Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Materiais, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação dos Prof. Doutor João Paulo Sousa e Graça S. Carvalho

O estudo e desenvolvimento das tecnologias envolvidas nos propulsores eletromagnéticos, os quais são utilizados na propulsão de foguetes e espaçonaves, são recentes e extremamente complexos. Devido a isso, poucas referências atuais foram encontradas para a realização deste trabalho. Esse trabalho tem como objetivo a prospecção de novas tecnologias nos processos de soldagem e corte de materiais metálicos. Essa prospecção realizou-se através da construção e estudo do dispositivo eletromagnético conhecido como propulsor magnetoplasmadinâmico (“Magnetoplasmadynamic Thruster – MPDT”), o qual é capaz de ionizar um gás, formando um fluxo de plasma com temperaturas elevadas. Dois dispositivos eletromagnéticos, MPDT-1 e MPDT-2, foram construídos no Laboratório de Soldagem & Técnicas Conexas – LS&TC da UFRGS. Para ambos, foram realizados testes de funcionamento analisando a influência das variáveis físicas (intensidade de corrente elétrica, posição relativa entre os eletrodos, ângulo da extremidade do catodo, entre outras) no jato de plasma expulso para fora da câmara dos dispositivos. Com base nos resultados obtidos para os testes de funcionamento dos dispositivos, os quais apresentaram influências significativas das variáveis físicas no jato de plasma, foram escolhidos os parâmetros que melhor se adequavam na realização de soldagem e corte. As soldagens realizadas com o MPDT-1 apresentaram uma grande oxidação no metal de solda, a qual foi evitada com a adição de um bocal de gás de proteção no MPDT-2 e gás de purga. Os cortes, para ambos os dispositivos, apresentaram falhas devido ao jato de plasma não expulsar o metal fundido. Contudo, o propulsor eletromagnético pode ser aplicado no desenvolvimento de novas tecnologias de soldagem e corte, porém novos estudos devem ser realizados para encontrar melhores parâmetros e assim conseguir soldagem e corte com excelentes qualidades. / The study and development of technologies involved in the electromagnetic thruster, that are used in the propulsion of rockets and spaceships, are new and extremely complex. Due to this, a few present references were found to the accomplishment of this work. This work has as objective the search of new technologies in the process of welding and cutting of metallic materials. This prospection happened through the construction and study of an electromagnetic device known as Magnetoplasmadynamic Thruster – MPDT, which is capable to ionize a gas, forming a plasma flow with high temperatures. Two electromagnetic devices, MPDT-1 and MPDT-2, were built at Welding & Related Techniques Laboratory, at Center of Technology of Federal University of Rio Grande do Sul (UFRGS). In both, there were carried out functional tests analyzing the influence of the physics variables (electric current intensity, relative position between the electrodes, angle of cathode tip, among other things) on the plasma jet expelled of the device chamber. With base at the results obtained for functional tests of the devices, which had presented significant influences of the physics variables on plasma jet, were chosen the parameters that better adjusted for welding and cutting. The weldings accomplished with the MPDT-1 presented a great oxidation of weld filet, which was avoid with the addition of a nozzle of shielding gas on MPDT-2 and gas of purge. For both devices, the cuts presented imperfections due to plasma jet not to eject the casting metal. However, the electromagnetic device – MPDT could be applied on the development of new technologies of welding and cutting, but news studies must be carried out to find better parameters and then obtain welds and cuts of excellent quality.

