Este trabalho consiste em uma pesquisa experimental comparativa entre o zircônio puro e a liga comercial de aplicação nuclear Zircaloy-4, com ênfase nas características de encruamento, recristalização e textura cristalográfica. Foram utilizadas várias técnicas complementares de análise microestrutural tais como microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura com análise química de microrregiões por dispersão de energia de raios X característicos, difração de raios X, calorimetria exploratória diferencial, medidas de dureza e de condutividade elétrica. Para as determinações de macrotextura foi utilizado um goniômetro dedicado de raios X. No estado como recebido, enquanto o zircônio puro apresentava grãos recristalizados com diâmetro médio de aproximadamente 50μm, a liga apresentava granulação alfa em plaquetas grosseiras com diâmetro médio do pré-grão beta de aproximadamente 1,1mm. Experiências de laminação e a determinação de curvas de limite de redução sem a presença de trincas em função da temperatura mostraram que enquanto o zircônio puro apresentou níveis altos de plasticidade na temperatura ambiente, a liga Zircaloy-4 apresentou baixa ductilidade e muitas trincas. As ductilidades dos dois materiais, especialmente da liga Zircaloy-4, aumentaram significativamente a partir de 300°C. A 500°C as ductilidades de ambos são idênticas. Utilizando-se deformações e recozimentos diferenciados foram obtidas tiras de mesma espessura, com grãos equiaxiais e diâmetros médios de grão de aproximadamente 9µm para os dois materiais. Os estudos de recristalização revelaram que, enquanto para o zircônio puro a recuperação contribui significativamente para o amolecimento, no caso da liga Zircaloy-4, o amolecimento ocorre quase que exclusivamente por recristalização. As temperaturas de recristalização do zircônio puro foram mais baixas que as da liga. Os átomos de soluto em solução sólida foram responsáveis pelos dois efeitos concorrentes; aumento da energia armazenada na deformação e aumento da resistência à recristalização. Além da caracterização microestrutural mencionada, foram realizadas determinações de textura cristalográfica para os dois materiais em diferentes condições. Com relação às texturas de laminação do zircônio puro, para uma mesma temperatura, em cerca de 50% de redução a textura de laminado a frio {1 1 2 2} já estava plenamente formada e se alterou muito pouco a partir desta redução, até cerca de 90%. Com o aumento de temperatura de deformação para a mesma redução, a textura de laminado a frio se manteve estável até 300°C. A amostra de Zircaloy-4 preparada para possuir um tamanho de grão de 9 m tinha uma textura próxima de {0 0 0 2} , demonstrando que os tratamentos térmicos e mecânicos utilizados para obtenção dessa amostra foram eficientes na redução da textura de laminado a frio {1 1 2 2} . Recozimentos com duração de uma hora a 550 e 575°C, tanto em zircônio puro como na liga Zircaloy-4, foram suficientes para provocar recristalização estática. A 600°C, uma mudança na orientação cristalográfica foi verificada em Zircaloy-4, tendendo a {0 0 0 2} , enquanto em zircônio puro os planos basais continuam estáveis. O uso de funções de distribuição de orientação cristalográfica (FDOC) auxiliaram na detecção de um segundo grupo orientado, que tende à orientação {1 0 1 1} , além do grupo que reforça as fibras D0 e Rf . A mudança de textura ocorreu durante o crescimento de grão em ambos os materiais. De um modo geral, os resultados mostraram que o zircônio puro tende a ser mais suscetível à recristalização e ao crescimento de grão do que a liga Zircaloy-4. Entretanto, tanto zircônio como a liga são resistentes à modificação de textura, sendo que esta ocorreu principalmente com o crescimento de grão, em temperaturas após a completa recristalização primária. / This work shows a comparative experimental research between pure zirconium and the nuclear-grade zirconium alloy Zircaloy-4. This work emphasizes the characteristics of strain hardening, recrystallization, and crystallographic texture. Was used several complementary techniques for microstructural analysis such as optical microscopy, scanning electron microscopy with chemical analysis (EDS), X-ray diffraction, differential scanning calorimetry, indentation hardness and electrical conductivity. For measurements of macrotexture was used a dedicated X-ray goniometer. In the as received state, while pure zirconium showed grains recrystallized with