Células a combustível de óxido sólido suportadas no eletrólito de zircônia estabilizada com ítria (YSZ) foram fabricadas usando a técnica do recobrimento por rotação (spin-coating) para deposição de catodos de manganita de lantânio dopada com estrôncio (LSM) e anodos compósitos de níquel e YSZ (Ni-YSZ). Parâmetros microestruturais dos eletrodos, tais como espessura, tamanho médio de partículas e temperatura de sinterização foram otimizados, visando reduzir a resistência de polarização da célula e melhorar o seu desempenho. Estes estudos serviram de base para a fabricação de células com camada catalítica para uso com etanol direto. Sobre o anodo Ni-YSZ da célula foi depositada uma camada catalítica de céria dopada com gadolínia (CGO) com 0,1% em peso de irídio (Ir-CGO). A camada catalítica visa reformar o etanol antes do seu contato com o anodo Ni-YSZ, evitando o depósito de carbono na superfície do Ni que inviabiliza o uso de combustíveis primários contendo carbono nestas células a combustível. Inicialmente, a célula a combustível foi testada com etanol e as melhores condições de operação foram determinadas. Em seguida, as células unitárias foram testadas com etanol sem adição de água por períodos de tempo de até 390 horas. As células a combustível a etanol direto com camada catalítica operam no modo de reforma interna gradual, apresentando boa estabilidade e densidades de corrente similares às obtidas na operação com hidrogênio. Após a operação das células a combustível a etanol direto, análises de microscopia eletrônica de varredura mostraram que não houve formação significativa de depósitos de carbono na superfície do Ni, indicando que a camada catalítica de Ir-CGO foi efetiva para operação com o etanol. Testes de células a combustível a etanol direto sem a camada catalítica revelaram uma rápida degradação nas horas iniciais de operação com formação de grandes quantidades de depósitos de carbono identificados visualmente. Considerando-se a operação estável com etanol a seco por tempos relativamente longos de operação, os resultados alcançados representam um avanço significativo e apontam para o desenvolvimento de células a combustível a etanol direto usando-se os componentes tradicionais com a adição de uma camada catalítica. / Yttria-stabilized zirconia (YSZ) electrolyte supported solid oxide fuel cells were fabricated with spin-coated strontium-doped lanthanum manganite (LSM) cathodes and Ni-YSZ cermet anodes. The microstructural parameters of the electrodes such as thickness, average particle size, and sintering temperature were optimized to decrease the polarization resistance of the single cells and to improve their electrochemical performance. These preliminar studies provided the basis for the fabrication of single fuel cells with a catalytic layer of gadolinia-doped ceria (CGO) and 0.1 wt% iridium (Ir-CGO) deposited onto the anode. The catalytic layer aims at the stable operation with dry (direct) ethanol; it avoids the contact of the alcohol with the anode, preventing the anode degradation by carbon deposition. Initially, the single cells were tested with ethanol and optimized operating parameters were determined. Then, the single cells were operated with anhydrous ethanol for periods of time up to 390 hours. The single cells with catalytic layer operate by the gradual internal reforming of ethanol, with good stability and delivering similar electric current densities as the ones measured using hydrogen as fuel. After single cell operation on direct ethanol, scanning electron microscopy analyses identified no significant carbon deposition on the surface of Ni, indicating that the Ir-CGO catalytic layer was effective for the reforming of ethanol. Such results were compared to the ones of standard single cells operating on dry ethanol, which showed a fast degradation and the formation of large amounts of carbon deposits. Considering the rather stable performance of single cells running on dry ethanol for relatively long times, such results represent a significant advance towards the development of direct ethanol solid oxide fuel cells using the standard components and a catalytic layer.

