Made available in DSpace on 2016-06-02T19:10:28Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6644.pdf: 4540326 bytes, checksum: 5d9a647d09286f6fe4c5dfcbfdbd63e9 (MD5) Previous issue date: 2015-01-28 / Universidade Federal de Sao Carlos / One of the most probable fields of applications of Severe Plastic Deformation (SPD) processes is that of biological implants, and the most investigated metallic material in this context is titanium and its alloys. The motivation for the present work follows a general tendency which aims to substitute the Ti-6Al-4V alloy for commercially pure Ti; a prerequisite for such replacement being the mechanical strength enhancement of the latter. Lower cost and the absence of the harmful Al and V justify the substitution. For the purpose of strength enhancement a number of SPD processes are available, but very recent investigations showed that the combination of Equal-channel angular pressing (ECAP) with rolling or extrusion gives excellent results. In this work SPD was applied to commercial Ti Grade 2 employing (i) four ECAP passes; (ii) same followed by rolling, at room temperature and (iii) same followed by rolling at 100oC. The focus of the investigation is centred on process (iii), its influence on mechanical properties, work hardening capacity, sensitivity to strain rate, grain size and microstructure. Highest mechanical strength among all other process conditions was produced by only two ECAP passes plus rolling at 100oC. This was achieved by the establishment of a very small grain size and a high density of dislocations. The sub-zero mode of deformation also affected positively the high cycle fatigue behaviour, the Charpy fracture energy and the thermal stability; that was determined by microhardness measurements and calculation of the activation energy for recrystallization employing DSC. Additionally were investigated a series of properties here called technological properties of utmost importance for the final product: Results show that sub-zero SPD is harmful to machinability, benefits corrosion and produces screws for bone implants whose torque limit is above this product specifications but its torque fracture angle is smaller than for the Ti-6Al-4V alloy. / Um dos prováveis campos de aplicação da Deformação Plástica Severa (DPS) é o de implantes biológicos, e o material mais investigado neste contexto é o titânio e suas ligas. A motivação para o presente trabalho segue uma tendência geral que objetiva a substituição do Ti-6Al-4V por Ti comercialmente puro, pré-requisito para isso sendo o aumento da resistência mecânica do segundo material. Diminuição de custo e ausência do Al e V justificam a substituição. Para realizar o aumento de resistência diversos processos de DPS estão disponíveis, mas investigações muito recentes mostraram que a sequência extrusão em canal angular (ECAP) seguida de laminação ou extrusão obtém excelentes resultados. Neste trabalho DPS foi aplicado a Ti comercial Grau 2 empregando: (i) quatro passes ECAP; (ii) idem, seguido por laminação em temperatura ambiente; (iii) idem, seguido por laminação a -100oC. O foco do trabalho está centrado no processo (iii), em sua influência nas propriedades mecânicas, endurecimento por deformação, sensibilidade à taxa de deformação e microestrutura. Os maiores resultados resistência mecânica foram obtidos com apenas dois passes ECAP seguidos de laminação a -100oC. Isto foi conseguido por apreciável redução de tamanho de grão e alta densidade de discordâncias. A deformação sub-zero também afetou positivamente o comportamento em fadiga de alto ciclo, a energia de fratura Charpy e a estabilidade térmica; esta última determinada por medidas de microdureza e cálculo da energia de ativação para recristalização aparente via DSC. Também foram estudadas uma série de propriedades aqui chamadas de propriedades tecnológicas, que são críticas para o produto final. Os resultados mostram que o processamento SPD sub-zero prejudica a usinabilidade, aumenta a resistência à corrosão e pode produzir parafusos para implantes ósseos cujo limite de torque está acima das especificações para este produto, embora com ângulo de fratura sob torque menor do que o da liga Ti-6Al-4V.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:10:28Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6662.pdf: 5723374 bytes, checksum: e5636b889eedfd2a711a1f922028bab3 (MD5) Previous issue date: 2015-02-10 / Universidade Federal de Minas Gerais / Os geopolímeros (polímeros inorgânicos) têm atraído a atenção da academia por várias razões, em particular pelo fato de ser considerado um material sustentável onde subprodutos industriais podem ser utilizados como matéria prima, além de um processo de baixo custo energético. Tais materiais encontram aplicações em todos os setores industriais, dependendo da razão atômica Si:Al, responsável por suas propriedades. Atualmente seu grande volume de aplicação está na substituição do cimento Portland. Entretanto, devido às suas propriedades similares