Resumo em Português:
Na década de 1970 Kaufman e Bernstein realizaram trabalho pioneiro sobre modelamento numérico da termodinâmica de sistemas multicomponentes e fundaram o grupo CALPHAD (Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry), que tem como propósito promover a termodinâmica computacional e desenvolver programas computacionais para: (i) avaliar e validar dados experimentais (e teóricos) para incorporá-los às bases de dados auto-consistentes, (ii) representar as propriedades termodinâmicas de sistemas multicomponentes, (iii) modelar processos tecnológicos. Além de programas para modelamento termodinâmico, vários programas computacionais CALPHAD têm sido desenvolvidos, também, para calcular a cinética de transformações de fase controladas por difusão, os quais têm interfase com programas de calculo termodinâmico e com bases de dados de mobilidades atômicas. No presente trabalho relatam-se diferentes exemplos do uso do método CALPHAD para o modelamento matemático de diferentes processamentos térmicos e termoquímicos de aços, os quais correspondem a estudos de casos realizados no departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Por meio de modelamento CALPHAD foi possível otimizar os parâmetros de processamento durante: a nitretação de aços de alta liga, o processamento térmico de aços TRIP, a produção de nitretos CrN e Cr2N a partir de pó de cromo, o tratamento térmico de solubilização de aços inoxidáveis e o tratamento térmico de decomposição de carbonetos em aços ferramenta.Resumo em Inglês:
In 1970s, Kaufman and Bernstein summarized the general features of computer numerical calculation of multicomponent phase equilibrium thermodynamics, by means of polynomial expressions of the Gibbs free energy, and they created the CALPHAD group (Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry). CALPHAD group aims to promote computational thermodynamics through development of models to (i) critical assessment of experimental and computed data and their incorporation into self-consistent databases, (ii) represent thermodynamic properties for various phases which permit prediction of properties of multicomponent systems, and (iii) development of software to improve understanding of various industrial and technological processes. Besides software for performing thermodynamic modeling, there are today several programs to modeling kinetics of diffusion controlled phase transformations. These kinetic programs are interfaced with programs for performing thermodynamic simulations as well as with kinetic databases. In this work, several case studies about numerical modeling of thermal as well as thermochemical processing of steels are reported. The analyzed case studies are brief descriptions of theoretical and experimental research works which are being carried out in the Metallurgical and Materials Engineering Department, University of São Paulo. It is shown the processing parameter optimization during: high-alloy steel nitriding, TRIP steel thermal processing, CrN and Cr2N thermal synthesis from chromium powder, solution annealing of stainless steels, and primary-carbide decomposition during heat treatment of tool steels.Resumo em Inglês:
Carbon is the most important element going in the steels composition since it largely contributes to their mechanical performance. During the heat treatment of steels, a part of atoms of carbon could be removed from the superficial zone of the steel, which is the result of the atmospheric oxygen attraction by forming gaseous carbon monoxide. This phenomenon, called decarburizing, can change microstructure in a large extent and, as a result, mechanical properties of the steel. This could lead to unsuitable properties for the service life of mechanical parts. In order to prevent such part from breaking in service, it is necessary to know the affected zone by the decarburizing process. For this purpose, the most used technique is a visual observation by optical microscopy of a cross section of the material. This technique is often associated to the hardness profile obtained by Vickers or Knoop indentations in the same section. Depending on the material and on the specimen preparation, some discrepancies are often observed between the two informations. On the other hand, these techniques require a long preparation and cautious interpretation. Then we propose here to use eddy current testing, which is widely employed to detect fatigue cracks, to give some information about changes in microstructure and to examine carburizing of steel from both mechanical and microstructural point of view. For carburizing, eddy current has been successfully connected to the increase of micro-hardness near the surface. This last result has particularly motivated us to use eddy current to analyze decarburizing. In the present work, different durations in the furnace at a temperature of 920°C before oil quenching were performed on 54SiCrV6 (SAE 92V45) steel in order to obtain various morphologies of the decarburized zone. We show that eddy current test may be used to qualify the level of decarburizing since, after a convenient Fourier transformation, three components of the amplitude of the signal are directly linked to the duration of the heat treatment. Associated to optical and hardness measurements, it is also shown that the eddy current signal is well related to the decarburizing depth.Resumo em Português:
