Doctor of Philosophy / Department of Anatomy and Physiology / David C. Poole / The components of the O2 transport pathway can be divided into (along with their respective circulations) the pulmonary, cardiovascular, and skeletal muscle systems. They must operate in tight conjunction with one another, especially during dynamic exercise, to sustain ATP production within muscle mitochondria. Any limitation placed on the O2 transport pathway will result in decreased performance. The purpose of this dissertation is to present four novel studies which examine specific limitations on (1) the pulmonary system (i.e. lungs and circulation) within the highly athletic Thoroughbred horse (Studies A & B), and (2) within the peripheral circulation (i.e. microcirculation) within a disease model of Type II diabetes, the Goto-Kakizaki (GK) rat (Studies C & D). Study A demonstrates that locomotory respiratory coupling (LRC) is not requisite for the horse to achieve maximal minute ventilation (VE) during galloping exercise because VE remains at the peak exercising levels over the first ~13 s of trotting recovery (VE at end exercise: 1391±88; VE at 13 s: 1330±112 L/sec; P > 0.05). The horse also experiences exercise-induced pulmonary hemorrhage (EIPH) which has been linked mechanistically to increased pulmonary artery pressure (Ppa) during high intensity exercise. Therefore, in Study B, we hypothesized that endothelin-1 (ET-1), a powerful vasoconstricting hormone, would play a role in the augmented Ppa and therefore, EIPH. However, contrary to our hypothesis, an ET-1 receptor antagonist did not decrease Ppa nor prevent or reduce EIPH. Studies C and D examine potential mechanisms behind the exercise intolerance observed in humans with Type II diabetes. Utilizing phosphorescence quenching techniques (Study C) within the GK spinotrapezius muscle, we found lowered microvascular PO2 (PO2mv; Control: 28.8±2.0; GK: 18.4±1.8 mmHg; P<0.05) at rest and a PO2mv “undershoot” during muscle contractions. After conducting intravital microscopy within the same muscle (Study D), we discovered the percentage of RBC-perfused capillaries was decreased (Control: 93±3; GK: 66±5 %; P<0.05) and all three major hemodynamic variables (i.e. RBC velocity, flux, and capillary tube hematocrit) were significantly attenuated. Both studies (C & D) indicate that there is reduced O2 availability (via decreased O2 delivery; i.e. ↓QO2/VO2) within Type II diabetic muscle.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:50:59Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T13:59:57Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

A aplicação do novo conceito de tratamento térmico, chamado de têmpera e partição (Q&P), desenvolvido para a obtenção de aços da terceira geração da classe AHSS (Advanced high strengh steel ou aços avançados de alta resistência), mostra-se uma alternativa para o processamento de ferros fundidos nodulares com alta resistência mecânica. No processo Q&P, o carbono presente na martensita supersaturada, formada na etapa de têmpera, é utilizado para estabilizar a austenita não transformada durante a etapa de partição, mantendo-a estável na temperatura ambiente. Essa rota de tratamento térmico consiste em realizar uma têmpera no material (após uma etapa prévia de austenitização) numa faixa de temperatura entre o Ms e Mf (temperatura de início e fim da transformação martensítica, respectivamente), seguido de um reaquecimento e manutenção a uma temperatura acima do Ms (etapa isotérmica de partição) com o objetivo de que o carbono migre da martensita supersaturada para a austenita remanescente promovendo sua estabilização. Essa partição do carbono só é possível caso a precipitação da cementita seja suprimida, e isso é conseguido com a presença de elementos de liga, como o Si e/ou Al. Neste trabalho foi feito um estudo sobre as características microestruturais e mecânicas de um ferro fundido nodular (3,47%C; 2,47%Si; 0,2%Mn) submetido ao tratamento térmico de têmpera e partição, o qual foi denominado neste trabalho como, Q&PDI (Quenched and Partitioned Ductile Iron ou Ferro Fundido Nodular Temperado e Particionado). Para isso foi realizada uma austenitização plena nas amostras, a 880°C, por duas horas, seguida de uma têmpera em óleo pré-aquecido nas