aos materiais cerâmicos e a busca cada vez maior por novas aplicações, estudos sobre geopolímeros porosos tem despertado grande interesse da academia. Porém, as rotas usadas atualmente na obtenção dessa classe de materiais são baseadas nas da construção civil para a produção do concreto aerado, de porosidade fechada, limitando sua aplicação onde porosidade aberta é necessária. Neste sentido, este trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de duas novas rotas de processamento (Gelcasting Route e Gelcasting/Saponification/Peroxide Combined Route), para a criação de uma nova classe de geopolímeros porosos com porosidade aberta. Em ambas as rotas foram adotadas a técnica de espumação direta para a produção de componentes cerâmicos, sendo que a maior diferença entre elas está na natureza química do agente porogênico. Na Gelcasting Route foram usados surfactantes comerciais, e na Gelcasting/Saponification/Peroxide Combined Route foi explorada a reação de saponificação de um triglicerídeo em meio alcalino para a geração in situ de surfactante. A partir das novas rotas foram produzidos geopolímeros altamente porosos, com microestrutura homogênea, células abertas e porosidade de até 85vol%, com propriedades físicas que sugerem sua utilização como substituto de baixo custo para produtos cerâmicos em aplicações tais como, suportes de catalisadores, filtração de gases quentes, adsorção e isolamento refratário de fornos. / The geopolymers (inorganic polymers) have attracted increasing attention from academia for several reasons, particularly because it is considered a sustainable material where industrial by-products can be used as raw material, and is based on a low energy cost process. Such materials find applications in virtually all industrial sectors, depending on the atomic ratio Si: Al, responsible for its properties. Currently the application of large volumes of geopolymers is focused on replacement of Portland cement. However, due to their similar properties to ceramic materials and the search ever greater of new applications, studies particularly on porous geopolymers has also attracted great interest from the academic community. But the processing routes currently used to obtain porous geopolymers are based on the routes applied in the civil construction for the production of aerated concrete with closed porosity, limiting its application where open porosity is required. Thus, this work had as objective the study and application of two new processing routes (Gelcasting Route and Gelcasting/Saponification/Peroxide Combined Route), to create a new class of porous geopolymers with predominantly open porosity. Both techniques consist of the adoption of the direct foaming technique used for the production of ceramic components, where the major difference between them is the chemical nature of the pore forming agent. For the "Gelcasting Route commercial surfactants were used, and for the Gelcasting/Saponification/Peroxide Combined Route was explored the saponification reaction of a triglyceride in an alkaline medium for the in situ generation of surfactant. With the adoption of the suggested routes highly porous geopolymers were produced with a homogeneous microstructure, and open cell porosity of up to about 85vol%, with physical properties that suggest they may be used as a low cost replacement to highly porous ceramics in applications such as catalyst supports, filtration of hot gases, adsorption and insulating refractory furnaces.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:10:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6666.pdf: 36367643 bytes, checksum: d532b8ffc727a06144841d7db2d8c5b7 (MD5) Previous issue date: 2014-08-08 / Financiadora de Estudos e Projetos / In recent decades, the use of energy presented strong growth due to the need of supplying the daily energy consumption of approximately seven billion people. To solve this problem, it has been investigated the nature, alternative energy sources which respect the environmental issues, to provide social and technological development without negative impacts on the environment. Several processing routes have been investigated in recent years in order to overcome the obstacles of storage and availability of hydrogen as a clean, safe, cost effective and of easy manipulation energy source. The solid state reaction of magnesium and hydrogen gas produces the magnesium hydride compound which provides safe manipulation, high volumetric and gravimetric densities when compared to other traditional forms of storage (liquid or gas), coming out to be promising for being used on an industrial scale as energy carrier for mobile application. However, conventional processing routes produce a material which requires the use of high temperatures during cycling, as well as low speed of the kinetics of absorption and desorption of hydrogen gas, which limits its possibility of application. This work aims to improve the properties of magnesium alloys by cold rolling under inert atmosphere. To