Polymeric insulators are now a common replacement for conventional porcelain and glass string insulators on overhead distribution and transmission lines. The use of this mature technology represents many advantages to the utilities; however, in polluted environments and those with high moisture levels in the environment, electrical discharges will develop on the surface of the insulation. In the long term, electrical discharges cause degradation of the polymer insulation in the form of electrical tracking and material erosion, and both are detrimental to the life of the insulation. Inorganic fillers are added to polymer materials to make the insulation more resistant to discharges, and at the same time, to lower the cost of the insulation. However, there is a limit to the amount of filler that can be added as the processability of the polymer compound becomes extremely difficult and expensive. Microfillers are extensively used to modify the physical properties of the polymeric matrix, and the properties of these composites are well known. On the other hand, nanofillers are being used in some insulating composites for reinforcement of mechanical properties; their electrical characteristics have shown inconsistency in the literature, and this is attributable to the non-uniformity of the filler dispersion. Most researchers agree that particle dispersion is critical in the development of nanocomposites for electrical insulation applications. If the nanoparticles are well dispersed, the electrical properties of these materials will be significantly improved. The main problem in using nanofillers is that the nanoparticles agglomerate easily because of their high surface energy, such that conventional mixing techniques are unable to break apart the nanoparticle aggregates. A secondary problem is the incompatibility of the hydrophobic polymer with the hydrophilic nanoparticles which results in poor interfacial interactions. In this thesis, the reinforcement of a silicone rubber matrix is successfully accomplished with the combination of microfiller, nanofiller, and a commercial surfactant. To improve particle dispersion, several techniques are available apart from mixing. This includes surface modification of the nanoparticles by chemical and physical methods by using surfactants. While surfactants are commonly applied to liquids, their use to disperse nanoparticles in compositions forming solid dielectric materials has not yet been reported. The findings in this thesis have shown that Triton X-100, a common surfactant, significantly aids in the dispersion of nanosilica and nanoalumina in silicone rubber. The main advantage of the surfactant is that it lowers the surface energy and the interfacial tension of the nanoparticles. This reduces agglomeration and facilitates the separation of the particles during mixing, thereby allowing improved dispersion of the nanofillers, as observed through Scanning Electron Microscopy (SEM). However, also shown in the thesis is that Triton X-100 cannot interact efficiently with all types of nanofillers. A high concentration of surfactant can also compromise the adsorption of the matrix polymer chains on the filler particles, so it is necessary to establish a balance between matrix adsorption and the dispersion of the particles. Mechanical properties such as the tensile strength, elongation at break, and hardness may also suffer from the use of excess surfactant. In addition, excess surfactant can lead to surface wetting properties different from composites containing none. Better wetting due to the migration of excess surfactant to the surface of the silicone may favour arcing in a wet environment. The current investigation shows that for a specific filler and concentration, an optimal concentration of surfactant provides good erosion resistance without adversely affecting the mechanical characteristics of the nanocomposite. Stress–strain and hardness measurements are done to investigate the surfactant’s effect on the mechanical properties of the composites. The effect of the surfactant on the surface of the composites is analyzed with static contact angle measurements. The heat resistance of nanofilled silicone rubber is explored using an infrared laser simulating the heat developed by dry-band arcing. Also, several industry standard test methods such as salt fog and inclined plane tests are used to evaluate the erosion resistance of the filled composites. The results of all three tests confirm that the combination of microfiller and nanofiller with surfactant results in composites with improved erosion resistance to dry band arcing, with the exception of the case where calcinated filler is used in the formulation. In this thesis, the thermal conductivity is measured using a standard ASTM method and calculated using several theoretical, semi-theoretical, and empirical models. A thermal model developed in COMSOL Multiphysics and solved using a finite element method (FEM) shows a temperature distribution in the modelled nanocomposites which is comparable to the temperature distribution measured with an infrared camera under laser heating. In addition, this investigation aims to define the mechanism by which the nanofillers improve the heat and erosion resistance of the silicone composites. In order to understand this mechanism, nano fumed silica, nano natural silica, and nano alumina are used in a silicone rubber (SiR) matrix in order to study the thermally decomposed silicone and the residual char that is formed during laser ablation tests. The white residue remaining after laser ablation on the surface of composites with fumed silica, natural silica, and alumina is analyzed in a number of ways. Scanning Electron Microscopy, Energy Dispersive X-ray analysis (EDAX), and X-ray diffraction (XRD) techniques are used to analyze the thermally decomposed silicone residue after laser heating indicating that the protective mechanism of the three analyzed nanofillers – fumed silica, natural silica, and alumina – appears to be the same. The formation of a continuous layer on the surface behaves as a thermal insulator protecting the material underneath from further decomposition.