O estudo e desenvolvimento das tecnologias envolvidas nos propulsores eletromagnéticos, os quais são utilizados na propulsão de foguetes e espaçonaves, são recentes e extremamente complexos. Devido a isso, poucas referências atuais foram encontradas para a realização deste trabalho. Esse trabalho tem como objetivo a prospecção de novas tecnologias nos processos de soldagem e corte de materiais metálicos. Essa prospecção realizou-se através da construção e estudo do dispositivo eletromagnético conhecido como propulsor magnetoplasmadinâmico (“Magnetoplasmadynamic Thruster – MPDT”), o qual é capaz de ionizar um gás, formando um fluxo de plasma com temperaturas elevadas. Dois dispositivos eletromagnéticos, MPDT-1 e MPDT-2, foram construídos no Laboratório de Soldagem & Técnicas Conexas – LS&TC da UFRGS. Para ambos, foram realizados testes de funcionamento analisando a influência das variáveis físicas (intensidade de corrente elétrica, posição relativa entre os eletrodos, ângulo da extremidade do catodo, entre outras) no jato de plasma expulso para fora da câmara dos dispositivos. Com base nos resultados obtidos para os testes de funcionamento dos dispositivos, os quais apresentaram influências significativas das variáveis físicas no jato de plasma, foram escolhidos os parâmetros que melhor se adequavam na realização de soldagem e corte. As soldagens realizadas com o MPDT-1 apresentaram uma grande oxidação no metal de solda, a qual foi evitada com a adição de um bocal de gás de proteção no MPDT-2 e gás de purga. Os cortes, para ambos os dispositivos, apresentaram falhas devido ao jato de plasma não expulsar o metal fundido. Contudo, o propulsor eletromagnético pode ser aplicado no desenvolvimento de novas tecnologias de soldagem e corte, porém novos estudos devem ser realizados para encontrar melhores parâmetros e assim conseguir soldagem e corte com excelentes qualidades. / The study and development of technologies involved in the electromagnetic thruster, that are used in the propulsion of rockets and spaceships, are new and extremely complex. Due to this, a few present references were found to the accomplishment of this work. This work has as objective the search of new technologies in the process of welding and cutting of metallic materials. This prospection happened through the construction and study of an electromagnetic device known as Magnetoplasmadynamic Thruster – MPDT, which is capable to ionize a gas, forming a plasma flow with high temperatures. Two electromagnetic devices, MPDT-1 and MPDT-2, were built at Welding & Related Techniques Laboratory, at Center of Technology of Federal University of Rio Grande do Sul (UFRGS). In both, there were carried out functional tests analyzing the influence of the physics variables (electric current intensity, relative position between the electrodes, angle of cathode tip, among other things) on the plasma jet expelled of the device chamber. With base at the results obtained for functional tests of the devices, which had presented significant influences of the physics variables on plasma jet, were chosen the parameters that better adjusted for welding and cutting. The weldings accomplished with the MPDT-1 presented a great oxidation of weld filet, which was avoid with the addition of a nozzle of shielding gas on MPDT-2 and gas of purge. For both devices, the cuts presented imperfections due to plasma jet not to eject the casting metal. However, the electromagnetic device – MPDT could be applied on the development of new technologies of welding and cutting, but news studies must be carried out to find better parameters and then obtain welds and cuts of excellent quality.

O estudo e desenvolvimento das tecnologias envolvidas nos propulsores eletromagnéticos, os quais são utilizados na propulsão de foguetes e espaçonaves, são recentes e extremamente complexos. Devido a isso, poucas referências atuais foram encontradas para a realização deste trabalho. Esse trabalho tem como objetivo a prospecção de novas tecnologias nos processos de soldagem e corte de materiais metálicos. Essa prospecção realizou-se através da construção e estudo do dispositivo eletromagnético conhecido como propulsor magnetoplasmadinâmico (“Magnetoplasmadynamic Thruster – MPDT”), o qual é capaz de ionizar um gás, formando um fluxo de plasma com temperaturas elevadas. Dois dispositivos eletromagnéticos, MPDT-1 e MPDT-2, foram construídos no Laboratório de Soldagem & Técnicas Conexas – LS&TC da UFRGS. Para ambos, foram realizados testes de funcionamento analisando a influência das variáveis físicas (intensidade de corrente elétrica, posição relativa entre os eletrodos, ângulo da extremidade do catodo, entre outras) no jato de plasma expulso para fora da câmara dos dispositivos. Com base nos resultados obtidos para os testes de funcionamento dos dispositivos, os quais apresentaram influências significativas das variáveis físicas no jato de plasma, foram escolhidos os parâmetros que melhor se adequavam na realização de soldagem e corte. As soldagens realizadas com o MPDT-1 apresentaram uma grande oxidação no metal de solda, a qual foi evitada com a adição de um bocal de gás de proteção no MPDT-2 e gás de purga. Os cortes, para ambos os dispositivos, apresentaram falhas