As ligas de ferro fundido branco multicomponente são aços rápidos resistentes ao desgaste em temperaturas elevadas. Estes aços apresentam carbonetos eutéticos do tipo MC e M2C quando no estado bruto de fundição. Neste trabalho foi caracterizada a microestrutura dos produtos de decomposição após tratamentos térmicos do carboneto eutético metaestável M2C de uma liga de ferro fundido multicomponente com composição (em % peso): 2 wt% de C e 5 wt% de cada um dos elementos V, Cr, Mo e W, o restante é Fe. A liga de ferro fundido multicomponente foi tratada isotermicamente a 950°C e a 1.050°C por tempos crescentes em forno poço com sal fundido e em forno mufla inseridas em ampolas de sílica sob vácuo. Os tempos de tratamento foram: 10s, 100s, 600s, 1.800s, 1 hora, 2 horas e 15 horas. As técnicas de caracterização envolvidas foram: difração de raios X de carbonetos extraídos, metalografia através de ataques seletivos, microscopia eletrônicas de varredura (SEM), microscopia eletrônica de transmissão e varredura (STEM), espectrometria por energia dispersiva de raios X (EDS) e difração de elétrons por área selecionada (SAED). Os resultados sugerem que além dos carbonetos MC, M2C irregular e regularcomplexo e M7C3 descritos na literatura, observa-se a presença de um novo tipo de carboneto M2C metaestável rico em cromo na liga no estado bruto de fundição. Os carbonetos metaestáveis M2C se decompõem em carbonetos M6C, em carbonetos M7C3 e finalmente MC globular com o aumento da temperatura e/ou com tempos crescentes de tratamento térmico. O carboneto M7C3 após tratamento térmico de longa duração passa por um processo de esferoidização e depois engrossamento. / Multicomponent White Cast Iron are high temperature wear resistant ferrous alloys, presenting eutectic MC and M2C carbides in their as cast structure. In the present work the decomposition microstructures of the metastable M2C carbide after heat treatments was characterized in a model multicomponent white cast iron with composition (in weight): 2 wt% C and 5 wt% of each of the carbide forming alloying elements V, Cr, Mo and W, and with the balance Fe. The model multicomponent alloy was isothermally treated at 950°C and 1.050°C for increasing time periods using a salt bath pit furnace and a muffle furnace using samples encapsulated in silica glass ampoules under vacuum. Treatment times were: 10s, 100s, 600s, 1.800s, 1 hour, 2 hours and 15 hours. Characterization techniques used were: X Ray diffraction of extracted carbides, optical microscopy metallography with selective etching techniques, scanning electron microscopy (SEM), X ray energy dispersive spectroscopy (EDS), transmission and scanning electron microscopy (STEM) and selected area electrons diffraction (SAED). Besides the MC, irregular and regular-complex M2C and M7C3 described in the literature, it was found in the as cast alloy also a hitherto unknown chromium rich M2C carbide. The metastable M2C carbides decompose into M6C carbides, then M7C3 and finally globular MC with increasing temperatures and/or increasing times at heat treatment temperatures. After long times heat treatments the M7C3 carbides, spheroidize and coarsen.

Este trabalho descreve um estudo sistemático da influência da adição do átomo de lantânio na estrutura da fase Bi4Ti3O12 (BIT) e do átomo érbio na fase Bi3,25La0,75Ti3O12 (BLT075) no que tange seu processo de síntese e suas propriedades estruturais, microestruturais e elétricas. Cerâmicas de composição nominal Bi4-xLaxTi3O12 (BLTx) com 0 x 2 mol % e Bi3,25La0,75Ti3O12 (BLT075) com substituição no sítio do La3+ (BLExT) e no sítio do Ti4+ (BLTEx) com 0 x 0,06 mol %, foram preparadas através do método de síntese por reação do estado sólido. Os dados de difração de raios X (DRX) das amostras BLTx mostram a formação de uma solução sólida para todas as amostras, exceto para amostra contendo 2 mol% de La3+. Verificou-se que a adição de La3+ leva a um aumento da temperatura de sinterização e diminui o tamanho médio dos grãos, alterando sua morfologia de grão na forma de placas para uma forma mais esférica. Quanto às propriedades dielétricas, amostras BLTx com x 1 mol% apresentam um comportamento característico de um ferroelétrico normal, enquanto que quando x > 1 mol%, observa-se um pequeno deslocamento da temperatura de máximo da permissividade dielétrica (Tm) com a freqüência, indicando a existência de um comportamento típico de materiais ferroelétricos relaxores. Os resultados de espectroscopia Raman sugerem que os íons La3+ tendem a ocupar preferencialmente o sítio do Bi3+ das camadas peroviskitas quando x < 1,0 mol %, enquanto que quando x >1,0 mol %, o processo de incorporação também ocorre no sítio do Bi3+ nas camadas de Bi2O2. De acordo com a analise dos espectros XANES e XPS, a estrutura local e eletrônica dos átomos de Ti, Bi e La, não são afetadas de forma significativa pela adição de lantânio.Em relação às amostras dos sistemas BLExT e BLTEx, os dados de DRX mostram