Compósitos que utilizam fibras vegetais como reforço têm despertado crescente interesse por parte da comunidade científica e industrial. O bagaço e a palha de cana são materiais renováveis e quando usados como reforço em uma matriz termoplástica podem dar origem a compósitos com baixo custo, baixa densidade e interessantes propriedades mecânicas. Este trabalho teve como objetivo avaliar as propriedades mecânicas e morfológicas de compósitos de polipropileno reforçados com celulose de bagaço e palha. A celulose foi obtida através do processo NaOH/AQ a 170ºC durante 3,5 h de reação. Os compósitos reforçados com 20 e 30% em massa de fibras foram preparados utilizando um misturador "Dryser". Após moagem e moldagem por injeção, esses materiais foram analisados por ensaios de tração, flexão, microscopia ótica (MO) e microscopia eletrônica de varredura (MEV). A resistência à tração dos compósitos reforçados com 20% em massa de fibras foi similar ao polipropileno puro, no entanto, diminuiu com o aumento de reforço. Os módulos de elasticidade em tração e flexão aumentaram em até 79,4 e 81,7 %, respectivamente, influenciados pelo alto módulo das fibras inseridas dentro da matriz polimérica. A análise por MO da superfície dos compósitos mostraram distribuição homogênea das fibras na matriz, comprimento e forma variada das fibras e ainda que as fibras celulósicas da palha são menores que as do bagaço. A análise por MEV dos compósitos fraturados mostrou descolamento das fibras em relação à matriz e comportamento típico de fratura frágil. As fibras celulósicas obtidas a partir do bagaço e da palha deram origem a compósitos com propriedades mecânicas e morfológicas semelhantes e forneceu à matriz uma maior rigidez.Resumo em Inglês:
Composites utilizing vegetable fibers as reinforcement have demonstrated attracted increasing interest ofcrescent advantages from the scientific and industrial communities. Sugarcane bagasse and straw are renewable materials and when used as reinforcement in thermoplastic matrix can give origin to composite materials with low cost, low density and interesting mechanical properties. This work aimed to evaluate the mechanical and morphological properties of polypropylene composites reinforced with cellulose from sugarcane bagasse and straw. The cellulose was obtained through NaOH/AQ pulping process at 170ºC for 3.5 h. The composites reinforced with 20 and 30 % wt of fibers were preparated utilizing a Dryser mixer. After ground and injection molding, these materials were analyzed by tensile and flexural tests, optical microscopy (OM) and scanning electron microscopy (SEM). The tensile strength of composites reinforced with fibers (20 wt.%) was similar to that of pure polypropylene, however, it decreased with the increase increasing amount of reinforcement. The tensile and flexural elasticity moduli increased up to 79.4 and 81.7 %, respectively, due to the high modulus of the fibers inserted inside the polymeric matrix. The composite surface analysis by OM showed homogeneous distribution of fibers inside the matrix and variable length and shape of the fibers. The cellulosic fibers from straw were also smaller than those from bagasse. SEM analysis of fractured composites exhibited pullout displacement of the fiber in with respect to thematrix and a typical behavior of brittle fracture. Cellulosic fibers obtained from sugarcane bagasse and straw resulted in composites with similar mechanical and morphological properties and provided rigidity to thematrix.Resumo em Português:
