O processo de soldagem no estado sólido Soldagem por Fricção e Mistura Mecânica (SFMM), tradução do original em inglês ¨Friction Stir Welding¨ (FSW), já foi estudado extensivamente e obteve resultados muito bem sucedidos em ligas de Alumínio. Especificamente para ligas de aplicação naval existe uma lacuna muito grande de conhecimento. Este trabalho tem por objetivo caracterizar e analisar juntas soldadas da liga de aço naval GL E36 através de SFMM. A espessura das chapas soldadas foi de 6 mm em junta de topo com ferramenta de Nitreto de Boro Cúbico Policristalino (NBcp). A velocidade de rotação da ferramenta foi mantida constante em 500 rpm e foram usadas velocidade lineares de 1, 2 e 3 mm/s objetivando-se diferentes aportes térmicos. Foram obtidas soldas de 1,2 metros de comprimento com características estéticas muito boas e homogêneas na superfície ao longo do comprimento das juntas. Todas as juntas foram produzidas com aquisição dos ciclos térmicos através de termopares colocados próximos a região da face da solda em diferentes posições no início, meio e final da solda. A ferramenta, mesmo após aproximadamente 8,5 metros de soldas, apresentou um bom comportamento ao desgaste sem perdas apreciáveis nas dimensões do pino. Para avaliação das propriedades das juntas foram retirados corpos de prova para análise microestrutural e de microdureza, ensaio de tração e dobramento, no início, meio e final da solda. Adicionalmente, foi usado ensaio radiográfico para detecção de defeitos e possíveis fragmentos da ferramenta proveniente de desgaste. E para a análise do comportamento da tenacidade à fratura foi usado o corpo de prova do tipo ¨compact tension¨ (CT-50) posicionado com a boca do entalhe na região da zona de mistura da solda. Todas as amostras de tração romperam no material de base. Os perfis de microdureza mostraram picos de até 400 Vickers para todas as juntas. A microestrutura consistiu principalmente de ferrita, martensita e bainita com diferentes níveis de refinamento e diferentes morfologias. Os melhores comportamentos em relação a tenacidade à fratura avaliados por meio da construção das curvas de resistência foram das juntas processadas com 2 mm/s e 3 mm/s. / The solid state welding process Friction Stir Welding (FSW) has been studied extensively and achieved very successful results on aluminum alloys. Nevertheless, to apply FSW on steel alloys more research is required. Specifically for steel grades for shipbuilding applications there is a wide knowledge gap. Thus, this work aims to evaluate the mechanical and microstructural properties of processed joints for the shipbuilding steel grade GL E36 using FSW. The weld plate thickness used was 6 mm using butt joint configuration with polycrystalline cubic boron nitride (pcBN) tool. The rotational speed of the tool was kept constant at 500 rpm with welding speeds of 1, 2 and 3 mm/s seeking to achieve different heat inputs, i.e., different mechanical and metallurgical properties. Joints of 1.2 meters long with very good aesthetic features and homogenous surface along the length were obtained, proving the stability of the process. Thermal profile of all joints were taken using thermocouples placed near the joint region of the weld face at different positions: beginning, middle and ending of the weld. The tool even after approximately 8.5 meters of welds showed good wear behavior without appreciable loss on the dimensions of the probe. To evaluate the joint behavior, specimens for microstructural analysis and hardness, tensile test and bending were removed at the beginning, middle and ending of the weld. Additionally, radiographic test was used for defects inspection and detection of possible debris from tool wear. For the analysis of the fracture toughness behavior was used Compact Tension (CT-50) specimens positioned with the notch at the stirred zone. All tensile samples failed at the base material, i.e. the produced joints achieved a greater resistance than the base material after processing. The microhardness profiles showed peaks of up to 400 Vickers for all the conditions. The microstructure found consisted mainly of ferrite, martensite and bainite with different levels of refinement and different morphologies. The best behavior concerning the fracture toughness evaluation using the crack resistance curves were for the joints processed with 2 mm/s and 3 mm/s of welding speeds.