somente a presença de fases secundárias nas composições x= 0,04 e 0,06 mol% do sistema no BLTEx. A sinterização à 1115oC possibilitou obter amostras apresentando uma densidade relativa superior a da amostra não dopada BLT075. A adição de Er3+ causa mudanças na morfologia, diminuindo o tamanho médio dos grãos no sistema BLExT e aumentando no sistema BLTEx. Através de medidas elétricas, foi observado um decréscimo no valor Tm em ambos os casos. Quando x > 0,02 mol%, o comportamento de Tm é dominado pelo limite de solubilidade para o sistema BLExT. De acordo com os dados de XAS, a estrutura local e eletrônica dos átomos de Ti e Er não são afetadas de forma significativa pela adição de érbio. / This work describes a systematic study of the influence of the lanthanum atom addition in the Bi4Ti3O12 (BIT) phase and the erbium atom addition in the Bi3,25La0,75Ti3O12 (BLT075) phase in terms of their synthesis process and its structural, microstructural and electrical properties. Ceramics of nominal composition Bi4-xLaxTi3O12 (BLTx) with 0 x 2 mol% and Bi3,25La0, 75Ti3O12 (BLT075) with Er3+ replacing the La3+ atoms (BLExT) and replacing Ti4+ atoms (BLTEx) with 0 x 0, 06 mol%, were prepared by the solid state reaction method. X-ray diffraction (XRD) data of BLTx samples shows the formation of a solid solution for all samples, except for sample containing 2 mol% of La3+. It was found that the addition of La3+ leads to an increase in the sintering temperature, a decrease in the average size of grains and a modification on the grain from plates to a more spherical morphology. The dielectric properties of BLTx samples with x 1 mol% show a behavior characteristic of a normal ferroelectric whereas when x> 1 mol%, there is a small displacement of the temperature of maximum dielectric permittivity (Tm) with the frequency, indicating the existence of a typical behavior of a relaxor ferroelectric material. The Raman spectroscopy results suggest that La3+ ions tend to preferentially occupy the Bi3+ site in the peroviskite layer when x <1.0 mol%, whereas when x> 1.0 mol%, the process of incorporation occurred also in the Bi3+ site of the Bi2O2 layer. According to the analysis of XANES and XPS spectra, the local structure of atoms and electronic structure of Ti, Bi and La atoms of BLTx samples are not affected significantly by the addition of lanthanum. For samples of BLExT and BLTEx systems, the XRD data shows only the presence of a secondary phase in the x = 0.04 and 0.06 mol% compositions of the BLTEx system. The sintering at 1115 °C allowed to obtain samples presenting a relative high density than the sample BLT075 undoped sample. The addition of Er3+ induces significative changes in grain morphology by decreasing the average size of grains in the BLExT system and by increasing the BLTEx system. Through electrical measurements, it was observed a decrease in the Tm value in both cases. In the BLExT system, when x> 0.02 mol%, the behavior of Tm is dominated by the solubility limit. According to the XAS data, the local and electronic structure of Ti and Er atoms are not affected significantly by the addition of erbium.

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

FundaÃÃo de Amparo à Pesquisa do Estado do Cearà / Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / In this work a procedure is studied for pattern classification related to different types of data, namely: (1) signals obtained from ultrasonic testing ( pulse-echo technique) and magnetic signals obtained from BarkhÃusen noise in samples of ferritic-pearlitic carbon steel tubes which, due to temperature effects, have shown microstructural changes as consequence of the total or partial transformation of the pearlite into spherodite; (2) images built from TOFD ultrasonic testing and 8 bit digital radiographic images obtained from carbon steel 1020 sheets, with different welding defects. From the data obtained, images have been considered with the defects as lack of fusion, lack of penetration, porosity and images without defect. For this aim, non-conventional mathematical techniques have been used for the preprocessing of the data, namely, the statistical analyses, Hurst analysis (RSA) and detrended fluctuation analysis (DFA), and fractal analyses, box counting analysis (BCA) and minimal cover analysis (MCA). The curves obtained with the initial mathematical treatment, discrete functions of the temporal window width, have been handled with the supervised and non-supervised pattern recognition techniques known as principal component analysis and Karhunen-LoÃve (KL) transformation analysis respectively. With respect to the magnetic signals, the KL classifier has been shown to be very efficient when applied to DFA obtained from the magnetic flux, with a success rate around 94%. On the other hand, for the magnetic noise signals we have not obtained an acceptable success rate independently of the pre-processing used. However, when were considered the