temperaturas de 140 e 170°C. A etapa de partição foi feita nas temperaturas de 300, 375 e 450°C, com intervalos de tempo variando de 5 a 120 minutos. A caracterização microestrutural foi realizada através de microscopia ótica, microscopia eletrônica de varredura e EBSD. A técnica de difração de raios-X foi empregada para quantificar a fração volumétrica e o teor de carbono na austenita retida. Ensaios de dilatometria, difração de raios-X \"in situ\" e nanoindentação foram empregados para auxiliar na análise das transformações de fases que ocorreram na etapa de partição, como a transformação bainítica e a precipitação de carbonetos de transição nas placas de martensita. A caracterização mecânica foi feita através de ensaios de tração, impacto, dureza, nanoindentação, tenacidade à fratura e resistência à fadiga. Ensaios de compressão auxiliaram na análise da transformação martensítica induzida por deformação. Os resultados obtidos mostraram que é possível obter ferros fundidos nodulares com alta resistência mecânica (limite de resistência >1450 MPa), com consideráveis ductilidade (de até 9%) e energia absorvida sob impacto (de até 81 J), bem como tenacidades à fratura de 55 MPa.m1/2 e limites de fadiga de 550 MPa. Este comportamento é proporcionado por uma microestrutura singular, constituída por uma dispersão homogênea de placas de martensita numa matriz de ausferrita bastante refinada, com consideráveis frações volumétricas de austenita retida (max. 23%). / Quenching and partitioning (Q & P), a new heat treatment concept developed to obtain third generation AHSS (Advanced High Strength Steel), is an alternative for processing of nodular cast irons in order to obtain high mechanical strength. In the Q & P process, the carbon present in the supersaturated martensite formed in the quenching step diffuses towards the untransformed austenite during the partition step, keeping it stable at room temperature. This heat treatment route consists of quenching the material (after a previous step of austenitization) in a temperature range between Ms and Mf (beginning and end temperature of the martensitic transformation, respectively), followed by reheating and maintenance at a temperature above the Ms (isothermal stage of partition) allowing the carbon to migrate from the supersaturated martensite to the remaining austenite, promoting its stabilization. This partition of carbon is only possible if precipitation of cementite is suppressed; this is achieved adding alloying elements such as Si and/or Al. In this work a study was made on the microstructural and mechanical characteristics of a ductile iron (3.47%C; 2.47%Si; 0.2%Mn), submitted to a Q&P heat treatment, in this work named Q & PDI (Quenched and Partitioned Ductile Iron). A full sample austenitization was carried out at 880 ° C for two hours, followed by a pre-heated oil quanching at temperatures of 140 and 170 ° C. The partitioning step was at temperatures of 300, 375 and 450Â ° C, with time intervals ranging from 5 to 120 minutes. Microstructural characterization was performed through optical microscopy, scanning electron microscopy and EBSD. The X-ray diffraction technique was used to quantify the volumetric fraction and the carbon content in the retained austenite. Dilatometry, X-ray diffraction \"in situ\" and nanoindentation were also used to aid in the analysis of the phase transformations that occurred in the partitioning stage, such as the bainitic transformation and the precipitation of transition carbides in the martensite plates. Mechanical characterization was performed through tensile, impact, hardness, nanoindentation, fracture toughness and fatigue strength tests. Compression tests aided in the analysis of the deformation induced martensitic transformation. The results showed that it is possible to obtain nodular cast irons with high mechanical strength (resistance limit> 1450 MPa), with considerable ductility (up to 9%) and energy absorbed under impact (up to 81 J), as well as fracture toughness of 55 MPa.m -1 / 2 and fatigue limits of 550 Mpa. This behavior is provided by a unique microstructure, consisting of a homogeneous dispersion of martensite plates in a very refined ausferrite matrix, with considerable volumetric fractions of retained austenite (max. 23%).