devido ao jato de plasma não expulsar o metal fundido. Contudo, o propulsor eletromagnético pode ser aplicado no desenvolvimento de novas tecnologias de soldagem e corte, porém novos estudos devem ser realizados para encontrar melhores parâmetros e assim conseguir soldagem e corte com excelentes qualidades. / The study and development of technologies involved in the electromagnetic thruster, that are used in the propulsion of rockets and spaceships, are new and extremely complex. Due to this, a few present references were found to the accomplishment of this work. This work has as objective the search of new technologies in the process of welding and cutting of metallic materials. This prospection happened through the construction and study of an electromagnetic device known as Magnetoplasmadynamic Thruster – MPDT, which is capable to ionize a gas, forming a plasma flow with high temperatures. Two electromagnetic devices, MPDT-1 and MPDT-2, were built at Welding & Related Techniques Laboratory, at Center of Technology of Federal University of Rio Grande do Sul (UFRGS). In both, there were carried out functional tests analyzing the influence of the physics variables (electric current intensity, relative position between the electrodes, angle of cathode tip, among other things) on the plasma jet expelled of the device chamber. With base at the results obtained for functional tests of the devices, which had presented significant influences of the physics variables on plasma jet, were chosen the parameters that better adjusted for welding and cutting. The weldings accomplished with the MPDT-1 presented a great oxidation of weld filet, which was avoid with the addition of a nozzle of shielding gas on MPDT-2 and gas of purge. For both devices, the cuts presented imperfections due to plasma jet not to eject the casting metal. However, the electromagnetic device – MPDT could be applied on the development of new technologies of welding and cutting, but news studies must be carried out to find better parameters and then obtain welds and cuts of excellent quality.

O trabalho apresentado aqui visou estudar a implantação de elementos em superfícies metálicas (particularmente cobre) de maneira controlada, investigando-se as alterações que tal implante causou na estrutura da superfície, objetivando uma possível melhoria no comportamento desses metais a serem utilizados como catodos em tochas de plasma ou para várias outras aplicações, tais como em catálise, micro eletrônica, oxidação e corrosão de metais e outros. Filmes finos de cobre policristalino foram implantados com íond (energia de 20KeV até 50KeV; doses da ordem de 10 15íons/cm2) de metais alcalinos (Li, Na, K, Rb e Cs) bem como de O e Cl. Foram realizadas diversas análises de superfície visando determinar as alterações ocorridas no cobre quando da implantação dos íons, tais como: composição de superfície (Auger Electron Spectroscopy, X-ray Photoelectron Spectroscopy), estrutura de superfícies em termos de topografia e do potencial de superfície (Kelvin Probe Force Microscopy), composição volumétrica X-ray Fluorescence, Rutherford Backscattering Spectroscopy e Energy Dispersive X-ray Spectroscopy), concentração de oxigênio (Elastic non-Rutherford Backscattering Spectroscopy) e estrutura cristalina (X-ray Diffraction). Modelos teóricos foram utilizados para se obter uma compreensão melhor das alterações estruturais que ocorrem durante a implantação iônica em uma superfície metálica (Stopping and Range of Ions in Matter e Tight-Binding Linear Muffin-Tin Orbital Atomic Sphere Approximation (Coherent Potential Approximation)). As análises de composição superficial mostraram que as concentrações dos elementos C, N, Cl e S dos substratos de cobre não implantados e implantados foram similares e que a única alteração na composição superficial, causada pelo processo da implantação iônica, foi a introdução dos íons desejados nos filmes de cobre. Observou-se que mesmo as pequenas doses de íons podem causar uma grande diminuição da função de trabalho (2-30%) em relação ao cubro puro; já a implantação de O e Cl gerou um aumento na função de trabalho de 300mV e 900MV, respectivamente. As concentrações detectadas de íons implantados de metais alcalinos podem ser consideradas altas (tendo em vista as doses de implantação relativamente pequenas, da ordem de 10.15ions/cm2) diminuindo rápido na direção do bulk das amostras; esta distribuição se deve provavelmente a um processo de migração de íons na direção da superfície. Os resultados de EBS e KPFM indicam que uma maior dose não necessariamente gera uma concentração maior de íons implantados na primeira camada superficial. Observou-se também que somente uma parte da dose total dos íons é efetivamente implantada, devido ao processo de sputtering, que ocorre durante a implantação iônica. A implantação iônica de diferentes íons alcalinos influencia diferentemente os processos de oxidação das amostras. A principal influência no aumento da oxidação é a estrutura topográfica das amostras; porém, a presença de íons implantados nas superfícies das amostras parece influenciar as etapas iniciais de oxidação, aumentando ou diminuindo a absorção de oxigênio. Para o caso da implantação dos íons de O e Cl, a