curves obtained by concatenating all curves of the pre-processing was obtained a consistent average success rate of 85%. As far as the rate of success of the PCA classifier is concerned, an excellent success of 96% has been reached for concatenated curves of selected data of magnetic noise only. As far as the analyses of the backscattered ultrasonic signals is concerned, it was not possible to classify the different stages of the microstructural degradation by using KL or PCA independently of the pre-processing used. As far as the analyses of the D-scan images are concerned, by applying PCA a rate of success of 81% has been obtained with MCA data, 73% has been obtained by concatenating all curves from the different fractal and statistical analyses and around 85% when concatenating the best individual results (DFA and MCA). On the other hand, considering the KL classifier, high success rates have been verified for the training stage, between 96% and 99%, and a maximum success rate (100%), when concatenating all analyses. With respect to the testing results, the best success rate which has been reached was approximately 77%, when concatenating all the curves obtained from the statistical and fractal pre-processing. For the digitalized radiographic images, relevant individual rates of success (between 70% and 90%) for the training set (consisting of all data) have been obtained for the classifier KL only, and a 100% success rate, when concatenating all the curves obtained from the pre-processing of the images. / Neste trabalho estudou-se uma metodologia de classificaÃÃo de padrÃes relacionados a dois tipos de dados: (1) sinais obtidos atravÃs dos ensaios ultrassÃnicos (tÃcnica pulso-eco) e sinais magnÃticos obtidos atravÃs de ruÃdo Barkhausen realizados em amostras de tubos de aÃo carbono ferrÃtico-perlÃtico que devido aos efeitos da temperatura de trabalho apresentaram mudanÃas microestruturais decorrentes da transformaÃÃo parcial ou total da perlita em esferoiditas; e (2) imagens construÃdas a partir de ensaios ultrassÃnicos (tÃcnica TOFD) e imagens radiogrÃficas digitais de chapas de aÃo carbono 1020 soldadas, obtidas com resoluÃÃo de 8bits, nas quais foram inseridos diversos tipos de defeitos de soldagem. Dos dados gerados, foram estudadas as imagens com os defeitos de falta de fusÃo (FF), falta de penetraÃÃo (FP), porosidade (PO) e uma classe designada como sem defeito (SD). Para tanto, utilizaram-se de tÃcnicas matemÃticas nÃo convencionais no prÃ-processamentos dos dados conhecidas como anÃlises estatÃsticas de Hurst (RSA) e flutuaÃÃo sem tendÃncia (DFA) e as anÃlises fractais de contagem de caixas (BCA) e de mÃnima cobertura (MCA). Em seguida as curvas obtidas desse tratamento matemÃtico inicial, funÃÃes discretas da largura da janela temporal, foram utilizadas na alimentaÃÃo das tÃcnicas de reconhecimento de padrÃes nÃo supervisionada e supervisionada conhecidas, respectivamente, como anÃlise de componentes principais (PCA) e anÃlise da transformaÃÃo de Karhunen-LoÃve (KL). Em relaÃÃo aos estudos dos sinais magnÃticos, o classificador KL mostrou-se eficiente quando aplicado Ãs DFA do fluxo magnÃtico, com uma taxa de sucesso em torno de 94%. Jà para os sinais do ruÃdo magnÃtico nÃo se obteve uma taxa de sucesso aceitÃvel, independente do prÃ-processamento utilizado. Entretanto quando todas as curvas de todas as anÃlises, dos dois tipos de sinais magnÃticos (ruÃdo e fluxo), foram concatenadas, obteve-se uma taxa mÃdia de sucesso consistente de aproximadamente 85%. No tocante Ãs taxas de sucesso do classificador PCA, somente para o ruÃdo magnÃtico e considerando todas as curvas concatenadas para um grupo de dados selecionados, conseguiu-se uma taxa de sucesso de 96%. A respeito das anÃlises dos sinais ultrassÃnicos retroespalhados, tambÃm nÃo foi possÃvel classificar, nem com a KL e nem com a PCA, os diferentes estÃgios de degradaÃÃo microestrutural, independemente do prÃ-processamento utilizado. No tocante Ãs analises das imagens D-scan, obteve-se com a PCA, taxas de sucesso de 81% considerando apenas os dados das MCA, 73% quando as curvas de todas as anÃlises estatÃsticas e fractais foram concatenadas, e em torno de 85%, quando apenas as curvas das melhores anÃlises (DFA e MCA) foram concatenadas. Jà considerando o classificador KL, verificaram-se taxas de sucesso na etapa de treinamento, entre 96% e 99%, e mÃxima taxa de sucesso (100%) no caso dos vetores de todas as anÃlises concatenados. Em relaÃÃo aos resultados dos testes, a melhor taxa de sucesso alcanÃada foi aproximadamente de 77% quando se concatenaram todas as curvas oriundas dos prÃ-processamentos estatÃsticos e fractais. Com respeito Ãs imagens radiogrÃficas digitalizadas somente com o classificador KL (na etapa de treinamento, com 100% dos vetores) obtiveram-se taxas de sucesso individuais entre 70 e 90% de acertos e 100% de sucesso na classificaÃÃo quando se concatenaram as curvas de todos os prÃ-processamentos das imagens.

