Made available in DSpace on 2016-03-15T19:37:01Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2010-03-02 / Fundo Mackenzie de Pesquisa / Given the variety of metallic materials used in orthopedic implants, the austenitic stainless steel type 316L and F138 have been widely used in Brazil as biocompatible material. Used by the public health, mainly due to it is low cost of manufacture compared to other materials, and because of the good combination of properties of which can be highlighted: The biocompatibility, the mechanical strength and corrosion resistance. However, these materials in contact with physiological fluids of the human body, allow the emergence of mechanisms of degradation such as corrosion, causing adverse reactions to patients.This fact causing possible premature failure of these implants, thus causing inconvenience to them and an additional cost the Unified Health System (SUS) replacement in these products. This work was developed in partnership with the Department of Graduate Studies of Engineering Materials, University of Mackenzie and the Department of Orthopedics and Tramautolog, Santa Casa de Misericordia de São Paulo (DOT-SCM-SP), motivated to perform a research study of the quality of orthopedic surgical implants, particularly osteosynthesis (plates and screws), removed from patients to identify the causes and failures, and possibly to use these results in the prevention of future occurrences of errors. Following the criteria specified in ISO 5832-1 and ASTM F138 that use a methodology, which consists of techniques for visual inspection, chemical analysis, macro and micro-structural characterization and examination fractographic. / Dada a diversidade de materiais metálicos utilizados em implantes ortopédicos, os aços inoxidáveis austeníticos do tipo 316L e F138 têm sido amplamente empregados no Brasil como materiais biocompatíveis. Eles são utilizados pela Rede Pública de Saúde, devido principalmente ao seu baixo custo de fabricação, em relação aos outros materiais e por apresentarem uma boa combinação de propriedades, das quais podem ser destacadas: a biocompatibilidade, a resistência mecânica e a corrosão. Porém, estes materiais, em contato com fluídos fisiológicos do corpo humano, possibilitam o surgimento dos mecanismos de degradação, tais como a corrosão, causando reações adversas aos pacientes, possíveis falhas prematuras destes implantes, gerando assim transtornos a estes e um custo adicional ao Sistema Único de Saúde (SUS), nas recolocações destes produtos. Este trabalho foi elaborado em parceria com o Departamento de Pós-Graduação de Engenharia de Materiais da Universidade Mackenzie e o Departamento de Ortopedia e Tramautologia da Santa Casa de Misericórdia de São Paulo (DOT-SCM-SP), motivado na elaboração de um estudo investigativo, da qualidade desses implantes cirúrgicos ortopédicos, em especial osteossínteses (placas e pinos), removidos de pacientes com o objetivo de identificar as causas e falhas, e possivelmente utilizar estes resultados na prevenção de ocorrências de futuros erros. Seguindo os critérios especificados nas normas ISO 5832-1 e ASTM F138 em que se aplica uma metodologia, que consiste em técnicas de inspeção visual, análise química, caracterização macro e microestrutural e exame fractográfico das superfícies.

Os aços inoxidáveis austeníticos são materiais atrativos para serem utilizados em vários setores industriais que operam sob meios corrosivos, como por exemplo: indústria química, alcooleira, petroquímica, de papel e celulose, na prospecção de petróleo e nas indústrias têxtil e farmacêutica. Contudo, apresentam propriedades tribológicas pobres. No sentido de melhorar essas propriedades, como aumentar a dureza superficial, a resistência ao desgaste e a resistência à fadiga, vários métodos de tratamentos superficiais vêm sendo utilizados. Dentre eles, o mais eficiente é a nitretação por plasma. Este processo é realizado em uma câmara de vácuo sob uma mistura gasosa de hidrogênio e nitrogênio. É aplicada uma diferença de potencial entre o cátodo (porta amostras) e o ânodo (paredes da câmara), acelerando os íons contra a superfície da peça, aquecendo-a e arrancando elétrons de sua superfície. Os íons reagem com espécies da superfície do plasma formando compostos instáveis do tipo FeN que se recombinam para formarem nitretos estáveis. O sucesso deste tratamento se deve à baixa temperatura de operação, ao menor tempo efetivo de tratamento e ao controle da uniformidade da espessura da camada. A camada de nitretos formada durante o tratamento possui uma influência positiva na vida em fadiga de um componente, graças a dois motivos principais. O primeiro é o atraso na nucleação da trinca devido ao aumento da resistência mecânica superficial. O segundo motivo está relacionado com a introdução de tensões residuais compressivas durante o processo de endurecimento da superfície, que retarda a iniciação da trinca e diminui o fator de intensidade de tensão. Os corpos de prova foram nitretados a 400ºC durante 6 horas, com uma pressão de 4,5 mbar e utilizando uma mistura gasosa de 80% vol.H2 e 20%vol.N2. Ocorreu um aumento da resistência mecânica próxima á superfície, devido à camada de nitretos, o que ficou evidente com o sensível aumento no valor do limite de fadiga do material nitretado em relação ao não nitretado. O limite de fadiga do aço AISI 316 não tratado foi de 400MPa e do nitretado foi de 510MPa, enquanto que, para o aço AISI 304, o limite de fadiga do material não tratado foi de 380MPa e o limite para material submetido ao tratamento de nitretação foi de 560MPa. / The austenitic stainless steels are attractive materials to many industrial sectors which work on corrosive environments, as chemical industry alcohol, petrochemical, cellulose industries, in the petroleum prospection and pharmaceutical and textiles industries. However, they present poor tribological properties. In order to improve these properties, like increasing superficial hardness, wear and fatigue resistance superficial heat treatment methods have being used. The most efficient is the plasma nitriding process which occurs in a vacuum container under hydrogen and nitrogen gas mixture. A potential difference is applied between the cathode (samples receptor) and the anode (container walls), accelerating the ions against the piece, heating it and removing electron from the surface of material. These atoms react with the surface plasma species, producing unstable compounds like FeN, which recombine producing stable nitrides. The success of this treatment is due to the low temperature operation, the short effective time of treatment and to the uniformity control of the layer’s thickness. The nitrides layer produced during the treatment have a positive influence in the fatigue life of a component, thanks to two main reasons. The first is the retardation in crack nucleation due to increasing of superficial mechanical strength. The second reason is due to introduction of compressive residual stress during the surface hardening process, which retards de crack initiation process. The specimens were nitriding at 400°C during 6 hours, at a 4,5mbar pressure and using a gas mixture of 80% vol. H2 and 20% vol. N2. The surface mechanical strength increased, due to the nitrides layer, which was evident with the sensitive increase in the fatigue limit of the nitriding specimens, comparing to the untreated ones. The fatigue limit of the AlSl 316 steel in untreated condition was 400 MPa and in nitriding condition was 510 MPa, whereas AlSl 304 steel, the fatigue limit of the untreated condition was 480 MPa and the fatigue limit for the nitrided condition was 560 MPa.