concentração desses íons parece aumentar com a profundidade até um certo nível, o que, por sua vez, indica que não houve um processo de migração durante a implantação. Isto se deve provavelmente ao fato de que estes íons criam ligações com os elementos de substrato. As alterações da função de trabalho de dois casos distintos de deposição de metais (Ag e Cs) sobre Cu (111), foi estudada com o programa TB-LMTO-ASA (CPA), utilizando-se, nas simulações, valores diferentes para o raio de Wigner-Seitz para esferas vazias (WSES); os resultados das alterações da função de trabalho durante a deposição foram aproximadamente 20% menores em comparação com os valores experimentais da literatura. O efeito de WSES, que é, em princípio, um artefato computacional, sobre o valor da função de trabalho do sistema é normalmente interpretado como uma não confiabilidade dos modelos baseados nos conceitos de ASA. Porém, os resultados obtidos durante este trabalho indicam a existência de uma relação entre WSES e a rigorosidade da superfície; portanto, o sentido físico de esferas vazias pode ser visto como uma medida da rugosidade superficial. / In this work, the controlled implantation of the different elements in the metallic surfaces (particularly copper) was performed, in order to study the changes that the implantation causes on the surface structure, aiming to improve the behaviour of those metals for their use as cathodes in plasma torches or other applications, such as: catalysis, microelectronics, oxidation and corrosion of metals and others. Thin polycrystalline copper films were implanted with ions (energy 20-50keV; doses of order of \'10 POT. 15\' ions/\'cm POT. 2\') of alkaline metals (\'LI\', \'NA\', \'K\', \'RB\', and \'CS\') as well as of \'O\' and \'CL\'. Different surface analyses were performed in order to determine the changes on copper due to the ion implantation, in terms of: surface composition (Auger Electron Spectroscopy, X-ray Photoelectron Spectroscopy), topographic and surface potential structure (Kelvin Probe Force Microscopy), bulk composition (X-ray Fluorescence, Rutherford Backscattering Spectroscopy e Energy Dispersive X-ray Spectroscopy), oxygen concentration (Elastic non-Rutherford Backscattering Spectroscopy) and crystalline structure (X-ray Diffraction). Theoretical models were used to understand better the structural changes which occur on the metallic surface during the ion implantation process (Stopping and Range of Ions in Matter e Tight-Binding Linear Muffin-Tin Orbital Atomic Sphere Approximation (Coherent Potential Approximation)). The surface composition analyses of implanted and non-implanted copper substrates showed similar concentration of \'C\', \'N\', \'CL\' and \'S\' and that the only change in surface concentration, due to the ion implantation process, was the introduction of the desired ions in the surface of copper films. It was observed that even small ion doses can cause relatively large decrease of work function (2-30%) in relation to the pure copper value; the implantation of O and CL caused an increase in work function of 300m V and 900mV, respectively. The detected concentration of implanted alkali metal ions was relatively high (taking into consideration relatively small implantation doses, of the order of \'10 POT. 15\' ions/\'cm POT. 2\'), decreasing fast towards bulk of the samples; this distribution were probably caused by a migration process of implanted ions towards the surface. The EBS and KPFM results indicate that not always the largest dose produces the largest implanted ion concentration in the surface layer. It was also observed that only a part of the total ion dose is effectively implanted, due to the sputtering during the ion implantation process. Implantation of different alkali ions influences the sample oxidation process in a different way. The principal influence in the increase of oxidation is the topographic structure of the samples; however, the presence of the implanted ions on the samples surface seems to influence the initial stages of the oxidation, increasing or decreasing the oxygen adsorption. Of the cases of the O and CL implantation, the concentration of these ions seems to increase with depth, which indicates that there were no migration process involved. This is probably due to the fact that these ions create bonds with the substrate elements. The changes in the work function for two distinct cases of metal (AG and CS) deposition on CU (111) was studied with the computational programme TB-LMTO-ASA (CPA), using, in the simulations, different values for the Wigner-Seitz radius for Empty Spheres (\'WS IND. ES\'); the results on the work function changes during the deposition were approximately 20% lower in comparison with the experimental data from the literature. The effect of \'WS IND. ES\', which is, in principle, a computation artefact, on the work function value of the studied systems is normally interpreted as the non-reliability of the models based on the ASA concepts. However, the results obtained during this work indicate that there is a relation between the \'WS IND. ES\' and the surface roughness; therefore, physical meaning of the empty spheres can be understood as a \"measure\" of surface roughness.