Polymeric insulators are now a common replacement for conventional porcelain and glass string insulators on overhead distribution and transmission lines. The use of this mature technology represents many advantages to the utilities; however, in polluted environments and those with high moisture levels in the environment, electrical discharges will develop on the surface of the insulation. In the long term, electrical discharges cause degradation of the polymer insulation in the form of electrical tracking and material erosion, and both are detrimental to the life of the insulation. Inorganic fillers are added to polymer materials to make the insulation more resistant to discharges, and at the same time, to lower the cost of the insulation. However, there is a limit to the amount of filler that can be added as the processability of the polymer compound becomes extremely difficult and expensive. Microfillers are extensively used to modify the physical properties of the polymeric matrix, and the properties of these composites are well known. On the other hand, nanofillers are being used in some insulating composites for reinforcement of mechanical properties; their electrical characteristics have shown inconsistency in the literature, and this is attributable to the non-uniformity of the filler dispersion. Most researchers agree that particle dispersion is critical in the development of nanocomposites for electrical insulation applications. If the nanoparticles are well dispersed, the electrical properties of these materials will be significantly improved. The main problem in using nanofillers is that the nanoparticles agglomerate easily because of their high surface energy, such that conventional mixing techniques are unable to break apart the nanoparticle aggregates. A secondary problem is the incompatibility of the hydrophobic polymer with the hydrophilic nanoparticles which results in poor interfacial interactions. In this thesis, the reinforcement of a silicone rubber matrix is successfully accomplished with the combination of microfiller, nanofiller, and a commercial surfactant. To improve particle dispersion, several techniques are available apart from mixing. This includes surface modification of the nanoparticles by chemical and physical methods by using surfactants. While surfactants are commonly applied to liquids, their use to disperse nanoparticles in compositions forming solid dielectric materials has not yet been reported. The findings in this thesis have shown that Triton X-100, a common surfactant, significantly aids in the dispersion of nanosilica and nanoalumina in silicone rubber. The main advantage of the surfactant is that it lowers the surface energy and the interfacial tension of the nanoparticles. This reduces agglomeration and facilitates the separation of the particles during mixing, thereby allowing improved dispersion of the nanofillers, as observed through Scanning Electron Microscopy (SEM). However, also shown in the thesis is that Triton X-100 cannot interact efficiently with all types of nanofillers. A high concentration of surfactant can also compromise the adsorption of the matrix polymer chains on the filler particles, so it is necessary to establish a balance between matrix adsorption and the dispersion of the particles. Mechanical properties such as the tensile strength, elongation at break, and hardness may also suffer from the use of excess surfactant. In addition, excess surfactant can lead to surface wetting properties different from composites containing none. Better wetting due to the migration of excess surfactant to the surface of the silicone may favour arcing in a wet environment. The current investigation shows that for a specific filler and concentration, an optimal concentration of surfactant provides good erosion resistance without adversely affecting the mechanical characteristics of the nanocomposite. Stress–strain and hardness measurements are done to investigate the surfactant’s effect on the mechanical properties of the composites. The effect of the surfactant on the surface of the composites is analyzed with static contact angle measurements. The heat resistance of nanofilled silicone rubber is explored using an infrared laser simulating the heat developed by dry-band arcing. Also, several industry standard test methods such as salt fog and inclined plane tests are used to evaluate the erosion resistance of the filled composites. The results of all three tests confirm that the combination of microfiller and nanofiller with surfactant results in composites with improved erosion resistance to dry band arcing, with the exception of the case where calcinated filler is used in the formulation. In this thesis, the thermal conductivity is measured using a standard ASTM method and calculated using several theoretical, semi-theoretical, and empirical models. A thermal model developed in COMSOL Multiphysics and solved using a finite element method (FEM) shows a temperature distribution in the modelled nanocomposites which is comparable to the temperature distribution measured with an infrared camera under laser heating. In addition, this investigation aims to define the mechanism by which the nanofillers improve the heat and erosion resistance of the silicone composites. In order to understand this mechanism, nano fumed silica, nano natural silica, and nano alumina are used in a silicone rubber (SiR) matrix in order to study the thermally decomposed silicone and the residual char that is formed during laser ablation tests. The white residue remaining after laser ablation on the surface of composites with fumed silica, natural silica, and alumina is analyzed in a number of ways. Scanning Electron Microscopy, Energy Dispersive X-ray analysis (EDAX), and X-ray diffraction (XRD) techniques are used to analyze the thermally decomposed silicone residue after laser heating indicating that the protective mechanism of the three analyzed nanofillers – fumed silica, natural silica, and alumina – appears to be the same. The formation of a continuous layer on the surface behaves as a thermal insulator protecting the material underneath from further decomposition.

Os concretos refratários são materiais que apresentam estrutura complexa contendo uma fração de partículas finas (D < 100?m) chamada de matriz e outra mais grosseira da ordem de até centímetros compostas por agregados. Dentre as propriedades importantes durante a aplicação dos concretos refratários, este trabalho aborda principalmente a energia de fratura e a resistência à erosão. Para a avaliação dessas propriedades vários estudos vêm sendo desenvolvidos nos últimos anos. A introdução do método da cunha para propagação estável da trinca é um exemplo, pois este método é utilizado para materiais com estrutura grosseira, como é o caso dos concretos. Já em se tratando de resistência a erosão, pouco se encontra na literatura a respeito desse assunto para concretos refratários. Tendo em vista a aplicação destes materiais, foi avaliado o comportamento da energia de fratura e resistência à erosão de concretos refratário aluminoso convencional antierosivo utilizado na indústria petroquímica com o objetivo de correlacionar os resultados de energia de fratura e a resistência à erosão. Para o desenvolvimento do trabalho foram usados dois concretos a com mesma composição química, variando somente o tamanho de agregado. Foram avaliadas além da energia de fratura e da resistência à erosão outras propriedades foram avaliadas como: os módulos elástico e de ruptura, porosidade aparente, fases cristalinas e microestrutura, e ainda foi realizado um estudo da matriz do concreto. Os resultados mostraram que a energia de fratura aumenta com o aumento do tamanho de agregado para o concreto estudado e a resistência a erosão aumenta com a temperatura de tratamento térmico devido a ceramização da matriz, conforme análise das imagens. Em função dos resultados, pode-se concluir que não foi observada uma boa correlação entre energia de fratura e resistência à erosão. Mas esta correlação de energia de fratura e de resistência à erosão pode ter o mesmo comportamento que a correlação entre comprimento característico e resistência á erosão para faixas específicas de tamanho de agregado. / Castables materials are known to be formed by a complex microstructure containing a fine fraction known as matrix (D<100?m) and another one known as aggregate containing thicker particles up to centimeters in size. Among its most notable properties regarding application, this research primarily addresses to the fracture energy and its erosion resistance. In recent years, some studies have been performed concerning such assessments. As an example, the wedge splitting procedure has been applied in the stable crack propagation method used for some thicker structured materials evaluation such the castables ones. On the other hand, a few data have been gathered concerning castable\'s erosion resistance. Facing such applications the main goal was the study of conventional aluminous anti erosive castables once it has been used in the petrochemical industry in order to correlate fracture energy and erosion resistance results. On this research, two castables samples with the same chemical composition were tested differing only its aggregate particle grain sizes. Besides fracture energy and erosion resistance, other important properties were evaluated as following: elastic modulus, rupture modulus, apparent porosity, crystalline phases and a castable matrix study was also carried out. The results demonstrate an increase on fracture energy as the studied castable aggregate size also increases and according to images studied, the erosion resistance suffers another increment regarding the thermal treatment temperature increase due matrix ceramization. Based on the obtained results, it can be concluded that no observation was made regarding the fracture energy and erosion resistance but it may exist an energy correlation between them once there is some observed between the characteristic length and the erosion resistance concerning the aggregate size range.