Orientadores: Rubens Caram Junior, Conrado Ramos Moreira Afonso / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-06T17:14:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Aleixo_GiorgiaTaiacol_M.pdf: 13698827 bytes, checksum: 10117398b384c5a1eda6c62fbfc74507 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Ligas de titânio formam a classe mais versátil de materiais metálicos utilizados para aplicações biomédicas. As ligas de Ti tipo ß usadas em dispositivos ortopédicos envolve, além de excelentes propriedades como baixa densidade, elevada resistência mecânica e excepcional resistência à corrosão, a biocompatibilidade com elementos de liga, tais como Nb, Ta, Zr e Mo. O objetivo deste trabalho foi analisar a estabilidade e metaestabilidade de fases em ligas tipo ß no sistema Ti-Nb através da verificação da influência do teor de nióbio sob diversas condições de tratamento térmico. Para tanto variou-se a adição de Nb de 5% a 30% em peso na liga, obtendo amostras que foram submetidas a condições distintas de resfriamento a partir do campo ß. Amostras obtidas foram caracterizadas no tocante à microestrutura via microscopia ótica, eletrônica de varredura e de transmissão, difração de raios-X, enquanto o comportamento mecânico foi preliminarmente avaliado através de ensaios de dureza Vickers e de medidas de módulo de elasticidade através de técnicas acústicas. Os resultados obtidos indicam que baixas taxas de resfriamento conduzem à microestrutura de equilíbrio (a+ß) enquanto que altas taxas de resfriamento levaram à formação de estruturas metaestáveis. À medida que o teor de Nb foi incrementado e sob altas taxas de resfriamento, obteve-se, respectivamente, martensita a¿ (hexagonal compacta), martensita a¿ (ortorrômbica), fase ? (trigonal) e finalmente, fase ß metaestável. Em relação ao módulo de elasticidade, observou-se que esse parâmetro decresce entre 0 e 15% de Nb e após este último valor, tal constante elástica se eleva como resultado da precipitação de fase ? bem como da possível alteração de dimensões da estrutura cristalina. As ligas Ti-Nb apresentaram uma variabilidade de microestruturas e propriedades que dependem fortemente da composição e condição de resfriamento / Abstract: Titanium alloys form one of the most versatile classes of metallic materials used for biomedical applications. ß Ti alloys for orthopaedic devices involves, besides excellent properties like low density, high mechanical strength and good corrosion resistance, great biocompatibility with alloying elements, such as Nb, Ta, Zr and Mo. The objective of this work was to analyze the stability and metastability of phases in ß Ti-Nb alloys through the evaluation of the influence of percentage of Nb obtained in different heat treatment conditions. In this way, Nb addition was varied from 5 to 30wt% in Ti-Nb system. Samples were obtained and microstructural characterization was made through optical microscopy, scanning and transmission electron microscopy and X-ray diffraction, while mechanical behavior was primarily evaluated by Vickers hardness and elasticity modulus through acoustic techniques. The results obtained indicate that lower cooling rates resulted in the equilibrium microstructures (a+ß), otherwise higher cooling rates led to formation of metastable structures. As the Nb content was increased and under greater cooling rates, it was obtained, respectively, martensite a¿ (hexagonal closed packed), martensite a¿ (orthorhombic), ? phase (trigonal) and finally, metastable ß phase. Regarding modulus of elasticity it was observed that it decreases as the %Nb increases up to 15% and beyond this percentage the modulus increases due the precipitation of ? phase as well as possible variation of crystalline structure dimensions. Ti-Nb alloys presented a great variety of combinations between microstructures and properties that strongly depends on composition and cooling conditions / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Ana Maria Martinez Nazar / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-07-22T16:31:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Nunes_CarlosAngelo_D.pdf: 12292935 bytes, checksum: ea1a755d6645281ed644bfe2879a287c (MD5) Previous issue date: 1997 / Resumo: Em trabalhos recentes têm-se proposto que materiais formados por um metal refratário em equilíbrio com uma fase intermetálica constituem a melhor opção para aplicações estruturais em temperaturas acima de 1400°C. Baseado em informações disponíveis na literatura foi identificada a existência de um campo bifásico envolvendo as fases Mo (solução sólida) e o intermetálico 'Mo IND. 5¿ ¿Si¿ ¿B IND. 2¿ ('T IND. 2¿) A 1600 º C no sistema Mo-B-Si. Tendo em vista o limitado número de informações relacionadas a este sistema objetivamos neste trabalho uma avaliação sistemática sobre estabilidade de fases na região rica em Mo. O trabalho consistiu em: determinar a relação de fases a 1600°C; desenvolver métodos de análise via microssonda eletrônica (WDS) para determinação da composição das fases; determinação da projeção liquidus; determinação da seção vertical Mo-'T IND. 2¿.A determinação da relação de fases a 1600°C confmnou a existência do campo bifásico Mo+ 'T IND. 2¿ naquela temperatura.A fase ternária 'T IND. 2¿ é rodeada pelos campos trifásicos ... Observação: O resumo, na íntegra, poderá ser visualizado no texto completo da tese digital / Abstract: In recent investigations it has been proposed that equilibrium microstructures constituted by a refractory metal and an intermetallicphase are the best choice for high temperature structural applications at temperatures higher than 1400°C. Based on the information available in the literature it has been identified the existence of a Mo (solid solution) + intermetallic 'Mo IND. 5¿ ¿Si¿ ¿B IND. 2¿ two-phase field in the Mo-B-Si system. Considering the limited information related to this system it was the objective of this study to systematically evaluate the phase stability in the Mo-rich region. Specific objectives were: determination of the phase relations at 1600°C; development of microprobe methods of analysis to determine phase compositions; determination of the liquidus projection; determination of the Mo-'T IND. 2¿ vertical section. The Mo+ 'T IND. 2¿ two-phase field was confirmed to exist at 1600°C. The ternary phase ('T IND. 2¿) is surrounded by the following three-phase field ... Note: The complete abstract is available with the full electronic digital thesis or dissertations / Doutorado / Materiais e Processos de Fabricação / Doutor em Engenharia Mecânica

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:50:59Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T13:59:57Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Irradiadores comerciais de grande porte são projetados para processarem grandes quantidades de produtos com altas doses, por exposição à radiação gama. A irradiação em escala industrial é efetuada de forma dinâmica, em que os produtos percorrem um caminho em torno de uma fonte de radiação, geralmente de 60Co, cuja atividade é da ordem de TBq a PBq (kCi a MCi). A dose será diretamente proporcional ao tempo transcorrido pelo material para percorrer este trajeto em torno da fonte. Entretanto, em algumas situações, principalmente para pesquisas ou processos de validação de clientes seguindo a norma ISO 11137, se faz necessário irradiar pequenas amostras com doses fracionadas na posição de irradiação estática. Nesta posição as amostras são colocadas dentro da sala de irradiação a uma distância fixa da fonte e as doses recebidas são determinadas utilizando-se dosímetros. Portanto, a dose somente será conhecida depois da irradiação, pela leitura dos mesmos. Entretanto, em irradiadores industriais, diferentes tipos de produtos com diferentes densidades atravessam o caminho entre a fonte e a posição de irradiação estática, onde estão as amostras. Conseqüentemente, a taxa de dose variará dependendo da densidade do produto, que está sendo irradiado dinamicamente. Uma