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor em Engenharia Metalúrgica e de Materiais, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

O trabalho apresentado aqui visou estudar a implantação de elementos em superfícies metálicas (particularmente cobre) de maneira controlada, investigando-se as alterações que tal implante causou na estrutura da superfície, objetivando uma possível melhoria no comportamento desses metais a serem utilizados como catodos em tochas de plasma ou para várias outras aplicações, tais como em catálise, micro eletrônica, oxidação e corrosão de metais e outros. Filmes finos de cobre policristalino foram implantados com íond (energia de 20KeV até 50KeV; doses da ordem de 10 15íons/cm2) de metais alcalinos (Li, Na, K, Rb e Cs) bem como de O e Cl. Foram realizadas diversas análises de superfície visando determinar as alterações ocorridas no cobre quando da implantação dos íons, tais como: composição de superfície (Auger Electron Spectroscopy, X-ray Photoelectron Spectroscopy), estrutura de superfícies em termos de topografia e do potencial de superfície (Kelvin Probe Force Microscopy), composição volumétrica X-ray Fluorescence, Rutherford Backscattering Spectroscopy e Energy Dispersive X-ray Spectroscopy), concentração de oxigênio (Elastic non-Rutherford Backscattering Spectroscopy) e estrutura cristalina (X-ray Diffraction). Modelos teóricos foram utilizados para se obter uma compreensão melhor das alterações estruturais que ocorrem durante a implantação iônica em uma superfície metálica (Stopping and Range of Ions in Matter e Tight-Binding Linear Muffin-Tin Orbital Atomic Sphere Approximation (Coherent Potential Approximation)). As análises de composição superficial mostraram que as concentrações dos elementos C, N, Cl e S dos substratos de cobre não implantados e implantados foram similares e que a única alteração na composição superficial, causada pelo processo da implantação iônica, foi a introdução dos íons desejados nos filmes de cobre. Observou-se que mesmo as pequenas doses de íons podem causar uma grande diminuição da função de trabalho (2-30%) em relação ao cubro puro; já a implantação de O e Cl gerou um aumento na função de trabalho de 300mV e 900MV, respectivamente. As concentrações detectadas de íons implantados de metais alcalinos podem ser consideradas altas (tendo em vista as doses de implantação relativamente pequenas, da ordem de 10.15ions/cm2) diminuindo rápido na direção do bulk das amostras; esta distribuição se deve provavelmente a um processo de migração de íons na direção da superfície. Os resultados de EBS e KPFM indicam que uma maior dose não necessariamente gera uma concentração maior de íons implantados na primeira camada superficial. Observou-se também que somente uma parte da dose total dos íons é efetivamente implantada, devido ao processo de sputtering, que ocorre durante a implantação iônica. A implantação iônica de diferentes íons alcalinos influencia diferentemente os processos de oxidação das amostras. A principal influência no aumento da oxidação é a estrutura topográfica das amostras; porém, a presença de íons implantados nas superfícies das amostras parece influenciar as etapas iniciais de oxidação, aumentando ou diminuindo a absorção de oxigênio. Para o caso da implantação dos íons de O e Cl, a concentração desses íons parece aumentar com a profundidade até um certo nível, o que, por sua vez, indica que não houve um processo de migração durante a implantação. Isto se deve provavelmente ao fato de que estes íons criam ligações com os elementos de substrato. As alterações da função de trabalho de dois casos distintos de deposição de metais (Ag e Cs) sobre Cu (111), foi estudada com o programa TB-LMTO-ASA (CPA), utilizando-se, nas simulações, valores diferentes para o raio de Wigner-Seitz para esferas vazias (WSES); os resultados das alterações da função de trabalho durante a deposição foram aproximadamente 20% menores em comparação com os valores experimentais da literatura. O efeito de WSES, que é, em princípio, um artefato computacional, sobre o valor da função de trabalho do sistema é normalmente interpretado como uma não confiabilidade dos modelos baseados nos conceitos de ASA. Porém, os resultados obtidos durante este trabalho indicam a existência