Neste trabalho são estudados os mecanismos de desgaste, atuantes na escala do tamanho de grão (meso-escala), durante ensaios de cavitação vibratória, para diferentes amostras de aços inoxidáveis austeníticos ligados com nitrogênio. Amostras com teores superficiais de nitrogênio de aproximadamente 0, 9 % massa, 1, 4%massa e 20%massa, obtidas a partir do a¸co inoxidável dúplex UNS S31803, foram estudadas. As amostras do a¸co inoxidável duplex UNS S31803, com aproximadamente 0, 9 % N massa, foram obtidas por nitretação gasosa em alta temperatura (temperatura de nitretação entre 1050 e 1200 C) e consistiram em três grupos diferentes: amostras com nitrogênio em solução sólida e solubilizadas, amostras com precipitação de nitretos e amostras com nitrogênio em solução sólida e encruadas. Já as amostras com teor de nitrogênio próximo de 20 % N massa foram processadas por meio de nitretação a plasma na temperatura de 400 C, obtendo-se uma camada superficial de austenita expandida. As amostras de ensaio foram submetidas à caracterização de textura por difração de elétrons retroespalhados, EBSD, e posteriormente à cavitação vibratória em ´agua destilada. Os ensaios de cavitação foram periodicamente interrompidos com o intuito de estudar a deteriora¸cao das amostras por exame das mesmas no microscópio eletrônico de varredura, MEV, e por medidas de perda de massa. Quando comparadas com os aços inoxidáveis austeníticos convencionais (UNS S30403 solubilizado e UNS S31803 como recebido), sem adição de nitrogênio e livre de encruamento, as amostras estudadas apresentaram resistência ao desgaste por cavitação superior, quantificada tanto pelo tempo de incubação do dano com perda de massa quanto pela taxa máxima de perda de massa nos estágios avançados do dano. A taxa máxima de perda de massa para cada tipo de amostra estudada, com relação `a taxa máxima do material de comparação, o aço inoxidável convencional sem adição de nitrogênio e livre de encruamento (UNS S30403) solubilizado, foi de: amostras com precipitação de nitretos (318HTGN+Nit), 6,9 vezes menor; amostras com nitrogênio em solução sólida e solubilizadas (318HTGH+Sol) e laminadas e solubilizadas (318HTGN+Lam+Sol), 26,8 e 25 vezes menor, respectivamente; amostras com nitrogênio em solução sólida e encruadas (318HTGN+Enc) 145 vezes menor; e amostras com camada superficial de austenita expandida (obtidas por nitretação a plasma), (318HTGN+Plas e 304LSol+Plas) 290 e 1,77 e vezes menor respectivamente. O efeito benéfico da adição de nitrogênio na resistência à erosão por cavitação dos aços inoxidáveis austeníticos estudados foi atribuído a: (i) aumento na resistência à deformação plástica; (ii) distribuição mais homogênea da deformação plástica induzida pelas ondas de choque e micro-jatos característicos do processo de cavitação; e (iii) aumento da importância relativa dos mecanismos de perda de massa com elevado consumo de energia de impacto. Nos primeiros estágios do dano erosivo por cavitação se observou clara evidência de deformação plástica, acompanhada de formação de microreelevo superficial e de protrusão de bandas de escorregamento. A perda de massa em nível microscópico (observações no MEV) começa como destacamento de material em microtrincas e micropites. Observou-se que tanto a nucleação do dano como o seu crescimento se apresenta de forma heterogênea na escala do tamanho de grão. Os sítios microestruturais nos quais se iniciou o dano com perda de massa foram preferencialmente protuberâncias nas protrusões de bandas de escorregamento, protuberâncias nos contornos de grão e as interfaces matriznitreto. O incremento do teor de nitrogênio (em solução sólida) na amostra aumentou a importância relativa dos contornos de grão como locais de nucleação do dano, em relação ao dano iniciado no interior dos grãos. Observou-se que o interior dos grãos com planos 100 ou 111 orientados de forma aproximadamente paralela à superfície das amostras são regiões muito suscetíveis à incubação do dano e ao crescimento do mesmo. Já os grãos com planos 101 orientados aproximadamente paralela à superfície das amostras, apresentam regiões com resistência ao dano bem maior. Esses resultados são discutidos, considerando as diferenças de tensão (resultantes da ação de ondas de choque causadas pela implosão de bolhas de cavitação) crítica projetada para cisalhamento de grãos com diferentes orientações. O dano ocorre preferencialmente em contornos de grãos com acentuados gradientes de tensão resolvida para a deformação plástica, onde se desenvolve elevada concentração de tensões. Em particular, os contornos de macla CSL 3 são acentuadamente mais suscetíveis à incubação do dano que os outros tipos de contornos CSL e que os contornos não CSL. / High nitrogen austenitic stainless steels containing 0.9 wt-% N and 20 wt- % N were tested in a ultrasonically induced vibratory cavitation testing device. Incubation times for damage initiation and mass losses were periodically measured during the cavitation-erosion tests. Scanning Electron Microscopy observation