an average diameter of about 50µm, the alloy had rough alpha plates with average diameter of beta pregrain of about 1,1mm. Rolling experiments and determination of reduction limit curves without cracks as a function of temperature showed that while zirconium pure showed high levels of plasticity at room temperature, the alloy zircaloy-4 showed low ductility and many cracks. The ductilities of the two materials, mainly zircaloy-4, significantly increased from 300°C. At 500°C, the ductilities were identical. Using different strains and annealing were obtained strips of equal thickness, with equiaxed grains and grain average diameters of about 9µm for both materials. Recrystallization studies revealed that recovery contributes significantly to softening of pure zirconium. In the case of the alloy zircaloy-4, the softening occurs almost exclusively by recrystallization. The temperature of recrystallization of the pure zirconium were lower than the alloy. The solute atoms in the solid solution were responsible for the two competing effects, the increase of the strain energy stored and the increasing of recrystallization resistance. Crystallographic texture measurements were made for both materials under different conditions. With respect to the rolling textures of pure zirconium, in about 50% reduction of the cold-rolled texture {1 1 2 2} was already fully formed and changed very little from this reduction to about 90%. With the increase of temperature strain to the same reduction, texture cold rolled remained stable up to 300°C. The sample of zircaloy-4 prepared to have a grain size of 9m had a texture close to {0 0 0 2} , demonstrating that the thermal and mechanical treatments used to obtain this sample were effective in reducing texture of cold-rolled {1 1 2 2} . One hour annealings at 550 and 575°C, in pure zirconium and Zircaloy-4, were suffcient to cause static recrystallization. At 600 °C a change in crystallographic orientation was seen in zircaloy-4, tends to {0 0 0 2} , while in pure zirconium the basal planes remains stable. The use of orientation distribution functions (ODF) aided in the detection of a second oriented group, which tends to orientation {1 0 1 1} , besides the group that reinforced D0 and Rf fibers. The change in texture occurred during the grain growth in both materials. In general, the results showed that pure zirconium tends to be more susceptible to recrystallization and grain growth than Zircaloy-4. Nevertheless, Both zinconium and Zircaloy-4 are resistant to texture changes. The texture changes occurred mainly in grain growth, at temperatures after complete recrystallization.

Componentes fabricados em ligas de titânio são ideais para sistemas complexos que exigem altos desempenho e confiabilidade devido à sua combinação de alta resistência específica e de resistência à corrosão. A liga Ti-6Al-4V é a mais importante liga de titânio e sua aplicação inclui desde a indústria aeroespacial até implantes cirúrgicos. Apesar dessas características atraentes, o uso de ligas de titânio é limitado pelo custo. O processamento de ligas por metalurgia do pó facilita a obtenção de peças com geometrias complexas e, provavelmente, com menor custo. O objetivo deste trabalho é investigar rotas de produção da liga Ti-6Al-4V por metalurgia do pó, baseado no estudo do desenvolvimento microestrutural e densificação, visando definir as melhores alternativas para sua elaboração. Foram produzidas amostras por quatro rotas, pela mistura de pós metálicos elementares (Rota 1), pós metálicos elementares de Al e V com pó de TiH2 (Rota 2), pó pré-ligado de Ti-6Al-4V hidrogenado (Rota 3) e pó pré-ligado de Ti-6Al-4V atomizado (Rota 4), seguida por prensagem uniaxial e isostática a frio com subseqüente densificação por sinterização entre 800-1400C, em alto vácuo (10-7 Torr). Foram caracterizadas amostras sinterizadas em termos de composição de fase, microestrutura e microdureza por difração de raios-X, microscopia eletrônica de varredura e indentação Vickers, respectivamente. Análises de massa específica foram realizadas pelo método de Arquimedes. As propriedades mecânicas foram analisadas por ensaios de compressão. O comportamento de contração/expansão das amostras foi analisado por dilatometria. As análises realizadas indicam uma tendência à obtenção de melhores resultados em termos de densificação e desenvolvimento microestrutural com a utilização de pós pré-ligados que passaram por processo de hidrogenação.

