Caracterização de um compósito metal duro/aço rápido para o desenvolvimento de um FGM

dc.contributor.advisor1Carneiro, Marcelo Bertolete
dc.contributor.advisor1IDhttps://orcid.org/0000-0001-5817-8475
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/5985238373861974
dc.contributor.authorPaula, Daniella Gualberto Caldeira de
dc.contributor.authorIDhttps://orcid.org/
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/
dc.contributor.referee1Filgueira, Marcello
dc.contributor.referee1IDhttps://orcid.org/0000-0001-5297-0250
dc.contributor.referee1Latteshttp://lattes.cnpq.br/0725750287341168
dc.contributor.referee2Macedo, Marcelo Camargo Severo de
dc.contributor.referee2IDhttps://orcid.org/0000-0002-2206-6081
dc.contributor.referee2Latteshttp://lattes.cnpq.br/5530638975120211
dc.date.accessioned2024-05-30T00:53:21Z
dc.date.available2024-05-30T00:53:21Z
dc.date.issued2022-02-25
dc.description.abstractAlthough cemented carbide is a cutting tool widely used in machining, mechanical and thermal cracks may happen owing to lack of fracture toughness. An innovative way to improve the material properties is to use the Functionally Graded Materials (FGM) concept. FGM are composites made of two or more different materials tailored in a gradient form. Cemented carbide and high-speed steel are two important and distinct groups of cutting tool materials. The former is characterized by its high hardness, while the latter by its toughness. Therefore, this work aims to evaluate physical and mechanical properties of cemented carbide/high-speed steel composite with TiC addition and compare them with those of a commercial cemented carbide tool. Next, present a structural design of a cemented carbide/high-speed-steel FGM, considering residual stress. For this, cemented carbide (particle size 1.5 μm), high-speed steel (50 μm) and TiC (0.1 μm) powders were sintered varying the TiC volume fraction from 5 to 35% at 1200ºC, under uniaxial pressure of 20 MPa and 2.2 MPa, using the technique of the technique of pulsed electric current sintering (PECS). The relative density, was determined based on the Archimedes principle. The mechanical properties, hardness and fracture toughness were conducted using a Vickers indenter. The results showed a great influence of the sintering pressure on the relative density and, consequently, on the mechanical properties. For the 5% TiC sample sintered at 20 MPa, the relative density was 97.8%, close to the commercial cemented carbide, 98.1%. Considering mechanical properties, the 5% TiC sample obtained the Vickers hardness number of 1242 ± 62 HV and fracture toughness of 12.5 ± 1.3 MPa.m1/2 , whereas the commercial sample obtained 1284 ± 176 HV and 13.0 ± 1.3 MPa.m1/2. For samples sintered at 2.2 MPa with TiC addition of 15 to 35%, loss of relative density and mechanical properties were observed as the volume fraction of TiC increased. Except for 15% TiC, which attained higher fracture toughness, 13.3±1.0 MPa.m1/2. In this case, the porosity may have absorbed the fracture energy. In addition, from 25% TiC sample the iron segregation amount decreased in the microstructure. The structural design of the FGM considered 5 layers and showed compressive stresses in the first layers rich in carbide content. The results showed the importance of applying pressure during sintering to achieve high relative density and mechanical properties. Furthermore, it is desirable to control the TiC content to have a microstructure more homogenous. The residual stress prediction suggests that the FGM is feasibility without crack.
dc.description.resumoEmbora o metal duro seja um material de ferramenta de corte amplamente utilizado na usinagem, trincas mecânicas e térmicas podem ocorrer. Uma maneira inovadora para melhorar as propriedades dos materiais é utilizar o conceito de Material em Gradação Funcional (FGM). FGMs são compósitos feitos de dois ou mais materiais diferentes adaptados em uma forma de gradiente. O metal duro e o aço rápido são dois grupos importantes e distintos de materiais para ferramentas de corte. O primeiro se caracteriza pela sua elevada dureza, enquanto o segundo pela sua elevada tenacidade. O objetivo do trabalho é avaliar as propriedades físicas e mecânicas de compósitos de metal duro/aço rápido com adições de TiC e compará-las com as de uma ferramenta comercial de metal duro. Posteriormente, apresentar um projeto estrutural de um FGM metal duro/aço rápido, considerando tensão residual. Para isso, pós de metal duro (tamanho de partícula 1,5 μm), aço rápido (50 μm) e TiC (0,1 μm) foram sinterizados variando a fração volumétrica de TiC de 5 a 35% a 1200ºC, sob pressão uniaxial de 20 MPa e 2,2 MPa, utilizando a técnica de sinterização por corrente elétrica pulsada (PECS). A densidade relativa, foi determinada com base no princípio de Arquimedes. As propriedades mecânicas, dureza e tenacidade à fratura foram avaliadas a partir de um indentador Vickers. Os resultados mostraram uma grande influência da pressão de sinterização na densidade relativa e, consequentemente, nas propriedades mecânicas. Para a amostra de 5%TiC sinterizada a 20 MPa, a densidade relativa foi de 97,8%, próxima à do metal duro comercial, 98,1%. Considerando as propriedades mecânicas, a amostra de 5%TiC obteve o número de dureza Vickers de 1242 ± 62 HV e tenacidade à fratura de 12,5 ± 1,3 MPa.m1/2, enquanto a amostra comercial obteve 1284 ± 176 HV e 13,0 ± 1,3 MPa.m1/2. Para amostras sinterizadas a 2,2 MPa com adição de TiC de 15 a 35%, a perda de densidade relativa e propriedades mecânicas foram observadas conforme a fração de volume de TiC aumentou. Exceto para a amostra de 15%TiC, em que a tenacidade à fratura foi maior, 13,3 ± 1,0 MPa.m1/2. Neste caso, a porosidade pode ter absorvido a energia de fratura. Além disso, a partir da amostra com 25% de TiC, a quantidade de segregação de ferro na microestrutura diminuiu. O projeto estrutural do FGM considerou 5 camadas e mostrou tensões compressivas nas primeiras camadas ricas em metal duro. Os resultados mostraram a importância da aplicação da pressão durante a sinterização para alcançar elevada densidade relativa e propriedades mecânicas. Além disso, é desejável controlar o teor de TiC para se ter uma microestrutura mais homogênea. A estimativa da tensão residual sugere que o FGM é viável, sem risco de trincas.
dc.description.sponsorshipFundação Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
dc.formatText
dc.identifier.urihttps://dspace5.ufes.br/handle/10/15952
dc.languagepor
dc.publisherUniversidade Federal do Espírito Santo
dc.publisher.countryBR
dc.publisher.courseMestrado em Engenharia Mecânica
dc.publisher.departmentCentro Tecnológico
dc.publisher.initialsUFES
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
dc.rightsopen access
dc.subjectMetal Duro
dc.subjectAço-Rápido
dc.subjectSinterização
dc.subjectDensidade
dc.subjectDureza
dc.subjectTenacidade à Fratura
dc.subject.br-rjbnsubject.br-rjbn
dc.subject.cnpqEngenharia Mecânica
dc.titleCaracterização de um compósito metal duro/aço rápido para o desenvolvimento de um FGM
dc.title.alternativetitle.alternative
dc.typemasterThesis

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