Uma das regiões produtoras de petróleo offshore que representa um papel importante na vanguarda dos desafios de extração em altas profundidades é a província do Pré-Sal, situada na costa brasileira, composta por grandes acumulações de óleo leve de excelente qualidade. O óleo proveniente dos poços do Pré-Sal brasileiro contém CO2 dissolvido, e após as separações de óleo e gases liberar o CO2 na atmosfera não condiz com as tentativas da indústria mundial em reduzir a emissão de gases do efeito estufa. Uma alternativa econômica e ecologicamente viável é a injeção do dióxido de carbono nos reservatórios para aumentar o fator de recuperação de óleo e, ao mesmo tempo, garantir a captura e armazenamento geológico deste gás. Caso haja uma descompressão repentina devido a uma falha nas linhas de transporte do CO2, uma abrupta redução de temperatura é observada nas paredes do vaso próximas ao vazamento. Uma vez que diretrizes de projeto indicam a utilização de materiais com boa tenacidade em baixas temperaturas, a utilização de aços ligados ao níquel se faz uma boa alternativa no transporte de CO2. O presente estudo visa avaliar a influência do tratamento térmico de têmpera e revenido na tenacidade à fratura de aços ligados ao níquel, conhecidos como 5,5Ni e 9Ni, em temperatura ambiente e também a -100 °C, bem como avaliar a ação do hidrogênio nestes aços quando em baixa temperatura. Foram utilizados corpos de prova do tipo SE(B) da mecânica da fratura sem e com tratamento térmico. Foi possível observar que os tratamentos térmicos de têmpera e revenido foram muito eficientes para manter a tenacidade original do aço 5,5Ni na temperatura de -100 °C. De fato, na condição de bruto de laminação, os valores de CTOD para esse aço nessa temperatura foram muito inferiores daqueles encontrados na temperatura ambiente, indicando que esse material experimenta uma transição muito importante do comportamento em fratura em baixas temperaturas. Já o aço 9Ni sem tratamentos térmicos apresentou valores praticamente constantes de CTOD nas condições de ensaio, com um leve aumento nos valores médios após a têmpera e revenido, principalmente em baixa temperatura. Não foi verificada grande influência do carregamento de hidrogênio nos resultados da tenacidade à fratura dos aços 5,5Ni e 9Ni na temperatura de -100 °C, uma vez que os valores de CTOD nestas condições apresentaram uma leve redução em relação aos valores para os aços sem hidrogenação e ensaiados na temperatura de -100 °C. / One of the regions offshore where the oil production performs an important role in the forefront of the challenges in deep-water extractions is the Pre-salt region, located in Brazilian coast, containing big concentrations of light oil with an excellent quality. The oil from Brazilian Pre-salt oilfields contains dissolved CO2, and after the oil and gases separation, simply release the CO2 in the atmosphere does not match the efforts of the global industries to reduce the greenhouse gases emissions. A viable economic and ecological alternative is the carbon dioxide injection into the reservoirs to enhance the oil recovery factor, meanwhile ensuring geological capture and storage of that gas. In case of a suddenly depressurization in the CO2 pipelines, a temperature drop is observed in the walls near the leakage. Since project guidelines indicates the use of materials with good low temperature toughness, the use of nickel alloyed steels are a good alternative for the CO2 transportation. This work aims to evaluate the influence of the heat treatment on fracture toughness of nickel alloyed steels, nominated 5.5Ni and 9Ni, at room temperature and also at -100 °C, as well as evaluating the hydrogen effect on fracture toughness of these steels in low temperature. SE(B) fracture mechanic samples were evaluated with and without quench and temper heat treatments. It was possible to observe that the quench and temper heat treatments were so much efficient to maintain the original toughness of 5.5Ni steel at temperature of -100 °C. Indeed, in as rolled condition, CTOD values for this steel at that temperature were much lower than those found at room temperature, indicating that this material faces a very important transition in fracture behavior at low temperatures. 9Ni steel without heat treatments showed CTOD values practically constants for the tests conditions, barely increasing the medium CTOD values after the quench and temper, mainly at low temperature. A major influence of hydrogen charging on fracture toughness of 5.5Ni and 9Ni steel at -100 °C temperature was not observed, since the CTOD values on these conditions showed a slightly reduction when related to values calculated for steels with no hydrogen charging and tested in temperature of -100 °C.