Este trabalho propõe um modelo para avaliar pontualmente as variações de tenacidade à fratura ao longo da camada cementada de um aço SAE 5115. A pequena espessura dessas camadas impede a retirada de corpos de prova nas dimensões especificadas pelas normas de ensaios de tenacidade à fratura. Assim, para simular uma camada cementada retirou-se corpos-de-prova de tração e de tenacidade à fratura de amostras de aços SAE 5115, 5140, 5160 e 52100 assumindo a influência local apenas da variação do teor de carbono e considerando que os teores dos demais elementos de liga são essencialmente constantes. Os corpos-de-prova após eletrodeposição de cobre foram tratados termicamente em forno numa carga industrial de cementação, têmpera e revenimento para serem submetidos aos efeitos térmicos sem absorção de carbono. Os resultados da análise microestrutural, dos ensaios de microdureza, de tração e de tenacidade à fratura foram agrupados em um único gráfico e comparados com o perfil de cementação de peças de aço SAE 5115 tratadas nas mesmas condições. Foi confirmado que a tenacidade à fratura varia inversamente proporcional à microdureza (HV1) e que a previsão do comportamento de uma trinca numa camada cementada pode ser feita por meio de equação ou diagrama que relacionam a microdureza HV1 com a tenacidade à fratura (K IC ou CTOD C).Resumo em Inglês:
The purpose of this work is to propose a model for evaluating the fracture toughness along the SAE 5115 steel carburized layer. Due to the small thickness of those layers, it is impossible to machine specimens from those layer in accordance with standards. For simulating the microstructures of the carburized layer in order to get samples for tensile and the fracture toughness testing, specimens of SAE 5115, 5140, 5160, and 52100 steels have been machined, assuming the local influence just the variation of the content of carbon and considering that the contents of the other alloy elements are essentially constant. The specimens after electroplated copper layer were heat treated in an industrial load of carburizing, quenching, and tempering for they be submitted to the thermal effects without absorption of carbon. The results of the microstructure analysis and microhardness, tension, and fracture toughness tests were placed in a single graph and compared with the profile of the carburizing of the steel SAE 5115 heat treated in the same conditions. It was confirmed that the fracture toughness varies inversely proportional to the microhardness (HV1) and that the forecast of the behavior of a crack in a carburized layer can be made through equation or it designs that relate the microhardness (HV1) with the fracture toughness (K IC or CTOD C).Resumo em Português:
O presente trabalho consiste basicamente na análise das características físico-químicas de areia-base para fundição e sua influência na qualidade das peças fundidas. Foram coletados cinco diferentes tipos de areia-base, ambas com o mesmo tratamento mineral. A caracterização das areias-base foi realizada através dos seguintes ensaios de laboratório: distribuição granulométrica, argila AFS, umidade, permeabilidade base, expansão ao choque térmico, perda ao fogo, temperatura de sinterização, teor de finos, caracterização visual e análise química. Foram confeccionados dois modelos diferentes. O primeiro com o formato em espiral, com o objetivo de investigar a fluidez do metal em função das características das diferentes areias-base. O segundo, uma placa escalonada, que permite identificar a qualidade do acabamento superficial da peça fundida para diferentes espessuras. O metal utilizado no processo de fundição foi o alumínio. A partir dos resultados encontrados no ensaio tecnológico, observou-se uma correlação com os resultados de laboratório, verificando que uma correta análise das características identificadas no laboratório permite prever o comportamento da areia-base e seu resultado final observado na peça fundida.Resumo em Inglês:
The present work consists to analyze the physical and chemical characteristics of sands used to foundry and its influence in the quality of the melted pieces. Five different types of sand were collected, both with the same mineral treatment. The characterization of the sand was carried out through the following laboratory tests: grain size distribution (sieving), AFS clay content, water content, permeability, thermal expansion, loss on ignition, sinter point, fine contents meshes and chemical composition. The optical microscope was used in order to identify the geometry of the grains of sand. Two different models were made. The first one with a spiral shape was made to investigate the flow’s capacity of the metal with respect the different characteristics of the sands. The second model which is a plate with different thickness was made to investigate the quality of the surface finishing of the melted pieces. The metal used in the foundry process was the aluminum. It was observed a significant correlation between the laboratory and technological results, which means that it is possible to preview the quality of melted pieces from the characteristics of the sand grains.Resumo em Português:
Os aços inoxidáveis martensíticos com no máximo de 11,5% em peso de cromo apresentam estrutura austenítica a elevadas temperaturas (950-1000ºC), que se transforma em martensítica quando resfriado convenientemente até temperatura ambiente. Porém, o controle dos ciclos térmicos utilizados nos tratamentos térmicos de têmpera e de revenimento é de extrema importância, pois estudos têm mostrado que as perdas da resistência mecânica e da corrosão dessas ligas podem ser atribuídas à precipitação de carbonetos durante o revenimento. Os resultados obtidos poderão contribuir de maneira significativa no entendimento e resolução de problemas vinculados ao controle da produção desses aços. Essas ligas são utilizadas como matéria prima para a construção de turbinas, carcaça e rotores de bombas e equipamentos empregados na exploração e extração de petróleo. Este trabalho teve como objetivo caracterizar a microestrutura de um aço inoxidável martensítico, nas condições bruta de fusão e tratado termicamente, e determinar as propriedades mecânicas e de corrosão, após o tratamento térmico.Resumo em Inglês:
The martensitic stainless steels CA15 with 11.5 weight percent maximum in chromium present austenitic structure to high temperatures (950-1000ºC), that is transformed in martensitic when properly cooled until room temperature. However, the thermal cycles control used in quenching and tempering thermal treatment are extremely important because studies have been showed that the mechanical resistance and the corrosion losses in these alloys can be assigned to carbides precipitation during the tempering. The results can contribute significantly to understand and solve problems entailed to the production control of these steels. These alloys are used as raw material for turbines, pump case and pump rotors production and equipments applied to petroleum exploration and extraction. This work has the objective of characterizing as cast and heat-treated martensitic stainless steel microstructure and determining the mechanical and corrosion properties after heat treatment.Resumo em Português:
O processo pirometalúrgico convencional para a produção de chumbo metálico é comparado com dois novos processos ambientalmente não agressivos: o eletrohidrometalúrgico e fusão alcalina. O processo eletrohidrometalúrgico consiste em reduzir o tamanho das partículas dos compostos de chumbo e lixiviar os mesmos com uma solução ácida de fluoborato férrico. Neste ponto, o chumbo é dissolvido com os íons férricos sendo reduzidos a íons ferrosos. A solução resultante da lixiviação é bombeada para os compartimentos catódicos de uma célula eletrolítica de diafragma nos quais o chumbo metálico é depositado em catodos de aço inoxidável numa forma compacta e pura. A solução que é empobrecida em íons Pb2+ é então enviada aos compartimentos anódicos da mesma célula onde, nas superfícies de anodos ocorre a oxidação dos íons ferrosos a férricos, que retornam ao estágio de lixiviação. O processo de fusão alcalina consiste em se juntar soda cáustica fundida, enxofre e compostos de chumbo num reator a uma temperatura entre 600 °C e 700 °C. Como um resultado chumbo metálico é obtido juntamente com sais fundidos de sódio, sulfetos metálicos e borra. O fundido é processado, resultando em borra, sulfetos metálicos, soda cáustica e enxofre. Estes dois últimos retornam para o reator. Ambos os processos permitem a recuperação de metais como antimônio, estanho, enxofre e prata, que em processo convencional são perdidos na escória. Esses novos processos são ambientalmente corretos sem poluições severas de Pb e SO2. O chumbo metálico obtido é mais puro que aquele do processo convencional.Resumo em Inglês:
The conventional pirometallurgical process for the production of metallic lead is compared with two innovative clean processes: electrohydrometallurgical and alkaline smelting. The electrohydrometallurgical process consists on reducing the particle size of the lead compounds and leaching them with an acidic solution of ferric fluoroborate. In this step, lead is dissolved with the ferric being reduced to ferrous ions. The resulting solution from the leaching step is sent to the cathodic compartment of a diaphragm cell in which lead is deposited on a cathode of stainless steel, in compact and pure form. The solution that is depleted of lead ions is then sent to the anodic compartment of the same cell where a suitable anode oxidizes ferrous to ferric ions that turn back to the leaching step. The alkaline smelting process consists in feeding molten caustic soda, sulfur and lead compounds into a reaction reactor at temperature of 600-700°C. As a result metallic lead is obtained together with a melt containing sodium salts, metal sulfides and gangue. The melt is processed yielding gangue, metal sulfides, caustic soda and sulfur. These two last turn back to the reaction reactor. Both processes allow the recovery of valuable metals such as antimony, tin, sulfur and silver that in conventional process are losing in the slag. These innovate processes are ecologically cleaning processes without serious pollution of Pb and SO2. The obtained metallic lead is purer than that from conventional process and seldom contains any impurity.Resumo em Espanhol:
En este trabajo se analiza la densificación del cerámico superconductor YBa2Cu3O7-x (123) a partir de compactos conformados con dos composiciones deficientes en itrio con respecto a la relación catiónica superconductora Y:Ba:Cu = 1,0:2,0:3,0. La evolución térmica de los polvos se estudió por ATD-TG, en atmósfera de O2, hasta la zona de descomposición peritéctica del sistema YBa2Cu3O7-x (» 1050ºC). La densificación de estos compactos se analizó por medio de dilatometrías realizadas bajo similares condiciones a las establecidas para los ATD-TG. Los mecanismos dominantes del sinterizado fueron analizados por medio de modelos aplicados a las curvas dilatométricas. De acuerdo a los datos combinados de dilatometrías y ATD-TG, se verifica que el mecanismo de sinterización por fase líquida (SFL) controla el 85% de la contracción total del compacto de composición Y0,7Ba2,0Cu3,3Ox (C2), el cual presenta un temprano crecimiento de granos (CG) desde los 860ºC. El proceso de CG no se detecta en el compacto de composición Y0,7Ba2,3Cu3,1Ox (C1) a temperaturas menores a los 900ºC. Para ambas composiciones se postula que, a partir de 900ºC, el mecanismo de SFL está presente por medio del proceso de reacomodamiento y luego, en el rango 930-975ºC, el mecanismo de solución-precipitación es el proceso dominante en el SFL.Resumo em Inglês:
In this work the densification of YBa2Cu3O7-x (or 123) ceramic starting from compacts with two compositions having lower Y-contents relative to the superconducting cationic Y:Ba:Cu ratios equal to 1.0:2.0:3.0 were analyzed. Thermal evolution of the powders was monitored by DTA-TG, under O2-flow, up to the peritectic decomposition temperature, Tp»1050ºC. The sintering/densification behavior of these compacts was followed by dilatometric runs under the same DTA-TG conditions. The main sintering mechanisms were analyzed using theoretical models fitted to the densification curves allowing the calculation of the apparent sintering enthalpies. According to dilatometric and DTA-TG runs, the liquid phase sintering (LPS) mechanism controls 85% of the total shrinkage in compact of composition Y0,7Ba2,0Cu3,3Ox (C2) presenting an early grain growth (GG) contribution to densification from 860ºC. It should be noted no GG was detected in compact of composition Y0,7Ba2,3Cu3,1Ox (C1) at temperatures lower than 900ºC. From 900ºC the LPS is thought to be present by the rearrangement stage and then, in the range 930-975ºC, the solution-precipitation process in LPS would be the main densification mechanism.Resumo em Espanhol:
El cemento portland juega un rol cada vez más importante en el manejo de residuos industriales peligrosos. La técnica de solidificación/estabilización (S/S) basada en el cemento ha demostrado ser efectiva para el aislamiento de residuos peligrosos, especialmente metales pesados. En este trabajo se discutirá el efecto que la adición de filler calcáreo al cemento produce en la S/S de metales como cromo, cadmio y plomo. Se realizaron estudios de difracción de rayos X, espectroscopia infrarroja, calorimetría y lixiviación a fin de evaluar el nivel de inmovilización en morteros conteniendo estos elementos. Se encontró un alto grado de inmovilización de los iones Cd, Cr y Pb aunque su presencia modifica la velocidad y los compuestos obtenidos durante la hidratación del cemento. Los resultados muestran que el cemento con fillers calcáreo es más eficiente que el cemento normal para la satisfactoria inmovilización de metales pesados.Resumo em Inglês:
Portland cement plays an ever more important role in the management of hazardous industrials wastes. Cement - based solidification/stabilization (S/S) technique has been effectively demonstrated as a treatment to isolate hazardous waste especially heavy metals. In the presents work will be discuss the effect that limestone filler addition to portland cement produced in the S/S of metals as chromium, cadmium and lead. X-ray diffraction, infrared spectroscopy, calorimetric and leaching test were carried out to evaluate the level of immobilization in mortars made containing these elements. It was found that the degree of Cd, Cr and Pb ion immobilization was very high but modifies the rate and the components obtains during the cement hydration. The results thus presented prove that limestone blended cements material can be successfully used as a heavy metals immobilizing agent rather than the normal portland cement.