life relationships were studied. Finally, fracture surfaces were observed by scanning electron microscopy with purpose of identifying the main fracture mechanisms.In summary, this high strength steel shows a cyclic strain-hardening behaviour at the first reversals, and then a cyclic strain-softening behaviour until the saturated phase. Using the strain-life curves, it can be concluded that for a low number of reversals, the alloy shows better behaviour at 190ºC and 275ºC. For a higher number of reversals, the best behaviour is verified at 230ºC. The main fracture mechanisms observed were: cleavage steps, secondary cracks, striations fatigue, ductile cavities and second phase inclusions for higher temperatures.