Para a certificação de um procedimento de soldagem, quer seja de alta responsabilidade na soldagem de oleodutos e gasodutos em tubulações de aço carbono ou para um uso rotineiro e diário em fábricas e oficinas, deve ser realizada uma análise profunda dos fenômenos ocorridos no material de base (MB), no metal de adição (MA) e na zona afetada pelo calor (ZAC). Por meio desta análise criteriosa na qualificação de um procedimento de soldagem, o procedimento é liberado para ser utilizado, seja qual for o objetivo final da soldagem. Apenas com a Especificação do Procedimento de Soldagem (EPS) qualificada em mãos é possível iniciar os trabalhos de soldagem, e caso esta seja seguida integralmente, o sucesso do processo está a um passo de se concretizar. Para demonstração desta interação existente entre qualificação, análise dos resultados, aprovação dos ensaios e aprovação da especificação, foi desenvolvido este trabalho utilizando o material de base na forma tubular API 5L Gr. B soldado com os processos eletrodo revestido (SMAW) e arame tubular autoprotegido (FCAW-S). Foi utilizada uma junta tubular como exemplo de estudo e qualificação de um procedimento de soldagem baseado na documentação contida na norma da Petrobrás N-2301 e em outros códigos e normas, que regem a qualificação do processo de soldagem utilizado em refinarias e plantas de produção brasileiras. Foram estudados em conjunto os resultados obtidos por meio de ensaios mecânicos, ensaios não destrutivos e microestruturais. Ambas as Especificações dos Procedimentos de Soldagem preliminares (pEPS), estabelecidas antes do início da soldagem dos dois processos de soldagem, foram aprovadas e qualificadas, satisfazendo as características macro e microscópicas, metalúrgicas e mecânicas da junta soldada. / A comprehensive analysis of the phenomena occurring in the base metal (MB), filler metal (FM) and the heat affected zone (HAZ) should be conducted to provide the qualification of the welding procedure, either in high-demand carbon steel oil & gas pipelines or standard factory & workshop daily, usual operation. By means of this thorough welding procedure qualification, the process will be released, whatever the ultimate goal of welding. Only after the welding procedure specification (WPS) is qualified, is possible to start any welding work, and being the norm fully observed, the process is nearly to start successfully. The present work has been elaborated to demonstrate the interaction of qualification, result analysis, tests and specification approval, by applying the following elements: tubular base metal API 5L grade B welded with Shielded Metal Arc Welding process (SMAW) and self-shielded Flux Cored Arc Welding process (FCAW-S). A tubular joint was used as sample for a welding procedure qualification studies based on technical documentation specified on Petrobras N-2301, a Brazilian standard, and any others codes and standards that rule welding qualification on refineries & production plants of this company. The results obtained through mechanical testing, non-destructive testing and microstructure were studied together. Both preliminary welding procedure specifications (pWPS) established before the welding of these two welding processes, have been approved and qualified. The support given by welding qualification record (WQR) allows the joints to be welded in production, and result in reliable weld bead that satisfy the macro & microscopic, metallurgical and mechanical characteristics.