achieve this goal, it was developed a laminator equipped with speed control of cylinders that has capacity of 1.1 kilowatts, which works inside a glovebox. The equipment allows producing, by severe plastic deformation, voluminous magnesium-bases samples to storage hydrogen gas, under controlled atmosphere in order to avoid the incorporation of gaseous and/or solid impurities usually found on other viii routes of processing. Structural characterization of the processed samples was performed by techniques of analysis of XRD, SEM and TEM. The hydrogen storage properties were evaluated by DSC and measurements of PCT. / Diversas rotas de processamento vêm sendo investigadas nos últimos anos, com intuito de superar as barreiras existentes para o armazenamento e disponibilidade do hidrogênio como fonte de energia limpa, segura, rentável e de fácil manipulação. A reação no estado sólido de magnésio e gás hidrogênio forma o composto hidreto de magnésio que proporciona manipulação segura, elevada densidade volumétrica e gravimétrica se comparados a outras formas tradicionais de armazenagem (líquida ou gasosa), tornando-o promissor para uso em escala industrial como portador de energia para aplicação móvel. Entretanto, as rotas de processamento convencionais produzem um material que demanda o uso de temperaturas elevadas durante a ciclagem, assim como, baixa velocidade na cinética de absorção e dessorção de gás hidrogênio, o que limita sua possibilidade de aplicação. Este trabalho tem como meta a busca da melhoria nas propriedades de ligas à base de magnésio através de laminação a frio sob atmosfera inerte. Para atingir esta meta foi desenvolvido um laminador dotado de controle de frequência de rotação dos cilindros com potência de 1.1 quilowatts, que funciona no interior de uma glovebox. O equipamento permite produzir amostras volumosas à base de magnésio para armazenagem de gás hidrogênio, sob atmosfera controlada com intuito de evitar a incorporação de impurezas sólidas e/ou gasosas normalmente encontradas em outras rotas de processamento. A caracterização estrutural das amostras processadas foi executada através das técnicas de análise de DRX, MEV e MET. As propriedades de armazenagem de hidrogênio foram avaliadas por DSC e medidas PCT.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:10:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6680.pdf: 8910629 bytes, checksum: 2223220bfe27cba5df32a8d026e02fc8 (MD5) Previous issue date: 2014-07-10 / Financiadora de Estudos e Projetos / Flow stress curves of ASTM F 138 austenitic stainless steel were obtained through isothermal hot torsion testing in the temperature range of 900- 1200oC and in the strain rate range of 0,01-10s-1, totaling 24 experiments. To understand the dynamic softening during hot working of this material, the shape of the flow stress curves and the parameters required to calculate activation energy for hot working were evaluated. Also, the semi-empirical equations describing these parameters as function of Zener-Hollomon parameter (Z) were obtained. Mathematical modeling of flow stress curves was developed taking into account the recovery parameter r and the Avrami exponent n. Processing maps were constructed using the Dynamic Materials Model. The attained microstructures were analyzed by optical microscopy and the microstructure evolutions under some processing conditions were evaluated by EBSD technique. These procedures were also used to obtain the recrystallized fraction, to identify what softening mechanism was operating and in which conditions it becomes more active. Due to the intermediate stacking fault energy level in this material (78mJ/m2), attained data indicate that dynamic softening occurs in a balance between dynamic recovery and dynamic recrystallization, with temperature having a determining role. At higher Z, extended dynamic recovery takes place and dynamic recrystallization becomes incomplete due to plastic instabilities such as localized flow. Lower Z values offer favorable conditions for complete dynamic recrystallization, even if were necessary to impose large straining. / As curvas de escoamento plástico do aço inoxidável austenítico ASTM F 138 foram obtidas por meio de ensaios de torção a quente isotérmicos contínuos, com temperaturas na faixa de 900 a 1200oC e taxas de deformação (&) variando entre 0,01 e 10s-1, totalizando 24 ensaios. Com o intuito de compreender o amaciamento dinâmico deste material em altas temperaturas, as curvas foram avaliadas quanto à forma e foram determinados os parâmetros necessários para calcular a energia de ativação aparente para a deformação a quente e as equações semi-empíricas em função do parâmetro Z, de Zener- Hollomon. Realizou-se a modelagem matemática das curvas de escoamento plástico em função do parâmetro de recuperação r e da cinética de recristalização de Avrami de acordo com o expoente n, e os mapas de processamento deste aço foram construídos. As microestruturas resultantes dos ensaios foram analisadas por