of the damaged surfaces allowed identifying the wear mechanisms operating during each step of the cavitation-erosion test. 0.9 wt-% N specimens were obtained through High Temperature Gas Nitriding UNS S31803 duplex stainless steel, at temperatures between 1050 and 1200 oC. Three groups of specimens were obtained: solubilized with all nitrogen in solid solution, solubilized and work hardened specimens and nitride containing specimens. The 20 wt- % N specimens were obtained through Low Temperature Plasma Nitriding the already High Temperature Gas Nitrided specimens and getting an expanded austenite layer at the surface. The specimens were firstly characterized by Electron Backscattered Diffraction - EBSD techniques and then submitted to the cavitation-erosion tests in distilled water. When compared to conventional UNS S30403 lean nitrogen solubilized austenitic stainless steel specimens, greater incubation times and smaller maximum wear rates were observed. The maximum wear rates (compared to those of the solubilized UNS S30403 steel) were: for the nitride containing specimen 6.9 times smaller; for textured and non-textured all nitrogen in solid solution specimens 26.8 and 25 times smaller, respectively; for the solubilized and work hardened specimen 145 times smaller; for the expanded austenite layer, with circa 20 wt- % N, specimens 300 times smaller. The beneficial effect of nitrogen on the cavitation-erosion resistance of the studied specimens was attributed to: (i) an increase in resistance to plastic deformation; (ii) a more homogeneous distribution of the plastic deformation; and (iii) an increase of the relative participation of energy consuming mass loss mechanisms. Plastic deformation accompanied by formation of micro relief at the surface and slip bands protrusions were clearly identified, during the first stages of cavitation erosion. The first evidences of mass loss (detected by SEM observations) were seen as particles detaching from micro cracks and micro pits formed at the grain surface. Nucleation and growth of cavitation damage was heterogeneously distributed at the grain scale. Slip bands protrusions, grain boundary protrusions and nitride matrix interfaces sites were more prone to nucleating the damage. Increasing nitrogen contents in solid solution increased the relative contribution of grain boundary nucleated damage, compared to the total amount of nucleation sites. Grains with 100 and 111 crystallographic planes approximately parallel to the surface were more prone to nucleation and growth of cavitation damage. Grains with 101 planes // surface were much more resistant to cavitation-erosion damage. These results are discussed considering differences of critical resolved shear stresses for grains with different orientations. Cavitation erosion damage occurs preferentially at grain boundaries across which steep stress gradients arise. Particularly, CSL -3 twin boundaries are much more susceptible to cavitation erosion damage incubation than other types of CSL boundaries and non CSL boundaries.

Neste trabalho, estudaram-se os mecanismos de desgaste por deslizamento dos aços AISI 304 e AISI 316 em função da carga normal (de 6 N a 20 N) e da velocidade tangencial (de 0,07 m/s a 0,81 m/s). De acordo com o planejamento fatorial 23, realizaram-se ensaios de desgaste em equipamento convencional, do tipo pino-contra-disco. Foram usadas técnicas de análise das superfícies e das partículas após o desgaste: microscopia eletrônica de varredura (MEV), difração de raios-X, espectroscopia Mössbauer, rugosidade, temperatura e dureza instrumentada. Concluiu-se que os mecanismos de desgaste por deslizamento para os aços AISI 304 e AISI 316 são dominados pela deformação plástica (desgaste por oxidação de partículas metálicas, desgaste adesivo e desgaste misto). A variação da taxa de desgaste dos dois materiais dependeu do efeito da interação entre os níveis de carga normal e velocidade tangencial. Por meio do planejamento composto central, foi possível obter um modelo empírico da variação da taxa de desgaste em função da carga normal e da velocidade. / In this work, sliding wear mechanism of AISI 304 and AISI 316 austenitic stainless steels were studied as a function of the applied load (from 6 N to 20 N) and the tangential velocity (from 0.07 m/s to 0.81 m/s). Following the 23 factorial design, wear experiments were performed using a conventional pin-on-disc machine. Worn surfaces and wear debris analysis techniques were used: scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction, Mössbauer spectroscopy, stylus profiling, surface temperature measurement and instrumented indentation. Plasticity-dominated wear (metallic debris oxidation, adhesive wear and mixed wear) are the sliding wear mechanisms for AISI 304 and AISI 316 steels. The wear rate behavior depended on interaction effect between applied load and tangential velocity. An empirical model of wear rate as a function of applied load and tangential velocity was obtained by means of the central composite design.