Os concretos refratários são materiais que apresentam estrutura complexa contendo uma fração de partículas finas (D < 100?m) chamada de matriz e outra mais grosseira da ordem de até centímetros compostas por agregados. Dentre as propriedades importantes durante a aplicação dos concretos refratários, este trabalho aborda principalmente a energia de fratura e a resistência à erosão. Para a avaliação dessas propriedades vários estudos vêm sendo desenvolvidos nos últimos anos. A introdução do método da cunha para propagação estável da trinca é um exemplo, pois este método é utilizado para materiais com estrutura grosseira, como é o caso dos concretos. Já em se tratando de resistência a erosão, pouco se encontra na literatura a respeito desse assunto para concretos refratários. Tendo em vista a aplicação destes materiais, foi avaliado o comportamento da energia de fratura e resistência à erosão de concretos refratário aluminoso convencional antierosivo utilizado na indústria petroquímica com o objetivo de correlacionar os resultados de energia de fratura e a resistência à erosão. Para o desenvolvimento do trabalho foram usados dois concretos a com mesma composição química, variando somente o tamanho de agregado. Foram avaliadas além da energia de fratura e da resistência à erosão outras propriedades foram avaliadas como: os módulos elástico e de ruptura, porosidade aparente, fases cristalinas e microestrutura, e ainda foi realizado um estudo da matriz do concreto. Os resultados mostraram que a energia de fratura aumenta com o aumento do tamanho de agregado para o concreto estudado e a resistência a erosão aumenta com a temperatura de tratamento térmico devido a ceramização da matriz, conforme análise das imagens. Em função dos resultados, pode-se concluir que não foi observada uma boa correlação entre energia de fratura e resistência à erosão. Mas esta correlação de energia de fratura e de resistência à erosão pode ter o mesmo comportamento que a correlação entre comprimento característico e resistência á erosão para faixas específicas de tamanho de agregado. / Castables materials are known to be formed by a complex microstructure containing a fine fraction known as matrix (D<100?m) and another one known as aggregate containing thicker particles up to centimeters in size. Among its most notable properties regarding application, this research primarily addresses to the fracture energy and its erosion resistance. In recent years, some studies have been performed concerning such assessments. As an example, the wedge splitting procedure has been applied in the stable crack propagation method used for some thicker structured materials evaluation such the castables ones. On the other hand, a few data have been gathered concerning castable\'s erosion resistance. Facing such applications the main goal was the study of conventional aluminous anti erosive castables once it has been used in the petrochemical industry in order to correlate fracture energy and erosion resistance results. On this research, two castables samples with the same chemical composition were tested differing only its aggregate particle grain sizes. Besides fracture energy and erosion resistance, other important properties were evaluated as following: elastic modulus, rupture modulus, apparent porosity, crystalline phases and a castable matrix study was also carried out. The results demonstrate an increase on fracture energy as the studied castable aggregate size also increases and according to images studied, the erosion resistance suffers another increment regarding the thermal treatment temperature increase due matrix ceramization. Based on the obtained results, it can be concluded that no observation was made regarding the fracture energy and erosion resistance but it may exist an energy correlation between them once there is some observed between the characteristic length and the erosion resistance concerning the aggregate size range.

Os processos de erosão-corrosão são comumente encontrados em tubulações, válvulas e outros componentes usados na indústria química, petroquímica e na exploração de minérios. Quando a corrosão e a erosão atuam conjuntamente, os mecanismos de dano são complexos e em geral as perdas de massa associadas com esta combinação de processos são maiores do que a soma das perdas geradas pela erosão ou a corrosão atuando separadamente. Os aços inoxidáveis são materiais amplamente usados neste tipo de indústrias. A série martensítica é usada quando se necessita de boas propriedades mecânicas e moderada resistência à corrosão, enquanto que a austenítica é usada para condições onde é necessária uma boa resistência à corrosão, ainda que as propriedades mecânicas deste tipo de aço não sejam muito altas. Adições de nitrogênio aos aços inoxidáveis melhoram tanto a resistência à corrosão quanto a resistência mecânica, no entanto, poucos trabalhos têm sido desenvolvidos sobre o sinergismo erosão-corrosão dos aços inoxidáveis de alto nitrogênio. Neste trabalho, estuda-se o efeito da adição de nitrogênio, em solução sólida, na resistência à erosão-corrosão de um aço inoxidável martensítico AISI 410 e um austenítico AISI 304L em lama composta por 3,5% de NaCl e partículas de quartzo. Para tanto foram nitretadas, em alta temperatura, amostras destes aços sob diferentes pressões. Foram obtidas amostras martensíticas com 0,2 e 0,4% de nitrogênio e austeníticas com 0,25 e 0,55% de nitrogênio em solução sólida. Amostras sem nitrogênio foram usadas como material de referência. Foram desenvolvidos dois tipos de ensaios em dispositivo tipo jato: medidas de perda de massa e de polarização potenciodinâmica. A topografia das superfícies testadas foi observada usando microscopia óptica e eletrônica de varredura. Essa informação, conjuntamente com os resultados de perda de massa e dos ensaios eletroquímicos, foi usada para estabelecer os mecanismos de degradação dos materiais estudados, nas diferentes condições de ensaio, e os efeitos da introdução de nitrogênio na estrutura dos aços. Dos resultados obtidos neste trabalho, observa-se que as curvas de polarização potenciodinâmica são sensíveis às variações nas condições de ensaio, como a presença de fluxo e a introdução de partículas. Em geral, o potencial de corrosão e de pite diminuíram e a densidade de corrente passiva aumentou com o aumento da agressividade do ensaio, deslocando as curvas para potenciais menos nobres e densidades de