microscopia óptica e avaliou-se a evolução microestrutural em algumas condições de processamento por meio da técnica de EBSD a fim de obter a fração recristalizada do material, além de identificar os mecanismos de amaciamento atuantes e em quais condições de processamento estes se tornam mais efetivos. Pelo fato deste material possuir um valor intermediário de energia de falha de empilhamento (78mJ/m2), os resultados, quando avaliados em conjunto, indicam que o amaciamento ocorre num balanço entre recuperação e recristalização dinâmica, com a temperatura exercendo um papel fundamental neste aspecto. Para os maiores valores de Z, a recuperação dinâmica avança até deformações elevadas e a recristalização dinâmica não se completa devido à instabilidade plástica causada por fluxo localizado, enquanto que para menores valores de Z, as condições tornam-se mais favoráveis à recristalização, mesmo que necessitando de altas deformações para se completar.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:10:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6755.pdf: 7447170 bytes, checksum: 8d5fb11251a7f6c0476faf234c8328af (MD5) Previous issue date: 2015-10-29 / Universidade Federal de Sao Carlos / The use of amorphous metals becomes a large market in the industry of micro-components and/or milimetric machine parts, presenting excellent magnetic and mechanical properties and high glass forming ability such as the recent developed iron based alloys in the [(FexCo1-x)0.75B0.2Si0.05]96Nb4 compositions, where x = 0.1-0.5 at.%. Wherever, these properties are reached when this material is processed by techniques that impose and maintain higher cooling rates (103-106 K/s), limiting factors in order to obtain amorphous parts with centimeters in dimension. In this study, the Fe43.2Co28.8B19.2Si4.8Nb4 alloy was processed by spray forming as an alternative route to obtain amorphous deposits with large sizes. The study conducted depositions onto rotating copper rollers generating a co-lamination condition, producing larger ribbons. In a second step, depositions in industrial scale were performed using preheated cylindrical and flat substrates moving longitudinally at various speeds, producing deposits with different thickness. In a third deposition, subsequent layers were deposited due the came and back longitudinal movement of the cylindrical substrate. The microstructure of all materials were evaluated by optical and scanning electron microscopy, differential scanning calorimetry, and X-ray diffraction. The powders of all experiments and the spray-co-laminated ribbons presented fully amorphous microstructure. The first and second deposits exhibited a 1 to 2.5 mm thickness amorphous layer formed in direct contact with the substrate. The median/central regions (10 to 15 mm thickness) presented a mix of crystalline and amorphous phases or fully crystalline microstructure depending the thickness of the deposit. The third deposit was formed by ~10 layers with ~2 mm thickness each presenting fully amorphous or a mix of crystalline and amorphous phases. These results suggesting that this process is a promising potential for the production of amorphous alloys in large volumes and sizes, expanding the use of these materials. / O uso de metais amorfos tornou-se um grande Mercado na indústria de micro-componentes e/ou peças milimétricas apresentando excelentes propriedades magnéticas e mecânicas e alta tendência de formação de fase amorfa como a recém desenvolvida liga amorfizável a base de ferro com composição [(FexCo1-x)0.75B0.2Si0.05]96Nb4, x = 0.1-0.5 at.%. No entanto, essas propriedades são atingidas quando esse material é processado por técnicas que impõe e mantém altas taxas de resfriamento (103-106 K/s), fatores limitantes para obtenção de peças amorfas com dimensão de centímetros. Nesse estudo a liga Fe43.2Co28.8B19.2Si4.8Nb4 foi processada por conformação por spray como uma rota alternativa para obtenção de depósitos de grandes dimensões. O estudo conduziu deposições sobre rolos de cobre rotativos, gerando uma condição de co-laminação produzindo grandes fitas. Em uma segunda etapa, foram realizadas deposições em escala industrial usando substratos cilíndricos e planos pré-aquecidos movendo-se longitudinalmente em várias velocidades, produzindo depósitos com diferentes espessuras. Em uma terceira deposição, camadas subseqüentes foram depositadas devido ao movimento de ida e vinda do substrato cilíndrico. As microestruturas de todos os materiais obtidos foram avaliadas por microscopia ótica e eletrônica de varredura, calorimetria diferencial de varredura e difração de Raios-X. Os pós de todos os experimentos e as fitas obtidas por co-laminação apresentaram microestrutura totalmente amorfa. O primeiro e segundo depósitos exibiram uma camada amorfa de 1- 2,5 mm de espessura formada em contato direto com o substrato. As regiões média/central dos depósitos apresentaram uma mistura de fases cristalinas e amorfa ou fases totalmente cristalinas dependendo da espessura do depósito. O terceiro depósito foi formado por ~10 camadas com ~2 mm de espessura cada apresentando microestrutura totalmente amorfa ou uma mistura de fases cristalinas e amorfa. Esses resultados sugerem que esse processo apresenta-se como um potencial promissor para a produção desse tipo de liga em grandes volumes e tamanhos, expandindo o uso desses materiais.