Técnicas de caracterização microestrutural, incluindo microanálise química EDS (energy dispersive spectrometry), foram usadas para investigar as inclusões não-metálicas de amostras ferrosas da Real Fábrica de Ferro São João de Ipanema (Sorocaba, século XIX), da Ponte D. Pedro II (Bahia, produzida na Escócia, Mossend Iron Works, século XIX) e dos sítios arqueológicos de São Miguel das Missões (Rio Grande do Sul, século XVII) e de Afonso Sardinha (Sorocaba, século XVI). Estes resultados foram analisados por métodos estatísticos com o objetivo de estabelecer a assinatura química de cada uma das quatro procedências testadas. A análise dos gráficos bivariantes dos resultados de microanálise de inclusões \"globais\" (% SiO2 versus %Al2O3; %CaO versus %K2O; %MgO versus %Al2O3 e % SiO2 versus %FeO) não permitiu separar os resultados em agrupamentos significativos com relação à procedência das amostras. Os resultados de microanálise da correlação dos teores de %TiO2 e %V2O5 presentes na fase wüstita da microestrutura das inclusões de escória mostraram, no entanto, um agrupamento significativo para os resultados dos artefatos ferrosos de Bahia e de Missões, mas não permitiram separar os resultados dos artefatos de Ipanema e de Sardinha. Deste modo, foi usada a análise hierárquica de conglomerados dos resultados de microanálise das inclusões \"globais\" e de seus microconstituintes (fase wüstita e \"matriz\") com o objetivo de separar os resultados em quatro grupos coincidentes com as quatro procedências investigadas. Somente a análise hierárquica de conglomerados usando os teores de %MgO, %TiO2, %V2O5, %MnO e %Al2O3 presentes na fase wüstita permitiu separar com sucesso os quatro grupos de resultados. Finalmente, a baixa fração volumétrica de inclusões de escória das amostras de Ipanema (~1% contra uma média de 4% das demais amostras) indica a existência de certo grau de domínio tecnológico dos processos produtivos da Real Fábrica de Ferro São João de Ipanema. / Microstructural characterization techniques, including EDX (Energy Dispersive X-ray Analysis) microanalyses, were used to investigate the slag inclusions of the microstructure of ferrous artifacts of the Royal Iron Factory of São João de Ipanema (first steel plant of Brazil, XIX century), the D. Pedro II Bridge (located in Bahia, assembled in XIX century and produced in Scotland) and the archaeological sites of São Miguel de Missões (Rio Grande do Sul, Brazil, production site of iron artifacts, the XVIII century) and Afonso Sardinha (São Paulo, Brazil production site of iron artifacts, XVI century). The microanalyses results were analyzed by a hierarchical cluster analysis and the dendrogram with the microanalyses results of the wustite phase (using as critical variables the contents of MnO, MgO, Al2O3, V2O5 and TiO2) allowed the identification of four clusters, which successfully represented the samples of the four production sites (Ipanema, Sardinha, Missões and Bahia). The comparatively low volumetric fraction of slag inclusions in the samples of Ipanema (~1% whit an average of 4% others samples) indicated the existence of some degree of proficiency in the ironmaking processing of the Royal Iron Factory of São João de Ipanema.

O desenvolvimento dos veículos atuais vem sendo impulsionado pela necessidade de redução de massa associada com o aumento da segurança para os passageiros. Na procura de novos materiais e processos para atender estas exigências, os aços bifásicos ferrítico-martensíticos ou DP vêm se destacando entre os aços avançados de alta resistência (AHSS), por apresentar elevada resistência mecânica e boa ductilidade. Da mesma forma, a soldagem a laser vem se mostrando promissora para junção desta classe de materiais. Este processo permite unir os aços DP com boa qualidade metalúrgica sem significativas distorções dimensionais. Embora os aços DP apresentem boa soldabilidade, um amolecimento localizado na zona afetada pelo calor (ZAC) também é observado, especialmente no aço DP1000, que apresenta elevada fração de martensita. Desta forma, esta Tese propõe a soldagem a laser do aço DP1000 de espessura 1,80 mm, seguida de uma sistemática caracterização microestrutural, visando a produção de juntas soldadas suficientemente resistentes. Para isto, foram produzidos cordões numa chapa de aço DP1000, variando a potência nominal de soldagem entre 0,4 e 2,0 kW e a velocidade de soldagem entre 20 e 150 mm/s. A caracterização microestrutural foi conduzida com o auxílio das técnicas de microscopia óptica (MO), microscopia eletrônica de varredura (MEV), difração de raios X (DRX) e difração de elétrons retroespalhados (EBSD). As juntas soldadas mais representativas foram submetidas a ensaios de dureza Vickers e tração uniaxial. Os resultados mostram que é possível produzir juntas soldadas resistentes no aço DP1000. Todavia, é fundamental que a combinação de parâmetros gere soldas com penetração total e mínima largura de ZAC, limitando a quantidade de amolecimento da martensita prévia e a fração volumétrica de austenita retida. Na presente Tese, os melhores resultados foram obtidos para uma potência de 2,0 kW e velocidade de 150 mm/s. / The development of modern vehicles has been driven by the need of mass reduction associated with the increase of the safety of passengers. In the search for new materials and processes to meet these requirements, ferritic-martensitic dual-phase (DP) steels are potential candidates among advanced high-strength steels (AHSS), because of their high mechanical strength and good ductility. In that sense, laser beam welding has been shown promising for joining this class of materials. This process allows joining DP steels with good metallurgical quality without large dimensional distortions. Although DP steels show good weldability, a localized softening in the heat affected zone (HAZ) is also observed, especially in DP1000 steel which contains large amounts of martensite. Thus, laser beam welding has been performed in DP1000 steel with thickness of 1.80 mm, followed by a systematic microstructural characterization, aiming at the production of resistant welded joints. For this, bead-on-plate welds were carried out in DP1000 steel, varying the welding power between 0.4 and 2.0 kW and the welding speed between 20 and 150 mm/s. The microstructural characterization was conducted with the aid of light optical microscopy (LOM), scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), and electron backscattered diffraction (EBSD). The most representative welded joints were tested for Vickers hardness and uniaxial tensile test. Results show that it is possible to produce sound and resistant welded joints in DP1000 steel. However, it is critical that the combination of parameters allows the obtainment of welds with full penetration and minimum HAZ width, limiting the amount of softening of prior martensite and the volume fraction of retained austenite. In the present Thesis, this was achieved using a power of 2.0 kW and a welding speed of 150 mm/s.

