Experimental analysis and numerical modelling of the influence of the oxidation on the thermal fatigue of hot rolling rolls.

Embora a literatura disponível sobre conformação mecânica disponha de grande número de trabalhos relacionados à fadiga térmica em cilindros de laminação a quente, poucos autores abordam como esse tipo de dano é influenciado por algumas características do processo - em especial a oxidação na superfície de trabalho dos cilindros, tanto enquanto formação de uma camada de óxido uniforme sobre essa superfície quanto na forma de corrosão. Essa lacuna ocorre a despeito do volume de referências que relacionam a oxidação à fadiga térmica em escala laboratorial. O presente trabalho busca relacionar ambas as linhas de investigação, utilizando métodos analíticos e numéricos comparados com experimentos em diferentes escalas, para compreender sob quais condições são formados os óxidos presentes nos cilindros, qual seu comportamento mecânico no decorrer dos ciclos de laminação e como os óxidos influenciam na ocorrência de trincas de laminação a quente. A análise da superfície de trabalho de um cilindro em escala piloto revela a presença de trincas térmicas na superfície de trabalho. Os padrões de defeitos obtidos se mostram de acordo com o exposto em diversas referências publicadas sobre ensaios de fadiga térmica e termomecânica, em relação à presença e distribuição de óxidos no interior das trincas e na superfície externa das amostras. Em paralelo, foram desenvolvidos modelos numéricos do processo de laminação a quente, inicialmente em escala macroscópica, para obter detalhes sobre distribuições de temperatura, tensões e deformações nos cilindros, de difícil obtenção experimental. Estes modelos foram simulados e seus resultados comparados com valores medidos no laminador piloto, validando seu uso para avaliação do comportamento dos cilindros durante uma série de campanhas de laminação. Os resultados obtidos mostram que o mecanismo de fadiga de baixo ciclo normalmente associado ao dano térmico não é suficiente para explicar a nucleação das trincas de fadiga térmica observadas no experimento. O erro na predição pela teoria de fadiga de baixo ciclo tradicional, em conjunto com a caracterização dos cilindros em escala piloto e com observações de cilindros em escala industrial presentes na literatura, permite levantar a hipótese de que os fenômenos de oxidação e corrosão em curso durante o processo de laminação contribuem para uma redução significativa da resistência dos cilindros à fadiga termomecânica. Cálculos analíticos e simulações adicionais em escala microscópica foram realizados, incluindo os efeitos da oxidação e da corrosão, confirmando a hipótese e oferecendo uma linha de investigação mais assertiva para a nucleação e evolução do dano nos cilindros.Although the literature on metal forming presents a considerable amount of references related to thermal fatigue in hot rolling, only few authors discuss how this type of damage is influenced by some characteristics of the rolling process - specially the oxidation that develops at the surface of the rolls. This gap occurs despite the amount of references relating oxidation to thermal fatigue in laboratory scale. The current work aims to relate both investigation paths, employing analytical and numerical methods in comparison with experiments in different scales, to provide understanding about the conditions at which the oxides observed upon the rolls are formed, their mechanical behaviour during the rolling process and how they influence thermal fatigue cracking in the rolls. The analysis of the roll surface in a pilot scale mill reveals the presence of thermal fatigue cracks on the work surface. The patterns of defects observed are in accordance with several references on thermal and thermomechanical fatigue, regarding the presence and distribution of oxides inside the cracks and at the external surface of the samples. In parallel, numerical models of hot rolling were developed, initially at macroscopic scale, to obtain details on temperature, stress and strain distribution in the rolls, which are difficult to obtain experimentally. These models were simulated and their results were compared with values measured in the pilot scale mill, validating their use to evaluate the behaviour of the rolls throughout a series of rolling campaigns. The obtained results show that the low-cycle fatigue mechanism commonly associated to thermal damage is not enough to explain the nucleation of thermal cracks seen in the experiments. The error in the prediction using the traditional low-cycle fatigue theory, in conjunction with the characterization of the pilot-scale rolls and with observations of industrial scale rolls, yields the hypothesis that oxidation and corrosion phenomena occurring throughout the rolling process contribute to a significative reduction in the resistance of the rolls to thermomechanical fatigue. Analytical calculations and additional simulations in microscopic scale were conducted, including effects of oxidation and corrosion, confirming the hypothesis and providing a more assertive line of research for damage nucleation and evolution in the rolls