Orientadores: Amauri Garcia, Wislei Riuper Ramos Osorio / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-12T22:54:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Garcia_LeonardoRicheli_M.pdf: 15499869 bytes, checksum: 1afa8bd79812971da1e6fac7f4fed383 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Sabe-se que existem tendências de leis e diretrizes que restringem o uso e aplicação de certas substâncias perigosas utilizadas em processos de fabricação de componentes em geral. Como exemplo, podem-se citar produtos contendo cádmio, mercúrio, cromo hexavalente, bifenilos polibromatos, éteres difenil-polibromato e chumbo. Devido a essas restrições, fabricantes de produtos eletrônicos têm que adequar seus produtos às novas diretrizes e desenvolver novas ligas de solda sem chumbo. Estudos preliminares indicam que ligas Sn-Zn, particularmente a eutética, consistem em alternativas promissoras para a substituição das ligas de solda contendo chumbo. Entretanto, é necessário avaliar influências das taxas de resfriamento do processo sobre a microestrutura formada e as propriedades mecânicas dessas ligas. O presente trabalho tem exatamente esse objetivo, e para cuja consecução foram planejadas as seguintes atividades: i) solidificação unidirecional de ligas Sn-Zn (Sn-4%Zn, Sn-9%Zn e Sn-12%Zn) e da liga eutética Sn-Pb (para comparação), ii) mergulho de lâminas de cobre em banho das ligas Sn-Zn e Sn- Pb por intermédio de imersão à quente e iii) por deposição em substrato de cobre. Para a fase inicial utilizou-se de um dispositivo de solidificação unidirecional vertical ascendente, para obtenção dos lingotes e registro dos respectivos perfis térmicos experimentais. Foram determinadas as variáveis térmicas de solidificação: coeficiente de transferência de calor metal/molde, velocidades de deslocamento da isoterma liquidus e taxa de resfriamento para as ligas do sistema Sn-Zn e para a liga Sn-Pb (Sn-40%Pb). Estas variáveis foram confrontadas com as previsões teóricas de um modelo numérico de solidificação e, em seguida, correlacionadas com os espaçamentos dendríticos secundários (?2) e equações experimentais de crescimento dendrítico foram determinadas. Foram realizados ensaios de mergulho utilizando-se lâminas (substrato) de cobre, a diferentes temperaturas de mergulho, em que foi possível avaliar a espessura da camada depositada sobre o substrato, a porcentagem da área recoberta pelas ligas e verificar as respectivas microestruturas. Foram também realizados ensaios de molhabilidade para avaliação do ângulo de contato entre cada liga e os respectivos substratos / Abstract: A number of laws and guidelines have been restricted the application of hazardous substances in manufacturing processes of components. This is the case of products containing cadmium, mercury, hexavalent chromium, polibromates biphenyls, polibromate-diphenyl ethers and lead. In order to adequate products to such restriction requirements, electronic components manufacturers have to meet such requirements by developing new lead-free solder alloys. Preliminary studies have indicated that Sn-Zn alloys, in particular the eutectic composition, are promising alternatives to the replacement of solder alloys containing lead. However, studies focusing on the influence of the cooling rate on the resulting microstructures and on the mechanical properties of these alloys need to be carried out. This work has precisely such objective, and the following activities have been planned to attain such purpose: i) unidirectional solidification of Sn-Zn alloys (Sn-4wt%Zn, Sn-9wt%Zn, Sn-12wt%Zn) and of the Sn-Pb eutectic (for comparison purposes), ii) copper blades dipped in molten Sn-Zn and Sn-Pb alloys (hot dipping) and iii) deposition on copper substrate. For the initial experimental step an upward vertical solidification system has been used to obtain the alloys ingots and their correspondent thermal profiles. Solidification thermal variables such as: metal/mold heat transfer coefficient, tip growth rates and cooling rates have been determined for Sn-Zn and the Sn-40wt%Pb alloys. Such experimental variables have been compared with predictions from a solidification numerical model and correlated to secondary dendrite arm spacings (?2) and experimental equations of dendritic growth have been proposed. The thickness of the coating layers, the spreading areas and the resulting microstructures of the alloys on the copper substrates (blades) were evaluated after the hot dipping procedures at different temperatures. Wetting tests have also been carried out in order to evaluate the contact angle between drop and substrate for each alloy / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientadores: Amauri Garcia, Jose Eduardo Spinelli / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-12T23:27:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_MariaAdrinaPaixaodeSouzada_M.pdf: 3527327 bytes, checksum: 88f3012a000dcdb2956852ed7fa40402 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Ligas de alumínio dispersas com bismuto apresentam aplicações promissoras em componentes automotivos resistentes ao desgaste. Essas dispersões de elementos de baixa temperatura de fusão diminuem a dureza e escoam facilmente em condições de deslizamento, resultando em um comportamento tribológico favorável. Muitos estudos têm sido realizados a fim de melhor compreender as distintas morfologias obtidas pela reação monotética. Algumas pesquisas assumem que a evolução do espaçamento interfásico na liga monotética Al-Bi obedece à clássica relação utilizada para eutéticos: ?2v = C, onde v é a velocidade de solidificação e C é uma constante. Não há nenhum consenso a respeito dos valores de C encontrados. Além disso, tais estudos utilizaram fornos de aquecimento à resistência do tipo Bridgman para produzir a solidificação direcional de ligas monotéticas. Existe uma falta de estudos consistentes no desenvolvimento microestrutural de ligas monotéticas durante condições de fluxo de calor transitório, que são de importância primordial, uma vez que esse tipo de fluxo de calor engloba a maioria dos processos industriais de solidificação. No presente estudo, foram feitos experimentos de solidificação unidirecional em regime