CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / O objetivo deste trabalho foi avaliar a influÃncia da porcentagem em massa de Mo em ligas Fe-Cr-Mo frente à corrosÃo por CO2 em Ãgua artificial de tanque de armazenamento de petrÃleo e propor uma liga experimental para ser usada em dutos suscetÃveis a esse tipo de corrosÃo. Foram estudados o aÃo carbono 1020, para comparaÃÃo, e dois tipos de ligas Fe-Cr-Mo, uma comercial, denominada P9 (Fe-9Cr-1Mo); e uma liga experimental, E (Fe-9Cr-5Mo). Foram feitas medidas de PLP com tempo de Eca de 1 h. As curvas mostraram que, no aÃo 1020, ocorre apenas a dissoluÃÃo do Fe, enquanto que, com o aumento da porcentagem de Mo, ocorre passivaÃÃo. O monitoramento da corrosÃo foi feito por espectroscopia de impedÃncia eletroquÃmica, ao longo de 168 h de imersÃo. Os diagramas de Nyquist mostraram que o aumento na quantidade de Mo aumenta a impedÃncia das ligas estudadas. Jà as representaÃÃes de Bode mostraram que hà apenas um processo na corrosÃo no aÃo 1020, enquanto que hà dois para as ligas P9 e E. A caracterizaÃÃo da superfÃcie foi feita por MEV. A distribuiÃÃo dos produtos de corrosÃo foi homogÃnea no aÃo 1020 e heterogÃnea nas demais ligas. A identificaÃÃo dos produtos de corrosÃo foi feita por espectroscopia RAMAN, mostrando que houve a formaÃÃo de produtos de corrosÃo protetores apenas para as ligas Fe-Cr-Mo e que apenas a liga E apresentou produtos contendo Mo. Isso està em acordo com os resultados obtidos nas curvas de polarizaÃÃo e nos diagramas de impedÃncia, uma vez que o Mo pode estabilizar filmes de passivaÃÃo. Assim, a liga experimental E pode ser usada em substituiÃÃo à liga comercial P9 em plantas de exploraÃÃo de petrÃleo suscetÃveis a corrosÃo por CO2. / The objective of this work was to evaluate the influence of the percentage in mass of Mo in Fe-Cr-Mo alloys against CO2 corrosion in artificial water of oil storage tank and to propose an experimental alloy to be used in susceptible to this kind of corrosion pipes. They had been studied the 1020 carbon steel, for comparison, and two types of Fe-Cr-Mo alloys, one advertising, called P9 (Fe-9Cr-1Mo); and one experimental alloy, E (Fe-9Cr-5Mo). They had been made measurements of LSP with time of Eoc of 1 h. The curves had shown that, in 1020 steel, the dissolution of Fe occurs only, whereas, with the increase of the percentage of Mo, occurs passivation. Monitoring of the corrosion was made by electrochemical impedance spectroscopy, throughout 168 h of immersion. Nyquist diagrams had shown that the increase of Mo content increased the impedance of the studied alloys. Although, the Bode representations showed that there is only one process in the corrosion of 1020 steel, while there are two ones for P9 and E alloys. The characterization of the surface was made by SEM. The distribution of the corrosion products was homogeneous in the 1020 steel and heterogeneous one in the other alloys. The identification of the corrosion products was made by RAMAN spectroscopy, showing that there was protective corrosion products formation only to Fe-Cr-Mo alloys and that only the E alloy presented Mo-containing products. This is in agreement with the results obtained in polarization curves and in impedance diagrams, once Mo can stabilizes passivation films. So, experimental E alloy can be used in substitution of P9 alloy in oil exploration plants susceptible to CO2 corrosion.