Neste trabalho, estudaram-se os mecanismos de desgaste por deslizamento dos aços AISI 304 e AISI 316 em função da carga normal (de 6 N a 20 N) e da velocidade tangencial (de 0,07 m/s a 0,81 m/s). De acordo com o planejamento fatorial 23, realizaram-se ensaios de desgaste em equipamento convencional, do tipo pino-contra-disco. Foram usadas técnicas de análise das superfícies e das partículas após o desgaste: microscopia eletrônica de varredura (MEV), difração de raios-X, espectroscopia Mössbauer, rugosidade, temperatura e dureza instrumentada. Concluiu-se que os mecanismos de desgaste por deslizamento para os aços AISI 304 e AISI 316 são dominados pela deformação plástica (desgaste por oxidação de partículas metálicas, desgaste adesivo e desgaste misto). A variação da taxa de desgaste dos dois materiais dependeu do efeito da interação entre os níveis de carga normal e velocidade tangencial. Por meio do planejamento composto central, foi possível obter um modelo empírico da variação da taxa de desgaste em função da carga normal e da velocidade. / In this work, sliding wear mechanism of AISI 304 and AISI 316 austenitic stainless steels were studied as a function of the applied load (from 6 N to 20 N) and the tangential velocity (from 0.07 m/s to 0.81 m/s). Following the 23 factorial design, wear experiments were performed using a conventional pin-on-disc machine. Worn surfaces and wear debris analysis techniques were used: scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction, Mössbauer spectroscopy, stylus profiling, surface temperature measurement and instrumented indentation. Plasticity-dominated wear (metallic debris oxidation, adhesive wear and mixed wear) are the sliding wear mechanisms for AISI 304 and AISI 316 steels. The wear rate behavior depended on interaction effect between applied load and tangential velocity. An empirical model of wear rate as a function of applied load and tangential velocity was obtained by means of the central composite design.

Os aÃos inoxidÃveis austenÃticos tÃm sido bastante utilizados em equipamentos de utilidades de dessulfurizaÃÃo de petrÃleo devido à sua boa resistÃncia à corrosÃo em temperatura elevada.Contudo, esses materiais estÃo sujeitos a sensitizaÃÃo (deficiÃncia em cromo na regiÃo vizinha ao contorno de grÃo) quando expostos a temperaturas de 425 a 815ÂC, durante a operaÃÃo ou processos de fabricaÃÃo. A sensitizaÃÃo torna o equipamento suscetÃvel à corrosÃo sob tensÃo causada por aÃos politiÃnicos, formados pela interaÃÃo de compostos sulforoso, umidade e ar em temperatura ambiente. A resistÃncia à corrosÃo sob tensÃo de amostras de aÃo inoxidÃvel austenÃtico AISI 321 e 347, removidas de um tubo, foi investigada atravÃs do procedimento ASTM 262 Pr. E â ensaio alternativo e de execuÃÃo mais fÃcil do que a simulaÃÃo dos aÃos politiÃnicos. Os corpos de prova foram submetidos aos tratamentos tÃrmicos de estabilizaÃÃo (900ÂC, durante 75 minutos) e de sensitizaÃÃo (600ÂC, durante 20, 40, 80, 120 e 140 horas), apÃs o que foram expostos ao meio corrosivo de CuSO4 + H2SO4 durante 72 horas e depois dobradas, nÃo apresentando trincamento. A agressividade do meio utilizado no ensaio foi verificada atravÃs da utilizaÃÃo de amostras de aÃo AISI 304L sensitizadas (600ÂC, 24, 28 e 72 horas e 677ÂC durante 4, 45 e 72 horas). Neste caso, somente as amostras com acabamento superficial feito com lixa n 100 sofreram um intensivo processo corrosivo. / Os aÃos inoxidÃveis austenÃticos tÃm sido bastante utilizados em equipamentos de utilidades de dessulfurizaÃÃo de petrÃleo devido à sua boa resistÃncia à corrosÃo em temperatura elevada.Contudo, esses materiais estÃo sujeitos a sensitizaÃÃo (deficiÃncia em cromo na regiÃo vizinha ao contorno de grÃo) quando expostos a temperaturas de 425 a 815ÂC, durante a operaÃÃo ou processos de fabricaÃÃo. A sensitizaÃÃo torna o equipamento suscetÃvel à corrosÃo sob tensÃo causada por aÃos politiÃnicos, formados pela interaÃÃo de compostos sulforoso, umidade e ar em temperatura ambiente. A resistÃncia à corrosÃo sob tensÃo de amostras de aÃo inoxidÃvel austenÃtico AISI 321 e 347, removidas de um tubo, foi investigada atravÃs do procedimento ASTM 262 Pr. E â ensaio alternativo e de execuÃÃo mais fÃcil do que a simulaÃÃo dos aÃos politiÃnicos. Os corpos de prova foram submetidos aos tratamentos tÃrmicos de estabilizaÃÃo (900ÂC, durante 75 minutos) e de sensitizaÃÃo (600ÂC, durante 20, 40, 80, 120 e 140 horas), apÃs o que foram expostos ao meio corrosivo de CuSO4 + H2SO4 durante 72 horas e depois dobradas, nÃo apresentando trincamento. A agressividade do meio utilizado no ensaio foi verificada atravÃs da utilizaÃÃo de amostras de aÃo AISI 304L sensitizadas (600ÂC, 24, 28 e 72 horas e 677ÂC durante 4, 45 e 72 horas). Neste caso, somente as amostras com acabamento superficial feito com lixa n 100 sofreram um intensivo processo corrosivo. / Because of their resistance to high temperature corrosion by hydrogen sulfide, austenitic stanless steels are commonly used for equipment in desulfurization process. However, these materials are subject to sensitization (chromium carbide precipitation) from exposure in the temperature range 425 to 815ÂC during fabrication or operation. Sensitization makes the equipment susceptible to failure from intergranular stress corrosion cracking caused by polythionic acid. Polythionic acid is formed by sulfur compounds, moisture, and air at ambient temperature. The main goal of the present work is to investigate the stress corrosion cracking susceptibility of stainless steels AISI 321 and 347 in polythionic acids using an alternative process that is to submit the samples to cooper-cooper sulfate-16% sulfuric acid test (ASTM A262 Pr.E). After the stabilization heat treatment at 900ÂC for 75 minutes, samples were heat treated at 600ÂC during 20, 40, 80, 120 and 140 hours and then exposed to boiling acidified copper sulfate solution for 72 hours. After exposure, the specimens were bent. The appearance of fissures or cracks was not observed in AISI 321 and 347 samples. The effectiveness of the solution has been made by submitting AISI 304L samples to the same