não-estacionário com as ligas hipomonotética Al-2,0%Bi e monotética Al-3,2%Bi. Os parâmetros térmicos como velocidades de crescimento, taxas de resfriamento e gradientes térmicos foram determinados experimentalmente por curvas de resfriamento adquiridas ao longo do comprimento do lingote. Os crescimentos celular e monotético foram caracterizados por técnicas metalográficas, e os espaçamentos celulares e interfásicos correlacionados com os parâmetros térmicos de solidificação. Verificou-se que a lei de crescimento ?2v = C pode ser expressa por um valor de C de 1,70 x10-12, que é em torno de duas ordens de magnitude maior do que aqueles reportados para o regime estacionário. Embora o fluxo convectivo induzido não tenha sido suficiente para mudanças consideráveis na magnitude dos espaçamentos interfásicos, as partículas ricas em bismuto foram afetadas pela direção do crescimento, diminuindo o diâmetro em condições de solidificação vertical descendente, quando comparadas com aquelas obtidas no modo vertical ascendente / Abstract: Aluminium alloys dispersed with bismuth show promising applications in wear-resistant automotive components. Such dispersions of low melting temperature elements decrease hardness and flow easily under sliding conditions, resulting in favorable tribological behavior. Much research has been devoted in order to better comprehend the distinct morphologies obtained by monotectic reaction. Some researches assume that the phase spacing evolution in the monotectic Al-Bi alloy follows the classical relationship used for eutectics: ?2v = C, where v is the solidification velocity and C a constant value. There is no consensus concerning the found C values. Other than, such studies have used Bridgman-type resistance heated furnaces to produce the directionally solidified monotectic samples. There is a lack of consistent studies on the microstructural development of monotectic Al-Bi alloy during transient heat flow conditions, which are of prime importance since this class of heat flow encompasses the majority of solidification industrial processes. In the present study, directional unsteady-state solidification experiments were carried out with hypomonotectic Al-2.0wt%Bi and monotectic Al-3.2wt%Bi alloys. The thermal parameters such as growth rates, cooling rates and thermal gradients were experimentally determined by cooling curves recorded along the casting length. The cellular and monotectic growths were characterized by metallography, being both the cell and the interphase spacing correlated with the thermal parameters. It is shown that the ?2v = C growth law can be expressed by a C value of 1,7x10-12, which is about two orders of magnitude higher than those reported for the steady-state regime. Although the induced convective flow was not enough to considerably change the interphase spacing's magnitude, the Bi-rich particle diameters have been affected by the direction of growth, decreasing in conditions of downward vertical solidification when compared with those grown vertically upwards / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Amauri Garcia / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-08T17:48:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_JorgeAyrtonda_M.pdf: 5941604 bytes, checksum: 9ec8b76ce4cbb57c06994f1a8307f767 (MD5) Previous issue date: 2007 / A análise térmica é amplamente utilizada como método de controle de processos metalúrgicos e na investigação da composição química de ferros fundidos na prática de fundição. Um meio confiável de avaliação da composição de ferros fundidos é disponibilizado pela técnica do Carbono Equivalente, que é baseada na mudança de inclinação da curva de resfriamento na temperatura liquidus durante o resfriamento de uma amostra de ferro fundido a partir do estado líquido. O presente trabalho é focado no desenvolvimento de um novo sensor para análise térmica, um sensor de imersão, que objetiva contribuir com determinações mais confiáveis de composição durante as operações de fundição. Foram desenvolvidos experimentos em diferentes empresas de fundição, utilizando-se tanto o sensor de imersão quanto o tradicional sensor tipo cápsula, normalmente utilizado na prática de fundição. As comparações de composições químicas, medidas por essas duas técnicas e medidas fornecidas por análise de espectrometria de emissão óptica, demonstram que geralmente o sensor de imersão fornece resultados mais confiáveis. Uma análise térmica realizada durante o resfriamento de ferro fundido em um dispositivo unidirecional com uma coquilha, e utilizando um conjunto de termopares, permitiu também a determinação quantitativa de variáveis térmicas de solidificação, tais como: coeficientes transitórios de transferência de calor metal/molde e molde/ambiente e taxa de resfriamento à frente da isoterma liquidus / Abstract: Thermal analysis is a widely used method for metallurgical process control and investigation of alloy composition of cast irons in foundry practice. A reliable means of rapidly evaluating the composition of cast irons is available by the Carbon-Equivalent technique, which is based on the change in thermal arrest temperature of the liquidus as the sample of molten cast iron freezes. The present work focuses on the development of a new sensor for thermal analysis, a dip-sensor, wich aims to contribute to more reliable determination of alloy composition during casting operation. Experiments were carried-out in different foundries by using both the dipsensor and the traditional capsule-sensor, which is normally used in foundry practice. The comparison of alloy compositions measured by these two techniques with analysis performed by Arc/Spark spectrometry has shown that generally the dip-sensor provides more reliable results. Thermal analysis conducted during cooling of molten cast iron in a unidirectional chill apparatus, by using a set of thermocouples, has also permitted the quantitative determination of solidification thermal variables, such as: transient metal/mold and mold/ambient heat transfer coefficients and tip cooling rates / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Amauri Garcia / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-09T07:59:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rosa_DanielMonteiro_D.pdf: 