Nitretos de ferro são importantes materiais em metalurgia, especialmente como constituintes das chamadas camadas de compostos, produzidas na superfície de peças fabricadas em aço e endurecidas por nitretação e carbonitretação. Mais recentemente, os nitretos de ferro reapareceram na literatura, mas agora, como filmes finos e potenciais candidatos para utilização em cabeças de gravação magnéticas. Com o objetivo de investigar este assunto, uma série de experimentos de nitretação iônica é conduzida em amostras de aço inoxidável austenítico da classe SAE 303, usando um aparato experimental baseado em uma descarga luminescente dc localizada entre os pólos magnéticos de um eletroíma. Neste sistema, a amostra é colocada como catodo e o campo magnético (B), uniforme e perpendicular à superfície da amostra, pode variar de zero a 1440 gauss. Os processos de nitretação são levados a efeito sob uma temperatura constante de 430 oC e pressão de 5,0 Torr, enquanto diferentes misturas de N2-H2 são usadas. As camadas nitretadas são caracterizadas por difração de raios-X, microdurezas Vickers e Knoop, microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia Mössbauer de elétrons de conversão (Conversion Electron Mössbauer Spectroscopy, CEMS). Os resultados mostram uma forte influência do campo magnético aplicado sobre as propriedades mecânicas da superfície das amostras, como conseqüência das diferentes fases de nitretos formadas. Um decréscimo na dureza superficial, com o aumento do campo magnético, é observado em todas as condições estudadas. As camadas nitretadas obtidas, utilizando-se uma mistura de 20% N2 - 80% H2, são monofásicas, consistindo de nitretos do tipo e. Já as camadas nitretadas, produzidas utilizando-se misturas mais ricas em nitrogênio, 50% N2 - 50% H2 e 80% N2 - 20% H2, revelam-se polifásicas, sendo contituídas pelos nitretos e e g', ocorrendo a formação do nitreto Fe4.4N em detrimento do nitreto Fe3N com o aumento do campo magnético.

Foi investigada a influência de elementos de liga como o Cromo, o Níquel, o Carbono e o Nitrogênio no intervalo de solidificação de um aço inoxidável martensítico fundido do tipo CA6NM. Este tipo de aço, utilizado na fundição de peças de grande porte, é bastante utilizado pela sua ótima resistência ao impacto, e boas propriedades contra corrosão em meio aquoso. Além disso, este aço possui ótima fundibilidade, tendo como principal característica seu reduzido intervalo de solidificação, o que torna diminutos os defeitos relacionados a este fenômeno. Resultados obtidos por cálculos termodinâmicos utilizando-se o Thermo-calc sugeriram forte dependência deste parâmetro em relação ao teor de Carbono (0,018%C a 0,044%C), com o intervalo de solidificação variando de 25°C a 43°C no intervalo de composições definidos pela norma como aceitáveis para a liga. Os outros elementos de liga analisados, segundo os cálculos termodinâmicos, não demonstraram influência significativa dentro das faixas toleradas pela norma. Foram fundidas 13 amostras com as composições químicas simuladas no Thermo-calc, e seus intervalos de solidificação foram investigados por análise térmica diferencial (DTA) e calorimetria exploratória diferencial (DSC). Contrariando os resultados do Thermo-calc, a influência do Carbono não foi comprovada, não havendo variação do intervalo de solidificação entre as amostras. Para confirmar os resultados de análise térmica, as amostras desta técnica foram analisadas por metalografia, não sendo observado qualquer tipo de reação no material ensaiado (descarbonetação, oxidação, etc). / The influence of alloying elements like Chromium, Nickel, Carbon and Nitrogen on the solidification interval on a CA6NM martensitic stainless steel casting was investigated. This steel class, mainly used on large castings, applies due to the fact that it has very good impact resistance, and satisfactory corrosion properties. Besides that, this stainless steel class has excellent castability, having as an important characteristic its reduced solidification interval, diminishing the tendency for solidification defects. The results obtained by thermodynamic calculations using Thermo-calc package have suggested a strong influence of the Carbon content on the solidification interval (25°C a 43°C) when the carbon content is varied within the range allowed by the alloy standard (0,018%C to 0,044%C). Other alloying elements, according to the thermodynamic calculations, have no influence over the solidification interval. Thirteen samples were cast based on the simulated chemical compositions and their solidification interval was investigated by differential thermal analysis (DTA) and differential scanning calorimetry (DSC). Contrary to the thermodynamic calculations, no influence of Carbon was observed on the solidification interval. In order to confirm the thermal analysis results, metallographic tests were performed on the DTA samples, with no observation of any unusual reaction on them, like oxidation or decarburizing.