corrente maiores. A introdução de nitrogênio aumentou a dureza da superfície em ambos os aços inoxidáveis. A adição de nitrogênio melhorou a resistência à corrosão do aço inoxidável martensítico AISI 410, para as duas condições de nitretação usadas, medida através de polarização potenciodinâmica. Esse efeito foi avaliado através de um novo parâmetro chamado ?, dado pela diferença entre as densidades de corrente com erosão-corrosão e na condição estática (iCE-iS), para o aço nitretado, e essa mesma diferença para a condição de referência (aço solubilizado ou temperado e revenido). A adição de 0,2% de nitrogênio diminuiu em 88% a corrosão aumentada por erosão. Aumentando a 0,4% o teor de nitrogênio, esta diminuição também ocorre, sendo de 87%. O processo de remoção de material da superfície do aço inoxidável martensítico temperado e revenido é dominado pela corrosão aumentada por erosão, enquanto que no aço nitretado, o nitrogênio promove a mudança de regime para uma condição de erosão aumentada por corrosão. Observou-se que a adição de nitrogênio melhorou a resistência à corrosão, a resistência à erosão e a resistência à erosão-corrosão do aço inoxidável austenítico AISI 304L. Notou-se, também, o aumento significativo do potencial de pite com a elevação do teor de nitrogênio. As superfícies das marcas de desgaste das amostras nitretadas mostraram-se menos rugosas, mostrando o efeito benéfico do nitrogênio na resistência à corrosão do aço austenítico. A adição de 0,25% de nitrogênio diminuiu em 25% a corrosão aumentada por erosão. Aumentando o teor de nitrogênio para 0,55%, esta diminuição também foi observada, sendo de 56%. O processo de remoção de material da superfície do aço inoxidável austenítico é dominado pelo desgaste erosivo. Finalmente, a introdução de nitrogênio parece não ter influência notável no potencial de corrosão para nenhum dos aços aqui estudados. O mecanismo fundamental para a melhora na resistência à corrosão com a introdução de nitrogênio na estrutura dos aços inoxidáveis estudados, está relacionado com a produção de íons amônio durante a dissolução da superfície, produzindo um aumento de pH da solução e possibilitando uma repassivação mais fácil da superfície. / Corrosion-erosion processes are commonly found in pipes, valves and many other components for chemical, petrochemical and marine applications. When corrosion and erosion act together the damage mechanisms are complex and usually the mass losses are higher than the sum of the separate material losses due to corrosion and erosion. Stainless steels have been widely used in different components working in systems under combined corrosive and erosive effects. Martensitic stainless steels are suitable for manufacturing components with high mechanical properties and moderate corrosion resistance, while austenitic stainless steels are chosen for conditions where a better corrosion resistance is needed, even though their mechanical properties are poor. It has been shown that nitrogen addition to conventional stainless steels can improve both mechanical and corrosion properties. Very few research papers have been published about the corrosion-erosion synergism of high nitrogen stainless steels. In this research, the effect of nitrogen, introduced by solid state alloying, on the corrosionerosion resistance of a martensitic and an austenitic stainless steel tested in 3.5% NaClquartz slurry was studied. For this purpose, AISI 304L and AISI 410 samples were high temperature gas nitrided under different nitrogen pressures. 0.2 and 0.4% N martensitic samples and 0.25 and 0.55% N austenitic samples were obtained. Samples without nitrogen, but submitted to the same thermal cycle, were used as comparison materials in the tests. Corrosion, erosion and corrosion-erosion tests were conducted in a jet-like device. Two kinds of tests were developed: mass loss measurements and electrochemical polarization. The topography of the surface was observed after the wear tests using optical and scanning electron microscopy. This information, together with the results of mass losses and electrochemical tests were used to establish the degradation mechanisms of the tested materials under the different testing conditions and the effect of the introduction of nitrogen in the steel structure. The results showed that the polarization curves change a lot with the testing conditions. The corrosion and pitting potential decreased and the passive current density increased with the increase of aggressiveness of the testing conditions, shifting the curves to less noble potentials and higher current densities. Nitrogen additions increased the hardness of the nitrided surfaces in both steels. Nitrogen also improved the corrosion resistance of the AISI 410 stainless steel for both nitriding conditions. The effect of nitrogen was analyzed through a new parameter ?, given by the difference between the current densities under erosion-corrosion and the static condition (iCEiS), for the nitrided steels and the same difference for the standard condition (solubilized or quenched and tempered steels). The increase of the nitrogen content of the martensitic surface up to 0.2% reduced 88% the corrosion augmented by erosion. When the nitrogen content at the surface is 0.4%, the reduction of the corrosion augmented by erosion term was 87%. The mass removal process for the quenched and tempered condition is controlled by corrosion assisted by erosion, while for the nitrided surface is erosion assisted by corrosion. Nitrogen additions improved the corrosion, erosion and erosion-corrosion resistance of the austenitic stainless steel AISI 304L. The pitting potential noticeably increased with the increase of the nitrogen content. Smoother wear mark contours on the nitrided surface indicate a favorable effect of nitrogen on the corrosion-erosion synergism. Adding 0.25% N to the alloy decreased the corrosion augmented by erosion in the passive region by 25%, and adding 0.55% N reduced it by 56%. The mass removal process, in this case, was controlled by erosion. Finally, nitrogen addition does not seem to affect the corrosion potential of both steels studied in this work. The main mechanism to increase the corrosion resistance of the studied steels with the introduction of nitrogen is related to production of ammonia during the dissolution of the steel surface. The pH of the solution increases, and the surface can easily repassivate.