Os aços de alta resistência e baixa liga (ARBL) são amplamente empregados nas indústrias automotiva, petrolífera e naval por apresentarem boas propriedades mecânicas e boa soldabilidade. A seleção do processo de soldagem utilizado para a fabricação de componentes depende de vários fatores, entre eles a qualidade do cordão de solda e a capacidade de produção, ambas obtidas ao se utilizar a soldagem a laser, processo que vem sendo cada vez mais utilizado nas indústrias. As propriedades dos cordões de solda são afetadas pelo processo de soldagem e pelos parâmetros do processo, e o conhecimento do desempenho mecânico do cordão de solda é essencial para garantir a confiabilidade da união soldada. A caracterização mecânica de cordões de solda é complexa devido aos diversos fatores que podem afetá-lo, como as alterações metalúrgicas, diferentes propriedades mecânicas nas regiões do cordão de solda, presença de descontinuidades, tensão residual e complexo estado de tensão devido à geometria da junta. O presente trabalho obteve uniões entre chapas de aço ARBL pelo processo a laser em duas condições diferentes: com alto aporte térmico e baixo aporte térmico. A utilização de diferentes aportes térmicos gerou cordões de solda com microestruturas distintas, e avaliou-se, deste modo, o comportamento mecânico associando-o à microestrutura gerada. Para a avaliação da microestrutura utilizou-se da microscopia óptica e eletrônica de varredura, e para a caracterização mecânica empregou-se a aferição da dureza, ensaio de tração, ensaio de tenacidade à fratura, avaliada pelo CTOD, e ensaio de propagação da trinca por fadiga. Devido às alterações metalúrgicas causadas pelos diferentes aportes térmicos verificou-se diferente comportamento mecânico entre os cordões de solda em função da microestrutura obtida. / High-strength low-alloy steels (HSLA) are widely used in the automotive and oil industries due to their good mechanical properties and good weldability. The selection of the welding process used to manufacture components depends on several factors, including the quality of the weld bead and the production capacity, both obtained when using laser welding, a process, which is being increasingly used in the industries. The weld beads properties are affected by the welding process and by its parameters, and the knowledge of the weld bead mechanical performance is essential to ensure the reliability of the welded joint. The weld beads mechanical characterization is complex due to various factors that may affect it, such as metallurgical changes, different mechanical properties in the regions of the weld bead, presence of discontinuities, residual stress and complex state of tension due to the geometry of the joint. The present work obtained the joining of HSLA steel sheets by laser process in two different conditions, with high heat input and low heat input. The use of different heat inputs produced weld beads with different microstructures; therefore, the welded joints were evaluated according to their mechanical behavior, relating it with the microstructural generated. For the microstructure evaluation, optical microscopy and scanning electron microscopy were used, and for the mechanical characterization hardness determination, tensile test, fracture toughness test (evaluated by CTOD) and fatigue crack propagation were performed. Due to the metallurgical changes caused by the different heat inputs, a different mechanical behavior was observed between the weld beads as a function of the microstructure obtained.

