Resumo Sabe-se que as velocidades de soldagem e rotacional, força axial, ângulo de inclinação e desenho da ferramenta são as principais variáveis de entrada independentes, que são utilizadas para controlar o processo de soldagem por atrito com pino não consumível, e que a taxa de geração de calor, taxa de resfriamento, força na direção de soldagem e o torque são as variáveis de resposta, que irão influenciar na evolução microestrutural e desempenho mecânico da junta soldada. Neste trabalho foi feito um estudo do comportamento destas variáveis visando o desenvolvimento de parâmetros para o aço API 5L X80 (ISO 3183 X80M). Para tanto, chapas com 12 mm de espessura, foram soldadas através de dois passes, utilizando ferramenta de nitreto de boro cúbico policristalino. Observou-se que, mantendo-se a velocidade de soldagem constante, o aumento da velocidade rotacional e /ou da força axial, tende a reduzir as forças reativas e o torque atuantes durante o processo pelo aumento da taxa de geração de calor. Por outro lado, mantendo-se essas variáveis constantes, o aumento da velocidade de soldagem tende a aumentar as forças e o torque, uma vez que para o aço, este parâmeto desempenha um papel significativo na taxa de geração de calor durante o processo.

Abstract It is known that welding and rotational speeds, axial force, the inclination angle, and the tool design are the main independent input variables which are used to control the process of friction stir welding, and the heat generation rate and cooling, force in the welding direction and torque are the response variables that will change the microstructural evolution and mechanical performance of the welded joint. In this work, the behavior of these input and response variables aiming the development of friction stir welding process applied to steel API 5L X80 (ISO 3183 X80M) steel were studied. For this purpose, plates with 12 mm thick were welded by two passes using polycrystalline cubic bore nitrite tool. It was observed that, while keeping the welding speed constant, an increase in spindle speed and /or axial force, tends to reduce the reactive forces and the torque acting during the process by increasing of the heat generation rate. Otherwise, keeping spindle speed and axial force constants, the welding speed rising the forces and torque, allowing the welding speed plays a significant role in the heat generation rate during the process.

Microstructural characterization of steels is normally performed using optical and scanning electron microscopy which allows identifying the most important phases and constituents in steels. Nevertheless, the microstructural complexity of some constituents during continuous cooling hinders the characterization of them; especially bainitic and martensitic microstructures provide rich morphology characteristics tough to solve properly. In this sense, atomic force microscopy was applied in order to provide complementary information to optical and scanning electronic microscopy in continuous cooling microstructural constituents of a low carbon and a Nb microalloyed low carbon steels. The samples were austenitized, some of them were quenched directly from austenitization temperature and others were cooling to Ar3 and Ar1 temperatures and then quenched. The samples quenched from austenitization temperature showed predominantly bainitic and martensitic microstructures, some microstructural characteristics were only elucidated with the combination between scanning electron microscopy and atomic force microscopy. On the other hand, the samples quenched from Ar3 temperature showed polygonal ferrite and martensite morphologies. Atomic force microscopy has also indicated the occurrence of bainitic ferrite. Concerning samples quenched from Ar1 temperature, the microstructure was essentially ferrite and fine perlite.

A descrição microestrutural de aços é feita frequentemente por meio das técnicas de microscopia óptica e eletrônica de varredura, que permitem identificar as principais fases e constituintes presentes. A complexidade microestrutural dos constituintes formados em maiores taxas de resfriamento, durante o resfriamento contínuo, dificulta a caracterização destes. Em especial, as microestruturas bainíticas e martensíticas fornecem características morfológicas de difícil visualização. A microscopia de força atômica foi usada visando complementar a microscopia óptica e eletrônica de varredura na descrição dos produtos do resfriamento contínuo de um aço baixo carbono com e sem adição de Nb. As amostras foram austenitizadas, algumas temperadas, enquanto outras resfriadas até Ar3 e Ar1 e, então, temperadas. A microscopia de força atômica permitiu determinar que, para ambos os aços, as amostras temperadas, a partir da temperatura de austenitização, apresentaram microestrutura predominantemente martensítica e bainítica. Por outro lado, as amostras interrompidas na Ar3 apresentaram ferrita poligonal e martensita e a formação de ferrita bainítica. Para as amostras temperadas a partir da Ar1, a microestrutura foi essencialmente ferrita e perlita fina.