Made available in DSpace on 2015-03-26T13:23:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 1488355 bytes, checksum: c26d0884f275294bed1c861487788e20 (MD5) Previous issue date: 2012-05-23 / The erosion in unpaved roads associated with the runoff has negative implication in social, economic and environmental development of a region. Therefore the incorporation of techniques for prevention and control of erosion on these roads is important. The techniques developed for this purpose require knowledge of the indices of soil resistance to erosion, principally the soil erodibility and critical shear stress. In this context, the aim of this study was to determine the erodibility and critical shear stress in the channel of an unpaved road implanted in an Oxisol horizons B and C. Study was conducted on an unpaved road in Viçosa-MG, Brazil, where the indices were obtained using a runoff simulator installed on the channel road, which allows to estimate soil loss associated with different shear stress. The results obtained in each test was adjusted using simple linear regression models and, the models identity test proceeded to obtain a representative value of the indices for the study site, and to obtain the confidence interval associated with the erodibility, considering 95% of probability. The erodibility value determined for the horizon B was 0.0044 g cm-2 min-1 Pa-1, and its associated confidence interval with 95% probability was 0.0035 to 0.0053 g cm-2 min-1 Pa-1. The critical shear stress determined for this horizon was 7.61 Pa. The horizon C erodibility value determined was 0.0347 g cm-2 min-1 Pa-1, and its xv associated confidence interval with 95% probability was 0.0288 to 0.0406 g cm-2 min-1 Pa-1. The critical shear stress value for this horizon was 8.16 Pa. / A erosão em estradas não pavimentadas associada ao escoamento superficial interfere negativamente no desenvolvimento social, econômico e ambiental de uma região. Por isso é importante a incorporação de técnicas que visem a prevenção e o controle da erosão nestas estradas. As diferentes técnicas desenvolvidas para este fim requerem o conhecimento dos índices de resistência do solo ao processo erosivo, sendo a erodibilidade e a tensão crítica de cisalhamento os índices de maior importância. Neste sentido, objetivou-se com a realização deste trabalho, determinar a erodibilidade e a tensão crítica de cisalhamento no canal de uma estrada não pavimentada implantada nos horizontes B e C de um Latossolo Vermelho-Amarelo. O estudo foi realizado em uma estrada não pavimentada do município de Viçosa- MG, onde os índices foram obtidos utilizando um método de determinação direta com o uso de um simulador de escoamento instalado no canal da estrada, que permitiu estimar as perdas de solo associadas a diferentes tensões cisalhantes. Aos resultados obtidos em cada teste foi ajustado um modelo de regressão linear simples e, posteriormente, se aplicou a técnica de teste de identidade de modelos, a fim de obter um valor representativo destes índices para o local de estudo, além de obter o intervalo de confiança associado à erodibilidade com um nível de confiança de 95%. O valor de erodibilidade determinado para o horizonte B, foi de 0,0044 g cm-2 min-1 Pa-1, sendo a ele associado um intervalo de confiança com 95% de probabilidade de 0,0035 a 0,0053 g cm-2 min-1 Pa-1. A tensão crítica de cisalhamento determinada para este horizonte foi de 7,61 Pa. Para o horizonte C o valor de erodibilidade determinado foi de 0,0347 g cm-2 min-1 Pa-1, sendo a ele associado um intervalo de confiança com 95% de probabilidade de 0,0288 a 0,0406 g cm-2 min-1 Pa-1. A tensão crítica de cisalhamento determinada para este horizonte foi de 8,16 Pa.

Os processos de erosão-corrosão são comumente encontrados em tubulações, válvulas e outros componentes usados na indústria química, petroquímica e na exploração de minérios. Quando a corrosão e a erosão atuam conjuntamente, os mecanismos de dano são complexos e em geral as perdas de massa associadas com esta combinação de processos são maiores do que a soma das perdas geradas pela erosão ou a corrosão atuando separadamente. Os aços inoxidáveis são materiais amplamente usados neste tipo de indústrias. A série martensítica é usada quando se necessita de boas propriedades mecânicas e moderada resistência à corrosão, enquanto que a austenítica é usada para condições onde é necessária uma boa resistência à corrosão, ainda que as propriedades mecânicas deste tipo de aço não sejam muito altas. Adições de nitrogênio aos aços inoxidáveis melhoram tanto a resistência à corrosão quanto a resistência mecânica, no entanto, poucos trabalhos têm sido desenvolvidos sobre o sinergismo erosão-corrosão dos aços inoxidáveis de alto nitrogênio. Neste trabalho, estuda-se o efeito da adição de nitrogênio, em solução sólida, na resistência à erosão-corrosão de um aço inoxidável martensítico AISI 410 e um austenítico AISI 304L em lama composta por 3,5% de NaCl e partículas de quartzo. Para tanto foram nitretadas, em alta temperatura, amostras destes aços sob diferentes pressões. Foram obtidas amostras martensíticas com 0,2 e 0,4% de nitrogênio e austeníticas com 0,25 e 0,55% de nitrogênio em solução sólida. Amostras sem nitrogênio foram usadas como material de referência. Foram desenvolvidos dois tipos de ensaios em dispositivo tipo jato: medidas de perda de massa e de polarização potenciodinâmica. A topografia das superfícies testadas foi observada usando microscopia óptica e eletrônica de varredura. Essa informação, conjuntamente com os resultados de perda de massa e dos ensaios eletroquímicos, foi usada para estabelecer os mecanismos de degradação dos materiais estudados, nas diferentes condições de ensaio, e os efeitos da introdução de nitrogênio na estrutura dos aços. Dos resultados obtidos neste trabalho, observa-se que as curvas de polarização potenciodinâmica são sensíveis às variações nas condições de ensaio, como a presença de fluxo e a introdução de partículas. Em geral, o potencial de corrosão e de pite diminuíram e a densidade de corrente passiva aumentou com o aumento da agressividade do ensaio, deslocando as curvas para potenciais menos nobres e densidades de corrente maiores. A introdução de nitrogênio aumentou a dureza da superfície em ambos os aços inoxidáveis. A adição de