metodologia adequada seria monitorar a dose recebida pelas amostras em tempo real, medindo a dose por meio de um detector de radiação, com uma melhor precisão e exatidão. Neste trabalho foi desenvolvida uma câmara de ionização cilíndrica de 0.9 cm3, para monitorar as altas doses recebidas por amostras em tempo real, na posição de irradiação estática de um irradiador gama de 60Co. Os gases de nitrogênio e de argônio a pressão de 10exp5 Pa (1 bar) foram utilizados para preencherem a câmara de ionização e determinar uma configuração de trabalho apropriada, para o detector ser utilizado em medidas de altas doses. Cabos de isolação mineral foram soldados diretamente ao corpo da câmara de ionização, para a transmissão do sinal gerado pelo detector até a eletrônica associada, distante cerca de 20 m. O sinal obtido foi cerca de 100 vezes maior do que o ruído de fundo. Este sistema dosimétrico foi testado em um irradiador gama de categoria I e na posição de irradiação estática de um irradiador de grande porte, em que diferentes taxas de dose foram obtidas utilizando materiais absorvedores. Foi encontrada uma boa linearidade do detector entre a dose e a carga, independentemente das diferentes taxas de dose. As incertezas de todas as curvas ficaram abaixo dos +/- 5 %, valor de incerteza máxima recomendada para um sistema dosimétrico de rotina. A câmara de ionização desenvolvida se mostrou adequada para ser utilizada como um dosímetro em tempo real, independente da degradação do espectro causada pela absorção dos fótons da fonte de 60Co, pelo material em irradiação dinâmica. / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Orientadores: Rubens Caram Junior, Conrado Ramos Moreira Afonso / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-15T14:37:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Aleixo_GiorgiaTaiacol_D.pdf: 25669452 bytes, checksum: 43f10d141f1b3e5a6d696930ee2f86ec (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Este trabalho trata da preparação, processamento e caracterização microestrutral e mecânica de ligas Ti-Nb-Sn tipo ß visando a fabricação de dispositivos ortopédicos para implante. Amostras contendo Ti com teores de 25, 30 e 35% em peso de Nb e 2, 4 e 8% em peso de Sn foram preparadas por fusão a arco, homogeneizadas a 1000ºC/8 h e deformadas plasticamente por forjamento rotativo. Tais amostras foram submetidas a ensaios de resfriamento contínuo objetivando avaliar condições de obtenção de fases metaestáveis. Em seguida, amostras aquecidas a 1000ºC foram resfriadas rapidamente e submetidas a ensaios de calorimetria diferencial de varredura e de raios-X com aquecimento até médias temperaturas, o que permitiu avaliar a decomposição martensítica. Em seguida, amostras aquecidas no campo ß foram resfriadas ao ar, o que resultou em microestruturas com a fase a precipitada na matriz ß. Tais amostras foram caracterizadas no tocante à microestrutura via microscopia ótica, eletrônica de varredura e de transmissão e difração de raios X, enquanto que o comportamento mecânico foi avaliado por meio de testes de dureza Vickers, de medidas de módulo de elasticidade usando técnicas acústicas, ensaios de tração e ensaios de fadiga. Os resultados obtidos indicam que a decomposição da martensita resulta nas fases ß, ? e finalmente, a e também, que a fase ? atua como substrato na nucleação da fase a. O comportamento mecânico das amostras depende diretamente das fases presentes na microestrutura, bem como de suas frações volumétricas. Constatou-se também que o módulo de elasticidade, a dureza e o limite de resistência à tração de amostras resfriadas ao ar exibem valores superiores aos valores obtidos com as amostras resfriadas rapidamente, enquanto que a ductilidade se reduz. Finalmente, observou-se que o limite de fadiga de amostras resfriadas ao ar é máximo para baixos teores de Nb e se reduz com a adição de Sn / Abstract: This work deals with preparation, processing and microstructural and mechanical characterization of ß type Ti-Nb-Sn alloys