A produção mundial de aço inoxidável nos últimos anos teve o maior crescimento dentre os principais metais usados na indústria. É notável a importância dos processos industriais dos aços inoxidáveis devido ao contínuo desenvolvimento desses materiais, em busca de uma melhor qualidade, com menores custos de produção e de forma sustentável. Uma das formas de obtenção do aço inoxidável é através do processo VOD, que consiste em remover o carbono do aço pela a injeção de oxigênio e reduzindo a pressão parcial do gás (CO) através da aplicação de vácuo. A primeira etapa desse processo é o sopro de oxigênio, onde é importante controlar a pressão do sistema de maneira a promover a menor oxidação do cromo sem ocorrência de transbordamentos de aço e excesso de \"splash\". Atualmente, existem diversas práticas de operação no VOD em que se tem uma redução contínua da pressão de vácuo em conjunto com alterações de outras variáveis durante o sopro de oxigênio, de forma a controlar a reação de descarburação sem perder em excesso, o cromo. O objetivo desse trabalho foi encontrar o tempo de sopro de oxigênio em função do carbono inicial para cada corrida, a partir do qual seja possível reduzir a pressão de vácuo sem causar danos ao processo. Isso porque a geometria da panela e o teor de carbono inicial empregados na Villares Metals S.A. possuem características distintas em comparação com outras plantas, que faz com que seu processo de descarburação seja singular. Nos resultados obtidos é possível confirmar que, operando com pressões de vácuo mais baixas durante o sopro de oxigênio, pode-se evitar perdas desnecessárias de cromo. Além disso, a relação encontrada entre o tempo de sopro e o carbono inicial através de uma equação cinética, pode ser utilizada na determinação do tempo aproximado para redução da pressão de vácuo para cada corrida. Assim se terá uma operação de descarburação mais eficiente em relação à oxidação dos elementos de liga e redução do consumo de oxigênio, de redutores e do tempo de processo, com segurança e economia. / The stainless steel melt shop production growth in the last years was the biggest comparing to the other important metals in the industry. It is noticeable the importance of the stainless industrial process due to its continuous development in order to seek better quality with lower costs and sustainable methods. One of the possibilities to produce stainless is by VOD process, which consists to remove the carbon content by oxygen injection and reducing the partial pressure of (CO) gas through vacuum application. Oxygen blowing is the first step of this process, where it is important to control the chamber pressure in order to avoid the chromium oxidation without steel overflow and excessive splash during process. Currently, different operation practices in the VOD have been applied reducing continuously the vacuum pressure simultaneously with other parameters during oxygen blowing, in the interest of controlling the decarburization reaction avoiding the loss of chromium. The objective of this study was to find the oxygen blowing time according to the initial carbon content for each heat, from which it is possible to reduce the vacuum pressure avoiding damages to the process. The reason of this is due to the ladle geometry and the initial carbon content applied on the Villares Metals process have special characteristics comparing to other plants, which make its process singular. On the results achieved, it is possible to confirm that, operating in lower vacuum pressure during oxygen blowing, it is possible to avoid unnecessary chromium losses. Moreover, the ratio found out between the blowing time and the initial carbon content through a kinetic equation, can be applied to determine the estimated time to reduce the vacuum pressure for each heat. Therefore, the decarburization process will be more efficient according to the alloy oxidation and save the oxygen consumption, deoxidizers and process time, with safe and reducing cost.