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O objetivo do presente projeto é a combinação de abordagens experimentais e teóricas para o desenvolvimento de bancos de dados termodinâmicos, visando o modelamento de aços e ligas de alto desempenho. Entre esses materiais estão as superligas fundidas por centrifugação para aplicações em fornos de reforma e pirólise, bem como aços-ferramenta reforçados por fases intermetálicas. Os métodos teóricos mencionados correspondem à combinação de cálculos de estrutura eletrônica e modelamento termodinâmico em temperaturas finitas, através do protocolo Calphad. Esta metodologia vem sendo aplicada com sucesso por vários grupos de pesquisa brasileiros e internacionais. Utilizando-nos de dados experimentais para o sistema Fe-Cr-Mo-C, obtidos recentemente em nosso laboratório, e cálculos de primeiros princípios para o sistema Ni-Nb-Si, aliados a outros resultados experimentais da literatura, aperfeiçoamos os bancos de dados termodinâmicos existentes para estes dois sistemas, minimizando as inconsistências quanto às evidências experimentais em relação aos campos de estabilidade e equilíbrio entre fases. No sistema Fe-Cr-Mo-C, utilizamo-nos de dados experimentais para uma reotimização da descrição termodinâmica. Adotamos novas descrições para os binários Cr-Fe, C-Cr e C-Fe, com novos modelos para as fases cementita no sistema C-Fe e sigma no sistema Cr-Fe. Com essas alterações, fomos levados a reavaliar todas as descrições dos ternários, reotimizando-os quando necessário (C-Cr-Fe) ou apenas revalidando os modelamentos pré-existentes (C-Cr-Mo). Por fim, reotimizamos o quaternário como um todo, chegando a resultados satisfatórios quando comparados a resultados experimentais. As propriedades termodinâmicas do sistema Nb-Ni-Si são pouquíssimo conhecidas. Por este motivo, não há dados suficientes na literatura para realizar um assessment completo deste sistema. Por isto, decidimos realizar cálculos de primeiros princípios de estrutura eletrônica, para a determinação de energias de formação dos compostos ternários presentes neste sistema. Os sistemas binários Nb-Ni, Nb-Si e Ni-Si, por outro lado, são bem conhecidos, cada um deles contando com diversas descrições termodinâmicas publicadas ao longo dos últimos anos. Por esta razão, adotamos as mais recentes descrições termodinâmicas dos binários como ponto de partida para o modelamento do sistema ternário. O resultado do modelamento, quando comparado aos poucos dados experimentais disponíveis, é bastante satisfatório. / The aim of this project is the combination of advanced experimental and theoretical approaches for the development of thermodynamic databases dedicated to modelling steels and high performance alloys. Examples of materials are centrifugally-cast superalloys designed for use in reforming and pyrolisis furnaces, as well as intermetallic-reinforced tool steels. The theoretical methods are the combination of electronic structure calculations and thermodynamic modeling at finite temperatures using the CALPHAD method. This methodology has been used by different scientific groups, both in Brazil and around the world. Using experimental data in the Fe-Cr-Mo-C sytem, recently determined in our laboratory, and first principles calculations in the Nb-Ni-Si system, together with other experimental results from the literature, we improved the existing thermodynamic databases for these two systems, minimizing discrepancies regarding the experimental evidence about phase stability fields and phase equilibria. In the Fe-Cr-Mo-C system, we employed experimental data for a reoptimization of the thermodynamic description. We adopted new descriptions for the binary Cr-Fe, C-Cr, and C-Fe systems, with new models for cementite in the C-Fe system, and sigma in the Cr-Fe system. Because of these alterations, a reevaluation of the ternary descriptions was necessary, reassessing them when required (C-Cr-Fe) or just revalidating existing models (C-Cr-Mo). After that, we re-optimized the quaternary system, arriving at satisfactory results, in comparison with experimental data. The thermodynamic properties of the Ni-Nb-Si system is almost completely unknown. For that reason, there are not enough data in the literature to perform a complete assessment of the system. With that in mind, we decided to perform first-principles electronic structure calculations, in order to determine the formation energies of the ternary compounds. The binary systems, on the other hand, are very well-known, each one of them with several published thermodynamic assessments during the last few years. For this reason, we adopted the most recent thermodynamic descriptions of the binaries as a starting point for the modelling of the ternary system. The result of the modelling is very satisfactory, in comparison with the few experimental information available.