nitrogênio melhorou a resistência à corrosão do aço inoxidável martensítico AISI 410, para as duas condições de nitretação usadas, medida através de polarização potenciodinâmica. Esse efeito foi avaliado através de um novo parâmetro chamado ?, dado pela diferença entre as densidades de corrente com erosão-corrosão e na condição estática (iCE-iS), para o aço nitretado, e essa mesma diferença para a condição de referência (aço solubilizado ou temperado e revenido). A adição de 0,2% de nitrogênio diminuiu em 88% a corrosão aumentada por erosão. Aumentando a 0,4% o teor de nitrogênio, esta diminuição também ocorre, sendo de 87%. O processo de remoção de material da superfície do aço inoxidável martensítico temperado e revenido é dominado pela corrosão aumentada por erosão, enquanto que no aço nitretado, o nitrogênio promove a mudança de regime para uma condição de erosão aumentada por corrosão. Observou-se que a adição de nitrogênio melhorou a resistência à corrosão, a resistência à erosão e a resistência à erosão-corrosão do aço inoxidável austenítico AISI 304L. Notou-se, também, o aumento significativo do potencial de pite com a elevação do teor de nitrogênio. As superfícies das marcas de desgaste das amostras nitretadas mostraram-se menos rugosas, mostrando o efeito benéfico do nitrogênio na resistência à corrosão do aço austenítico. A adição de 0,25% de nitrogênio diminuiu em 25% a corrosão aumentada por erosão. Aumentando o teor de nitrogênio para 0,55%, esta diminuição também foi observada, sendo de 56%. O processo de remoção de material da superfície do aço inoxidável austenítico é dominado pelo desgaste erosivo. Finalmente, a introdução de nitrogênio parece não ter influência notável no potencial de corrosão para nenhum dos aços aqui estudados. O mecanismo fundamental para a melhora na resistência à corrosão com a introdução de nitrogênio na estrutura dos aços inoxidáveis estudados, está relacionado com a produção de íons amônio durante a dissolução da superfície, produzindo um aumento de pH da solução e possibilitando uma repassivação mais fácil da superfície. / Corrosion-erosion processes are commonly found in pipes, valves and many other components for chemical, petrochemical and marine applications. When corrosion and erosion act together the damage mechanisms are complex and usually the mass losses are higher than the sum of the separate material losses due to corrosion and erosion. Stainless steels have been widely used in different components working in systems under combined corrosive and erosive effects. Martensitic stainless steels are suitable for manufacturing components with high mechanical properties and moderate corrosion resistance, while austenitic stainless steels are chosen for conditions where a better corrosion resistance is needed, even though their mechanical properties are poor. It has been shown that nitrogen addition to conventional stainless steels can improve both mechanical and corrosion properties. Very few research papers have been published about the corrosion-erosion synergism of high nitrogen stainless steels. In this research, the effect of nitrogen, introduced by solid state alloying, on the corrosionerosion resistance of a martensitic and an austenitic stainless steel tested in 3.5% NaClquartz slurry was studied. For this purpose, AISI 304L and AISI 410 samples were high temperature gas nitrided under different nitrogen pressures. 0.2 and 0.4% N martensitic samples and 0.25 and 0.55% N austenitic samples were obtained. Samples without nitrogen, but submitted to the same thermal cycle, were used as comparison materials in the tests. Corrosion, erosion and corrosion-erosion tests were conducted in a jet-like device. Two kinds of tests were developed: mass loss measurements and electrochemical polarization. The topography of the surface was observed after the wear tests using optical and scanning electron microscopy. This information, together with the results of mass losses and electrochemical tests were used to establish the degradation mechanisms of the tested materials under the different testing conditions and the effect of the introduction of nitrogen in the steel structure. The results showed that the polarization curves change a lot with the testing conditions. The corrosion and pitting potential decreased and the passive current density increased with the increase of aggressiveness of the testing conditions, shifting the curves to less noble potentials and higher current densities. Nitrogen additions increased the hardness of the nitrided surfaces in both steels. Nitrogen also improved the corrosion resistance of the AISI 410 stainless steel for both nitriding conditions. The effect of nitrogen was analyzed through a new parameter ?, given by the difference between the current densities under erosion-corrosion and the static condition (iCEiS), for the nitrided steels and the same difference for the standard condition (solubilized or quenched and tempered steels). The increase of the nitrogen content of the martensitic surface up to 0.2% reduced 88% the corrosion augmented by erosion. When the nitrogen content at the surface is 0.4%, the reduction of the corrosion augmented by erosion term was 87%. The mass removal process for the quenched and tempered condition is controlled by corrosion assisted by erosion, while for the nitrided surface is erosion assisted by corrosion. Nitrogen additions improved the corrosion, erosion and erosion-corrosion resistance of the austenitic stainless steel AISI 304L. The pitting potential noticeably increased with the increase of the nitrogen content. Smoother wear mark contours on the nitrided surface indicate a favorable effect of nitrogen on the corrosion-erosion synergism. Adding 0.25% N to the alloy decreased the corrosion augmented by erosion in the passive region by 25%, and adding 0.55% N reduced it by 56%. The mass removal process, in this case, was controlled by erosion. Finally, nitrogen addition does not seem to affect the corrosion potential of both steels studied in this work. The main mechanism to increase the corrosion resistance of the studied steels with the introduction of nitrogen is related to production of ammonia during the dissolution of the steel surface. The pH of the solution increases, and the surface can easily repassivate.