environment . The AISI 304L samples with higher finishing have been cracked. The ones with fine-ground finishing have not been attacked. / Because of their resistance to high temperature corrosion by hydrogen sulfide, austenitic stanless steels are commonly used for equipment in desulfurization process. However, these materials are subject to sensitization (chromium carbide precipitation) from exposure in the temperature range 425 to 815ÂC during fabrication or operation. Sensitization makes the equipment susceptible to failure from intergranular stress corrosion cracking caused by polythionic acid. Polythionic acid is formed by sulfur compounds, moisture, and air at ambient temperature. The main goal of the present work is to investigate the stress corrosion cracking susceptibility of stainless steels AISI 321 and 347 in polythionic acids using an alternative process that is to submit the samples to cooper-cooper sulfate-16% sulfuric acid test (ASTM A262 Pr.E). After the stabilization heat treatment at 900ÂC for 75 minutes, samples were heat treated at 600ÂC during 20, 40, 80, 120 and 140 hours and then exposed to boiling acidified copper sulfate solution for 72 hours. After exposure, the specimens were bent. The appearance of fissures or cracks was not observed in AISI 321 and 347 samples. The effectiveness of the solution has been made by submitting AISI 304L samples to the same environment . The AISI 304L samples with higher finishing have been cracked. The ones with fine-ground finishing have not been attacked.

Le matériau principal de cette étude est l’acier inoxydable austénitique 316L(N) (X2CrNiMo17-12-2 à teneur en azote contrôlée) envisagé dans la conception de la cuve et des structures du circuit primaire des futurs réacteurs de quatrième génération refroidis au sodium. Pour assembler des composants de forte épaisseur, il faut réaliser des soudages multipasses avec métal d'apport. Lors du soudage, il a parfois été constaté des défauts de fissuration à chaud de solidification au refroidissement dans la zone pâteuse, près du bain de fusion. Ces fissures sont des décohésions du matériau apparaissant à haut température le long des joints de grains lorsque la déformation dépasse un seuil critique. Il est donc nécessaire de prévenir ce risque en utilisant un critère de fissuration à chaud. L'approche utilisée dans cette étude est double : développer un essai de fissuration à chaud à chargement extérieur, puis simuler numériquement ces expériences pour déterminer un seuil critique en déformation en utilisant un critère proposé par Kerrouault. Une version améliorée d’un essai de fissuration à chaud (Controlled Restraint Weldability (CRW) test) a été proposé dans cette étude afin d'analyser la susceptibilité à la fissuration de solidification du matériau 316L(N) et d’un métal d'apport de nuance Thermanit 19-15H. L'objectif de ce test est, en fonction de l'intensité du chargement extérieur, d'amorcer une fissure dans un régime thermique établi, puis d’arrêter la propagation de cette fissure si les conditions thermomécaniques locales sont remplies. Le modèle de comportement du matériau choisi est une loi élasto-visco-plastique à écrouissage mixte. Des essais thermomécaniques sur un simulateur Gleeble ont été réalisés à haute température afin d'identifier et d’améliorer la loi de comportement du matériau 316L(N). Le grossissement des grains dans la zone affectée thermiquement a été modélisé et intégré dans ce modèle. Les intervalles de fusion et de solidification du matériau 316L(N) ont été déterminés par des essais ATD (Analyse Thermique Différentielle). Des analyses des microstructures de solidification ont été également menées afin de mieux comprendre le phénomène de fissuration à chaud. Certains essais CRW ont ensuite été modélisés et simulés par éléments finis en utilisant les logiciels Cast3M et Abaqus afin valider le critère de fissuration à chaud et de déterminer un seuil critique de fissuration pour l'acier 316L(N). / The austenitic stainless steel AISI 316L(N) (X2CrNiMo17-12-2) with controlled nitrogen content is widely used for manufacture of vessel and primary circuit structures of the 4th Generation sodium- cooled fast reactors. Multi-pass welds with an appropriate filler metal is used to assemble thick components. Solidification cracks may occur in the mushy zone near the melting weld poor during solidification when a liquid film is distributed along grains boundaries and interdendritic regions and the shrinkage strains across the boundaries cannot be accommodated. It is therefore necessary to prevent this defect using a hot cracking criterion. The approach used in this study is to initiate experimentally a hot crack by a weldability test, and then to simulate these tests to identify a critical strain using a hot crack criterion for the prediction of solidification cracking. Therefore, a hot cracking test (Controlled Restraint Weldability (CRW) test) is proposed in the present study to analyze the susceptibility to hot cracking for base metal 316L(N) and its filler metal 19-15H Thermanit grade. This test is designed to initiate a hot crack in thermal steady state, and then to stop the crack once the local thermomechanical conditions are met. The initiation and stop of the crack depend on external mechanical preload. The material constitutive equations chosen for the material is a visco-plastic model with isotropic and kinematic hardening. The Gleeble thermomechanical tests have been performed at high temperature in order to identify material parameters. The increase of the grain size in the thermally affected zone was modeled and integrated into constitutive equations. The temperature range of melting and solidification of 316L(N) were determine by using the Differential Thermal Analysis (DTA). The analysis of the solidification microstructures were also carried out in order to better understand the phenomenon of hot cracking. Some CRW tests were then simulated by finite element method using the Cast3M and Abaqus software in order to valid the hot cracking criterion and to determine a thermomechanical criterion of hot cracking for 316L(N).