Com a tendência da indústria automobilística em produzir motores com maior potência e menor consumo de combustível, a redução em peso dos componentes tem sido cada vez mais exigida. Isto tem desafiado a Ciência dos Materiais em desenvolver novos produtos que apresentem alta resistência mecânica para compensar a redução de peso desejada. No entanto, a fabricação de aços especiais implica em características de produto e de processamento altamente complexas. As diferentes rotas de fabricação apresentam limitações termodinâmicas, cinéticas e físicas, de recursos e de equipamentos, que devem ser balanceadas, visando viabilidade produtiva mas atendendo às especificações e às exigências da aplicação final. Assim são os desenvolvimentos de elementos de suspensão automotiva, que tem característica fundamental a redução de peso, implicando portanto em desafio constante para o projeto da peça e para o aço especificado. O presente trabalho teve como objetivo principal o desenvolvimento de um aço para aplicação em suspensão automotiva com alto desempenho em fadiga, menor peso e custo otimizado. A rota simplifica o processo produtivo, eliminando etapas intermediárias e também abre possibilidade da utilização de aços de aciaria elétrica, uma rota inovadora e desafiadora em relação à utilização de matéria-prima reciclada. Os objetivos foram alcançados através de um processo de engenharia de inclusões. O controle e a caracterização destas inclusões foram fundamentais, sendo necessárias técnicas diferenciadas como complemento às técnicas tradicionais. Foram utilizadas técnicas de microscopia ótica, microscopia eletrônica, espectrometria e dissolução ácida, visando complementar as caracterizações superficiais, volumétricas, e composicionais, além de testes dinâmicos, aumentando-se a amostragem tradicionalmente utilizada. O material estudado foi gentilmente cedido pela Gerdau Aços Especiais Brasil de Pindamonhangaba - SP, onde também foram realizados os testes e análises. Observou-se que a metodologia com diferentes técnicas de caracterização mostrou-se boas para avaliação do aço. Ainda, que o controle dos parâmetros de fabricação do aço líquido é fundamental para o desempenho final do produto e que a rota de aciaria elétrica e lingotamento contínuo mostraram-se viáveis para produção da matéria-prima de elementos de suspensão de alto desempenho. No entanto, é necessário um controle diferenciado de inclusões. Essa rota e controles levaram ao desenvolvimento de um material com alto limite de resistência mecânica, até 2100Mpa conforme as condições de tratamento térmico. Foi possível também associar a vida em fadiga às dimensões das inclusões, sendo que inclusões acima de 30?m reduziram a vida em fadiga do arame em 4 vezes. / Following the tendency of automotive industry to produce motors with higher power and less fuel consumption, weight reduction of components has been more and more demanded. This has defied Materials Science to develop new materials with higher mechanical resistance, to match the aimed weight reduction. However, production of special steel grades implies in highly complex product and process characteristics. There are different production routes, with thermodynamic, kinetic and physical limitations, as well of resources and of equipment, which must be balanced, aiming production feasibility and also matching product specifications and its final applications. Development of automotive suspension components have, for example, the weight reduction as main characteristic, what implies a constant challenge to the design project and also to the specified steel. This work aimed to develop a new steel applied to automotive suspension, with high fatigue performance, lower weight and optimized cost. The proposed route simplifies the productive process, eliminating intermediate steps and also uses steel melted in electric arc furnace, an innovative and challenging route concerning recycled raw material. The objectives were achieved through a process of inclusion engineering. The control and characterization of these inclusions were fundamental, and differentiated techniques were used, complementing the traditional ones. It was used optical microscopy, electron microscopy, spectrometry and acid dissolution, to complement the surface, volumetric and compositional characterization, and also dynamic testing, increasing the usual sampling. The studied material was kindly provided by Gerdau Aços Especiais Brasil - Pindamonhangaba - SP, where the tests and analysis were performed. It was observed that the methodology was suitable for the steel evaluation. And that the control of the steelmaking parameters is fundamental for the final performance of the product. It was also possible to conclude that the steelmaking based on electric arc furnace and continuous casting can be feasible to produce raw-material for high-performance suspension applications, once a differentiated inclusion control is applied. It was concluded that the methodology with different characterization techniques was good for the analysis, complementing each other. Liquid steel parameters control is fundamental for the final performance of the product. Electric Arc Furnace and Continuous Casting route are reliable for the production of raw material for high performance suspension parts. However, it is necessary to control the inclusions. The applied route created a material with high mechanical resistance, up to 2100MPa, depending on the heat treatments conditions. It was also possible to associate the fatigue life to the inclusion dimensions, and the inclusions above 30?m reduced the fatigue life of the wire in about four times.