Este trabalho traz contribuições à linha de pesquisa \'Nova Família de Ligas Baseada no Sistema Ni-Al-Cr-C Resistentes ao Desgaste em Elevadas Temperaturas\', estudando o comportamento mecânico, tribológico e a estabilidade superficial destas ligas. Esta família de ligas fundidas, denominada NICRALC - busca conjugar algumas características das superligas à base de níquel e dos ferros fundidos brancos, aliando ao comportamento mecânico anômalo do Ni3Al - aumento da resistência mecânica com a temperatura, até valores da ordem de 800°C - a uma dispersão de carbonetos de cromo de alta dureza. Desta forma, busca-se desenvolver uma alternativa às ligas ferrosas nas temperaturas acima das quais estas ligas perdem significativamente sua resistência mecânica (notadamente 600 °C), assim como uma alternativa mais econômica às ligas a base de cobalto resistentes ao desgaste, em virtude das altas cotações e instabilidades no preço deste elemento. Neste trabalho foram avaliadas as propriedades mecânicas em elevadas temperaturas (compressão e dureza), tenacidade à fratura na temperatura ambiente, comportamento tribológico (cavitação, abrasão, deslizamento e erosão) e a resistência à oxidação ao ar e à carburação em atmosfera redutora, em temperaturas elevadas, de ligas Ni-Al-Cr-C (NICRALC) fundidas. Ligas NICRALC fundidas com diferentes teores de carbono e submetidas a diferentes tratamentos tiveram seu comportamento mecânico e tribológico comparado ao comportamento do STELLITE 6 fundido, a uma liga NICRALC produzida por deposição por \'SPRAY\', a um ferro fundido branco alto cromo fundido convencionalmente e a um ferro fundido branco alto cromo depositado por \'SPRAY\'. Os ensaios de compressão confirmaram o comportamento anômalo da matriz ordenada Ni3Al. As ligas NICRALC apresentaram aumento ou manutenção da resistência ao escoamento com o aumento da temperatura de ensaio. A mesma tendência foi encontrada nos ensaios de dureza a quente. As demais ligas apresentaram tendência de queda da resistência ao escoamento e da dureza com o aumento da temperatura de ensaio. Esta tendência é mais acentuada na liga STELLITE, desta forma, as ligas NICRALC apresentaram em altas temperaturas maior resistência ao escoamento e maior dureza que o STELLITE. Os diferentes ensaios de desgaste mostraram, em geral, uma maior resistência do STELLITE em comparação com as ligas NICRALC na temperatura ambiente. Nestas condições verifica-se que a menor resistência mecânica da matriz ordenada nas ligas NICRALC é determinante para definir uma menor resistência ao desgaste na temperatura ambiente. Nos ensaios de erosão-oxidativa realizados a 600 e 800°C as ligas NICRALC mostraram perdas de massa menores que as experimentadas pelo STELLITE e pelos ferros fundidos. As ligas NICRALC com microestrutura de carbonetos mais homogênea, próxima do eutético, mostraram melhor comportamento sob desgaste abrasivo e erosivo se comparadas às ligas NICRALC 05 e 13. Os ensaios de resistência à oxidação mostraram que as ligas NICRALC são mais resistentes à oxidação que o STELLITE. Além disso, observou-se grande propensão ao destacamento dos filmes de óxidos formados nos STELLITES em temperaturas acima de 800°C. Os ensaios de resistência à carburação mostraram que no caso das ligas NICRALC ocorreu a precipitação de um depósito de grafita e, subjacente a esta, a formação de uma zona de fragmentação microestrutural, na qual se observa empobrecimento ora do Al ora do Cr, que aparentemente impede o avanço do processo. No caso do STELLITE verificou-se a ocorrência do aumento da fração volumétrica de carbonetos, típico dos casos clássicos de carburação. Os procedimentos de simulação termodinâmica utilizados indicam a necessidade de se implementar a descrição da solubilidade do carbono na fase ordenada de forma a permitir o pleno uso do software THERMOCALC no projeto e aprimoramento de ligas NICRALC. / This work contributes to the research line \'New Family of High Temperature Wear Resistant Alloys based on the Ni-Al-Cr-C System\', studying the mechanical and tribological behaviour and the surface stability of these alloys. This family of foundry alloys, called NICRALC, tries to unite some of the characteristics of the Ni based superalloys and the high-chromium-white-cast-irons, associating the anomalous behaviour of the ordered intermetallic phase Ni3Al - which increases its strength with the increase of temperature - with a dispersion of hard chromium carbides. The aim is to develop an alternative to iron-based wear resistant alloys at temperatures where they loose significantly their strength, as well as substituting cobalt based high temperature wear resistant alloys, which suffer from the instability and high cost of the Co metal. The high temperature mechanical properties (hardness and compression), room temperature fracture toughness, tribological behaviour (cavitation, abrasion, sliding and erosion) and resistance to high temperature oxidation and carburization of cast Ni-Al-Cr-C (NICRALC) alloys are studied. Cast NICRALC alloys with different C contents and different heat treatments were compared with a cast STELLITE 6, a conventionally cast high chromium white cast iron, a spray formed high chromium white cast iron and a spray formed NICRALC. Mechanical tests in compression confirmed that NICRALC alloys share the anomalous behaviour of the ordered intermetallic phase Ni3Al, increasing or maintaining their yield strength with increased testing temperature. The same occurred with hot hardness tests. STELLITE and all other alloys showed loss of strength with increased testing temperatures. Thus NICRALC alloys showed higher strength and hardness than STELLITE at high temperatures. All wear tests showed a higher wear resistance of STELLITE in comparison with NICRALC at room temperature. This result can be explained by the higher matrix hardness of STELLITE at room temperature. Oxidative-erosion tests run at 600 and 800° C showed that NICRALC suffered smaller mass loss than STELLITE and the white cast irons. NICRALC alloys with more homogeneous carbide distributions (eutectic alloys) obtained the best results under severe oxidation-erosion conditions. NICRALC alloys were more oxidation resistant than STELLITE alloy, which tended to break and detach the oxide layer formed above 800°C under air. During carburization essays in a reducing atmosphere the NICRALC alloys tended to form a coke-like graphite layer, over a layer with a fragmented microstructure depleted alternatively in chromium and aluminum, which effectively stopped the advance of the process. The STELLITE alloy suffered an increase in carbide volume fraction, a classic carburizing behaviour. The thermodynamic simulation results show that it is still needed to introduce the solubility of carbon on the ordered Ni3Al phase in the model in order to be able to fully calculate the NICRALC phase diagrams.