abstract: The United States Department of Energy (DOE) has always held the safety and reliability of the nation's nuclear reactor fleet as a top priority. Continual improvements and advancements in nuclear fuels have been instrumental in maximizing energy generation from nuclear power plants and minimizing waste. One aspect of the DOE Fuel Cycle Research and Development Advanced Fuels Campaign is to improve the mechanical properties of uranium dioxide (UO2) for nuclear fuel applications. In an effort to improve the performance of UO2, by increasing the fracture toughness and ductility, small quantities of oxide materials have been added to samples to act as dopants. The different dopants used in this study are: titanium dioxide, yttrium oxide, aluminum oxide, silicon dioxide, and chromium oxide. The effects of the individual dopants and some dopant combinations on the microstructure and mechanical properties are determined using indentation fracture experiments in tandem with scanning electron microscopy. Indentation fracture experiments are carried out at room temperature and at temperatures between 450 °C and 1160 °C. The results of this work find that doping with aluminosilicate produces the largest favorable change in the mechanical properties of UO2. This sample exhibits an increase in fracture toughness at room temperature without showing a change in yield strength at elevated temperatures. The results also show that doping with Al2O3 and TiO2 produce stronger samples and it is hypothesized that this is a result of the sample containing dopant-rich secondary phase particles. / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Materials Science and Engineering 2014

Made available in DSpace on 2015-05-08T14:59:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2470088 bytes, checksum: a35b3ce9aeae2f08a95fc6e8885618ea (MD5) Previous issue date: 2011-07-28 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Quasicrystalline materials have unique properties, such as: high hardness, excellent surface properties, good resistance to oxidation and corrosion and low electrical and thermal conductivities. These materials can be obtained by conventional methods of metallurgy. However, the quasicrystals are quitefragile which makes its use in the form of billets for the manufacture of mechanical components. Therefore, they are preferably used in powder form as reinforcements in composite materials or for use in surface layers by plasma spray. One technique for obtaining the quasicrystal, which is widely used, is the conventional casting technique. This technique is used to obtain the manufacture of alloys in this work. Evaluation of mechanical properties through conventional methods, such as tension, compression, fatigue, among others, is not feasible. This is due to the difficulty, in quasicrystals, in the development of specimens because of the high fragility of this material and testing. One of the ways to evaluate mechanical properties of quasicrystals is given by evaluating the fracture toughness, which is an important design criterion for making quasicrystalline alloys for use in industry. Through methods of Vickers indentation, it is possible to evaluate not only the hardness of the material, but also to evaluate qualitatively the evolution of cracks in materials. The measures of these cracks are used to evaluate some parameters such as Young's modulus (E) and fracture toughness (KIC. The main objective was to study the mechanical properties of Al59, 2Cu25,5Fe12,3B3 alloy obtained by conventional casting, using the method of instrumented indentation. It was seen that for loads of between 80mN and 100mN occur the appearance of cracks. The hardness reaches an almost constant level until a load of approximately 200mN, with a maximum value of 10.6 GPa and a value of 9.4 GPa for a maximum load of 500mN. The modulus of elasticity was calculated as E = 183 ± 6GPa for Berkovich indent and 186 ± 6GPa for Vickers indent, at room temperature. The estimated value of KIC was 0.78 and 2.37 Mpam-1 / 2. / Os materiais com estrutura quasicristalina apresentam propriedades singulares tais como: elevada dureza, excelentes propriedades superficiais, boa resistência à oxidação e corrosão e ainda baixas condutividades elétrica e térmica. Estes materiais podem ser obtidos através de métodos convencionais de metalurgia. Entretanto, os quasicristais são bastante frágeis o que dificulta seu uso na forma de tarugos para confecção de componentes mecânicos. Assim sendo, eles são preferencialmente utilizados em forma de pó como reforços em materiais compósitos ou para aplicação em camadas superficiais por plasma spray. Uma das técnicas de obtenção dos quasicristais, que é bastante usada, é a técnica de fundição convencional. Esta foi à técnica de obtenção usada para a fabricação das ligas neste trabalho. A avaliação de propriedades mecânicas dos materiais quasicristalinos através de métodos convencionais, como tração, compressão, fadiga, entre outros, é inviável. Isso ocorre devido à dificuldade, em quasicristais, na elaboração de corpos-de-prova dada alta fragilidade deste material e realização do ensaio. Uma das formas de avaliar as propriedades mecânicas dos quasicristais se dá através da indentação instrumentada, que é uma ferramenta bastante eficiente para o cálculo de propriedades como, o Módulo de Elasticidade, Dureza e Tenacidade à fratura, que é um importante critério de projeto para confecção de ligas quasicristalinas para o seu uso em indústria. Através de métodos de indentação Vickers, é possível avaliar não só a dureza do material, mas também avaliar, qualitativamente, a evolução de fissuras nos materiais. As medidas destas fissuras são utilizadas para avaliar alguns parâmetros como módulo de Young (E) e tenacidade à fratura (Kic). O objetivo principal deste trabalho foi estudar as propriedades mecânicas da ligas Al59,9Cu25.5Fe12.3B3 obtidos por fundição convencional, utilizando-se o método de indentação instrumentada. Foi visto que, para as cargas entre de 80mN e 100mN ocorre o surgimento de trincas. A Dureza atinge um patamar quase constante até uma carga de aproximadamente 200mN, com um valor máximo de 10,6GPa e um valor de 9,4GPa para uma carga máxima de 500mN. O módulo de Elasticidade foi determinado como sendo de E = 183±6GPa para identador Berkovich e 186±6GPa para identador Vickers, na temperatura ambiente. O valor estimado para Kic foi de 0,78 e 2,37 MPam-1/2.