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:10:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6795.pdf: 7359081 bytes, checksum: d0c54a98b409ddaf82c94716619e0ff9 (MD5) Previous issue date: 2015-02-05 / Financiadora de Estudos e Projetos / Magnesium oxide is an important subject of investigation because of its physical and chemical properties, mainly for its application to refractory ceramics. However, magnesium oxide hydration generates its hydroxide, Mg(OH)2, which may cause a volumetric expansion, possibly tightening and damaging components made from this material. These factors are limiting for the use in refractory castables and, as a result, most studies regarding this application is focused on minimizing its harmful effects. In order to minimize the effects of hydration on refractory compositions, this work evaluated two types of magnesia presenting different reactivity, caustic and sinter magnesia, with additives (CaCl2, MgCl2, CaF2, MgF2, acetic acid, magnesium acetate, citric acid and EDTA). The results indicated that the soluble salts (CaCl2 and MgCl2) accelerated the hydration, diminishing the apparent volumetric expansion, increasing the mechanical strength and the hydration heat. Because the addition of insoluble salts (CaF2, MgF2) promoted a reduction in the hydration degree, however, samples showed cracks, became crispy, and presented low mechanical strength. In the case of adding acetic acid or magnesium acetate, it occurred a precipitation acceleration of brucite, Mg (OH)2, as a result of the acetate ion complexation power generated, being mechanical resistance of the acetate greater than the acetic acid. The chelating agents (citric acid and EDTA) had distinct behaviors: the citric acid caused hydration decrease because of the absorption effect; and EDTA caused hydration increase as a result of its Mg2+ ions complexation power. It may be concluded that additives, presented in the compositions studied herein, are promising materials for refractory application, assuming that the additives hydrating will improve refractories mechanical strength, and those decreasing the hydration must be incorporated to other materials to improve their performance. / O óxido de magnésio é objeto de investigação devido as suas notáveis propriedades físicas e químicas, principalmente para aplicações em cerâmicas refratárias. No entanto, a hidratação do óxido de magnésio gera o seu hidróxido, Mg(OH)2 e essa reação ainda pode causar uma significativa expansão volumétrica que pode tensionar e danificar um componente feito com esse material. Esses fatores são limitantes para uso em concretos refratários e, devido a isso, grande parte dos estudos para sua aplicação concentra-se em minimizar seus efeitos deletérios. Com o objetivo de minimizar os efeitos da hidratação em composições refratárias, neste trabalho foram avaliados dois tipos de magnésia com reatividades distintas, MgO cáustico e MgO sínter na presença de vários aditivos (CaCl2, MgCl2, CaF2, MgF2, ácido acético, acetato de magnésio, ácido cítrico e EDTA). Os resultados indicaram que os sais solúveis (CaCl2 e MgCl2) aceleram a hidratação, diminuem a expansão volumétrica aparente, aumentam a resistência mecânica e o calor de hidratação. Já a adição de sais insolúveis (CaF2 e MgF2) promoveram diminuição do grau de hidratação, no entanto, as amostras apresentaram trincas e se tornaram friáveis e com baixa resistência mecânica. No caso da adição de ácido acético ou acetato de magnésio ocorreu a aceleração da precipitação da brucita, Mg(OH)2, em decorrência do poder de complexação do íon acetato gerado, sendo a resistência mecânica do acetato superior ao do ácido acético. Os quelantes (ácido cítrico e EDTA) tiveram comportamentos distintos: o ácido cítrico causou a diminuição da hidratação, devido ao efeito de adsorção e o EDTA causou o aumento em consequência do seu poder de complexação dos íons Mg2+. Pode-se concluir que os aditivos, nas composições estudadas, são materiais promissores para aplicação em refratários, partindo do princípio dos que hidratam ocorre melhoria na sua resistência mecânica e os que diminuem a hidratação devem ser incorporados com outros materiais para melhorar o seu desempenho.