de uma relação entre WSES e a rigorosidade da superfície; portanto, o sentido físico de esferas vazias pode ser visto como uma medida da rugosidade superficial. / In this work, the controlled implantation of the different elements in the metallic surfaces (particularly copper) was performed, in order to study the changes that the implantation causes on the surface structure, aiming to improve the behaviour of those metals for their use as cathodes in plasma torches or other applications, such as: catalysis, microelectronics, oxidation and corrosion of metals and others. Thin polycrystalline copper films were implanted with ions (energy 20-50keV; doses of order of \'10 POT. 15\' ions/\'cm POT. 2\') of alkaline metals (\'LI\', \'NA\', \'K\', \'RB\', and \'CS\') as well as of \'O\' and \'CL\'. Different surface analyses were performed in order to determine the changes on copper due to the ion implantation, in terms of: surface composition (Auger Electron Spectroscopy, X-ray Photoelectron Spectroscopy), topographic and surface potential structure (Kelvin Probe Force Microscopy), bulk composition (X-ray Fluorescence, Rutherford Backscattering Spectroscopy e Energy Dispersive X-ray Spectroscopy), oxygen concentration (Elastic non-Rutherford Backscattering Spectroscopy) and crystalline structure (X-ray Diffraction). Theoretical models were used to understand better the structural changes which occur on the metallic surface during the ion implantation process (Stopping and Range of Ions in Matter e Tight-Binding Linear Muffin-Tin Orbital Atomic Sphere Approximation (Coherent Potential Approximation)). The surface composition analyses of implanted and non-implanted copper substrates showed similar concentration of \'C\', \'N\', \'CL\' and \'S\' and that the only change in surface concentration, due to the ion implantation process, was the introduction of the desired ions in the surface of copper films. It was observed that even small ion doses can cause relatively large decrease of work function (2-30%) in relation to the pure copper value; the implantation of O and CL caused an increase in work function of 300m V and 900mV, respectively. The detected concentration of implanted alkali metal ions was relatively high (taking into consideration relatively small implantation doses, of the order of \'10 POT. 15\' ions/\'cm POT. 2\'), decreasing fast towards bulk of the samples; this distribution were probably caused by a migration process of implanted ions towards the surface. The EBS and KPFM results indicate that not always the largest dose produces the largest implanted ion concentration in the surface layer. It was also observed that only a part of the total ion dose is effectively implanted, due to the sputtering during the ion implantation process. Implantation of different alkali ions influences the sample oxidation process in a different way. The principal influence in the increase of oxidation is the topographic structure of the samples; however, the presence of the implanted ions on the samples surface seems to influence the initial stages of the oxidation, increasing or decreasing the oxygen adsorption. Of the cases of the O and CL implantation, the concentration of these ions seems to increase with depth, which indicates that there were no migration process involved. This is probably due to the fact that these ions create bonds with the substrate elements. The changes in the work function for two distinct cases of metal (AG and CS) deposition on CU (111) was studied with the computational programme TB-LMTO-ASA (CPA), using, in the simulations, different values for the Wigner-Seitz radius for Empty Spheres (\'WS IND. ES\'); the results on the work function changes during the deposition were approximately 20% lower in comparison with the experimental data from the literature. The effect of \'WS IND. ES\', which is, in principle, a computation artefact, on the work function value of the studied systems is normally interpreted as the non-reliability of the models based on the ASA concepts. However, the results obtained during this work indicate that there is a relation between the \'WS IND. ES\' and the surface roughness; therefore, physical meaning of the empty spheres can be understood as a \"measure\" of surface roughness.