Esse trabalho teve como objetivo analisar a influência da temperatura de revenimento na tenacidade à fratura dinâmica e na tenacidade à fratura assistida pelo ambiente de um aço inoxidável martensítico AISI 420. Para realização do tratamento térmico de revenimento as temperaturas de 380 e 540ºC foram selecionadas, sendo que esta última situa-se dentro da faixa de fragilização ao revenido desse material. Todos os ensaios reproduzidos neste trabalho foram realizados à temperatura ambiente utilizando corpos de prova da mecânica da fratura do tipo SE(B). As análises dos resultados obtidos mostraram uma grande susceptibilidade desse aço à fragilização ao revenido, inclusive com a mudança dos micromecanismos de fratura envolvidos no processo de falha, quando exposto ao ambiente de água do mar sintética sob proteção catódica de - 1100mVECS e a condições dinâmicas de carregamento, onde observou-se, respectivamente, uma redução na ordem de 60% e 30% do valor de tenacidade à fratura do material. / This study aimed to analyze the influence of tempering temperature on dynamic toughness and environment toughness of a stainless steel AISI 420. To carry out this study the tempering temperatures of 380 and 540ºC were selected, with the last one being within the range of the embrittlement of this material. All tests reproduced in this work were performed at room temperature on specimens of the mechanical fracture SE (B). The analysis of the obtained results showed a great susceptibility of this steel to the tempering embrittlement, with the change of fracture micromechanisms involved in the failure process, when exposed to the environment of synthetic sea water under cathodic protection of -1100mVECS and to dynamic conditions of loading, where a reduction in the order of 60% and 30% of the fracture toughness value of the material was observed, respectively.

Nas últimas décadas a soldagem em estado sólido vem demonstrando ser uma ótima alternativa frente aos métodos convencionais de união mais utilizados na indústria, dos quais a grande maioria consiste na soldagem por fusão dos materiais. O presente trabalho consiste na utilização do processo denominado como soldagem por fricção com pino consumível (Friction Hydro Pillar Processing – FHPP). Este trabalho visou avaliar a aplicação do processo FHPP em um aço utilizado para a fabricação de componentes de amarras de uso offshore, para esses aços o surgimento de defeitos durante operação ou fabricação trazem elevados custos operacionais, o reparo por soldagem a arco é não recomendado por normas técnicas devido às propriedades destes materiais e as condições de operação dos componentes produzidos com os mesmos. Esta avaliação se deu através da análise dos melhores parâmetros de processo (força axial, velocidade de rotação, consumo do pino e geometria de pinos e furos usinados) visando juntas soldadas livres de defeitos, avaliadas através de análises macrográficas, análises micrográficas e perfis de microdureza que por sua vez foram realizados visando a melhor caracterização das regiões que compõem a junta soldada Por fim, para a avaliação da tenacidade das juntas soldadas, ensaios de impacto Charpy e tenacidade à fratura (CTOD), seguidos de análises fractográficas em lupa e MEV (microscópio eletrônico de varredura), foram realizados com base em recomendações normativas visando uma avaliação precisa da tenacidade da região de união dos materiais soldados. As juntas soldadas apresentaram valores de CTOD de aproximadamente 40% dos valores obtidos em corpos de prova extraídos do material base. O desempenho das juntas soldadas nos ensaios de tenacidade foi claramente prejudicado pela presença de inclusões, observadas ainda no material base, que acabaram por concentrar-se nas interfaces de união das soldas devido às características do processo FHPP. / In the last few years the solid state welding has been a great alternative compared to the most common processes used in industry, which usually consists in fusion of the employed materials. The present study wants to evaluate the application of Friction Hydro-Pillar Processing (FHPP). This work aims to analyze the application of FHPP in steel used to manufacturing offshore mooring components where the incidence of defects during the operation and manufacturing result in elevated operational costs. In addition the repair of these components is not recommended by technical stand arts duo to properties of materials and operational conditions of components. The analyses was carried out by the optimization of process parameters (axial force, rotational speed, rod burn off, geometry of rod and machined hole) aiming, in the first step, free defects and sufficient heat input welded joints through analyses of macrographs. A subsequently detailed analysis of micrographs and micro hardness profile was made aiming a better characterization of all welding regions. Finally, Charpy impact tests and Crack Tip Opening Displacement (CTOD) tests were carried out, to toughness evaluation of welding joints Followed by fractography in scanning electron microscopy (SEM) was made based in recommended technical standards aiming more accurate about the toughness in bonding line regions of welded joints. The welded joints presented a CTOD tests result that where about 40% of the values obtained for the base material. The specimen performance in toughness tests was clearly adversely affected by the presence of inclusions in the bonding lines. Observed in material base during the first analyses, these inclusions have been found in large quantity on bonding lines of welds because a characteristic of FHPP to concentrate it in this region.