8184541 bytes, checksum: 0b8d932ad9a1091a507ea6b10e4185f8 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: As morfologias das estruturas de solidificação, caracterizadas principalmente por arranjos celulares e dendríticos, e suas grandezas representadas por espaçamentos celulares e dendríticos primários, secundários e terciários, controlam os perfis de segregação e a formação de segundas fases dentro das regiões intercelulares ou interdendríticas, que determinam as propriedades finais das estruturas fundidas. O presente trabalho pretende contribuir para o entendimento do desenvolvimento microestrutural de ligas binárias através da análise de dois sistemas binários que possuem elevada importância para a indústria na fabricação de peças fundidas automotivas e grades de baterias: Al-Si e Pb-Sb, respectivamente. Os experimentos realizados utilizaram dois diferentes dispositivos em que o calor é extraído somente pelo sistema de resfriamento a água, localizado no fundo (solidificação ascendente) e no topo (solidificação descendente) da lingoteira. As variáveis térmicas de solidificação foram determinadas pela leitura de temperaturas a partir de termopares posicionados dentro da lingoteira em diferentes posições em relação à superfície refrigerada. Estas variáveis térmicas foram confrontadas com as previsões teóricas de um modelo numérico de solidificação. Os aspectos macroestruturais e microestruturais foram caracterizados ao longo dos lingotes através de microscopia óptica. Para as ligas Al-Si foi realizada uma análise complementar do efeito da convecção térmica e constitucional nos espaçamentos dendríticos terciários na solidificação unidirecional transitória descendente. Ligas hipoeutéticas Pb-Sb foram utilizadas para analisar as influências das variáveis térmicas de solidificação e da concentração de soluto nas estruturas celulares, na transição celular/dendrítica e nas estruturas dendríticas. Os espaçamentos celulares e dendríticos foram comparados com as previsões teóricas fornecidas pelos principais modelos de crescimento estacionário e transitório da literatura. Foram também examinados os efeitos da taxa de resfriamento no crescimento celular da liga Pb 0,85%Sb e a influência do tamanho celular e do perfil de macrossegregação correspondente na resistência à corrosão / Abstract: The morphologies of as-cast microstructures, characterized mainly by cellular and dendritic patterns, and their scales represented by primary, secondary and tertiary arm spacings, control the segregation profiles and the formation of secondary phases within intercellular and interdendritic regions, which determine the final properties of castings. The present work aims to contribute to the understanding of microstructural development of binary alloys by analyzing two binary systems, which possess high industrial importance in the manufacture of as-cast automotive components and battery grids: Al-Si and Pb-Sb, respectively. Experiments have been carried out by using two castings assemblies, which were designed in such way that heat was extracted only through the water-cooled system, located at the bottom (upward solidification) and at the top (downward solidification) of the casting. The solidification thermal variables have been determined from thermal readings acquired by thermocouples located inside of the casting in different positions from the cooled surface. Such experimental thermal variables have been compared with theoretical predictions of a numerical model of solidification. Macrostructural and microstructural aspects along the casting were characterized by optical microscopy. For Al-Si alloys a complementary analysis of the influence of thermosolutal convection on the tertiary dendrite arm spacing during the downward unsteady-state directional solidification has been carried out. Hypoeutectic Pb-Sb alloys have been used to analyze the influences of solute concentrations and solidification thermal variables in the development of cellular structures, the cellular/dendritic transition and dendritic structures. Experimental cellular and dendritic spacings have been compared with the theoretical predictions furnished by the main steady-state and unsteady-state growth models from the literature. The effect of cooling rate on the cellular growth of a Pb 0.85wt%Sb alloy and the influences of cell size and of the corresponding macrosegregation profile on the resultant corrosion behavior have also been examined. / Doutorado / Materiais e Processos de Fabricação / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Amauri Garcia / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-11T19:19:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Cruz_KleberAugustinSabatda_D.pdf: 13994845 bytes, checksum: c0766efdbf4acbaf7d07b0db50f1fe52 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: A procura por relações funcionais correlacionando parâmetros microestruturais e o comportamento mecânico de ligas metálicas é fundamental para a pré-programação do produto final. O presente estudo pretende contribuir para o entendimento sobre a influência dos parâmetros microestruturais na resistência ao desgaste e nas propriedades mecânicas de ligas de dois sistemas binários: AI-Sn e AI-Si. Tais ligas são bastante usadas em aplicações de engenharia, tais como mancais e camisas de cilindro de motores de combustão, respectivamente. Apesar do grande uso das ligas do sistema AI-Sn como material tribológico, são escassos os estudos sobre o desenvolvimento microestrutural destas ligas na literatura. Neste estudo, quatro ligas hipoeutéticas do sistema AI-Sn e três ligas hipoeutéticas do sistema AI-Si foram submetidas a solidificação unidirecional, na direção vertical e sentido ascendente, sob condições transitórias de fluxo de calor. Os espaçamentos dendríticos primários (À1) e secundários (À2) foram medidos nas direçõe.s transversal e longitudinal dos lingotes, respectivamente, e correlacionados com as variáveis térmicas que atuaram durante a solidificação. Uma abordagem teórico-experimental foi desenvolvida para determinar quantitativamente_as variáveis térmicas, tais como: coeficiente de transferência de calor na interface metal/molde, velocidade de deslocamento da isoterma liquidus, gradientes térmicos, taxa de resfriamento e tempo local de solidificação. Este estudo também aborda a influência do teor de soluto nos espaçamentos dendríticos das ligas estudadas. Os dados experimentais obtidos, concementes à solidificação das ligas AI-Sn, são comparados com modelos de crescimento dendrítico existentes na literatura. O comportamento mecânico das ligas AI-Sn e AI-Si foi analisado por meio de ensaios de tração e de desgaste. O ensaio de desgaste utilizado foi o ensaio de micro-abrasão por esfera rotativa fixa, sob condições a seco (sem óleo lubrificante ou solução abrasiva). As amostras submetidas aos ensaios de desgaste foram retiradas na direção transversal dos lingotes. A condição a seco foi adotada para impedir a interferência de elementos interfaciais na resposta da microestrutura com relação ao desgaste mecânico. O volume de desgaste é o parâmetro quantificador da resistência ao desgaste e, são obtidas equações que correlacionam o volume de desgaste com espaçamentos dendríticos, levando em consideração o tempo de ensaio, que está relacionado com a distância de deslizamento. / Abstract: The search for relationships between microstructural parameters and mechanical behavior of alloys is fundamental for the pre-programming of final properties of as-cast components. The present study aims to contribute to the understanding about the influence of microstructural parameters on the wear resistance and mechanical properties of alloys of two binary systems: Al-Sn and AI-Si. Such alloys are widely used in engineering applications, especially as bearing components such as journal bearings and cylinder liners, respectively. Despite the wide use of Al-Sn alloys as bearing materiaIs studies on the microstructural development of such alloys are rare.. In the present study, four Al-Sn and three AI-Si hypoeutectic alloys were directionally solidified under upward unsteady state heat flow conditions. The primary (1,,1) and secondary (Â.2) dendrite arm spacings were measured along the castings length and correlated with transient solidification thermal variables. A combined theoretical and experimental approach has been used to quantitatively determine such thermal variables, i.e., transient metaVmold heat transfer coefficients, tip growth rates, thermal gradients, tip cooling rates and local solidifÍcation time. This study also focuses on the dependence of dendrite arm spacings on the alloy solute content. Furthermore, the experimental data conceming the solidification of AI -Sn alloys are compared with the main predictive dendritic models from the literature. The mechanical behaviors ofthe AI-Sn and AlSi alloys were analyzed by wear and tensile tests. Micro-abrasive wear tests under dry sliding conditions and by using a fixed rotating sphere were applied to transversal samples collected along the casting. The dry condition is adopted to prevent effects of interfacial elements such as abrasive slurry or lubricant oil on the microstructural response during the tests. The wear volume was used to evaluate the wear resistance. Afterwards, equations correlating the wear volume and the dendritic arm spacing have been proposed taking into account the influence of time (sliding distance). / Doutorado / Materiais e Processos de Fabricação / Doutor em Engenharia Mecânica

Materiais com fases intermetálicas têm sido avaliados para aplicações estruturais em altas temperaturas devido à baixa massa específica e interessantes propriedades de resistência mecânica e resistência à oxidação de vários compostos. As ligas de Ti são reconhecidas pela sua excelente combinação de alta-resistência, baixa massa específica e alta resistência à corrosão. Tendo em vista a importância de estudos em temperaturas na faixa de 700 a 1000 oC para futuras aplicações, avaliou-se neste trabalho as relações de fases do sistema Ti-Si-B na região rica em Ti nesta faixa de temperatura. Sabendo-se que a utilização de técnicas de solidificação rápida permite a obtenção de ligas com maior homogeneidade química e microestruturas finas, utilizou-se a técnica \"splat-cooling\" de solidificação rápida para produção das amostras, no sentido de obter microestruturas de equilíbrio em tempos e temperaturas menores nos tratamentos térmicos. As técnicas de microscopia, difração de raios X, análise térmica e dureza foram utilizadas para caracterização dos materiais. O processo de solidificação rápida (\"splat cooling\") promoveu refinamento de microestrutura e formação de fase amorfa em diversas composições de liga com temperaturas de início de cristalização (Tx) na faixa de 524 a 641oC. Foram confirmadas a estabilidade das fases αTi, Ti6Si2B e Ti3Si a 700oC e 1000oC. Os valores de dureza dos discos solidificados rapidamente ficaram na faixa de 434 HV a 1207 HV. / Materials with intermetallic phases have been evaluated for structural applications at high temperatures due to low specific mass and attractive mechanical properties as high-strength and oxidation resistance of various compounds. Ti alloys are recognized for their excellent combination of high-strength, low specific mass and high oxidation resistance. About future applications, studies at temperatures ranging from 700 to 1000 oC are important, we evaluated in this work the phase relationships of the system Ti-Si-B in the Ti-rich region in this temperature range. Knowing that the use of rapid solidification techniques results in alloys with higher chemical homogeneity and fine microstructure, the \"splat-cooling\" technique was used to produce the samples, in order to obtain stable microstructures in lower times and temperatures at the heat treatment. Microscopy, X-ray diffraction, thermal analysis and hardness measurement techniques were used for the materials characterization. The rapid solidification - splat cooling promoted the refinement of microstructure and even the formation of amorphous phase in the microstructure of materials with initial temperatures of crystallization (Tx) in the range from 524 to 641oC. We confirmed the stability of the phases αTi, Ti6Si2B and Ti3Si at 700oC and 1000oC. The hardness of the rapidly solidified discs were in the range of 434 HV to 1207 HV.

