Nitriding and oxidising treatments of alloys for toolingpurposes have been investigated both experimentally andtheoretically. Specimens prepared by a combination of differentprocessing steps are investigated by light-optical, scanningand transmission electron microscopy and hardness measurments.The bounds of carbon and nitrogen concentration profiles duringnitriding are obtained from simulations using the DICTRA code.As a result, a new processing route to produce oxide-dispersediron-base alloys with large volume fraction of carbides issuggested. On the theoretical side the methods based on the random walktechnique have been investigated and developed further. The newmethods have been applied to study a vide range of phenomenae.g. internal oxidation, diffusion in inhomogeneous media,phase transformations and formation of porosity due to theKirkendall effect in welded joints. Probability distributionsare introduced to replace random number generators in order toincrease computational efficiency. A general method to simulatediffusional phase transformations in multicomponent systems isdeveloped and applied to ternary alloys. / QC 20100506

Este trabalho, realizado com o auxílio da termodinâmica computacional, dá continuação a um estudo sistemático, que trata dos fundamentos dos tratamentos termoquímicos metalúrgicos relacionados à nitretação e à nitrocarburação. O estudo concentrou-se nas ligas da família ABNT 10XX, do aço ABNT 4140 e do aço ferramenta AISI M2. A composição das ligas utilizadas na simulação, contudo, não correspondem exatamente à comercial. Uma simplificação foi necessária para que a simulação do processo fosse facilitada. O uso da termodinâmica computacional como ferramenta para determinação das fases presentes (ou que podem vir a se formar) em um sistema a certa temperatura e pressão simulando o processo de nitretação mostrou-se uma valiosa ferramenta de análise.Apesar de, na prática, estes prognósticos ainda dependerem de uma cinética micro ou macroscópica favorável para ser verdadeiros, a comparação dos resultados obtidos com a literatura mostrou uma boa concordância nos resultados, validando, assim, o emprego desta técnica de análise. Assim, além deste estudo ser um avanço na compreensão das fases que participam das microestruturas (nitretos e carbonitretos) que se formam nas ligas estudadas, também pode ser utilizado como um balizador na definição de parâmetros que permitam a seleção destas fases finais desejadas, economizando tempo e recursos na realização de ensaios experimentais. / This work, accomplished with the help of computational thermodynamics, provides the development of a systematic study concerning the basis of the thermochemical treatments related to nitriding and nitrocarburising. This study focused on the alloys of the ABNT 10XX family, on the ABNT 4140 steel and on the AISI M2 tool steel. However, the compositions used in the simulation do not correspond exactly to the commercial composition of the alloy, for they had their composition simplified in order to facilitate the simulation process. The use of computational thermodynamics as a tool to determine the phase present (or that can be formed) in a system under a specific temperature and pressure, simulating the nitriding process, proved to be a valuable analysis tool. Nevertheless, in practice, these prognostics still depend on a micro or macro kinetics in order to be true; the comparison of the results obtained with those found in the literature showed good agreement of results, validating, thus, the use of this analysis technique. So, besides this study being an advance when it comes to understanding phases (nitrides and carbonitrides) that are formed in the studied alloys, it can also be used as a mark in defining parameters that allow the selection of final desired structures, saving time and resources.

Este trabalho, realizado com o auxílio da termodinâmica computacional, dá continuação a um estudo sistemático, que trata dos fundamentos dos tratamentos termoquímicos metalúrgicos relacionados à nitretação e à nitrocarburação. O estudo concentrou-se nas ligas da família ABNT 10XX, do aço ABNT 4140 e do aço ferramenta AISI M2. A composição das ligas utilizadas na simulação, contudo, não correspondem exatamente à comercial. Uma simplificação foi necessária para que a simulação do processo fosse facilitada. O uso da termodinâmica computacional como ferramenta para determinação das fases presentes (ou que podem vir a se formar) em um sistema a certa temperatura e pressão simulando o processo de nitretação mostrou-se uma valiosa ferramenta de análise.Apesar de, na prática, estes prognósticos ainda dependerem de uma cinética micro ou macroscópica favorável para ser verdadeiros, a comparação dos resultados obtidos com a literatura mostrou uma boa concordância nos resultados, validando, assim, o emprego desta técnica de análise. Assim, além deste estudo ser um avanço na compreensão das fases que participam das microestruturas (nitretos e carbonitretos) que se formam nas ligas estudadas, também pode ser utilizado como um balizador na definição de parâmetros que permitam a seleção destas fases finais desejadas, economizando tempo e recursos na realização de ensaios experimentais. / This work, accomplished with the help of computational thermodynamics, provides the development of a systematic study concerning the basis of the thermochemical treatments related to nitriding and nitrocarburising. This study focused on the alloys of the ABNT 10XX family, on the ABNT 4140 steel and on the AISI M2 tool steel. However, the compositions used in the simulation do not correspond exactly to the commercial composition of the alloy, for they had their composition simplified in order to facilitate the simulation process. The use of computational thermodynamics as a tool to determine the phase present (or that can be formed) in a system under a specific temperature and pressure, simulating the nitriding process, proved to be a valuable analysis tool. Nevertheless, in practice, these prognostics still depend on a micro or macro kinetics in order to be true; the comparison of the results obtained with those found in the literature showed good agreement of results, validating, thus, the use of this analysis technique. So, besides this study being an advance when it comes to understanding phases (nitrides and carbonitrides) that are formed in the studied alloys, it can also be used as a mark in defining parameters that allow the selection of final desired structures, saving time and resources.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:47:51Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:06:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 08319.pdf: 6875638 bytes, checksum: 6b5eeabf820dd27ca2fa6fcb250bcc1b (MD5) / Dissertacao (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:48:10Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:07:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 09314.pdf: 4165568 bytes, checksum: 1f807085172cb5f0db4904459a6e288b (MD5) / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

O controle e a redução de atrito podem auxiliar na elaboração de estratégias de eficiência energética e na redução da emissão de dióxido de carbono (CO2). Apesar de existirem leis fenomenológicas bem estabelecidas para o atrito, não há uma definição da relação das propriedades macroscópicas/microscópicas com as propriedades fundamentais e nanoscópicas. O entendimento dessas correlações e dos mecanismos de dissipação de energia envolvidos no fenômeno de atrito podem ajudar no maior controle do coeficiente de atrito. Neste trabalho, o coeficiente de atrito de sistemas de óxidos na camada mais externa de ferro puro (99,99%) previamente nitretado são investigados visando encontrar relações entre as leis fenomenológicas, propriedades mecânicas e modelos teóricos envolvendo a dissipação energética via fônons. Para isso as amostras foram caracterizadas utilizando espectroscopia de emissão óptica de descarga luminescente (GD-OES), difração de raios X (DRX), tomografia de ponta atômica (APT), microscopia eletrônica de varredura (MEV), microscopia eletrônica de varredura por transmissão (STEM), nanoindentação e deslizamento unidirecional. Na caracterização experimental foi observada uma redução gradativa do coeficiente de atrito, a qual foi acompanhada por um aumento do teor de óxido na superfície. Apesar disso, essa tendência não foi observada na evolução das propriedades mecânicas. Logo, os cálculos teóricos baseados em mecanismos de dissipação fonônica aplicados para calcular o coeficiente de atrito representaram bem os valores experimentais. De forma geral, a mudança do coeficiente de atrito pode ser explicada mediante contribuições fonônicas, porém as forças de atrito do presente sistema não são totalmente determinadas por mecanismos fonônicos (sic). / Submitted by Ana Guimarães Pereira (agpereir@ucs.br) on 2017-11-20T19:05:37Z No. of bitstreams: 1 Tese Caren Machado Menezes.pdf: 4117143 bytes, checksum: bdf9c6981c075262a20f692e4bcab86e (MD5) / Made available in DSpace on 2017-11-20T19:05:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tese Caren Machado Menezes.pdf: 4117143 bytes, checksum: bdf9c6981c075262a20f692e4bcab86e (MD5) Previous issue date: 2017 / Control and reduction of friction can help in the elaboration of strategies of energy efficiency and in the reduction of carbon dioxide (CO2) emission. Although there are well established phenomenological laws for friction, there is no definition of the relationship of macroscopic / microscopic properties to fundamental and nanoscopic properties. The understanding of these correlations as well the mechanisms of energy dissipation involved in the friction phenomenon can help in a greater control of the coefficient of friction. In this work, the coefficient of friction of oxide systems in the outermost layer of pure iron (99.99%) previously nitrided is investigated aiming to find relationships between the phenomenological laws, mechanical properties and theoretical models involving energy dissipation via phonons. For this purpose, samples were characterized using glow discharge optical emission spectroscopy (GD-OES), X-ray diffraction (XRD), atomic probe tomography (APT), scanning electron microscopy (SEM), transmission scanning electron microscopy (STEM), nanoindentation and unidirectional sliding. In the experimental characterization, a gradual reduction of the coefficient of friction was observed, which was accompanied by an increase of the surface oxide content. Despite this, the same trend was not observed in the evolution of the mechanical properties. Therefore, the theoretical calculations based on the mechanisms of phononic dissipation applied to calculate the coefficient of friction well represent the experimental values. In general, the change in the coefficient of friction can be explained by phononic contributions, but the frictional forces of the present system are not totally determined by phononic mechanisms (sic).

O controle e a redução de atrito podem auxiliar na elaboração de estratégias de eficiência energética e na redução da emissão de dióxido de carbono (CO2). Apesar de existirem leis fenomenológicas bem estabelecidas para o atrito, não há uma definição da relação das propriedades macroscópicas/microscópicas com as propriedades fundamentais e nanoscópicas. O entendimento dessas correlações e dos mecanismos de dissipação de energia envolvidos no fenômeno de atrito podem ajudar no maior controle do coeficiente de atrito. Neste trabalho, o coeficiente de atrito de sistemas de óxidos na camada mais externa de ferro puro (99,99%) previamente nitretado são investigados visando encontrar relações entre as leis fenomenológicas, propriedades mecânicas e modelos teóricos envolvendo a dissipação energética via fônons. Para isso as amostras foram caracterizadas utilizando espectroscopia de emissão óptica de descarga luminescente (GD-OES), difração de raios X (DRX), tomografia de ponta atômica (APT), microscopia eletrônica de varredura (MEV), microscopia eletrônica de varredura por transmissão (STEM), nanoindentação e deslizamento unidirecional. Na caracterização experimental foi observada uma redução gradativa do coeficiente de atrito, a qual foi acompanhada por um aumento do teor de óxido na superfície. Apesar disso, essa tendência não foi observada na evolução das propriedades mecânicas. Logo, os cálculos teóricos baseados em mecanismos de dissipação fonônica aplicados para calcular o coeficiente de atrito representaram bem os valores experimentais. De forma geral, a mudança do coeficiente de atrito pode ser explicada mediante contribuições fonônicas, porém as forças de atrito do presente sistema não são totalmente determinadas por mecanismos fonônicos (sic). / Control and reduction of friction can help in the elaboration of strategies of energy efficiency and in the reduction of carbon dioxide (CO2) emission. Although there are well established phenomenological laws for friction, there is no definition of the relationship of macroscopic / microscopic properties to fundamental and nanoscopic properties. The understanding of these correlations as well the mechanisms of energy dissipation involved in the friction phenomenon can help in a greater control of the coefficient of friction. In this work, the coefficient of friction of oxide systems in the outermost layer of pure iron (99.99%) previously nitrided is investigated aiming to find relationships between the phenomenological laws, mechanical properties and theoretical models involving energy dissipation via phonons. For this purpose, samples were characterized using glow discharge optical emission spectroscopy (GD-OES), X-ray diffraction (XRD), atomic probe tomography (APT), scanning electron microscopy (SEM), transmission scanning electron microscopy (STEM), nanoindentation and unidirectional sliding. In the experimental characterization, a gradual reduction of the coefficient of friction was observed, which was accompanied by an increase of the surface oxide content. Despite this, the same trend was not observed in the evolution of the mechanical properties. Therefore, the theoretical calculations based on the mechanisms of phononic dissipation applied to calculate the coefficient of friction well represent the experimental values. In general, the change in the coefficient of friction can be explained by phononic contributions, but the frictional forces of the present system are not totally determined by phononic mechanisms (sic).

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As pesquisas na área da implantologia têm buscado desenvolver superfícies que acelerem o processo de osseointegração adjacente ao implante, permitindo a reabilitação funcional e estética precoce. Modificações da topografia e composição química têm sido propostas com o objetivo de modular as funções celulares na interface do tecido ósseo com o implante e, em última análise, aumentar o contato osso-implante. A deposição iônica por plasma é uma modalidade de tratamento utilizada em implantes ortopédicos. Na odontologia, estudos têm avaliado o efeito das diferentes técnicas de nitretação de superfícies de titânio (Ti) sobre eventos iniciais da osseointegração, como a adesão celular, mas não sobre eventos tardios. O presente estudo avaliou o efeito de superfícies de Ti modificadas por deposição iônica por plasma, pelas técnicas de nitretação por cátodo oco, por 1 e 3 h, e nitretação planar, nas expressões do fenótipo e gênica de osteoblastos derivados de osso alveolar de humanos e de calvária de ratos. Foram realizadas análises de morfologia, adesão e espraiamento celular, síntese e atividade de fosfatase alcalina (ALP), mineralização da matriz extracelular e expressão de genes marcadores do fenótipo osteoblástico. A adesão celular e a atividade de ALP, foram maiores nas superfícies de Ti tratadas comparadas à superfície sem tratamento (controle), enquanto a proliferação celular e a produção de matriz mineralizada não apresentaram diferenças estatisticamente significante entre os grupos. Ainda, as superfícies de Ti tratadas aumentaram a expressão gênica de ALP e diminuíram a de osteocalcina (OC) quando comparadas à superfície controle. Os resultados sugerem que a deposição iônica por plasma pelas técnicas de nitretação avaliadas modifica as características físico-químicas da superfície de Ti e promove atraso e aumento da diferenciação osteoblástica quando comparada à superfície de Ti não tratada. / A current goal in implantology research has been the development of titanium surfaces to enhance the process of osseointegration, allowing functional and aesthetic rehabilitation. Modifications on topography and chemical composition have been proposed in order to regulate cell functions of the osteoblasts in contact with the implant surface and ultimately increase the bone-to-implant contact. Plasma ionic deposition is a treatment usually employed in orthopedic implants and in dentistry some studies have shown that different nitriding techniques of titanium (Ti) surfaces may affect the initial events of osseointegration, such as cell adhesion, without evaluating the late ones. This study evaluated the effect of Ti surfaces modified by plasma nitriding combined with hollow cathode, during 1 and 3 h, and planar nitriding, on the phenotype and gene expression of osteoblasts derived from human alveolar bone and newborn rat calvaria. Cell morphology, adhesion and spreading, alkaline phosphatase (ALP) activity and synthesis, extracellular matrix mineralization and gene expression of bone markers were performed. The cell adhesion and ALP activity were higher on treated Ti surfaces compared with untreated (control) ones, while cell proliferation and extracellular matrix mineralization were not affected by the treatments. Also, compared with control Ti surface, the treated ones increased the gene expression of ALP and reduced osteocalcin (OC). The results suggest that the plasma ionic deposition by nitriding technique modifies the physicochemical features of the Ti surface and promotes a delay and a enhancement of the osteoblastic differentiation compared with untreated Ti surface.