O processo de soldagem no estado sólido Soldagem por Fricção e Mistura Mecânica (SFMM), tradução do original em inglês ¨Friction Stir Welding¨ (FSW), já foi estudado extensivamente e obteve resultados muito bem sucedidos em ligas de Alumínio. Especificamente para ligas de aplicação naval existe uma lacuna muito grande de conhecimento. Este trabalho tem por objetivo caracterizar e analisar juntas soldadas da liga de aço naval GL E36 através de SFMM. A espessura das chapas soldadas foi de 6 mm em junta de topo com ferramenta de Nitreto de Boro Cúbico Policristalino (NBcp). A velocidade de rotação da ferramenta foi mantida constante em 500 rpm e foram usadas velocidade lineares de 1, 2 e 3 mm/s objetivando-se diferentes aportes térmicos. Foram obtidas soldas de 1,2 metros de comprimento com características estéticas muito boas e homogêneas na superfície ao longo do comprimento das juntas. Todas as juntas foram produzidas com aquisição dos ciclos térmicos através de termopares colocados próximos a região da face da solda em diferentes posições no início, meio e final da solda. A ferramenta, mesmo após aproximadamente 8,5 metros de soldas, apresentou um bom comportamento ao desgaste sem perdas apreciáveis nas dimensões do pino. Para avaliação das propriedades das juntas foram retirados corpos de prova para análise microestrutural e de microdureza, ensaio de tração e dobramento, no início, meio e final da solda. Adicionalmente, foi usado ensaio radiográfico para detecção de defeitos e possíveis fragmentos da ferramenta proveniente de desgaste. E para a análise do comportamento da tenacidade à fratura foi usado o corpo de prova do tipo ¨compact tension¨ (CT-50) posicionado com a boca do entalhe na região da zona de mistura da solda. Todas as amostras de tração romperam no material de base. Os perfis de microdureza mostraram picos de até 400 Vickers para todas as juntas. A microestrutura consistiu principalmente de ferrita, martensita e bainita com diferentes níveis de refinamento e diferentes morfologias. Os melhores comportamentos em relação a tenacidade à fratura avaliados por meio da construção das curvas de resistência foram das juntas processadas com 2 mm/s e 3 mm/s. / The solid state welding process Friction Stir Welding (FSW) has been studied extensively and achieved very successful results on aluminum alloys. Nevertheless, to apply FSW on steel alloys more research is required. Specifically for steel grades for shipbuilding applications there is a wide knowledge gap. Thus, this work aims to evaluate the mechanical and microstructural properties of processed joints for the shipbuilding steel grade GL E36 using FSW. The weld plate thickness used was 6 mm using butt joint configuration with polycrystalline cubic boron nitride (pcBN) tool. The rotational speed of the tool was kept constant at 500 rpm with welding speeds of 1, 2 and 3 mm/s seeking to achieve different heat inputs, i.e., different mechanical and metallurgical properties. Joints of 1.2 meters long with very good aesthetic features and homogenous surface along the length were obtained, proving the stability of the process. Thermal profile of all joints were taken using thermocouples placed near the joint region of the weld face at different positions: beginning, middle and ending of the weld. The tool even after approximately 8.5 meters of welds showed good wear behavior without appreciable loss on the dimensions of the probe. To evaluate the joint behavior, specimens for microstructural analysis and hardness, tensile test and bending were removed at the beginning, middle and ending of the weld. Additionally, radiographic test was used for defects inspection and detection of possible debris from tool wear. For the analysis of the fracture toughness behavior was used Compact Tension (CT-50) specimens positioned with the notch at the stirred zone. All tensile samples failed at the base material, i.e. the produced joints achieved a greater resistance than the base material after processing. The microhardness profiles showed peaks of up to 400 Vickers for all the conditions. The microstructure found consisted mainly of ferrite, martensite and bainite with different levels of refinement and different morphologies. The best behavior concerning the fracture toughness evaluation using the crack resistance curves were for the joints processed with 2 mm/s and 3 mm/s of welding speeds.