Orientador : Amauri Garcia / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-04T03:13:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Spinelli_JoseEduardo_D.pdf: 12716637 bytes, checksum: 79131dc23b1f9de6e4d77299eeff6973 (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: Poucos estudos têm analisado os efeitos da convecção no líquido interdendrítico, bem como a influência da direção de crescimento em relação à gravidade nas variáveis térmicas e estruturais durante a solidificação. Neste trabalho, foi utilizado um dispositivo de solidificação unidirecional vertical descendente, constituído por uma lingoteira de aço inoxidável com diâmetro interno de 60 mm, 157 mm de comprimento e 9 mm de espessura. Na parte superior, foi posicionada uma câmara de refrigeração a água do mesmo material do molde e com espessura útil de 3,0 mm. Após a obtenção dos lingotes e registrados os respectivos perfis térmicos experimentais, foram determinadas as variáveis térmicas de solidificação: coeficiente de transferência de calor metal/molde, velocidades de deslocamento da isoterma liquidus, gradientes térmicos e taxas de resfriamento para a solidificação unidirecional descendente de ligas hipoeutéticas do sistema Sn-Pb (Sn5%Pb, Sn15%Pb e Sn20%Pb). Estas variáveis térmicas são confrontadas com as previsões teóricas de um modelo numérico de solidificação e, em seguida, correlacionadas com os parâmetros estruturais: espaçamentos dendríticos primários, secundários e transição colunar/equiaxial (TCE). Dessa forma, são determinadas equações experimentais de crescimento para a solidificação descendente e verificado um critério de previsão da TCE. Realiza-se também uma análise comparativa dos presentes resultados com aqueles obtidos para solidificação vertical ascendente de ligas de mesma composição. Os resultados comparativos mostram que o efeito convectivo estimula a ocorrência da TCE e ainda é responsável por uma sensível redução dos espaçamentos dendríticos primários. As previsões teóricas de modelos de crescimento dendrítico representativos da literatura são confrontadas com os resultados experimentais / Abstract: Only a few studies have reported influences of interdendritic convection and growth direction on dendrite arm spacings. A downward directional solidification apparatus was used having a stainless steel split mold with an internal diameter of 60 mm, height 157 mm and a 9 mm wall thickness. The upper part of the split mold was closed with a water-cooling chamber made of stainless steel, with a wall thiclmess of 3 mm. A combined theoretical and experimental approach is developed to quantitatively determine the solidification thermal parameters: transient heat transfer coefficients, tip growth rates, thermal gradients and cooling rates during downward unsteady state solidification ofhypoeutectic Sn-Pb alloys. The resulting thermosolutal convection can start in the melt both within the interdendritic region and ahead of the dendrite array. The experimental results have shown that melt convection may be causing pileup of fractioned dendritic arms, which must stimulate the CET occurrence. The results have supported a criterion recently proposed based on a critical tip cooling rate. For upward unidirectional condition this critical value was found to be about 0.014 K/s for hypoeutectic Sn-Pb alloys. In the present study, in conditions of downward solidification, melt convection seems to favor the structural transition, which is anticipated and occurs for a critical cooling rate of about 0.03 K/s, for any of three hypoeutectic alloys experimentally examined. Primary dendritic arm spacings have been affected by the direction of growth, decreasing in conditions of downward vertical solidification when compared with those grown vertically upwards. The main predictive theoretical models for dendritic spacings are compared with the experimental observations / Doutorado / Materiais e Processos de Fabricação / Doutor em Engenharia Mecânica

A proposta da modificação química da superliga MAR-M247 através da substituição do Ta pelo Nb (em átomos) foi baseada nas seguintes informações: (1) O Nb desempenha funções muita parecidas com as do Ta nas superligas à base de Ni, como endurecedor via solução sólida da fase ? e elemento formador de fases secundárias (?? e carbonetos); (2) O Brasil tem as maiores reservas de Nb do mundo e (3) O Nb já é adicionado em diversas classes de superligas à base de Ni - fundidas convencionalmente e solidificadas direcionalmente e monocristalinas. Neste trabalho o objetivo principal foi de avaliar a viabilidade da substituição do Ta pelo Nb na superliga à base de Ni MAR-M247. As amostras da MAR-M247 e da liga modificada - MAR-M247[Nb] utilizadas na caracterização microestrutural foram obtidas por solidificação direcional no forno a vácuo do tipo forno Bridgman (Lab. de Solidificação/FEM-UNICAMP) nas seguintes condições de processamento: v = 5, 10 e 18 cm/h e G = 80°C/cm. As simulações de cálculo termodinâmico utilizando o programa Thermo-Calc foram realizadas com o objetivo de se avaliar se as temperaturas de transformação mudariam com a substituição do Ta pelo Nb. Para avaliação das propriedades mecânicas em alta temperatura e a estabilidade estrutural da superliga MAR-M247[Nb] foram realizados ensaios de fluência a 750 e 850 °C nas tensões de 840, 780 e 440 MPa. A estabilidade microestrutural da MAR-M247[Nb] foi testada por meio de ensaios de oxidação isotérmica a 1000 °C no intervalo de tempo de 30 minutos a 100 h. A substituição do Ta pelo Nb promoveu mudanças significativas principalmente nas temperaturas de formação do eutético ?