Este trabalho consiste em uma pesquisa sobre aços inoxidáveis ferríticomartensíticos de ativação reduzida (RAFM): EUROFER (9Cr-1W) e ODS-EUROFER (9Cr-1W-0,3Y2O3), envolvendo o encruamento e a recristalização destas duas ligas com o objetivo de estudar a influência de uma dispersão de partículas nanométricas na recristalização de aços inoxidáveis. O conceito de materiais de ativação reduzida é discutido e é apresentada a aplicação destes aços tanto na estrutura de diversor do ITER quanto na primeira parede no módulo de câmara fértil do reator DEMO. As placas, no estado revenido, foram laminadas a frio em um laminador de pequeno porte. As curvas de encruamento de ambos os materiais mostram um comportamento quase linear. Os tratamentos isócronos de uma hora, entre 300 e 750 °C, resultaram curvas de amolecimento que indicam uma forte resistência à recristalização da liga ODS-EUROFER, em concordância com os modelos teóricos. A liga EUROFER-97 apresentou recristalização muito similar a liga comercial 430, mas com maior dureza inicial, devido a maior quantidade de elementos intersticiais. / This work studies reduced activation ferritic-martensitic (RAFM) stainless steels: EUROFER (9Cr-1W) and ODS-EUROFER (9Cr-1W-0,3Y2O3), and their work hardening and recrystallization behaviour to better understand the influence of a dispersion of nanometric particles on the recrystallization process of stainless steels. The concept of reduced activation materials is discussed and the application of these steel alloys, such as in the divertor structure of ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) and as in the DEMO reactor breeding blanket first wall is shown. The plates, in the as-tempered condition, were cold rolled in a laboratory rolling mill. The work hardness curves of both materials presented an approximately linear behavior with strain increase. One hour isochronal treatments, in the temperature range from 300 to 750 °C, resulted in softening curves that indicated a strong resistance to recrystallization of the alloy ODS-EUROFER, supporting the theorical models. The EUROFER-97 recrystallization showed a similar behaviour to the commercial 430 alloy, however with higher initial hardness, due to the larger amount of interstitial elements.

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Metalúrgica, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Prof. Dr.ª Silva Ribeiro

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor em Engenharia Metalúrgica e de Materiais, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação dos Professores José Domingos Santos e Fernando Jorge Monteiro

Neste trabalho foram realizadas as moagens da cinza pesada de carvão mineral nos tempos de 2h, 4h, 8h, 16h, 32h e 64h para desenvolvimento do compósito Cinza- 20Fe contendo 80% de cinza pesada moída e 20% de pó de ferro. As amostras foram compactadas com diferentes pressões, variando entre 300 a 400 N/mm2 e posteriormente sinterizadas a 1500 °C, seguindo as etapas da metalurgia do pó convencional. A determinação do tamanho de partículas das amostras após a moagem foi realizada por difração a laser. A análise microscópica mostrou que com o aumento do tempo de moagem resultou em uma maior deformação e/ou fragmentação das partículas. A microestrutura dos corpos de prova e a homogeneidade da cinza nos diferentes tempos de moagem foram avaliadas utilizando-se Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV). Em seguida foi feita a compactação e obteve-se a curva de compressibilidade. Também determinou-se a densidade aparente e a densidade à verde. Realizou-se a sinterização e foi verificada a densidade das amostras sinterizadas. Mediu-se a microdureza, realizouse o ensaio de MEV e EDS da amostra sinterizada. Os melhores resultados para o compósito Cinza-20Fe foram conseguidos para o tempo de 32 horas de moagem, onde foi obtida uma boa densificação. Tempos de moagem maiores que 32 horas foram prejudiciais nas propriedades do material. Os resultados mostraram que não é possível a obtenção de compósitos a partir da cinza pesada. / In this work the miling of coal bottom ash was performed in times of 2h, 4h, 8h, 16h, 32 h and 64 h for the development of ash - 20Fe composite containing 80% bottom ash and 20 % milled iron powder. Samples they were compressed with a pressures ranging from 300 to 400 N/mm2 and then sintered at 1500°C, following the steps of conventional powder metallurgy. The determination of the particle size after grinding of the samples was performed by laser diffraction. Microscopic analysis showed that with increasing milling time resulted in a greater deformation and / or fragmentation of the particles. The microstructure of the specimens and the homogeneity of the ashes in different milling times were evaluated using Scanning electron microscope (SEM). Then the compression tests was permormed and the curve was obtained. We also determined the apparent density and the green density. Sintering was performed and the density of the sintered samples. Microhardness, SEM and EDS test analyses of the sintered samples were performed. The best results for the composite ash- 20Fe was achieved for the time of 32 hours grinding, which achieved a good densification . Times greater than 32 hours of milling were detrimental to the properties of the material. The results showed that it is not possible to obtain composites from bottom ash.