aiming the manufacturing of orthopedic devices for implants. Ti samples containing Nb at levels of 25, 30 and 35 wt % and Sn at levels of 2, 4 and 8 wt % were prepared by arc melting, homogenized at 1000ºC/8 h and plastically deformed by swaging. These samples were submitted to continuous cooling experiments to evaluate conditions for obtaining metastable phase. Then, samples heated to 1000ºC were rapidly cooled and analyzed by using differential scanning calorimetry and X-ray diffraction at medium temperatures, which allowed the evaluation of martensite decomposition. Next, samples in the ß field were air-cooled, which resulted in microstructures with a phase precipitated into ß matrix. These samples were characterized concerning the microstructure by applying optical, scanning electron and transmission electron microscopies and X-ray diffraction, while the mechanical behavior was evaluated by Vickers hardness test, elastic modulus measurement using acoustic techniques, tensile and fatigue tests. The results obtained indicate that martensite decomposition results in ß, ? and finally a phases. It was also found that ? phase acts as substrate for a phase nucleation. The sample mechanical behavior directly depends on the phases present in the microstructure, as well as their volumetric fraction. It was also observed that elastic modulus, hardness and tensile strength of air cooled samples show higher values than those of rapidly quenched samples, while ductility decreases. Finally, it was observed that fatigue resistance of air cooled samples is higher for low Nb content alloys, however, it decreases with Sn addition / Doutorado / Materiais e Processos de Fabricação / Doutor em Engenharia Mecânica

A têmpera dos aços envolve a austenitização de uma peça seguida por um resfriamento rápido para promover a formação de microestrutura martensítica. É necessário avaliar os meios de têmpera para manter o processo de têmpera sob controle. Os parâmetros mais importantes no processo de resfriamento são o coeficiente de transferência de calor e/ou o fluxo de calor entre o meio de têmpera e a peça a ser resfriada. Um dos métodos de se avaliar os meios de têmpera (meios de resfriamento) e saber o que está acontecendo dentro da peça durante o resfriamento do ponto de vista térmico é o problema inverso de condução de calor. O problema inverso de condução de calor consiste na determinação de parâmetros como fluxo de calor, taxa de resfriamento e temperatura em qualquer posição através da peça, assim como o coeficiente de transferência de calor. Esses parâmetros são obtidos a partir de medições de temperatura em um ou mais pontos dentro da peça. O escopo deste trabalho foi desenvolver um software baseado no problema inverso condução de calor para avaliar meios de resfriamento para têmpera. A validação deste código foi feita usando água, óleo de soja, óleo mineral e solução aquosa de NaNO3. / Steels quenching involves part austenitization followed by a fast cooling to promote martensitic microstructure formation. It is necessary to evaluate quenchants in order to keep the quenching process under control. The most important cooling process parameters are the heat transfer coefficient and/or the heat flux between the quenchant and the part to be cooled. One of the methods to evaluate quenchants (cooling media) and to know what is happening inside the part during the cooling in the thermal point of view is the inverse heat conduction problem. The inverse heat conduction problem consists in the determination of parameters like heat flux, cooling rate and temperature in any position across the part, as well as the heat transfer coefficient. These parameters are obtained from temperature measurements in one or more points inside the part. The scope of this work was to develop a software based in the inverse heat conduction problem in order to evaluate quenchants for quenching. The validation of this code was made using water, soybean oil, mineral oil and NaNO3 aqueous solution.