/??, solvus - ?? e de fusão incipiente. As microestruturas das ligas após os experimentos de solidificação direcional a v = 5, 10 e 18 cm/h eram constituídas por dendritas da fase gama - ? e precipitados coerentes da fase gama linha - ?? (morfologia cuboidal). Na região interdendrítica da MAR-M247 e MAR-M247[Nb] solidificadas a v = 5 e 10 cm/h foram encontrados os eutéticos ?/?? e ?/Ni5(Hf,Zr). Na v = 18 cm/h a região interdendrítica era constituída apenas do eutético ?/??. A exposição a 1250 °C por 15 e 30 dias promoveu a decomposição total e a re-precipitação de carbonetos do tipo MC. No entanto, devido à contaminação por oxigênio e nitrogênio durante os tratamento térmicos, não foi atingido o equilíbrio termodinâmico em decorrência de mudanças das composições dos carbonetos MC. Nos ensaios de fluência a 750 °C, os tempos de ruptura foram de 49 h para MAR-M247 e de 39,4 h para MAR-M247[Nb] apesar dos elevados valores das tensões terem sido superestimados. A 850 °C o tempo de ruptura da MAR-M247[Nb] (trup = 359 horas) foi reduzido em 32 % em relação ao valor observado para MAR-M247 (trup = 476 horas). Os resultados dos ensaios de oxidação a 1000 °C da superliga MAR-M247[Nb] mostraram que o período transiente foi de 20 h com ganho de massa expressivo. A partir de 50 h o efeito do descolamento das camadas oxidadas durante o resfriamento das amostras foi significativo e promoveu uma variação de massa importante no intervalo de tempo de 50 a 100 h. Ensaios de oxidação em tempos mais longo deverão ser feitos para determinação da estrutura de formação das camadas e seus respectivos constituintes. / The chemistry modification in the Ni-based superalloy MAR-M247 through the replacing all Ta by Nb was based on in these statements: (1) Nb does the same function in Ni-based superalloys as Ta does, solid solution strenghtening and ?? e carbides element formers, (2) Brazil has the major ores of Nb in the world and (3) Nb has been added in all classes of Ni superalloy conventional casting, columnar and single crystal processed by directional solidification. In this study the main focus was to evaluate the feasibility of replacing Ta by Nb in the Ni - based superalloy MAR-M247. The samples of MAR-M247 and the Nb modified MAR-M247[Nb] were produced by directional solidification in a Bridgman vacuum furnace at the Solidification Research Lab/FEM - UNICAMP) in the following processing conditions: v = 5, 10 and 18 cm/h and G = 80 °C/cm. The thermodynamic simulations using Thermo-Calc program were performed to evaluate whether or not the transformation temperatures would change with the replacing of Ta by Nb. For the evaluation of mechanical properties at high temperature were performed creep rupture tests at 750 and 850 °C under the stress values of 840, 780 and 440 MPa. The isotermal oxidation tests at 1000 °C were done during the time interval of 30 min to 100 h. The replacing of Ta by Nb promoted some changes in eutectic-?/??, ??-solvus and incipient melting temperatures. After the directional solidification experiments at the v = 5, 10 and 18 cm/h the microstructural characterization has shown that for all condition the microstructures were composed by dendrites - ? and ?? - cuboidal precipitates in it. In the interdendritic region was observe the ?/?? and ?/Ni5(Hf,Zr) eutectics for v = 5 and 10 cm/h and only the ?/?? eutectics for v = 18 cm/h. The exposure at 1250 °C for the extended times promoted the formation of fine MC carbides but the equilibrium compositions have not been achieved due to the oxygen and nitrogen contamination. In the creep rupture tests at 750 °C the MAR-M247[Nb] have shown more shorter lifetime than the MAR-M247 even with overestimated tensile stress. At 850 °C the lifetime for MAR-M247[Nb] (trup = 359 h) was reduced by 32 % compared to the MAR-M247 (trup = 476 h). It was discussed that the changes in the composition of the ? phase induced Ta by Nb replacing which would led to the weakness of matrix in the MAR-M247[Nb]. The samples were oxidized at 1000 °C showed 20 h to the transient period and significant weight gain in that time. However at the extended period the weight gain had changed significantly and was precluded to predict the structure formation of oxides layer properly.