Componentes metálicos em operação podem estar sujeitos a diversas condições de operação deletérias. Visando avaliar os riscos de operação para evitar falhas, a análise de integridade estrutural é uma ferramenta amplamente aplicada e requer constante evolução. Por utilizar dados de ensaios não destrutivos, essa ferramenta requer cada vez mais precisão, para aprimorar seus resultados e reduzir ao máximo as falhas de componentes em operação. Por apresentar menor tempo de inspeção e maior probabilidade de detecção, o Phased Array surge como alternativa às técnicas convencionais de ultrassom. Dentre as técnicas de Phased Array, o Total Focusing Method (TFM) apresenta um dos resultados mais promissores, apresentando grande vantagem sobre técnicas convencionais de ultrassom e de Phased Array devido a sua melhor precisão e fácil interpretação dos resultados. Neste trabalho, o TFM foi aplicado em diversos blocos contendo descontinuidades usinadas, as quais simulam diferentes tipos de defeitos. O foco do TFM foi gerar blocos em três dimensões (3D) dos defeitos, facilitando a interpretação dos resultados, além da possibilidade da inserção desses blocos em softwares de análise de integridade estrutural, melhorando a precisão dos resultados. O TFM foi aplicado através do tratamento de dados de um sensor linear de Phased Array, com frequência de 5 MHz e com 64 elementos ativos. Nesse trabalho, foram desenvolvidas e aplicadas novas etapas no algoritmo do TFM para melhorar a precisão dos resultados, como a compensação da perda de energia e o half-skip. As etapas adicionais aplicadas ao algoritmo do TFM geraram bons resultados para entalhe e furos usinados nos blocos de aço carbono. Além dos blocos com defeitos usinados, foi realizada a inspeção de um bloco de aço inoxidável austenítico soldado. Para o bloco soldado, os resultados não foram satisfatórios, não sendo possível detectar defeitos existentes. Após a aplicação do TFM, foi simulado o deslocamento do sensor ao longo da peça, gerando diversas imagens 2D, as quais foram conectadas via isosuperfícies, gerando sólidos 3D dos defeitos presentes em cada bloco. Por fim, esses blocos foram exportados para um software CAD, apresentando excelente correspondência. / Metallic components in operation can be submitted to several harming operation conditions. Aiming to evaluate the operational risks to avoid failure, the structural integrity analysis is a widely applied tool and requires constant evolution. As it uses non-destructive testing data, this tool requires increasingly precision, to enhance its results and reduce the majority of the operating components failures. Because of the shorter inspection time and greater probability of detection, Phased Array is an alternative to conventional ultrasonic techniques. Among the techniques of Phased Array, the Total Focusing Method (TFM) presents one of the most promising results, offering great advantage over conventional ultrasonic and Phased Array techniques due to its better precision and easy interpretation of results. In this work, the TFM was applied to many blocks, which contain machined discontinuities simulating several defects. The objective of applying the TFM was to generate three-dimensional (3D) blocks, turning the interpretation of the results easier and giving the possibility to insert these blocks into a structural integrity analysis software, enhancing the results precision. The TFM algorithm was applied through treatment of data from a 5 MHz linear Phased Array sensor with 64 active elements. In this work, it were developed and applied new steps in the TFM algorithm, as energy loss compensation and half-skip interaction, to improve its precision. The additional steps applied to the TFM algorithm achieved great results for notch and holes machined in carbon steel blocks. In addition to the blocks with machined defects, a welded austenitic stainless steel block was inspected. For the welded block, the results were not satisfactory and it was not possible to detect the present defects. After the application of the TFM, the displacement of the transducer along the block was simulated, generating several 2D images, which were connected via isosurfaces, generating 3D solids corresponding to the defects present in each block. To conclude, these blocks were exported to a CAD software, presenting excellent matching.

Vem se tornando cada vez mais importante o conhecimento e avaliação da incerteza de medição em todos areas de ensaios experimentais. Este trabalho visa estudar a incerteza de medição no levantamento do comportamento em fadiga de materiais metálicos utilizando-se de curvas S-N. Embora existam diversas normas e códigos sobre a análise estatística dos resultados obtidos em fadiga, eles avaliam apenas a dispersão no número de ciclos para a falha, não considerando fatores como as fontes incerteza das tensões aplicadas, da máquina de ensaios utilizada, entre outros. / The knowledge and evaluation of measurement uncertainty is becoming more and more important in all areas of experimental tests. The goal of this work is to study the measurement uncertainty in the fatigue tests of metalic materials using the S-N curve approach. Although there are various standards and codes on statistical analysis of the fatigue results, they only assess the dispersion in the number of cycles to failure, not taking into account uncertainty sources of aplied load, test machine, among others.