O objetivo deste trabalho é analisar a distribuição das tensões residuais que resultam da combinação das variações volumétricas resultantes dos gradientes térmicos e das transformações de fase que ocorrem durante a têmpera de cilindros de aço AISI/SAE 1045, 4140 e 4340. O modelo matemático usado para este objetivo utiliza o programa AC3 de modelagem de tratamentos térmicos (curvas de transformação, curvas de resfriamento, microestrutura e a dureza do material), para alimentar um modelo de elementos finitos, considerando acoplamento termo-mecânico e comportamento não linear elasto-plástico, para previsão de tensões residuais em cilindros de aço AISI/SAE 1045, 4140 e 4340 temperados em água. São apresentados, também, os resultados de observações metalográficas e perfis de dureza que confirmam qualitativamente as previsões do programa AC3. A verificação do modelo numérico por elementos finitos foi efetuada através da medição das tensões residuais nos cilindros de aço com o emprego da técnica de difração de raios X. A simulação numérica, através do método dos elementos finitos comprova, nos três casos estudados, a existência de tensões residuais de compressão na região superficial após o processo de têmpera e indica de maneira quantitativa e qualitativa que as tensões mais significativas são as tangenciais. Os resultados obtidos a partir do modelo numérico mostraram uma aderência significativa em comparação com os resultados experimentais. / The aim of this work is to analyze the distribution of residual stresses resulting from combination of volumetric changes due to heat gradients and phase changes occurring during the quenching process of AISI/SAE 1045, 4140 and 4340 steel cylinders. The mathematical model used for this objective uses the AC3 program for modeling thermal treatments (transformation curves, cooling curves, microstructure and material hardness), whose results were fed into a finite element model, considering thermal-mechanical coupling and non-linear elastic-plastic behavior for forecasting of residual stresses in AISI/SAE 1045, 4140 and 4340 steel cylinders quenched in water. The observed microstructures and measured hardness confirmed qualitatively the previsions of the AC3 program. The results of finite element modeling were compared to experimental measurements of residual stresses measured at the surface, using X-Ray diffraction techniques. The finite element numerical simulation shows, for the three studied cases, the presence of compressive residual stresses in the surface region after a quenching process and indicates qualitatively and quantitatively that the most significant stresses are the tangential ones. The results obtained from the numerical model showed a significant adherence in comparison with the experimental results.

Nanoparticles represent a very exciting new area of research. Their small size, ranging from several nanometers to tens of nanometers, is responsible for many changes in the structural, thermal, electromagnetic, optical and mechanical properties in comparison with the bulk solid of the same materials. However, promoting the use of such material requires well-controlled synthesis techniques to be developed. Inductively coupled thermal plasma (ICTP) reactors have been shown to offer unique advantages over other synthesis methods. The purpose of this thesis is to develop a numerical model to assist the design of an ICTP reactor for the efficient and controlled production of nanoparticles at industrial scale. The complete model describes the evaporation of the micron-sized precursor particles in the plasma flow and the subsequent formation of the nanoparticles in the quenching reactor. The plasma flow is described by a coupled system of the fluid mechanics equations of continuity, momentum, and energy with the vector potential formulation of Maxwell's equations. The solid particles precursors are treated following a Lagrangian approach, taking into account the vapor production field in the plasma flow. An Eulerian model based on the method of moments with interpolative closure is used to describe the formation of nanoparticles by simultaneous nucleation and growth by condensation and coagulation. The coupled plasma torch, particle evaporation and nanoparticle formation models are implemented in 2D and 3D configurations, using the OpenFoam source code. The results show that the effects of the particle evaporation on the temperature field are substantial, even for low particle mass loading. The associated vapor concentration which enters in the reactor has then a direct influence on the formation of nanoparticles. The effects of the plasma torch parameters and the quenching configuration (quench type, position, injection angle and cooling rate) on the contribution of the different formation mechanisms and on the generated particle's size and distribution are studied in both 2D axi-symmetric and 3D geometries. The quench mechanism strongly affects the temperature and the vapor concentration in the reactor, and consequently has an impact on the final particle size distribution. It is shown that the size of the nanoparticles obtained for different quenching conditions is not only a consequence of the cooling rate but also of the trajectories of the vapor and the generated particles imposed by quenching gas. The results have also demonstrated that the predicted particle are smaller and more sensitive to the modifications of the quenching condition when quenching at high temperature. The sensitivity of the complete model to the physical properties of the vapor (vapor pressure and surface tension) is also investigated, in order to identify their effect on the final particle size. The results obtained provide an insight into the phenomena involved during the production of nanoparticles and enable the improvement of ICTP rectors design and nanoparticles synthesis process. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished