A liga Ti-6Al-4V é uma das ligas de titânio mais suas aplicações estruturais em temperaturas elevadas são limitadas devido a sua afinidade pelo oxigênio. Um tratamento superficial que melhore a resistência à oxidação desta liga permitindo a substituição de peças que atualmente são produzidas com superligas de Ni por este material, poderia reduzir significativamente o peso destes componentes. O objetivo deste trabalho é melhorar a resistência à fluência desta liga utilizando nitretação por plasma. Para homogeneizar a microestrutura do material, foi realizado um tratamento térmico a 1050ºC por 30 minutos para obtenção da microestrutura de Widmanstätten que foi a que apresentou melhor resistência à fluência no material sem tratamento. A nitretação foi realizada variando parâmetros de processo como tempo, temperatura e mistura de gases na atmosfera. A partir dos resultados obtidos, a mistura de gás de Ar:N2:H2 (0,49:0,49:0,03) a 700°C por 4 horas foi a condição escolhida. A caracterização da camada nitretada foi realizada por técnicas de microscopia ótica e eletrônica de varredura, além de difração de raios X. As fases da amostra nitretada detectadas por DRX foram o ε-Ti2N e δ-TiN, além das fases α e β da matriz. A espessura da camada nitretada foi de cerca de 1 μm. Os ensaios de tração a quente foram realizados em temperaturas entre 500°C e 700°C no material com e sem nitretação e mostraram um aumento na resistência da liga nitretada de até 29% nos limites de escoamento e resistência. Os ensaios de fluência foram realizados variando a temperatura também entre 500 e 700ºC e tensão aplicada entre 125 e 319 MPa. O resultado foi um aumento na resistência à fluência do material nitretado. Isto foi evidenciado pela diminuição da taxa de fluência secundária e também pelo aumento do tempo de ruptura do material. / The Ti-6Al-4V alloy is one of the most widely used titanium alloys, but its structural applications at elevated temperatures are limited because of the titanium high affinity for oxygen. A surface treatment that improves the oxidation resistance of this alloy allowing the replacement of parts that are currently produced with Ni-based super alloys by this material could significantly reduce the weight of these components. The aim of this work is to improve the creep resistance of the Ti-6Al-4V alloy using plasma nitriding. In order to homogenize the material microstructure, it was performed a heat treatment at 1050ºC for 30 minutes to obtain the Widmanstätten microstructure, which was the that presented better resistance to creep in the no nitrided material. The nitriding was performed by varying parameters as time, temperature and gas mixture in the atmosphere during the process. The chosen condition was a gas mixture of Ar: N2: H2 (0.49: 0.49: 0.03) at 700°C for 4 hours. The compound layer characterization was performed by optical and scanning electron microscopy techniques and X-ray diffraction. The nitrided samples phases detected by XRD were ε-Ti2N, δ-TiN and the α-Ti and β-Ti matrix phases. The layer thickness of this sample was about 1 μm. The hot tensile tests were performed in a temperature range from 500°C to 700°C in nitrided and no nitrided materials and show an increase in the strength of the nitrided alloy up 29% in yield and ultimate strength. The creep tests were also performed in a temperature between 500 and 700ºC and stress range from 125 to 319 MPa. The results showed an increase in nitrided sample creep resistance. This was evidenced by both the decrease in secondary creep rate and an increase in final creep time.

A liga Ti-6Al-4V apresenta excelentes propriedades mecânicas, baixa densidade, alta dureza e resistência à corrosão. Entretanto, tratamentos superficiais como a nitretação por plasma são amplamente utilizadas para melhorar a resistência a fadiga desta liga. O objetivo deste trabalho foi tratar termoquimicamente a liga Ti-6Al-4V por meio da nitretação por plasma a fim de verificar a sua influência nas propriedades de fadiga e comparar os resultados obtidos com as não nitretadas. Este tratamento superficial foi realizado com o objetivo de retardar a etapa de nucleação da trinca. A nitretação por plasma foi realizada em temperaturas em torno de 720°C por 4 horas, numa atmosfera de N2, Ar e H2 (5:5:1). Foi realizado um tratamento térmico nas amostras para se obter a microestrutura de Widmanstätten. A temperatura usada foi de 1050°C por 30 minutos. A caracterização microestrutural das amostras nitretadas e não nitretadas foi realizada usando difração de raios X (DRX), microscopia óptica (MO), e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Os resultados da difração de raios X das amostras nitretadas mostram a presença de fases: α, β, ε-Ti2N, e δ-TiN e nas amostras não nitretadas as fases α e β. Essas análises revelaram a presença de uma superfície rica em nitretos seguida de uma zona de difusão com nitrogênio na matriz. A rugosidade superficial foi estudada, e foi observada um aumento na rugosidade de 61% após a nitretação. Os testes de fadiga foram realizados em uma máquina de ensaios flexo rotativa, com uma razão de carregamento R=-1 . Os resultados obtidos mostraram que as propriedades de fadiga foram melhoradas após a nitretação por plasma, retardando a etapa de nucleação de trinca. / The Ti-6Al-4V alloy presents excellent mechanical properties, low density, high toughness and corrosion resistance. However, surface treatments like plasma nitriding are widely used to improve the fatigue resistance of this alloy. Therefore, the aim of this work was to treat thermochemically Ti-6Al-4V alloy by means of plasma nitriding to verify its influence in fatigue properties and compare the results with the untreated ones. This surface treatment was performed with the purpose of retards the crack initiation. The plasma nitriding was performed in temperatures around 720°C for 4 hours, with a gas atmosphere N2, Ar and H2 (5:5:1). A heat treatment was made in the samples to obtain a Widmanstätten microstructure. The temperature used was 1050°C for 30 minutes. Microstructural characterizations of nitrided and non-nitrided samples were carried out using X-ray diffraction (XRD), optical microscopy (OM) and scanning electron microscopy (SEM). The XRD results of the nitrided sample showed the presence of the α, β, ε-Ti2N, and δ-TiN phases. These analyses revealed a surface layer rich in nitrides on the surface, followed by a diffusion layer of nitrogen in the matrix. The surface roughness was compared between the nitrided and non-nitrided layer, and it was observed that the roughness increased 61% after the plasma nitriding. Fatigue tests were performed in a rotating bending testing machine with a stress ratio (R=-1). The results obtained in fatigue tests showed that the fatigue properties were improved after plasma nitriding, retarding the crack initiation.

A liga Ti-6Al-4V é uma das ligas de titânio mais suas aplicações estruturais em temperaturas elevadas são limitadas devido a sua afinidade pelo oxigênio. Um tratamento superficial que melhore a resistência à oxidação desta liga permitindo a substituição de peças que atualmente são produzidas com superligas de Ni por este material, poderia reduzir significativamente o peso destes componentes. O objetivo deste trabalho é melhorar a resistência à fluência desta liga utilizando nitretação por plasma. Para homogeneizar a microestrutura do material, foi realizado um tratamento térmico a 1050ºC por 30 minutos para obtenção da microestrutura de Widmanstätten que foi a que apresentou melhor resistência à fluência no material sem tratamento. A nitretação foi realizada variando parâmetros de processo como tempo, temperatura e mistura de gases na atmosfera. A partir dos resultados obtidos, a mistura de gás de Ar:N2:H2 (0,49:0,49:0,03) a 700°C por 4 horas foi a condição escolhida. A caracterização da camada nitretada foi realizada por técnicas de microscopia ótica e eletrônica de varredura, além de difração de raios X. As fases da amostra nitretada detectadas por DRX foram o ε-Ti2N e δ-TiN, além das fases α e β da matriz. A espessura da camada nitretada foi de cerca de 1 μm. Os ensaios de tração a quente foram realizados em temperaturas entre 500°C e 700°C no material com e sem nitretação e mostraram um aumento na resistência da liga nitretada de até 29% nos limites de escoamento e resistência. Os ensaios de fluência foram realizados variando a temperatura também entre 500 e 700ºC e tensão aplicada entre 125 e 319 MPa. O resultado foi um aumento na resistência à fluência do material nitretado. Isto foi evidenciado pela diminuição da taxa de fluência secundária e também pelo aumento do tempo de ruptura do material. / The Ti-6Al-4V alloy is one of the most widely used titanium alloys, but its structural applications at elevated temperatures are limited because of the titanium high affinity for oxygen. A surface treatment that improves the oxidation resistance of this alloy allowing the replacement of parts that are currently produced with Ni-based super alloys by this material could significantly reduce the weight of these components. The aim of this work is to improve the creep resistance of the Ti-6Al-4V alloy using plasma nitriding. In order to homogenize the material microstructure, it was performed a heat treatment at 1050ºC for 30 minutes to obtain the Widmanstätten microstructure, which was the that presented better resistance to creep in the no nitrided material. The nitriding was performed by varying parameters as time, temperature and gas mixture in the atmosphere during the process. The chosen condition was a gas mixture of Ar: N2: H2 (0.49: 0.49: 0.03) at 700°C for 4 hours. The compound layer characterization was performed by optical and scanning electron microscopy techniques and X-ray diffraction. The nitrided samples phases detected by XRD were ε-Ti2N, δ-TiN and the α-Ti and β-Ti matrix phases. The layer thickness of this sample was about 1 μm. The hot tensile tests were performed in a temperature range from 500°C to 700°C in nitrided and no nitrided materials and show an increase in the strength of the nitrided alloy up 29% in yield and ultimate strength. The creep tests were also performed in a temperature between 500 and 700ºC and stress range from 125 to 319 MPa. The results showed an increase in nitrided sample creep resistance. This was evidenced by both the decrease in secondary creep rate and an increase in final creep time.

Orientador: Fernando Alvarez / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-23T23:30:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Cucatti_SilviaAzevedodosSantos_M.pdf: 4655575 bytes, checksum: a7bdbfd34373445d40dd8ae10065030e (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: A presente dissertação aborda a nanoestruturação de ligas metálicas de ferro a partir de bombardeamento iônico com Xe+ e seu efeito nas propriedades físicas de superfície, microestrutura, e na difusão de nitrogênio após nitretação à plasma pulsado. O atual interesse em modificação de superfícies surge da possibilidade de obtenção de novas propriedades físicas, mecânicas e tribológicas dos materiais. Particularmente, o bombardeamento iônico com gases nobres tem se mostrado um método importante para modificar a cinética de difusão de nitrogênio e a eficiência do processo, além das propriedades finais do material devido a criação de defeitos criados pelo impacto iônico tanto na superfície como, por efeito cascada, no volume. Sendo assim, estudar as mudanças geradas por bombardeamento iônico em ligas metálicas é fundamental tanto do ponto de vista tecnológico como dos fenômenos físicos básicos para um melhor entendimento da difusão de nitrogênio. Duas ligas metálicas de ferro foram investigadas: aço AISI 316L (alta liga) e AISI 4140 (baixa liga). A investigação da topografia das amostras estudadas após o bombardeamento mostrou que este procedimento induz a formação de padrões nanométricos dependentes da orientação cristalina da superfície e aumenta a rugosidade dos materiais analisados. Estudos de presença de microstrain realizados por difração de raios-X a baixo ângulo mostram que o bombardeamento gera defeitos na superfície e em volume por efeito cascada, em profundidades com ordens de magnitude maiores que a distância de frenamento dos íons Xe+. Verificou-se que a microestrutura e a dureza de seção transversal das ligas nitretadas são modificadas por bombardeamento iônico prévio ao procedimento de nitretação. Amostras pré-bombardeadas da liga AISI 4140 possuem agulhas de até alguns ?m de composts de nitretos enquanto tais compostos em amostras não sujeitas ao prébombardeamento são pequenos, granulares e descontínuos. Para a liga AISI 316L, foi observada uma camada de compostos única e compacta para amostras pré-bombardeadas, diferentemente da camada dupla, tipicamente encontrada em amostras sem tratamento prévio. Além disso, para esta liga, um perfil de dureza maior e mais suave foi encontrado para amostras pré-bombardeadas. Relacionamos as modificações da difusão de nitrogênio por bombardeamento iônico com o aumento do sticking factor do nitrogênio devido a múltiplas colisões resultantes da nanoestruturação e presença de canais extras de difusão / Abstract: This dissertation deals with the nanostructuration by low energy ion beam Xe+ (< 1keV) bombardment on the surface properties, microstructure and nitrogen diffusion after pulsed plasma nitridation of iron alloys. The current interest in surface modification arises from the possibility of obtaining new physical, mechanical and tribological properties of materials. In particular, noble gases ion bombardment is an important method for improve nitrogen diffusion modification, since the efficiency of the nitriding process and the material final properties are influenced by defects created by the ionic impact on both surface and bulk, the later by cascade collision effects. Therefore, the understanding of the modifications generated by ionic bombardment on metallic alloys is essential for better understanding nitrogen diffusion. Two type of alloys were investigated in this study: steels AISI 316L (high alloy) and AISI 4140 (low alloy). Investigations of the topography after bombardment showed that this procedure induces the formation of nanometric patterns within crystalline grains, increasing the roughness of the analyzed materials. Studies of the microstrain created by the ion bombardment by X-ray diffraction show that the bombardment generates bulk defects at distances orders of magnitude larger than the Xe+ ion stopping distance by cascade collisions. It was found that microstructure and cross-section hardness of nitrided alloys are modified by pre- ionic bombardment. Pre-bombarded AISI 4140 samples form long and needle-shaped nitrides compounds while the ones found in standard samples are small and discontinuous. For the AISI 316L alloy, differently from the double nitride layer normally found in nitrided standard samples, the pre-bombardment treatment leads to a single thick compact case, higher hardness and a smoother hardness gradient. We can correlate the nitrogen diffusion modifications by ionic bombardment with the increasing of the surface sticking factor and the presence of extra diffusion channels, due to the increasing roughness and defects in bulk after Xe+ bombardment, respectively / Mestrado / Física / Mestra em Física

Neste trabalho, foram determinadas as propriedades de tração, fadiga convencional e fadiga por fretting, do aço DIN 1.4112 (DIN X 90 Cr Mo V 18) nitretado por plasma, usado na fabricação de anéis de pistão de motores de combustão interna. Os corpos de prova tratados a 500ºC durante 5 horas. O material nitretado não apresentou valores de alongamento e redução de área possíveis de serem medidos e, tanto o limite de escoamento como o limite de resistência à tração, tiveram valores próximos aos do material temperado e revenido. Os ensaios de fadiga convencional e fadiga por fretting foram realizados em temperatura ambiente, sob carregamento cíclico tração-tração com R=0,1 e freqüência de 30 Hz. O fretting foi conseguido pressionando blocos de contato, feitos a partir de um ferro fundido cinzento, contra o corpo de prova de fadiga, com uma força normal de 100 N. Com o levantamento das curvas S-N para os dois ensaios, foi obtido o fator de redução de resistência FRR=1,62, que o fenômeno de fretting causa na fadiga convencional. Nos ensaios de fadiga por fretting, o pico da força de atrito aumentou com a tensão axial cíclica aplicada, atingindo um valor mínimo de 28 N e no máximo de 76 N. A camada nitretada apresentou microdureza máxima 1288 HV100 e espessura da camada de 91 &#956m. A metalografia revelou na camada nitretada, uma camada de compostos, a zona de difusão e uma zona de transição para o subtrato bem definidas. Foram encontrados nitretos dos tipos &#949 (Fe2-3N) e &#947\'(Fe4N) na superfície da camada nitretada. A análise fratográfica, revelou, em tração, o trincamento da superfície devido à baixa tenacidade da camada nitretada, além da programação de trincas por fadiga abaixo da camada nitretada, nos ensaios de fadiga convencional. Os ensaios de fadiga por fretting produziram acumulação de detritos e a formação de trincas secundárias na área ) na área de contato de fretting. / In the present work, the fretting and plain fatigue properties of plasma nitrided martensitic stainless steel, DIN 1.4112 (DIN X 90 Cr Mo V 18), used in piston rings, were investigated. Both fretting and plain fatigue specimens were treated at 500°C for 5 h. The fretting pads were made of gray cast iron. Both fretting and plain fatigue tests were carried out under a load-controlled condition under stress rate, R=0.1 and frequency of 30 Hz. The S-N curves generated with and without fretting showed the strength reduction factor SRF=1.62 when fretting was applied. In the fretting fatigue, frictional force increased with axial cyclic stress and reached a minimum value of 28 N and maximum value of 60 N. Microhardness measurements have shown that the nitrided case presented a maximum hardness of 1288 HV100 and thickness of 91 &#956m. X-ray diffraction techniques indicated that the compound layer consists of &#949 (Fe2-3N) and &#947\' (Fe4N) phases. Fractographic observations showed superficial cracking in tensile specimens due to the low toughness of the nitrided case and fatigue crack growth below this layer in plain fatigue specimens. Fretting fatigue tests produced accumulation of debris and the formation of secondary cracks at the contact area.

O presente trabalho teve como objetivo principal avaliar o efeito dos recobrimentos TiN e TiAlN depositados por PVD a plasma na liga Ti-6Al-4V sob condições de fluência a 600 °C e corrosão em meios contendo cloreto a 25, 60 e 80 °C. O trabalho foi complementado com análises microestruturais e dos revestimentos superficiais utilizando-se as técnicas de difração de raios X, microscopias óptica, eletrônica de varredura e de transmissão, medidas de microdureza e oxidação isotérmica. Os resultados permitiram concluir que a liga Ti-6Al-4V constituída pela configuração de Widmanstätten apresentou dureza média de 343 HV para a condição como recebida. Após os tratamentos por PVD a plasma observou-se um recobrimento à base de TiN de espessura de 2,2 ?m e composição igual a Ti0,7N. O recobrimento a base de TiAlN/TiAlCrN apresentou espessura em torno de 6 ?m e composição igual a (Ti0,38Al0,62)N/(Ti0,31Al0,50Cr0,19)N. As medidas do potencial em circuito aberto e polarização mostraram que a liga Ti-6Al-4V apresentou comportamento ativo com transição ativo-passiva em solução HCl e comportamento passivo em solução NaCl a 25, 60 e 80 °C. As amostras recobertas por TiN e TiAlN/TiAlCrN apresentaram comportamento passivo nas duas soluções corrosivas e em todas as temperaturas estudadas. A amostra revestida por TiN depositado por PVD apresentou os menores valores de taxa secundária em fluência para tensões maiores que 222 MPa, contudo a amostra nitretada a plasma apresentou maiores valores de vida útil e níveis de ductilidade. A análise conjunta dos expoentes de tensão, energia de ativação e estrutura de discordâncias indicaram que o principal mecanismo de deformação por fluência foi controlado por escalagem de discordâncias. O cálculo do parâmetro de tolerância ao dano (W) contribuiu para indicar que os revestimentos TiN e TiAlN/TiAlCrN, apesar de protegerem a superfície da oxidação, diminuíram a capacidade de deformação plástica ao longo do estágio terciário e vida útil da liga Ti-6Al-4V, reduzindo a ductilidade. Finalmente, os tratamentos superficiais utilizados neste trabalho foram eficientes por seu efeito de proteção através da deposição de um elemento cerâmico mais estável na superfície e não por transformações causadas na microestrutura. / This study aimed to evaluate the effect of the plasma-assisted PVD TiN and TiAlN/TiAlCrN