Este trabalho traz contribuições à linha de pesquisa \'Nova Família de Ligas Baseada no Sistema Ni-Al-Cr-C Resistentes ao Desgaste em Elevadas Temperaturas\', estudando o comportamento mecânico, tribológico e a estabilidade superficial destas ligas. Esta família de ligas fundidas, denominada NICRALC - busca conjugar algumas características das superligas à base de níquel e dos ferros fundidos brancos, aliando ao comportamento mecânico anômalo do Ni3Al - aumento da resistência mecânica com a temperatura, até valores da ordem de 800°C - a uma dispersão de carbonetos de cromo de alta dureza. Desta forma, busca-se desenvolver uma alternativa às ligas ferrosas nas temperaturas acima das quais estas ligas perdem significativamente sua resistência mecânica (notadamente 600 °C), assim como uma alternativa mais econômica às ligas a base de cobalto resistentes ao desgaste, em virtude das altas cotações e instabilidades no preço deste elemento. Neste trabalho foram avaliadas as propriedades mecânicas em elevadas temperaturas (compressão e dureza), tenacidade à fratura na temperatura ambiente, comportamento tribológico (cavitação, abrasão, deslizamento e erosão) e a resistência à oxidação ao ar e à carburação em atmosfera redutora, em temperaturas elevadas, de ligas Ni-Al-Cr-C (NICRALC) fundidas. Ligas NICRALC fundidas com diferentes teores de carbono e submetidas a diferentes tratamentos tiveram seu comportamento mecânico e tribológico comparado ao comportamento do STELLITE 6 fundido, a uma liga NICRALC produzida por deposição por \'SPRAY\', a um ferro fundido branco alto cromo fundido convencionalmente e a um ferro fundido branco alto cromo depositado por \'SPRAY\'. Os ensaios de compressão confirmaram o comportamento anômalo da matriz ordenada Ni3Al. As ligas NICRALC apresentaram aumento ou manutenção da resistência ao escoamento com o aumento da temperatura de ensaio. A mesma tendência foi encontrada nos ensaios de dureza a quente. As demais ligas apresentaram tendência de queda da resistência ao escoamento e da dureza com o aumento da temperatura de ensaio. Esta tendência é mais acentuada na liga STELLITE, desta forma, as ligas NICRALC apresentaram em altas temperaturas maior resistência ao escoamento e maior dureza que o STELLITE. Os diferentes ensaios de desgaste mostraram, em geral, uma maior resistência do STELLITE em comparação com as ligas NICRALC na temperatura ambiente. Nestas condições verifica-se que a menor resistência mecânica da matriz ordenada nas ligas NICRALC é determinante para definir uma menor resistência ao desgaste na temperatura ambiente. Nos ensaios de erosão-oxidativa realizados a 600 e 800°C as ligas NICRALC mostraram perdas de massa menores que as experimentadas pelo STELLITE e pelos ferros fundidos. As ligas NICRALC com microestrutura de carbonetos mais homogênea, próxima do eutético, mostraram melhor comportamento sob desgaste abrasivo e erosivo se comparadas às ligas NICRALC 05 e 13. Os ensaios de resistência à oxidação mostraram que as ligas NICRALC são mais resistentes à oxidação que o STELLITE. Além disso, observou-se grande propensão ao destacamento dos filmes de óxidos formados nos STELLITES em temperaturas acima de 800°C. Os ensaios de resistência à carburação mostraram que no caso das ligas NICRALC ocorreu a precipitação de um depósito de grafita e, subjacente a esta, a formação de uma zona de fragmentação microestrutural, na qual se observa empobrecimento ora do Al ora do Cr, que aparentemente impede o avanço do processo. No caso do STELLITE verificou-se a ocorrência do aumento da fração volumétrica de carbonetos, típico dos casos clássicos de carburação. Os procedimentos de simulação termodinâmica utilizados indicam a necessidade de se implementar a descrição da solubilidade do carbono na fase ordenada de forma a permitir o pleno uso do software THERMOCALC no projeto e aprimoramento de ligas NICRALC. / This work contributes to the research line \'New Family of High Temperature Wear Resistant Alloys based on the Ni-Al-Cr-C System\', studying the mechanical and tribological behaviour and the surface stability of these alloys. This family of foundry alloys, called NICRALC, tries to unite some of the characteristics of the Ni based superalloys and the high-chromium-white-cast-irons, associating the anomalous behaviour of the ordered intermetallic phase Ni3Al - which increases its strength with the increase of temperature - with a dispersion of hard chromium carbides. The aim is to develop an alternative to iron-based wear resistant alloys at temperatures where they loose significantly their strength, as well as substituting cobalt based high temperature wear resistant alloys, which suffer from the instability and high cost of the Co metal. The high temperature mechanical properties (hardness and compression), room temperature fracture toughness, tribological behaviour (cavitation, abrasion, sliding and erosion) and resistance to high temperature oxidation and carburization of cast Ni-Al-Cr-C (NICRALC) alloys are studied. Cast NICRALC alloys with different C contents and different heat treatments were compared with a cast STELLITE 6, a conventionally cast high chromium white cast iron, a spray formed high chromium white cast iron and a spray formed NICRALC. Mechanical tests in compression confirmed that NICRALC alloys share the anomalous behaviour of the ordered intermetallic phase Ni3Al, increasing or maintaining their yield strength with increased testing temperature. The same occurred with hot hardness tests. STELLITE and all other alloys showed loss of strength with increased testing temperatures. Thus NICRALC alloys showed higher strength and hardness than STELLITE at high temperatures. All wear tests showed a higher wear resistance of STELLITE in comparison with NICRALC at room temperature. This result can be explained by the higher matrix hardness of STELLITE at room temperature. Oxidative-erosion tests run at 600 and 800° C showed that NICRALC suffered smaller mass loss than STELLITE and the white cast irons. NICRALC alloys with more homogeneous carbide distributions (eutectic alloys) obtained the best results under severe oxidation-erosion conditions. NICRALC alloys were more oxidation resistant than STELLITE alloy, which tended to break and detach the oxide layer formed above 800°C under air. During carburization essays in a reducing atmosphere the NICRALC alloys tended to form a coke-like graphite layer, over a layer with a fragmented microstructure depleted alternatively in chromium and aluminum, which effectively stopped the advance of the process. The STELLITE alloy suffered an increase in carbide volume fraction, a classic carburizing behaviour. The thermodynamic simulation results show that it is still needed to introduce the solubility of carbon on the ordered Ni3Al phase in the model in order to be able to fully calculate the NICRALC phase diagrams.