Los mecanismos de falla en materiales estructurales se encuentran bajo constante investigación. Hoy en día, la implementación de sofisticados experimentos in situ en microscopía electrónica ha generado nuevo conocimiento en diferentes campos como la química, física y la ciencia de los materiales, al permitir la observación directa de una amplia variedad de fenómenos a escalas de micrones o inclusive atómica. Estos experimentos pueden envolver el control de la temperatura y la atmósfera, la aplicación de esfuerzos mecánicos, campos eléctricos y/o magnéticos, entre otras condiciones, las cuales son impuestas sobre la muestra, mientras la respuesta o evolución del sistema es registrado. Un novedoso sistema para la realización de ensayos de deformación y calentamiento in situ en un microscopio electrónico de barrido (MEB) hace posible la observación en tiempo real de fenómenos con resolución de 5 μm, produciendo datos tanto cualitativos como cuantitativos. Esta infraestructura fue usada para el estudio del mecanismo asociado al deslizamiento de contorno de grano (DCG) y su efecto en el fenómeno de agrietamiento a alta temperatura conocido como fractura por pérdida de ductilidad (Ductility-Dip Cracking, DDC). Esta metodología fue aplicada al estudio del comportamiento mecánico de los metales de aporte ERNiCrFe-7 y ERNiCr-3, usados para soldadura de aleaciones de Ni, cuando son deformados entre 700 y 1000 ºC. La susceptibilidad al DDC (límite de deformación, εmin) fue cuantificada para ambas aleaciones. Los valores de εmin para el ERNiCrFe-7 y el ERNiCr-3 fueron de 7,5 % y 16,5 %, respectivamente, confirmando la mayor resistencia del ERNiCr-3.

Failure mechanisms in structural materials have been under investigation for several years. Nowadays, the implementation of sophisticated in situ electron microscopy tests is providing new insights in several fields of chemistry, physics, and materials science by allowing direct observation of a wide variety of phenomena at submicron and even atomic scale. These experiments may involve controlled temperature and atmosphere, mechanical loading, magnetic and/or electric field among other conditions that are imposed to the sample while its response or evolution is registered. A novel in situ high temperature-strain test into a Scanning Electron Microscope (SEM) makes possible the real-time observation of phenomena with resolution of 5 μm, providing qualitative and quantitative data. This setup was used to study the Grain Boundary Sliding (GBS) mechanism and its effect on the high temperature cracking phenomenon known as Ductility-Dip Cracking (DDC). This methodology was applied to study the mechanical behavior of Ni-base filler metal alloys ERNiCrFe-7 and ERNiCr-3, which were evaluated between 700 and 1000 ºC. The DDC susceptibility (threshold strain, εmin) for both alloys was quantified. The εmin of ERNiCrFe-7 and ERNiCr-3 alloys was 7.5 % and 16.5 %, respectively, confirming the better resistance of ERNiCr-3 to DDC.

A mesa suporte das peças a serem unidas normalmente se deforma durante o processo de soldagem por atrito com pino não consumível devido às altas cargas envolvidas. Consequentemente, a obtenção de juntas soldadas com penetração total, bem como a vida útil da amostra e da ferramenta podem ser afetadas, causando paradas não programadas e comprometendo a produtividade do processo e deslocando mão de obra para uma etapa de manutenção não prevista na cadeia do processo de soldagem. Este trabalho apresenta uma mesa de apoio com depósito cerâmico para o processamento e soldagem por atrito com pino não consumível. Para o desenvolvimento da mesa foram testados quatro depósitos cerâmicos, sob uma placa de aço, dos quais o de menor porosidade atingiu melhor desempenho. Essa mesa permitiu a realização de juntas soldadas com penetração completa de aços inoxidáveis duplex; resistir às altas cargas durante a soldagem de aços baixa liga alta resistência e realizar juntas dissimilares aço-alumínio, sem aderência do material mais macio à mesa suporte; bem como outras importantes características como confinar o calor e o metal plastificado, assim como determinar parâmetros de soldagem estáveis.

Usually, the workpiece is deformed during the friction stir welding, due to high applied loads. Consequently, fully and consolidated friction stir welded joints as well as tools life time can be affected promoting unscheduled manufacturing stops which favorites decreasing the welding productivity. Furthermore, the workforce is dislocated to not predicted maintenance steps. This work proposes the development of a special ceramic backing to joining and processing material using FSW technologies. Four ceramic deposits were tested over a steel plate , which allowed selecting those with less porosity and, thus, better strength. This backing allowed to obtain full penetration welds for duplex stainless steels, to resist high forces during engage for high strength low alloy steels and to obtain consolidated aluminum-steel dissimilar joints. For the last one, there was not adherence of the soft material in workpiece. In addition, the ceramic backing allowed confine the heat and plasticized metal, as well as developing established welding parameters.