L’acier austénitique inoxydable 316L(N) et l’alliage 800 sont des candidats potentiels pour des éléments de structures des réacteurs nucléaires de génération IV. Les durées de vie envisagées peuvent atteindre 60 années sous chargement de fluage. Il est donc nécessaire de caractériser et de prendre en compte les mécanismes d’endommagement de fluage afin de proposer des prédictions de durées de vie. Le modèle de Riedel est basé sur la germination continue de cavités (loi de Dyson) et la croissance de cavités par diffusion des lacunes le long des joints de grains. Les durées de vie en fluage sont prédites par la combinaison des modèles de striction (court terme) et de Riedel (long terme), en accord avec les données expérimentales. Aucun paramètre ajusté n’a été utilisé dans le modèle de Riedel. Cependant, le préfacteur de la loi de Dyson devait être mesuré expérimentalement.Les cavités se forment aux interfaces entre particules de phase secondaire intergranulaires et matrice austénitique. Grâce à des calculs par éléments finis cristallins (logiciel Cast3M), les concentrations de contraintes aux interfaces matrice-précipité ont été calculées en considérant les hétérogénéités microstructurales. Les résultats des calculs nous permettent de proposer une formule multiplicative visant à calculer la distribution des contraintes normales d’interface, en prenant en compte toutes les hétérogénéités microstructurales. En appliquant un critère en contrainte et un critère énergétique de rupture, le préfacteur de la loi de Dyson prédit est du même ordre de grandeur que celui mesuré expérimentalement. Notre travail conduit à proposer un fondement théorique de la loi de Dyson. / Austenitic stainless steel 316L (N) and alloy 800 are potential candidates for structural components of Generation IV nuclear reactors. Their in-service lifetime may be extended up to 60 years under creep condition. It is thus necessary to characterize the dominant damage mechanisms during creep in order to propose long term lifetime predictions. The Riedel model is based on continuous cavity nucleation (the Dyson law) and cavity growth by vacancy diffusion along grain boundaries. The creep lifetimes are predicted by the combination of a necking (short-term) and the Riedel (long-term) models, agree well with numerous experimental data. No adjusted parameter was used as applying in the Riedel model. However, the Dyson law prefactor is evaluated experimentally. Cavities are produced at the interfaces of intergranular second phase particles and austenitic matrix. Using crystal viscoplasticity finite element computations (Cast3M software), the stress fields along the particle-matrix interfaces are calculated by considering the main microstructure heterogeneities. The Finite element calculation results allow us to propose a multiplication formula to compute the distribution of interface normal stresses, accounting for all microstructural heterogeneities. Applying an interface fracture stress criterion and a simplified energy balance equation, the predicted Dyson law prefactor is close to measured values. Our work provides a theoretical explanation of the phenomenological law of Dyson.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de NÃvel Superior / As torres de destilaÃÃo de petrÃleo sofrem corriqueiramente com problemas relacionados à corrosÃo devido ao elevado Ãndice de acidez presente no petrÃleo exigindo uma elevada resistÃncia à corrosÃo por parte dos equipamentos utilizados. Dentre os materiais empregados na fabricaÃÃo e revestimento dos equipamentos, destacam-se os aÃos inoxidÃveis austenÃticos da sÃrie 300. Os aÃos inoxidÃveis austenÃticos sÃo largamente utilizados em componentes que operam em faixas de temperaturas elevadas, tais como caldeiras, super aquecedores, reatores quÃmicos e etc. Os aÃos inoxidÃveis super austenÃticos, devido ao aumento no teor de cromo e molibdÃnio se comparado aos aÃos austenÃticos da sÃrie 300, apresentam uma excelente resistÃncia à corrosÃo localizada, principalmente à corrosÃo por pites que à uma das mais danosas formas de corrosÃo aos equipamentos fabricados por esses aÃos. Os aÃos inoxidÃveis super austenÃticos tÃm sido apontados como possÃveis substitutos para a sÃrie austenÃtica 300 para aplicaÃÃes em equipamentos que requerem temperaturas elevadas e em meios agressivos como os encontrados na indÃstria do petrÃleo. Objetivando avaliar e comparar a resistÃncia à corrosÃo por pites do aÃo comercial inoxidÃvel super austenÃtico AL 6XN PLUSâ com os aÃos inoxidÃveis austenÃticos 304L, 316L e 317L para elevadas temperaturas, amostras desses aÃos foram submetidas a tratamentos tÃrmicos para as temperaturas de 500, 700 e 900 C por um perÃodo de 72 horas. Foram tambÃm analisadas as amostras na condiÃÃo como recebidas. Foram realizados ensaios de polarizaÃÃo cÃclica para avaliar e comparar a resistÃncia à corrosÃo por pites entre os materiais citados utilizando uma soluÃÃo aquosa de Ãcido sulfÃrico e cloreto de sÃdio nas concentraÃÃes 0,5 M H2SO4 + 0,5 M NaCl e 1 M H2SO4 + 2 M NaCl. Os resultados mostraram uma maior suscetibilidade à corrosÃo por pites no aÃo 304L. Os aÃos 316L e 317L apresentaram desempenho intermediÃrio (pites menores à medida que o material tornava-se