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:10:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6810.pdf: 5030553 bytes, checksum: 9c7b90aa2e0826e986d57009336f6e6f (MD5) Previous issue date: 2015-03-31 / Financiadora de Estudos e Projetos / Glass forming ability (GFA) is one of the big issues to obtain large bulk metallic glasses, which are composed of three or more elements. Regardless of an increasing theoretical understanding of glass formation, taking a look in the vast multidimensional compositional space, the increasing number of elements is concerning. How many? How long will we take searching good-inexpensive compositions for applying in the near-net-shape processing predestined to BMGs? Here, we present the results of Cu36Ti34Zr22Ni8 alloy processed either by melt cooling or milling, which was subsequently hot compacted. After the processing by two routes was verified that the GFA of ribbons was poor and for powders and bulk samples was improved by increasing of 96 K in the crystallization temperature (Tx) After analysis by transmission electron microscopy, corrosion and syncrotron light was observed phase separation in the 3 materials. Phase separation can decrease, that can explain the ribbons behavior. However, after synchrotron data processing, including Reverse Monte Carlo (RMC) simulation was observed a GFA improvement (~10 times greater than in the ribbons) due to an increased interaction between small-large atoms. Evidently this behavior was attributed to differences in the processing. This finding indeed proffers a brand-new viewpoint of the metal's amorphous state, and has implications in the understanding of the structure as being as well a consequence of the processing. This will open a new highway toward the reuse of already developed interesting alloys, which will have the same composition but with a significant improvement in the GFA. / A tendência a formação de estrutura amorfa (TFA) é um dos grandes desafios para se obter metais amorfos de grande volume, os quais são compostos por três ou mais elementos. Independente de uma crescente compreensão teórica da formação do vidro, observando o vasto espaço multicomposicional, o aumento do número de elementos é preocupante. Quantos? Quanto tempo levaremos buscando composições boas e baratas aplicáveis ao processamento via near net shape, predestinado aos metais amorfos de grande volume (MAGV)? Nesta tese de doutorado são apresentados os resultados da liga Cu36Ti34Zr22Ni8 processada por solidificação rápida, moagem e consolidação a quente. Após os dois processamentos se verificou que a TFA das fitas foi pequena e nos pós e amostras consolidadas foi aumentada, através do aumento de 96K na temperatura de cristalização. Após análises via microscopia eletrônica de transmissão, corrosão e luz síncrotron observou-se que houve separação de fases nos 3 tipos de materiais. Separação de fase pode diminuir a TFA, o que explica o comportamento das fitas. Entretanto, após o processamento dos dados do sincrotron, inclusive aplicando simulação de Monte Carlo Reverso (MCR), constatou-se que a melhoria na TFA (que foi de aproximadamente 10 vezes maior que na fita) foi devido a um aumento na interação entre átomos pequenos e grandes. Evidentemente este comportamento foi atribuído a diferenças entre os processamentos. Esta descoberta, de fato, profere um novo ponto de vista ao estado amorfo do metal, e tem implicações na compreensão da estrutura como sendo também uma consequência do processamento. Isto abrirá um novo caminho em direção ao reaproveitamento de ligas já desenvolvidas e interessantes, que terão a mesma composição, mas com uma melhoria significativa na TFA.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:10:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseSFS.pdf: 10691709 bytes, checksum: 968fca4ee1f6c4fff2a9f8ed36b52c57 (MD5) Previous issue date: 2005-03-11 / Universidade Federal de Sao Carlos / In this work, the main objective was to determine the energy of fracture in ceramic materials, focused on refractories, at high temperatures and to inquire the interference of the creep on this measurement. Therefore, castable containing white fused and calcined aluminas, hydrated alumina as a binder, with and without, a glass of SiO2-CaO-Al2O3-B2O3-MgO was designed. This material can simulate the real situation of refractory castables that present possible glassy phase formation due to the presence of cement, silica fume and impurities of raw materials. In addition to this material two commercial refractories were also characterized. Physical characterizations, refractoriness under load, modulus of rupture, Young's modulus and coefficient of linear thermal expansion were evaluated. The energy of fracture was measured through stable crack propagation in three-point bending tests. The creep curves were obtained in three-point bending and compression tests. The concept of rate of energy of creep deformation was used to evaluate creep semiquantitatively as well as to consider a description for the energy of fracture at high temperatures. The results indicate that a maximum in the energy of fracture measured through stable crack propagation under three-point bending tests occurs as a function of temperature. For this case it will exist a range of temperature at which the material will suffer a transition from brittle to ductile behaviour due to the presence of glassy phase in the microstructure. In