Submitted by Stéfany Moreira (stemellra@yahoo.com.br) on 2013-03-06T14:01:11Z No. of bitstreams: 1 DISSERTAÇÃO_InfluênciaTemperaturaPressão.pdf: 1137386 bytes, checksum: 20600a890a47762b3c753bc2e5660842 (MD5) / Approved for entry into archive by Neide Nativa (neide@sisbin.ufop.br) on 2013-03-12T21:09:16Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DISSERTAÇÃO_InfluênciaTemperaturaPressão.pdf: 1137386 bytes, checksum: 20600a890a47762b3c753bc2e5660842 (MD5) / Made available in DSpace on 2013-03-12T21:09:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DISSERTAÇÃO_InfluênciaTemperaturaPressão.pdf: 1137386 bytes, checksum: 20600a890a47762b3c753bc2e5660842 (MD5) Previous issue date: 2007 / Neste trabalho, investigou-se a capacidade de um modelo estatístico em evidenciar interações entre as variáveis e ajudar na compreensão do processo de secagem de pelotas de minério de ferro. As variáveis estudadas foram pressão, temperatura, produção e granulometria da pelota crua. Um projeto de experimento foi desenvolvido para determinar as interações entre as variáveis estudadas para a otimização do processo de secagem. O experimento foi dividido em duas etapas: secagem ascendente e secagem descendente. A secagem ascendente foi divida em dois blocos, com a granulometria das pelotas cruas avaliadas em separado. Depois de realizado e otimizado a etapa da secagem ascendente, o melhor resultado desta etapa serviu de base para a etapa de secagem descendente. A etapa de secagem descendente foi avaliada somente com pelotas na granulometria heterogênea. Foi constatado que alterações nas variáveis, pressão, temperatura, produção e granulometria das pelotas cruas causam um efeito significativo no processo de secagem ascendente e descendente. Por sua vez, algumas variáveis do processo de secagem como permeabilidade do leito e umidade ideal, que não foram consideradas como parâmetros neste estudo, também influenciam os resultados finais do experimento. Verificou-se também, que a variável pressão, exerce uma influência significativa na redução da umidade no processo de secagem ascendente pelotas homogêneas e heterogêneas. Em compensação, há um efeito negativo, que é a redução na resistência mecânica das pelotas cruas e secas. Foi ainda constatado que o fator produção exerce uma influência significativa na redução da umidade nas três camadas de pelotas cruas durante a secagem descendente de pelotas heterogêneas. __________________________________________________________________________________________ / ABSTRACT: In this work, the process of drying pellets was investigated using a statistical methodology. The factors studied were pressure, temperature, production and green pellet size. An experiment project was designed to determine the interactions between the factors and optimize the drying process. The experiment was divided in two stages: up draft drying and down draft drying. The up draft was divided in two blocks. In the first pellets as different sizes were used. After up draft drying optimization, the best test condition was chosen and down draft drying was investigated. The stage of down draft drying was evaluated with only pellets of same size. The factors pressure, temperature, production and green pellets size caused a significant effect in both up draft drying and down draft drying processes. Some variables of drying process, as permeability of the streambed and ideal moisture, which had not been considered as parameters in this study, had influenced in the final results of the experiment. Pressure has a significant influence in the moisture decrease in the process of up draught drying with homogeneous and heterogeneous pellets. However, it has a negative effect causing a decrease of green and fired pellets compression strength. Production has a significant influence in moisture decrease in the three layers of green pellets in the process of down draught drying with heterogeneous pellets.