mais nobre) e tambÃm corrosÃo em frestas. O aÃo super austenÃtico AL 6XN PLUSâ mostrou o melhor desempenho em ambos os eletrÃlitos utilizados. Somente uma amostra do aÃo super austenÃtico e em uma condiÃÃo extrema de temperatura e meio corrosivo mostrou suscetibilidade à corrosÃo por pites. Esse comportamento à bem desejÃvel na indÃstria do petrÃleo. / The oil distillation towers routinely suffer problems related to corrosion due to the high level of acidity present in the oil requiring a high resistance to corrosion of the equipment in use. Among the materials used in the manufacturing and coating of equipment, we highlight the Austenitic Stainless Steel of the 300 Series. Austenitic stainless steels are widely used in components for high temperatures, such as boilers, super heaters, chemical reactors, etc. Super austenitic stainless steels, due to their high Cr and Mo content, as compared to regular austenitic types, show a higher resistance to pitting corrosion, which is one of the most harmful forms of localized corrosion. These steels have been pointed as a possible replacement for common austenitic steels for applications at high temperatures and aggressive media, as in the oil industry. In order to evaluate and compare the resistance to pitting corrosion of AL 6XN PLUS â super austenitic stainless steel commercial with the 304L, 316L and 317L austenitic stainless steels for high temperatures, samples of these steels were subjected to heat treatments at temperatures of 500, 700 and 900  C for a period of 72 hours. Samples in the as-received condition were also analyzed. Cyclic polarization tests were performed to evaluate and compare the resistance to pitting corrosion of the materials mentioned using an aqueous solution of sulfuric acid and sodium chloride concentrations in 0.5 M H2SO4 + 0.5 M NaCl and 1 M H2SO4 + 2 M NaCl. The results showed a higher susceptibility to pitting corrosion in the 304L steel. 316L and 317L steels showed intermediate performance (smaller pits as the material became more noble) and crevice corrosion as well. The AL 6XN PLUS â super austenitic steel showed the best performance in both electrolytes used. Only a sample of the super austenitic steel and in an extreme condition of temperature and corrosive environment showed susceptibility to pitting corrosion. This behavior is very desirable in the oil industry.

Neste trabalho são estudados os mecanismos de desgaste, atuantes na escala do tamanho de grão (meso-escala), durante ensaios de cavitação vibratória, para diferentes amostras de aços inoxidáveis austeníticos ligados com nitrogênio. Amostras com teores superficiais de nitrogênio de aproximadamente 0, 9 % massa, 1, 4%massa e 20%massa, obtidas a partir do a¸co inoxidável dúplex UNS S31803, foram estudadas. As amostras do a¸co inoxidável duplex UNS S31803, com aproximadamente 0, 9 % N massa, foram obtidas por nitretação gasosa em alta temperatura (temperatura de nitretação entre 1050 e 1200 C) e consistiram em três grupos diferentes: amostras com nitrogênio em solução sólida e solubilizadas, amostras com precipitação de nitretos e amostras com nitrogênio em solução sólida e encruadas. Já as amostras com teor de nitrogênio próximo de 20 % N massa foram processadas por meio de nitretação a plasma na temperatura de 400 C, obtendo-se uma camada superficial de austenita expandida. As amostras de ensaio foram submetidas à caracterização de textura por difração de elétrons retroespalhados, EBSD, e posteriormente à cavitação vibratória em ´agua destilada. Os ensaios de cavitação foram periodicamente interrompidos com o intuito de estudar a deteriora¸cao das amostras por exame das mesmas no microscópio eletrônico de varredura, MEV, e por medidas de perda de massa. Quando comparadas com os aços inoxidáveis austeníticos convencionais (UNS S30403 solubilizado e UNS S31803 como recebido), sem adição de nitrogênio e livre de encruamento, as amostras estudadas apresentaram resistência ao desgaste por cavitação superior, quantificada tanto pelo tempo de incubação do dano com perda de massa quanto pela taxa máxima de perda de massa nos estágios avançados do dano. A taxa máxima de perda de massa para cada tipo de amostra estudada, com relação `a taxa máxima do material de comparação, o aço inoxidável convencional sem adição de nitrogênio e livre de encruamento (UNS S30403) solubilizado, foi de: amostras com precipitação de nitretos (318HTGN+Nit), 6,9 vezes menor; amostras com nitrogênio em solução sólida e solubilizadas (318HTGH+Sol) e laminadas e solubilizadas (318HTGN+Lam+Sol), 26,8 e 25 vezes menor, respectivamente; amostras com nitrogênio em solução sólida e encruadas (318HTGN+Enc) 145 vezes menor; e amostras com camada superficial de austenita expandida (obtidas por nitretação a plasma), (318HTGN+Plas e 304LSol+Plas) 290 e 1,77 e vezes menor respectivamente. O efeito benéfico da adição de nitrogênio na resistência à erosão por cavitação dos aços inoxidáveis austeníticos estudados foi atribuído a: (i) aumento na resistência à deformação plástica; (ii) distribuição mais homogênea da deformação plástica induzida pelas ondas de choque e micro-jatos característicos do processo de cavitação; e (iii) aumento da importância relativa dos mecanismos