the transition, bridges of glassy phase contribute for the increase of the average energy for crack propagation. Consequently, these results have strong influence on the thermal shock damage resistance parameters. / Neste trabalho, o objetivo principal foi determinar a energia de fratura em materiais cerâmicos, em particular refratários, em temperaturas elevadas e averiguar a interferência da fluência sobre esta medida. Para tanto, foram projetados e preparados compósitos contendo aluminas eletrofundidas e calcinadas, alumina hidratável como ligante e, com e sem, fibras moídas de um vidro de SiO2-CaO-Al2O3-B2O3-MgO. Com este material, colocando teores conhecidos de vidro, foi simulado um concreto refratário à base de alumina contendo fase vítrea que na prática são formulações contendo cimento de aluminato de cálcio, microssílica e impurezas típicas dessas matérias-primas. Além destes compósitos foram avaliados dois refratários comerciais. Foram realizadas caracterizações físicas e mecânicas, a saber, refratariedade-sobcarga, módulo de ruptura, módulo de Young e coeficiente de dilatação térmica linear. A energia de fratura foi obtida através de ensaios de flexão a três pontos com propagação estável de trinca. As curvas de fluência foram obtidas sob carregamento de compressão e de flexão a três pontos. Foi utilizado o conceito de taxa de energia de deformação de fluência tanto para avaliar semiquantitativamente a fluência quanto para propor uma descrição analítica para a energia de fratura em temperaturas elevadas. Os resultados indicam que a energia de fratura passa por um máximo na faixa de temperatura em que ocorre uma transição de comportamento mecânico frágil-dúctil de materiais cerâmicos que contêm fase vítrea na microestrutura. Nesta transição pontes de fase vítrea contribuem para o aumento da energia média dissipada para a propagação de uma trinca e a geração de duas superfícies de fratura. Por conseqüência, estes resultados influenciam fortemente os parâmetros de resistência ao dano por choque térmico.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:10:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseHB.pdf: 13776688 bytes, checksum: 9b5f56dbe44ae31b94d46975c7b7feb5 (MD5) Previous issue date: 2005-11-11 / Universidade Federal de Minas Gerais / In this work, the processing of BIMEVOX family ceramics (ME-doped bismuth vanadate, ME =Cu2+, Fe3+ and Ti4+), obtained by precursor oxides fusion method was studied. The resulting powders were valued by X ray diffraction, atomic emission spectrometry, scanning and transmission electronic microscopy, and analyzed by particle size distribution. The obtained results showed the oxides fusion method promoted the formation of the interest phases, with the desired content of dopants. The powders presented a majority crystalline portion and a residual vitreous phase, which can be responsible for the relatively high final densities (above 95%) of the sintered samples, reached at lower temperatures (750 ºC for BICUVOX and 800 ºC for BIFEVOX and BITIVOX) and shorter firing times (4 hours), if compared with some literature data. The microstructure of samples was revealed without any superficial treatment or etching (thermal or chemical), but there is not an explanation for this phenomenon yet. The grains presented a mean size small enough (about 3 µm) to promote a reproducibility of the electrical conductivity over a heatingcooling thermal cycle, at the temperature range valued (150 450 ºC). Electrical conductivity was not significantly influenced by the pO2 not even for the final density of the samples, and the activation energy values for the conduction presented small difference. Electrical measurements indicated the presence of order-disorder transformations in between 450-500 °C, which were showed up through the change of the slope in the conductivity-temperature curves. According to the carried out tests in prototypes, in spite of unsuitability of BIMEVOX materials studied for the application in melted metals at 1600 °C (due low melting point of these ceramics), they can be possibly applied as gas sensors in ambient of lower temperatures. / Nesse trabalho foi estudado o processamento de cerâmicas da família BIMEVOX (vanadatos de bismuto dopados com os cátions Cu2+, Fe3+ e Ti4+), obtidas pelo método de fusão de óxidos precursores das fases de interesse. Os pós foram caracterizados por difração de raios X, espectrometria de emissão atômica, microscopia eletrônica de varredura e de transmissão, e por análise da distribuição de tamanho de partículas. Os resultados obtidos mostraram que o método de fusão de óxidos promoveu a formação das fases de interesse, inclusive com o teor de dopantes desejado. Os pós apresentaram uma porção cristalina majoritária e uma fase vítrea residual, a qual se acredita seja a responsável pelas densidades finais relativamente altas (acima de 95%) observadas para as amostras sinterizadas, alcançadas a menores temperaturas (750 ºC para o BICUVOX e 800 ºC para o BIFEVOX e para