A proposta da modificação química da superliga MAR-M247 através da substituição do Ta pelo Nb (em átomos) foi baseada nas seguintes informações: (1) O Nb desempenha funções muita parecidas com as do Ta nas superligas à base de Ni, como endurecedor via solução sólida da fase ? e elemento formador de fases secundárias (?? e carbonetos); (2) O Brasil tem as maiores reservas de Nb do mundo e (3) O Nb já é adicionado em diversas classes de superligas à base de Ni - fundidas convencionalmente e solidificadas direcionalmente e monocristalinas. Neste trabalho o objetivo principal foi de avaliar a viabilidade da substituição do Ta pelo Nb na superliga à base de Ni MAR-M247. As amostras da MAR-M247 e da liga modificada - MAR-M247[Nb] utilizadas na caracterização microestrutural foram obtidas por solidificação direcional no forno a vácuo do tipo forno Bridgman (Lab. de Solidificação/FEM-UNICAMP) nas seguintes condições de processamento: v = 5, 10 e 18 cm/h e G = 80°C/cm. As simulações de cálculo termodinâmico utilizando o programa Thermo-Calc foram realizadas com o objetivo de se avaliar se as temperaturas de transformação mudariam com a substituição do Ta pelo Nb. Para avaliação das propriedades mecânicas em alta temperatura e a estabilidade estrutural da superliga MAR-M247[Nb] foram realizados ensaios de fluência a 750 e 850 °C nas tensões de 840, 780 e 440 MPa. A estabilidade microestrutural da MAR-M247[Nb] foi testada por meio de ensaios de oxidação isotérmica a 1000 °C no intervalo de tempo de 30 minutos a 100 h. A substituição do Ta pelo Nb promoveu mudanças significativas principalmente nas temperaturas de formação do eutético ?/??, solvus - ?? e de fusão incipiente. As microestruturas das ligas após os experimentos de solidificação direcional a v = 5, 10 e 18 cm/h eram constituídas por dendritas da fase gama - ? e precipitados coerentes da fase gama linha - ?? (morfologia cuboidal). Na região interdendrítica da MAR-M247 e MAR-M247[Nb] solidificadas a v = 5 e 10 cm/h foram encontrados os eutéticos ?/?? e ?/Ni5(Hf,Zr). Na v = 18 cm/h a região interdendrítica era constituída apenas do eutético ?/??. A exposição a 1250 °C por 15 e 30 dias promoveu a decomposição total e a re-precipitação de carbonetos do tipo MC. No entanto, devido à contaminação por oxigênio e nitrogênio durante os tratamento térmicos, não foi atingido o equilíbrio termodinâmico em decorrência de mudanças das composições dos carbonetos MC. Nos ensaios de fluência a 750 °C, os tempos de ruptura foram de 49 h para MAR-M247 e de 39,4 h para MAR-M247[Nb] apesar dos elevados valores das tensões terem sido superestimados. A 850 °C o tempo de ruptura da MAR-M247[Nb] (trup = 359 horas) foi reduzido em 32 % em relação ao valor observado para MAR-M247 (trup = 476 horas). Os resultados dos ensaios de oxidação a 1000 °C da superliga MAR-M247[Nb] mostraram que o período transiente foi de 20 h com ganho de massa expressivo. A partir de 50 h o efeito do descolamento das camadas oxidadas durante o resfriamento das amostras foi significativo e promoveu uma variação de massa importante no intervalo de tempo de 50 a 100 h. Ensaios de oxidação em tempos mais longo deverão ser feitos para determinação da estrutura de formação das camadas e seus respectivos constituintes. / The chemistry modification in the Ni-based superalloy MAR-M247 through the replacing all Ta by Nb was based on in these statements: (1) Nb does the same function in Ni-based superalloys as Ta does, solid solution strenghtening and ?? e carbides element formers, (2) Brazil has the major ores of Nb in the world and (3) Nb has been added in all classes of Ni superalloy conventional casting, columnar and single crystal processed by directional solidification. In this study the main focus was to evaluate the feasibility of replacing Ta by Nb in the Ni - based superalloy MAR-M247. The samples of MAR-M247 and the Nb modified MAR-M247[Nb] were produced by directional solidification in a Bridgman vacuum furnace at the Solidification Research Lab/FEM - UNICAMP) in the following processing conditions: v = 5, 10 and 18 cm/h and G = 80 °C/cm. The thermodynamic simulations using Thermo-Calc program were performed to evaluate whether or not the transformation temperatures would change with the replacing of Ta by Nb. For the evaluation of mechanical properties at high temperature were performed creep rupture tests at 750 and 850 °C under the stress values of 840, 780 and 440 MPa. The isotermal oxidation tests at 1000 °C were done during the time interval of 30 min to 100 h. The replacing of Ta by Nb promoted some changes in eutectic-?/??, ??-solvus and incipient melting temperatures. After the directional solidification experiments at the v = 5, 10 and 18 cm/h the microstructural characterization has shown that for all condition the microstructures were composed by dendrites - ? and ?? - cuboidal precipitates in it. In the interdendritic region was observe the ?/?? and ?/Ni5(Hf,Zr) eutectics for v = 5 and 10 cm/h and only the ?/?? eutectics for v = 18 cm/h. The exposure at 1250 °C for the extended times promoted the formation of fine MC carbides but the equilibrium compositions have not been achieved due to the oxygen and nitrogen contamination. In the creep rupture tests at 750 °C the MAR-M247[Nb] have shown more shorter lifetime than the MAR-M247 even with overestimated tensile stress. At 850 °C the lifetime for MAR-M247[Nb] (trup = 359 h) was reduced by 32 % compared to the MAR-M247 (trup = 476 h). It was discussed that the changes in the composition of the ? phase induced Ta by Nb replacing which would led to the weakness of matrix in the MAR-M247[Nb]. The samples were oxidized at 1000 °C showed 20 h to the transient period and significant weight gain in that time. However at the extended period the weight gain had changed significantly and was precluded to predict the structure formation of oxides layer properly.