de perda de massa com elevado consumo de energia de impacto. Nos primeiros estágios do dano erosivo por cavitação se observou clara evidência de deformação plástica, acompanhada de formação de microreelevo superficial e de protrusão de bandas de escorregamento. A perda de massa em nível microscópico (observações no MEV) começa como destacamento de material em microtrincas e micropites. Observou-se que tanto a nucleação do dano como o seu crescimento se apresenta de forma heterogênea na escala do tamanho de grão. Os sítios microestruturais nos quais se iniciou o dano com perda de massa foram preferencialmente protuberâncias nas protrusões de bandas de escorregamento, protuberâncias nos contornos de grão e as interfaces matriznitreto. O incremento do teor de nitrogênio (em solução sólida) na amostra aumentou a importância relativa dos contornos de grão como locais de nucleação do dano, em relação ao dano iniciado no interior dos grãos. Observou-se que o interior dos grãos com planos 100 ou 111 orientados de forma aproximadamente paralela à superfície das amostras são regiões muito suscetíveis à incubação do dano e ao crescimento do mesmo. Já os grãos com planos 101 orientados aproximadamente paralela à superfície das amostras, apresentam regiões com resistência ao dano bem maior. Esses resultados são discutidos, considerando as diferenças de tensão (resultantes da ação de ondas de choque causadas pela implosão de bolhas de cavitação) crítica projetada para cisalhamento de grãos com diferentes orientações. O dano ocorre preferencialmente em contornos de grãos com acentuados gradientes de tensão resolvida para a deformação plástica, onde se desenvolve elevada concentração de tensões. Em particular, os contornos de macla CSL 3 são acentuadamente mais suscetíveis à incubação do dano que os outros tipos de contornos CSL e que os contornos não CSL. / High nitrogen austenitic stainless steels containing 0.9 wt-% N and 20 wt- % N were tested in a ultrasonically induced vibratory cavitation testing device. Incubation times for damage initiation and mass losses were periodically measured during the cavitation-erosion tests. Scanning Electron Microscopy observation of the damaged surfaces allowed identifying the wear mechanisms operating during each step of the cavitation-erosion test. 0.9 wt-% N specimens were obtained through High Temperature Gas Nitriding UNS S31803 duplex stainless steel, at temperatures between 1050 and 1200 oC. Three groups of specimens were obtained: solubilized with all nitrogen in solid solution, solubilized and work hardened specimens and nitride containing specimens. The 20 wt- % N specimens were obtained through Low Temperature Plasma Nitriding the already High Temperature Gas Nitrided specimens and getting an expanded austenite layer at the surface. The specimens were firstly characterized by Electron Backscattered Diffraction - EBSD techniques and then submitted to the cavitation-erosion tests in distilled water. When compared to conventional UNS S30403 lean nitrogen solubilized austenitic stainless steel specimens, greater incubation times and smaller maximum wear rates were observed. The maximum wear rates (compared to those of the solubilized UNS S30403 steel) were: for the nitride containing specimen 6.9 times smaller; for textured and non-textured all nitrogen in solid solution specimens 26.8 and 25 times smaller, respectively; for the solubilized and work hardened specimen 145 times smaller; for the expanded austenite layer, with circa 20 wt- % N, specimens 300 times smaller. The beneficial effect of nitrogen on the cavitation-erosion resistance of the studied specimens was attributed to: (i) an increase in resistance to plastic deformation; (ii) a more homogeneous distribution of the plastic deformation; and (iii) an increase of the relative participation of energy consuming mass loss mechanisms. Plastic deformation accompanied by formation of micro relief at the surface and slip bands protrusions were clearly identified, during the first stages of cavitation erosion. The first evidences of mass loss (detected by SEM observations) were seen as particles detaching from micro cracks and micro pits formed at the grain surface. Nucleation and growth of cavitation damage was heterogeneously distributed at the grain scale. Slip bands protrusions, grain boundary protrusions and nitride matrix interfaces sites were more prone to nucleating the damage. Increasing nitrogen contents in solid solution increased the relative contribution of grain boundary nucleated damage, compared to the total amount of nucleation sites. Grains with 100 and 111 crystallographic planes approximately parallel to the surface were more prone to nucleation and growth of cavitation damage. Grains with 101 planes // surface were much more resistant to cavitation-erosion damage. These results are discussed considering differences of critical resolved shear stresses for grains with different orientations. Cavitation erosion damage occurs preferentially at grain boundaries across which steep stress gradients arise. Particularly, CSL -3 twin boundaries are much more susceptible to cavitation erosion damage incubation than other types of CSL boundaries and non CSL boundaries.