O objetivo do presente projeto é a combinação de abordagens experimentais e teóricas para o desenvolvimento de bancos de dados termodinâmicos, visando o modelamento de aços e ligas de alto desempenho. Entre esses materiais estão as superligas fundidas por centrifugação para aplicações em fornos de reforma e pirólise, bem como aços-ferramenta reforçados por fases intermetálicas. Os métodos teóricos mencionados correspondem à combinação de cálculos de estrutura eletrônica e modelamento termodinâmico em temperaturas finitas, através do protocolo Calphad. Esta metodologia vem sendo aplicada com sucesso por vários grupos de pesquisa brasileiros e internacionais. Utilizando-nos de dados experimentais para o sistema Fe-Cr-Mo-C, obtidos recentemente em nosso laboratório, e cálculos de primeiros princípios para o sistema Ni-Nb-Si, aliados a outros resultados experimentais da literatura, aperfeiçoamos os bancos de dados termodinâmicos existentes para estes dois sistemas, minimizando as inconsistências quanto às evidências experimentais em relação aos campos de estabilidade e equilíbrio entre fases. No sistema Fe-Cr-Mo-C, utilizamo-nos de dados experimentais para uma reotimização da descrição termodinâmica. Adotamos novas descrições para os binários Cr-Fe, C-Cr e C-Fe, com novos modelos para as fases cementita no sistema C-Fe e sigma no sistema Cr-Fe. Com essas alterações, fomos levados a reavaliar todas as descrições dos ternários, reotimizando-os quando necessário (C-Cr-Fe) ou apenas revalidando os modelamentos pré-existentes (C-Cr-Mo). Por fim, reotimizamos o quaternário como um todo, chegando a resultados satisfatórios quando comparados a resultados experimentais. As propriedades termodinâmicas do sistema Nb-Ni-Si são pouquíssimo conhecidas. Por este motivo, não há dados suficientes na literatura para realizar um assessment completo deste sistema. Por isto, decidimos realizar cálculos de primeiros princípios de estrutura eletrônica, para a determinação de energias de formação dos compostos ternários presentes neste sistema. Os sistemas binários Nb-Ni, Nb-Si e Ni-Si, por outro lado, são bem conhecidos, cada um deles contando com diversas descrições termodinâmicas publicadas ao longo dos últimos anos. Por esta razão, adotamos as mais recentes descrições termodinâmicas dos binários como ponto de partida para o modelamento do sistema ternário. O resultado do modelamento, quando comparado aos poucos dados experimentais disponíveis, é bastante satisfatório. / The aim of this project is the combination of advanced experimental and theoretical approaches for the development of thermodynamic databases dedicated to modelling steels and high performance alloys. Examples of materials are centrifugally-cast superalloys designed for use in reforming and pyrolisis furnaces, as well as intermetallic-reinforced tool steels. The theoretical methods are the combination of electronic structure calculations and thermodynamic modeling at finite temperatures using the CALPHAD method. This methodology has been used by different scientific groups, both in Brazil and around the world. Using experimental data in the Fe-Cr-Mo-C sytem, recently determined in our laboratory, and first principles calculations in the Nb-Ni-Si system, together with other experimental results from the literature, we improved the existing thermodynamic databases for these two systems, minimizing discrepancies regarding the experimental evidence about phase stability fields and phase equilibria. In the Fe-Cr-Mo-C system, we employed experimental data for a reoptimization of the thermodynamic description. We adopted new descriptions for the binary Cr-Fe, C-Cr, and C-Fe systems, with new models for cementite in the C-Fe system, and sigma in the Cr-Fe system. Because of these alterations, a reevaluation of the ternary descriptions was necessary, reassessing them when required (C-Cr-Fe) or just revalidating existing models (C-Cr-Mo). After that, we re-optimized the quaternary system, arriving at satisfactory results, in comparison with experimental data. The thermodynamic properties of the Ni-Nb-Si system is almost completely unknown. For that reason, there are not enough data in the literature to perform a complete assessment of the system. With that in mind, we decided to perform first-principles electronic structure calculations, in order to determine the formation energies of the ternary compounds. The binary systems, on the other hand, are very well-known, each one of them with several published thermodynamic assessments during the last few years. For this reason, we adopted the most recent thermodynamic descriptions of the binaries as a starting point for the modelling of the ternary system. The result of the modelling is very satisfactory, in comparison with the few experimental information available.