coatings in the Ti-6Al-4V alloy under creep conditions at 600 °C and under corrosion conditions in environments containing chloride at 25, 60 and 80 °C. The study was complemented by microstructural and surface coatings analysis using XRD, optical, scanning and transmission electron microscopy, microhardness and isothermal oxidation. The results showed that the Ti-6Al- 4V alloy with Widmanstätten morphology presented an average hardness of 343 HV for as received condition. After treatment by plasma PVD, it was observed a TiN based coating, with 2,2 ?m and composition of Ti0,7N. The TiAlN/TiAlCrN based coating presented 6 ?m of thickness and composition of (Ti0,38Al0,62)N/(Ti0,31Al0,50Cr0,19)N. Anodic polarization and open circuit potential showed that Ti-6Al-4V alloy had active behavior with active - passive transition in HCl solution and passive behavior in NaCl solution at 25, 60 and 80 °C. The TiN and TiAlN/TiAlCrN coated samples showed passive behavior in both corrosive solutions and at all studied temperatures. The TiN coated sample showed the lowest values of secondary creep rate for stresses greater than 222 MPa, however, the plasma nitrided sample showed higher levels of service life and ductility. The analysis of stress exponents, activation energy and dislocations structures indicated that the main mechanism of creep was controlled by climbing dislocations. The damage tolerance parameter (W) calculation contributed to indicate that TiN and TiAlN/TiAlCrN coatings, although protect the surface from oxidation, decreased plastic deformation ability throughout tertiary stage and service life of the Ti-6Al-4V alloy, decreasing ductility. Finally, the surface treatments, used in this study, were efficient for their protective effect by depositing a more stable ceramic compound on surface and not by transformations caused on microstructure.

Made available in DSpace on 2017-07-21T19:26:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silvio Henrique Gonsalves.pdf: 4373254 bytes, checksum: f02417e8e185f6b65f2673e04f0855f0 (MD5) Previous issue date: 2014-04-03 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Bioactive layers produced on titanium to induce osseointegration may not be mechanically stable and/or attend to the requirement for the bone-matching elastic modulus. The previous surface modification by ion nitriding can eventually improve adhesion and mechanical properties of such bioactive coatings. Titanium samples were DC plasma nitrided in low conditions of temperature (400 ºC and 600 ºC) and time (1 h and 3 h). Afterwards, Ca-P containing titania coatings were produced by anodic oxidation under the current density 150 m1-A/cm2 in the galvanostatic mode. The surfaces were studied by grazing-incidence X-ray diffraction, micro-Raman spectroscopy, Fourier-transform infrared spectroscopy, atomic force microscopy, scanning electron microscopy, energy-dispersive spectroscopy, instrumented indentation and nanoscratch tests. Effects of roughness and substrate on mechanical properties were corrected by means of analytical methods. The treatments at 600 ºC produced a stratified surface containing -TiN, -Ti2N and N-solid solution Ti(N), whereas the 673 K samples presented Ti(N) and evidence of nitride precipitates at a very shallow depth, as suggested by micro-Raman (depth of analysis ≤ 25 nm). The asperity degree and distribution increased with the treatment temperature and time. The most significant changes in the near surface hardness (5 to 15 GPa) and elastic modulus (170 to 200 GPa) profiles in respect to the pristine Ti were observed for 873 K treatments. However, the 673 K – 3 h sample presented scratch hardness twice as high as the substrate value, even if the ductile-like tribological response was preserved. Titania layers produced by anodic oxidation presented crystallographic phase anatase concomitantly with nitride compounds. The layers presented reduced brittleness under normal loading if grown on the previously nitrided surfaces, whereas elastic modulus profiles (75-90 GPa) were kept lower than bulk Ti and close to bone values (10-40 GPa). Because of the improved load bearing capacity,layers grown on Ti PN at 400ºC-3h presented critical load in scratch tests three times higher (~400 mN) than the control one (135 mN). We conclude hat Ti surfaces can be tailored by plasma nitriding to improve their load bearing capacity for deposition of bioactive layers. / Os processos de modificação de superfície em Ti que visam induzir a osseointegração nesse material podem resultar em camadas ou filmes que não apresentam boa adesão (são mecanicamente instáveis), e/ou não atendem o requisito de apresentar módulo de elasticidade da ordem dos valores encontrados para os ossos. Neste trabalho amostras de titânio foram nitretadas e em seguida submetidas ao crescimento de filmes bioativos anódicos. A nitretação foi realizada em temperaturas de 600 °C e 400 °C, com tempos de tratamento entre 1 h e 3 h. As camadas de TiO2 com presença de Ca e P foram produzidas por oxidação anódica em modo galvanoestático, utilizando-se densidade de corrente de 150 mA/cm². As amostras foram analisadas por difração de raios X (DRX), microscopia de força atômica (MFA), microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia micro-Raman, espectroscopia de infra-vermelho, espectroscopia de energia dispersiva (EDS), indentação instrumentada e ensaios de nanorrisco. A análise por difração de raios X e espectroscopia de micro-Raman indicaram a presença de nitretos em todas as amostras, na estequiometria δ-TiN, e também de nitrogênio em solução sólida. Nas amostras tratadas à 600 °C também houve a presença de nitretos ε-Ti2N. Para nitretação a 600 °C produziu mudanças significativas na dureza (5 para 15 GPa) e no módulo de elasticidade (170 para 200 GPa); a condição 400 ºC – 3 h apresentou resistência ao risco duas vezes maior que o substrato de Ti, porém sem alterações no módulo de elasticidade. Na oxidação anódica, posterior à nitretação, observou-se a presença de óxidos de titânio (anatásio) em coexistência com os nitretos previamente depositados, além de quantidades menores de fosfato de cálcio. Observou-se que existe uma relação inversa entre a espessura das camadas e a eficiência do processo prévio de nitretação das superfícies. As camadas bioativas crescidas não apresentaram trincas durante os ensaios de nanoindentação, revelando-se mais resistentes. O módulo de elasticidade das camadas crescidas em quaisquer das superfícies nitretadas (75-90 GPa) é comparável aos valores dos ossos humanos (10-40 GPa), o que é favorável à biocompatibilidade mecânica das superfícies tratadas. A carga crítica para remoção da camada em ensaios de nanorisco se elevou de 135 mN (amostra apenas oxidada) para ~400 mN (nitretada 400 ºC – 3 h e oxidada). Concluiu-se que a nitretação prévia forneceu uma melhor sustentação às camadas bioativas crescidas por oxidação anódica, melhorando a sua adesão ao substrato.

Orientador: Fernando Alvarez / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-11T05:33:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Basso_RodrigoLeonardodeOliveira_D.pdf: 34307948 bytes, checksum: fd2817ddc7e94a48942bf4136fdb0472 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Este trabalho apresenta um estudo sobre os efeitos da incorporação de carbono e nitrogênio na formação de uma camada monofásica, compacta e homogênea, composta por carbonitretos do tipo e -Fe2-3(C,N), na superfície da liga metálica AISI H13. Também são apresentados estudos sobre os efeitos da incorporação desses elementos nas propriedades mecânicas, químicas e na microestrutura da superfície da liga metálica. A incorporação desses elementos na superfície do material foi feita utilizando-se o tratamento termoquímico de nitrocarburização por plasma pulsado em atmosferas contendo N2+ H2+ CH4 em diferentes proporções. Além da composição da atmosfera de tratamento, também foram variadas a temperatura e o tempo de tratamento. De maneira a complementar o estudo do comportamento da liga metálica frente ao tratamento termoquímico a plasma, também foram preparadas amostras com atmosferas oxidantes contendo CO2. A análise da composição química da superfície das amostras foi feita através de espectroscopia de fotoelétrons e mostra que a incorporação de nitrogênio sofre grande influência da quantidade de gás contendo carbono, presente no plasma. Porém a incorporação desses elementos não é diretamente proporcional à concentração do gás contendo esse elemento. Ao contrário do esperado, aumentando-se suficientemente a concentração desses elementos na atmosfera de tratamento, não acarreta em aumento na concentração dos mesmos no material. Por outro lado a análise através de difração de raios X revelou a formação de estruturas cristalinas consistentes com o diagrama de fases do sistema Fe-C-N. Para menores concentrações de compostos de carbono no plasma, a formação de nitretos e carbonitretos é predominante enquanto que maiores quantidades desse elemento levam ao surgimento da fase cementita e -Fe3 C, indesejável por possuir baixa resistência mecânica. As propriedades mecânicas da superfície foram estudadas através de medidas de nano e micro-dureza e seus resultados indicam que, como esperado, amostras com maior quantidade de nitrogênio incorporada possuim maior dureza da superfície. Esse comportamento é condizente com a microestrutura observada por microscopia eletrônica de varredura que mostra o entrelaçamento dos grãos da estrutura do aço e o preenchimento de seus contornos com carbonitretos de ferro que dificultam a movimentação dos planos cristalinos do cristal aumentando sua dureza. Foi verificado que as concentrações de carbono e de nitrogênio contido no material exercem grande influência sobre a reatividade da superfície das amostras frente a processos corrosivos em meios contendo íons cloreto. Esse comportamento foi verificado através de medidas de corrosão em solução aquosa de NaCl a 0,9 vol.