Componentes metálicos em operação podem estar sujeitos a diversas condições de operação deletérias. Visando avaliar os riscos de operação para evitar falhas, a análise de integridade estrutural é uma ferramenta amplamente aplicada e requer constante evolução. Por utilizar dados de ensaios não destrutivos, essa ferramenta requer cada vez mais precisão, para aprimorar seus resultados e reduzir ao máximo as falhas de componentes em operação. Por apresentar menor tempo de inspeção e maior probabilidade de detecção, o Phased Array surge como alternativa às técnicas convencionais de ultrassom. Dentre as técnicas de Phased Array, o Total Focusing Method (TFM) apresenta um dos resultados mais promissores, apresentando grande vantagem sobre técnicas convencionais de ultrassom e de Phased Array devido a sua melhor precisão e fácil interpretação dos resultados. Neste trabalho, o TFM foi aplicado em diversos blocos contendo descontinuidades usinadas, as quais simulam diferentes tipos de defeitos. O foco do TFM foi gerar blocos em três dimensões (3D) dos defeitos, facilitando a interpretação dos resultados, além da possibilidade da inserção desses blocos em softwares de análise de integridade estrutural, melhorando a precisão dos resultados. O TFM foi aplicado através do tratamento de dados de um sensor linear de Phased Array, com frequência de 5 MHz e com 64 elementos ativos. Nesse trabalho, foram desenvolvidas e aplicadas novas etapas no algoritmo do TFM para melhorar a precisão dos resultados, como a compensação da perda de energia e o half-skip. As etapas adicionais aplicadas ao algoritmo do TFM geraram bons resultados para entalhe e furos usinados nos blocos de aço carbono. Além dos blocos com defeitos usinados, foi realizada a inspeção de um bloco de aço inoxidável austenítico soldado. Para o bloco soldado, os resultados não foram satisfatórios, não sendo possível detectar defeitos existentes. Após a aplicação do TFM, foi simulado o deslocamento do sensor ao longo da peça, gerando diversas imagens 2D, as quais foram conectadas via isosuperfícies, gerando sólidos 3D dos defeitos presentes em cada bloco. Por fim, esses blocos foram exportados para um software CAD, apresentando excelente correspondência. / Metallic components in operation can be submitted to several harming operation conditions. Aiming to evaluate the operational risks to avoid failure, the structural integrity analysis is a widely applied tool and requires constant evolution. As it uses non-destructive testing data, this tool requires increasingly precision, to enhance its results and reduce the majority of the operating components failures. Because of the shorter inspection time and greater probability of detection, Phased Array is an alternative to conventional ultrasonic techniques. Among the techniques of Phased Array, the Total Focusing Method (TFM) presents one of the most promising results, offering great advantage over conventional ultrasonic and Phased Array techniques due to its better precision and easy interpretation of results. In this work, the TFM was applied to many blocks, which contain machined discontinuities simulating several defects. The objective of applying the TFM was to generate three-dimensional (3D) blocks, turning the interpretation of the results easier and giving the possibility to insert these blocks into a structural integrity analysis software, enhancing the results precision. The TFM algorithm was applied through treatment of data from a 5 MHz linear Phased Array sensor with 64 active elements. In this work, it were developed and applied new steps in the TFM algorithm, as energy loss compensation and half-skip interaction, to improve its precision. The additional steps applied to the TFM algorithm achieved great results for notch and holes machined in carbon steel blocks. In addition to the blocks with machined defects, a welded austenitic stainless steel block was inspected. For the welded block, the results were not satisfactory and it was not possible to detect the present defects. After the application of the TFM, the displacement of the transducer along the block was simulated, generating several 2D images, which were connected via isosurfaces, generating 3D solids corresponding to the defects present in each block. To conclude, these blocks were exported to a CAD software, presenting excellent matching.