FundaÃÃo Cearense de Apoio ao Desenvolvimento Cientifico e TecnolÃgico / Ligas Fe-Cr-Mo sÃo amplamente utilizadas na fabricaÃÃo de tubulaÃÃes para a indÃstria petroquÃmica nos processos de transporte e refino do petrÃleo devido a uma combinaÃÃo de propriedades como dureza, tenacidade e resistÃncia à fluÃncia e à corrosÃo em altas temperaturas. Atualmente, a liga Fe-9Cr-1Mo à a mais comumente utilizada. Contudo, em refinarias de petrÃleo que apresentam altos Ãndices de acidez, tem-se observado, de maneira acentuada, processos de corrosÃo nessas ligas, principalmente processos relacionados à acidez naftÃnica. Um aumento no teor de molibdÃnio da liga tem sido apontado como uma possÃvel soluÃÃo para este problema, visto que a adiÃÃo desse elemento na liga resulta em uma melhor resistÃncia à corrosÃo. Nesse contexto, foram desenvolvidas no LACAM - LaboratÃrio de CaracterizaÃÃo de Materiais da UFC, ligas Fe-9Cr-XMo com trÃs diferentes percentuais em peso de molibdÃnio (X = 5, 7, 9 wt%). A caracterizaÃÃo dessas ligas, bem como dos precipitados que nelas surgem devido aos tratamentos tÃrmicos, e o estudo da sua resistÃncia à corrosÃo serÃo feitos atravÃs de vÃrias tÃcnicas. Neste trabalho, especificamente, foi utilizada a Espectroscopia MÃssbauer e a DifraÃÃo de Raios-x para uma melhor compreensÃo das mudanÃas na estrutura das ligas quando submetidas Ãs diferentes condiÃÃes de serviÃo dentro da faixa de temperatura de 450ÂC a 650ÂC. Os resultados obtidos permitem concluir que a distribuiÃÃo dos elementos de liga na matriz à influenciada pelo teor de molibdÃnio, pela temperatura e o pelo tempo de tratamento. TambÃm foram extraÃdos e caracterizados os precipitados da liga comercial ASTM A213 da classe T91 utilizada para efeito de comparaÃÃo com as ligas E1, E2 e E3. A presenÃa destes precipitados altera a distribuiÃÃo dos elementos de liga na matriz. A anÃlise da influÃncia da concentraÃÃo dos elementos de impureza na estrutura das ligas estudadas foi investigada atravÃs de um modelo de primeiros e segundos vizinhos. O valor do campo magnÃtico hiperfino varia proporcionalmente ao nÃmero de vizinhos de impureza nos sÃtios de ferro. A distribuiÃÃo de elementos de liga na matriz està diretamente relacionada à distribuiÃÃo de campo magnÃtico hiperfino. As probabilidades associadas aos valores de campo hiperfino permitiram uma melhor compreensÃo da estrutura das ligas. / Fe-Cr-Mo alloys are widely used in the manufacture of piping for the petrochemical industry in oil transport and refining processes due to a combination of properties such as hardness, toughness, creep resistance and corrosion resistance at high temperatures. Nowadays the Fe-9Cr-1Mo alloy is the most common alloy in use. However, in some refineries with higher acidity levels, strong corrosion processes have been observed, specially in processes related to naphthenic acid corrosion. An increasing in the Molybdenum content has been pointed out as a possible solution to this problem, since the addition of this alloying element results in a better corrosion resistance. In this context, Fe-9Cr-XMo alloys with three different Molydbenum contents (X = 5, 7, 9 wt%) have been developed at LACAM - LaboratÃrio de CaracterizaÃÃo de Materiais at the Universidade Federal do CearÃ. The characterization of these alloys, as well as the precipitates that appear on them due to heat treatment and studies of their corrosion resistance were made through various techniques. Specifically in this work, Transmission MÃssbauer Spectroscopy and X-Ray Diffraction were used in order to achieve a better understanding of the structure changes of the alloys when they are subjected to different service conditions in the temperature range from 450ÂC to 650ÂC. The results led to the conclusion that the distribuition of the alloy elements in the matrix is influenced by the molibdenum content, the temperature and the treatment time. The precipitates present in the ASTM A213 grade T91, used for comparation with E1, E2 and E3 alloys, have been extracted and characterized as well. The presence of this precipitates changes the distribuition of the alloy elements in the matrix. The analysis of the influence of the impurity elements in the structure of the alloys was investigated by a model of first and second neighbors. The changes in the magnetic hyperfine field is proportional to the number of impurity atoms in the neighborhood of the iron sites. The distribuition of the alloy elements in the matrix is direct related to the distribution of the magnetic hyperfine field. The probabilities associated to the values of hiperfine field allow for a better understanding of the structure of the alloys.