Uma das regiões produtoras de petróleo offshore que representa um papel importante na vanguarda dos desafios de extração em altas profundidades é a província do Pré-Sal, situada na costa brasileira, composta por grandes acumulações de óleo leve de excelente qualidade. O óleo proveniente dos poços do Pré-Sal brasileiro contém CO2 dissolvido, e após as separações de óleo e gases liberar o CO2 na atmosfera não condiz com as tentativas da indústria mundial em reduzir a emissão de gases do efeito estufa. Uma alternativa econômica e ecologicamente viável é a injeção do dióxido de carbono nos reservatórios para aumentar o fator de recuperação de óleo e, ao mesmo tempo, garantir a captura e armazenamento geológico deste gás. Caso haja uma descompressão repentina devido a uma falha nas linhas de transporte do CO2, uma abrupta redução de temperatura é observada nas paredes do vaso próximas ao vazamento. Uma vez que diretrizes de projeto indicam a utilização de materiais com boa tenacidade em baixas temperaturas, a utilização de aços ligados ao níquel se faz uma boa alternativa no transporte de CO2. O presente estudo visa avaliar a influência do tratamento térmico de têmpera e revenido na tenacidade à fratura de aços ligados ao níquel, conhecidos como 5,5Ni e 9Ni, em temperatura ambiente e também a -100 °C, bem como avaliar a ação do hidrogênio nestes aços quando em baixa temperatura. Foram utilizados corpos de prova do tipo SE(B) da mecânica da fratura sem e com tratamento térmico. Foi possível observar que os tratamentos térmicos de têmpera e revenido foram muito eficientes para manter a tenacidade original do aço 5,5Ni na temperatura de -100 °C. De fato, na condição de bruto de laminação, os valores de CTOD para esse aço nessa temperatura foram muito inferiores daqueles encontrados na temperatura ambiente, indicando que esse material experimenta uma transição muito importante do comportamento em fratura em baixas temperaturas. Já o aço 9Ni sem tratamentos térmicos apresentou valores praticamente constantes de CTOD nas condições de ensaio, com um leve aumento nos valores médios após a têmpera e revenido, principalmente em baixa temperatura. Não foi verificada grande influência do carregamento de hidrogênio nos resultados da tenacidade à fratura dos aços 5,5Ni e 9Ni na temperatura de -100 °C, uma vez que os valores de CTOD nestas condições apresentaram uma leve redução em relação aos valores para os aços sem hidrogenação e ensaiados na temperatura de -100 °C. / One of the regions offshore where the oil production performs an important role in the forefront of the challenges in deep-water extractions is the Pre-salt region, located in Brazilian coast, containing big concentrations of light oil with an excellent quality. The oil from Brazilian Pre-salt oilfields contains dissolved CO2, and after the oil and gases separation, simply release the CO2 in the atmosphere does not match the efforts of the global industries to reduce the greenhouse gases emissions. A viable economic and ecological alternative is the carbon dioxide injection into the reservoirs to enhance the oil recovery factor, meanwhile ensuring geological capture and storage of that gas. In case of a suddenly depressurization in the CO2 pipelines, a temperature drop is observed in the walls near the leakage. Since project guidelines indicates the use of materials with good low temperature toughness, the use of nickel alloyed steels are a good alternative for the CO2 transportation. This work aims to evaluate the influence of the heat treatment on fracture toughness of nickel alloyed steels, nominated 5.5Ni and 9Ni, at room temperature and also at -100 °C, as well as evaluating the hydrogen effect on fracture toughness of these steels in low temperature. SE(B) fracture mechanic samples were evaluated with and without quench and temper heat treatments. It was possible to observe that the quench and temper heat treatments were so much efficient to maintain the original toughness of 5.5Ni steel at temperature of -100 °C. Indeed, in as rolled condition, CTOD values for this steel at that temperature were much lower than those found at room temperature, indicating that this material faces a very important transition in fracture behavior at low temperatures. 9Ni steel without heat treatments showed CTOD values practically constants for the tests conditions, barely increasing the medium CTOD values after the quench and temper, mainly at low temperature. A major influence of hydrogen charging on fracture toughness of 5.5Ni and 9Ni steel at -100 °C temperature was not observed, since the CTOD values on these conditions showed a slightly reduction when related to values calculated for steels with no hydrogen charging and tested in temperature of -100 °C.