%. Novamente os resultados apontam que maior concentração de nitrogênio é responsável por conferir a superfície maior proteção contra corrosão. Esses resultados são atribuídos a presença de uma mono-fase compacta formada pela fase e - Fe2-3 (C,N) na superfície das amostras. Resultados menos significativos foram obtidos quando a superfície continha uma mistura de fases contendo g -Fe4 N, e -Fe2-3 N, a -Fe e CrN / Abstract: This work presents a study on the effect of the incorporation of carbon and nitrogen on he formation of a singlephase homogeneous layer, composed by e -Fe2-3(C,N) carbonitrides, on the top surface of a AISI H13 tool steel. We also present studies on the effect of the incorporation of these elements (C and N) in the microstructure and in the mechanical and chemical properties of the surface of the metallic alloy. The incorporation of these elements in the surface of the material was made using the plasma nitrocarburizing termochemical treatment in atmospheres containing N2 + H2+CH4 in different ratios. Beyond the composition of the treatment atmosphere, the temperature and the time of treatment had been also varied. In way to complement the study of the behavior of the metallic alloy we had been also prepared samples with oxidating atmospheres containing CO2. The chemical composition analysis of the sample¿s surface was made through X-ray photo-electron spectroscopy and pointed that nitrogen incorporation suffers great influence from the amount of gas containing carbon, on the plasma atmosphere. However the incorporation of these elements is not directly proportional to the concentration of the gas containing this element. In con-trast, increasing enough the concentration of these elements in the treatment atmosphere, it does not cause increase in the concentration of the same element in the material¿s surface. On the other hand the X-ray diffraction analysis showed the formation of crystalline structures, consistent with the phase diagram of Fe-C-N system. For lesser carbon concentrations in the plasma, the formation of nitrides and carbides are predominant whereas bigger amounts of this element lead to the formarion of the cementite phase (q -Fe3 C , undesirable for possessing low resistance mechanics). The mechanical properties of the surface had been studied by means of nano and microhardness and its results indicate that, as expected, samples with bigger amount of incorporated nitrogen possesses bigger hardness in its surface. This behavior is in agreement with the observed microstructure observed by scanning electron microscopy that show the interlacement of the grains of the steel structure and the fulfilling of its boundaries with iron carbonitrides that make it difficult the movement of the crystalline plans of the lattice increasing its hardness. It was verified that the nitrogen and carbon concentrations in the material¿s surface, are of great influence on the reactivity of the surface regarding to corrosive processes in clorine solutions. This behavior was verified by measurements of corrosion in NaCl aqueous solution. Again the results pointed that bigger nitrogen concentration is responsible for protecting the surface against corrosion process. These results are attributed to the presence of a compact and homogeneous e -Fe2-3(C,N) surface layer on the surface of the samples. Less significant results had been gotten when the surface contained a mixture of phases containing g -F e4N, e -Fe2-3 N, a -Fe e CrN / Doutorado / Física da Matéria Condensada / Doutor em Ciências

O presente trabalho teve como objetivo principal avaliar o efeito dos recobrimentos TiN e TiAlN depositados por PVD a plasma na liga Ti-6Al-4V sob condições de fluência a 600 °C e corrosão em meios contendo cloreto a 25, 60 e 80 °C. O trabalho foi complementado com análises microestruturais e dos revestimentos superficiais utilizando-se as técnicas de difração de raios X, microscopias óptica, eletrônica de varredura e de transmissão, medidas de microdureza e oxidação isotérmica. Os resultados permitiram concluir que a liga Ti-6Al-4V constituída pela configuração de Widmanstätten apresentou dureza média de 343 HV para a condição como recebida. Após os tratamentos por PVD a plasma observou-se um recobrimento à base de TiN de espessura de 2,2 ?m e composição igual a Ti0,7N. O recobrimento a base de TiAlN/TiAlCrN apresentou espessura em torno de 6 ?m e composição igual a (Ti0,38Al0,62)N/(Ti0,31Al0,50Cr0,19)N. As medidas do potencial em circuito aberto e polarização mostraram que a liga Ti-6Al-4V apresentou comportamento ativo com transição ativo-passiva em solução HCl e comportamento passivo em solução NaCl a 25, 60 e 80 °C. As amostras recobertas por TiN e TiAlN/TiAlCrN apresentaram comportamento passivo nas duas soluções corrosivas e em todas as temperaturas estudadas. A amostra revestida por TiN depositado por PVD apresentou os menores valores de taxa secundária em fluência para tensões maiores que 222 MPa, contudo a amostra nitretada a plasma apresentou maiores valores de vida útil e níveis de ductilidade. A análise conjunta dos expoentes de tensão, energia de ativação e estrutura de discordâncias indicaram que o principal mecanismo de deformação por fluência foi controlado por escalagem de discordâncias. O cálculo do parâmetro de tolerância ao dano (W) contribuiu para indicar que os revestimentos TiN e TiAlN/TiAlCrN, apesar de protegerem a superfície da oxidação, diminuíram a capacidade de deformação plástica ao longo do estágio terciário e vida útil da liga Ti-6Al-4V, reduzindo a ductilidade. Finalmente, os tratamentos superficiais utilizados neste trabalho foram eficientes por seu efeito de proteção através da deposição