Submitted by JOSIANE SANTOS DE OLIVEIRA (josianeso) on 2018-12-21T13:22:18Z No. of bitstreams: 1 José Henrique Nazzi Ehms_.pdf: 4808489 bytes, checksum: b590c723912ffe1d5d90006182f8cff2 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-12-21T13:22:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 José Henrique Nazzi Ehms_.pdf: 4808489 bytes, checksum: b590c723912ffe1d5d90006182f8cff2 (MD5) Previous issue date: 2018-10-31 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Armazenamento térmico apresenta grande potencial de utilização em diversas aplicações, como energia solar, climatização, conservação de alimentos ou aproveitamento de calor residual em processos industriais. O armazenamento térmico de calor latente é realizado com materiais de mudança de fase (PCM), através dos processos de fusão e solidificação. A representação destes processos através de simulação numérica é realizada com o acréscimo ao modelo matemático básico, composto pelas equações da conservação da massa, quantidade de movimento e energia, modelos para descrever o calor latente e a transição na velocidade entre as fases, tais como: Darcy STM (source term method), VVM (variable viscosity method) e SOM (switch-off method). No entanto, a grande maioria das pesquisas nesta área utiliza o primeiro método. Além disso, são poucos os estudos comparativos de diferentes métodos para descrever processos de mudança de fase. Assim, o objetivo do presente estudo é comparar os métodos Darcy STM, VVM e misto (utilizando elementos dos dois anteriores) na simulação numérica de processos de fusão e de solidificação do PCM RT27 no interior de uma esfera. O estudo foi realizado utilizando-se fluidodinâmica computacional, através do método dos volumes finitos. O Modelo numérico foi validado com resultados experimentais da literatura. Os resultados quantitativos e qualitativos de fração líquida mostram que o método Darcy STM é mais adequado ao processo de solidificação, enquanto o método VVM produz resultados mais próximos aos experimentais no processo de fusão. O custo computacional foi menor para o método Darcy STM e maior para o método VVM, enquanto o método misto apresenta custo computacional pouco inferior ao do método VVM. Na análise da camada líquida na fusão de contato, foram analisadas a velocidade descendente do sólido, a espessura da camada e a vazão na camada. Os resultados referentes a camada líquida indicaram significativa influência das configurações do método Darcy STM. No entanto, são pouco influenciados pelas configurações do método VVM. / Thermal energy storage presents great potential of utilization in several applications, such as solar energy, HVAC systems, food conservation or waste heat recovery in industrial processes. Latent heat thermal energy storage is realized with phase change materials (PCM), through solidification and melting processes. Representation of such processes through numerical simulation is performed with the addition to the basic numerical model, composed of the conservation equations of mass, momentum and energy, models to account the latent heat and the velocity transition between the phases, such as: Darcy STM (source term method), VVM (variable viscosity method) and SOM (switch-off method). However, the large majority of the research on such area employ the first method. Besides that, there are few comparative studies of different methods to describe phase change processes. Thus, the objective of the present work is compare Darcy STM, VVM and mixed method (using elements of the two prior) in the simulation of melting and solidification processes of PCM RT27 inside a sphere. The study was realized using computational fluid dynamics, with the finite volume method. The numerical model was validated with experimental results from literature. Quantitative and qualitative results of liquid fraction show that Darcy STM is most suitable to solidification process, while VVM produces results closer to experimental in the melting process. Computational cost was smaller for Darcy STM and greater for VVM, while mixed method presents computational cost slightly lower than the one of VVM. In the analysis of the liquid layer in close contact melting, were analyzed descending velocity of the solid, liquid layer thickness and the flow in the liquid layer. The results regarding the liquid layer denote significant influence of the configurations for Darcy STM. However, such results are little influenced by the configurations of VVM.