o BITIVOX) e tempos de patamar mais curtos (4 horas), se comparados com alguns dados de literatura. A microestrutura das amostras foi revelada sem a necessidade de qualquer tratamento superficial ou ataque (térmico ou químico), mas ainda não se sabe o motivo para tal fenômeno. Os grãos apresentaram um tamanho médio suficientemente pequeno (cerca de 3 µm), capaz de proporcionar às amostras uma reprodutibilidade na condutividade elétrica sobre um ciclo térmico de aquecimento-resfriamento, na faixa de temperatura avaliada (150 a 450 ºC). A condutividade elétrica não foi significativamente influenciada pela pressão parcial de oxigênio ou pela densidade final das amostras, e os valores de energia de ativação para a condução apresentaram pequena variação. Medidas elétricas indicaram a ocorrência de transformações ordem-desordem entre 450-500 °C, evidenciadas pela variação na inclinação da curva condutividade-temperatura. Conforme os testes realizados em protótipos, apesar da inadequação dos materiais BIMEVOX estudados para a aplicação em banhos de metais fundidos a 1600 °C (devido a sua refratariedade relativamente baixa), isso não exclui a sua promissora aplicação como sensores de gases em ambientes menos severos de temperatura.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:11:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissDRL.pdf: 2135754 bytes, checksum: 5c12f02770208e279c35a61069e4ce5a (MD5) Previous issue date: 2006-02-17 / Universidade Federal de Minas Gerais / Magnesium is light, abundant and it can store up to 7.6 wt. % of hydrogen forming the hydride MgH2 and therefore it is a promising material for hydrogen storage. However, the H-sorption occurs at relatively high temperatures with slow kinetics. Beside this, Mg and MgH2 surfaces are highly reactive, easily forming oxide or hydroxide layers that lower the level of storage properties. Mg-based nanocomposites have been studied in the last few years to overcome these limitations. The grain size reduction of Mg or MgH2 to the nanometric scale and the addition of catalysts as transition metals or its hydrides can promote fast kinetics at lower temperatures. The formation of a fluorinated layer on Mg surface enhances its stability in the sorption cycles avoiding the usual contamination with oxygen. Reactive milling under H2 atmosphere is one of the processing routes that has been recently investigated for the preparation of Mg-based nanocomposites, and promising results have been obtained. In the present work, the effects of different nanocrystalline additives (MgF2, Fe, NbH0,89, FeF3, VF3) into Mg processed by reactive milling were studied. The aspects analysed in this work were the influence of the additives in MgH2 synthesis during milling and in the desorption behavior. A combined catalytic effect was observed due to the MgF2 and Fe (or NbH0,89) action in MgH2 synthesis during processing. The transition metal fluorides also promote MgH2 synthesis. A fluorine transfer reaction occurs from the fluoride to Mg, generating MgF2 and transition metal (or its hydride) nanoparticles in the mixture. An important catalytic effect of Fe during H-desorption of MgH2 was also observed. / O magnésio é leve, abundante e pode armazenar até 7,6% em massa de hidrogênio sob a forma de MgH2, portanto é um material promissor para a armazenagem de H2 para fins energéticos. Entretanto, as reações de absorção e dessorção de hidrogênio ocorrem em temperaturas relativamente altas e com cinética lenta. Além disso, as superfícies do Mg e do MgH2 são muito reativas, formando facilmente camadas de óxido ou hidróxido que diminuem o nível das propriedades de armazenagem. Os nanocompósitos à base de magnésio têm sido estudados para superar essas limitações. A redução do tamanho de grão do Mg ou MgH2 à escala nanométrica, e a adição de catalisadores como os metais de transição ou seus hidretos pode promover uma cinética rápida a temperaturas mais baixas. A formação de uma camada fluoretada na superfície do Mg aumenta a estabilidade da superfície frente aos ciclos de absorção/dessorção e à ação de impurezas. A moagem reativa sob atmosfera de H2 é uma rota de processamento que tem sido pesquisada recentemente para a preparação de nanocompósitos à base de Mg, com a obtenção de resultados promissores. Neste trabalho, foram investigados os efeitos de diferentes aditivos nanocristalinos (MgF2, Fe, NbH0,89, FeF3, VF3) à moagem reativa do Mg. Os aspectos analisados foram a influência dos aditivos na síntese do MgH2 durante a moagem e no comportamento de dessorção. Verificou-se que o Fe é um importante catalisador na dessorção de hidrogênio pelo magnésio. Observou-se um efeito catalítico combinado devido à ação do MgF2 e do Fe ou (NbH0,89) na síntese do MgH2 durante o processamento. Os fluoretos de metais de transição também promovem a síntese de MgH2. Ocorre uma reação de transferência de flúor do fluoreto ao Mg durante a moagem reativa, gerando nanopartículas de MgF2 e de um metal de transição ou seu hidreto na mistura.