de um elemento cerâmico mais estável na superfície e não por transformações causadas na microestrutura. / This study aimed to evaluate the effect of the plasma-assisted PVD TiN and TiAlN/TiAlCrN coatings in the Ti-6Al-4V alloy under creep conditions at 600 °C and under corrosion conditions in environments containing chloride at 25, 60 and 80 °C. The study was complemented by microstructural and surface coatings analysis using XRD, optical, scanning and transmission electron microscopy, microhardness and isothermal oxidation. The results showed that the Ti-6Al- 4V alloy with Widmanstätten morphology presented an average hardness of 343 HV for as received condition. After treatment by plasma PVD, it was observed a TiN based coating, with 2,2 ?m and composition of Ti0,7N. The TiAlN/TiAlCrN based coating presented 6 ?m of thickness and composition of (Ti0,38Al0,62)N/(Ti0,31Al0,50Cr0,19)N. Anodic polarization and open circuit potential showed that Ti-6Al-4V alloy had active behavior with active - passive transition in HCl solution and passive behavior in NaCl solution at 25, 60 and 80 °C. The TiN and TiAlN/TiAlCrN coated samples showed passive behavior in both corrosive solutions and at all studied temperatures. The TiN coated sample showed the lowest values of secondary creep rate for stresses greater than 222 MPa, however, the plasma nitrided sample showed higher levels of service life and ductility. The analysis of stress exponents, activation energy and dislocations structures indicated that the main mechanism of creep was controlled by climbing dislocations. The damage tolerance parameter (W) calculation contributed to indicate that TiN and TiAlN/TiAlCrN coatings, although protect the surface from oxidation, decreased plastic deformation ability throughout tertiary stage and service life of the Ti-6Al-4V alloy, decreasing ductility. Finally, the surface treatments, used in this study, were efficient for their protective effect by depositing a more stable ceramic compound on surface and not by transformations caused on microstructure.

Neste trabalho, foram determinadas as propriedades de tração, fadiga convencional e fadiga por fretting, do aço DIN 1.4112 (DIN X 90 Cr Mo V 18) nitretado por plasma, usado na fabricação de anéis de pistão de motores de combustão interna. Os corpos de prova tratados a 500ºC durante 5 horas. O material nitretado não apresentou valores de alongamento e redução de área possíveis de serem medidos e, tanto o limite de escoamento como o limite de resistência à tração, tiveram valores próximos aos do material temperado e revenido. Os ensaios de fadiga convencional e fadiga por fretting foram realizados em temperatura ambiente, sob carregamento cíclico tração-tração com R=0,1 e freqüência de 30 Hz. O fretting foi conseguido pressionando blocos de contato, feitos a partir de um ferro fundido cinzento, contra o corpo de prova de fadiga, com uma força normal de 100 N. Com o levantamento das curvas S-N para os dois ensaios, foi obtido o fator de redução de resistência FRR=1,62, que o fenômeno de fretting causa na fadiga convencional. Nos ensaios de fadiga por fretting, o pico da força de atrito aumentou com a tensão axial cíclica aplicada, atingindo um valor mínimo de 28 N e no máximo de 76 N. A camada nitretada apresentou microdureza máxima 1288 HV100 e espessura da camada de 91 &#956m. A metalografia revelou na camada nitretada, uma camada de compostos, a zona de difusão e uma zona de transição para o subtrato bem definidas. Foram encontrados nitretos dos tipos &#949 (Fe2-3N) e &#947\'(Fe4N) na superfície da camada nitretada. A análise fratográfica, revelou, em tração, o trincamento da superfície devido à baixa tenacidade da camada nitretada, além da programação de trincas por fadiga abaixo da camada nitretada, nos ensaios de fadiga convencional. Os ensaios de fadiga por fretting produziram acumulação de detritos e a formação de trincas secundárias na área ) na área de contato de fretting. / In the present work, the fretting and plain fatigue properties of plasma nitrided martensitic stainless steel, DIN 1.4112 (DIN X 90 Cr Mo V 18), used in piston rings, were investigated. Both fretting and plain fatigue specimens were treated at 500°C for 5 h. The fretting pads were made of gray cast iron. Both fretting and plain fatigue tests were carried out under a load-controlled condition under stress rate, R=0.1 and frequency of 30 Hz. The S-N curves generated with and without fretting showed the strength reduction factor SRF=1.62 when fretting was applied. In the fretting fatigue, frictional force increased with axial cyclic stress and reached a minimum value of 28 N and maximum value of 60 N. Microhardness measurements have shown that the nitrided case presented a maximum hardness of 1288 HV100 and thickness of 91 &#956m. X-ray diffraction techniques indicated that the compound layer consists of &#949 (Fe2-3N) and &#947\' (Fe4N) phases. Fractographic observations showed superficial cracking in tensile specimens due to the low toughness of the nitrided case and fatigue crack growth below this layer in plain fatigue specimens. Fretting fatigue tests produced accumulation of debris and the formation of secondary cracks at the contact area.