O processo de soldagem no estado sólido Soldagem por Fricção e Mistura Mecânica (SFMM), tradução do original em inglês ¨Friction Stir Welding¨ (FSW), já foi estudado extensivamente e obteve resultados muito bem sucedidos em ligas de Alumínio. Especificamente para ligas de aplicação naval existe uma lacuna muito grande de conhecimento. Este trabalho tem por objetivo caracterizar e analisar juntas soldadas da liga de aço naval GL E36 através de SFMM. A espessura das chapas soldadas foi de 6 mm em junta de topo com ferramenta de Nitreto de Boro Cúbico Policristalino (NBcp). A velocidade de rotação da ferramenta foi mantida constante em 500 rpm e foram usadas velocidade lineares de 1, 2 e 3 mm/s objetivando-se diferentes aportes térmicos. Foram obtidas soldas de 1,2 metros de comprimento com características estéticas muito boas e homogêneas na superfície ao longo do comprimento das juntas. Todas as juntas foram produzidas com aquisição dos ciclos térmicos através de termopares colocados próximos a região da face da solda em diferentes posições no início, meio e final da solda. A ferramenta, mesmo após aproximadamente 8,5 metros de soldas, apresentou um bom comportamento ao desgaste sem perdas apreciáveis nas dimensões do pino. Para avaliação das propriedades das juntas foram retirados corpos de prova para análise microestrutural e de microdureza, ensaio de tração e dobramento, no início, meio e final da solda. Adicionalmente, foi usado ensaio radiográfico para detecção de defeitos e possíveis fragmentos da ferramenta proveniente de desgaste. E para a análise do comportamento da tenacidade à fratura foi usado o corpo de prova do tipo ¨compact tension¨ (CT-50) posicionado com a boca do entalhe na região da zona de mistura da solda. Todas as amostras de tração romperam no material de base. Os perfis de microdureza mostraram picos de até 400 Vickers para todas as juntas. A microestrutura consistiu principalmente de ferrita, martensita e bainita com diferentes níveis de refinamento e diferentes morfologias. Os melhores comportamentos em relação a tenacidade à fratura avaliados por meio da construção das curvas de resistência foram das juntas processadas com 2 mm/s e 3 mm/s. / The solid state welding process Friction Stir Welding (FSW) has been studied extensively and achieved very successful results on aluminum alloys. Nevertheless, to apply FSW on steel alloys more research is required. Specifically for steel grades for shipbuilding applications there is a wide knowledge gap. Thus, this work aims to evaluate the mechanical and microstructural properties of processed joints for the shipbuilding steel grade GL E36 using FSW. The weld plate thickness used was 6 mm using butt joint configuration with polycrystalline cubic boron nitride (pcBN) tool. The rotational speed of the tool was kept constant at 500 rpm with welding speeds of 1, 2 and 3 mm/s seeking to achieve different heat inputs, i.e., different mechanical and metallurgical properties. Joints of 1.2 meters long with very good aesthetic features and homogenous surface along the length were obtained, proving the stability of the process. Thermal profile of all joints were taken using thermocouples placed near the joint region of the weld face at different positions: beginning, middle and ending of the weld. The tool even after approximately 8.5 meters of welds showed good wear behavior without appreciable loss on the dimensions of the probe. To evaluate the joint behavior, specimens for microstructural analysis and hardness, tensile test and bending were removed at the beginning, middle and ending of the weld. Additionally, radiographic test was used for defects inspection and detection of possible debris from tool wear. For the analysis of the fracture toughness behavior was used Compact Tension (CT-50) specimens positioned with the notch at the stirred zone. All tensile samples failed at the base material, i.e. the produced joints achieved a greater resistance than the base material after processing. The microhardness profiles showed peaks of up to 400 Vickers for all the conditions. The microstructure found consisted mainly of ferrite, martensite and bainite with different levels of refinement and different morphologies. The best behavior concerning the fracture toughness evaluation using the crack resistance curves were for the joints processed with 2 mm/s and 3 mm/s of welding speeds.

Uma das regiões produtoras de petróleo offshore que representa um papel importante na vanguarda dos desafios de extração em altas profundidades é a província do Pré-Sal, situada na costa brasileira, composta por grandes acumulações de óleo leve de excelente qualidade. O óleo proveniente dos poços do Pré-Sal brasileiro contém CO2 dissolvido, e após as separações de óleo e gases liberar o CO2 na atmosfera não condiz com as tentativas da indústria mundial em reduzir a emissão de gases do efeito estufa. Uma alternativa econômica e ecologicamente viável é a injeção do dióxido de carbono nos reservatórios para aumentar o fator de recuperação de óleo e, ao mesmo tempo, garantir a captura e armazenamento geológico deste gás. Caso haja uma descompressão repentina devido a uma falha nas linhas de transporte do CO2, uma abrupta redução de temperatura é observada nas paredes do vaso próximas ao vazamento. Uma vez que diretrizes de projeto indicam a utilização de materiais com boa tenacidade em baixas temperaturas, a utilização de aços ligados ao níquel se faz uma boa alternativa no transporte de CO2. O presente estudo visa avaliar a influência do tratamento térmico de têmpera e revenido na tenacidade à fratura de aços ligados ao níquel, conhecidos como 5,5Ni e 9Ni, em temperatura ambiente e também a -100 °C, bem como avaliar a ação do hidrogênio nestes aços quando em baixa temperatura. Foram utilizados corpos de prova do tipo SE(B) da mecânica da fratura sem e com tratamento térmico. Foi possível observar que os tratamentos térmicos de têmpera e revenido foram muito eficientes para manter a tenacidade original do aço 5,5Ni na temperatura de -100 °C. De fato, na condição de bruto de laminação, os valores de CTOD para esse aço nessa temperatura foram muito inferiores daqueles encontrados na temperatura ambiente, indicando que esse material experimenta uma transição muito importante do comportamento em fratura em baixas temperaturas. Já o aço 9Ni sem tratamentos térmicos apresentou valores praticamente constantes de CTOD nas condições de ensaio, com um leve aumento nos valores médios após a têmpera e revenido, principalmente em baixa temperatura. Não foi verificada grande influência do carregamento de hidrogênio nos resultados da tenacidade à fratura dos aços 5,5Ni e 9Ni na temperatura de -100 °C, uma vez que os valores de CTOD nestas condições apresentaram uma leve redução em relação aos valores para os aços sem hidrogenação e ensaiados na temperatura de -100 °C. / One of the regions offshore where the oil production performs an important role in the forefront of the challenges in deep-water extractions is the Pre-salt region, located in Brazilian coast, containing big concentrations of light oil with an excellent quality. The oil from Brazilian Pre-salt oilfields contains dissolved CO2, and after the oil and gases separation, simply release the CO2 in the atmosphere does not match the efforts of the global industries to reduce the greenhouse gases emissions. A viable economic and ecological alternative is the carbon dioxide injection into the reservoirs to enhance the oil recovery factor, meanwhile ensuring geological capture and storage of that gas. In case of a suddenly depressurization in the CO2 pipelines, a temperature drop is observed in the walls near the leakage. Since project guidelines indicates the use of materials with good low temperature toughness, the use of nickel alloyed steels are a good alternative for the CO2 transportation. This work aims to evaluate the influence of the heat treatment on fracture toughness of nickel alloyed steels, nominated 5.5Ni and 9Ni, at room temperature and also at -100 °C, as well as evaluating the hydrogen effect on fracture toughness of these steels in low temperature. SE(B) fracture mechanic samples were evaluated with and without quench and temper heat treatments. It was possible to observe that the quench and temper heat treatments were so much efficient to maintain the original toughness of 5.5Ni steel at temperature of -100 °C. Indeed, in as rolled condition, CTOD values for this steel at that temperature were much lower than those found at room temperature, indicating that this material faces a very important transition in fracture behavior at low temperatures. 9Ni steel without heat treatments showed CTOD values practically constants for the tests conditions, barely increasing the medium CTOD values after the quench and temper, mainly at low temperature. A major influence of hydrogen charging on fracture toughness of 5.5Ni and 9Ni steel at -100 °C temperature was not observed, since the CTOD values on these conditions showed a slightly reduction when related to values calculated for steels with no hydrogen charging and tested in temperature of -100 °C.