O fenômeno de atrito ainda não possui um entendimento em termos fundamentais. Tal compreensão poderia contribuir no esclarecimento da dissipação de energia por atrito durante a interação entre os átomos de duas ou mais superfícies ao longo de um contato. Essa interpretação para pequenas escalas pode levar ao desenvolvimento de novos materiais, ou mesmo a avanços em materiais já existentes e ainda na engenharia de superfícies, visando uma melhor eficiência energética de componentes para diversas finalidades. Com foco nas leis fundamentais do atrito, neste trabalho investigou-se quantitativamente o comportamento do atrito nas camadas mais externas do aço AISI 1045. Para isso, as superfícies do mesmo foram nitretadas e pós oxidadas à plasma, gerando diferentes nanocamadas de óxido, as quais variaram de 0 a 408 nm. Para a caracterização morfológica foram empregadas técnicas de microscopia de varredura (MEV) e espectroscopia de emissão óptica por descarga luminescente (GD-OES). A determinação das estruturas cristalinas presentes nas camadas superficiais das amostras foi obtida por difração de raios X (DRX) em ângulo rasante. Como resultado, foi observado que a camada nitretada é composta de nitretos γ’-Fe4N e ε-Fe2-3N, enquanto que as camadas superficiais das amostras oxidadas são compostas apenas por Magnetita (Fe3O4) com espessuras nanométricas. O coeficiente de atrito, ou do ingês, coefficient of friction (CoF), além dos dados de rugosidade e módulo elástico reduzido foram obtidos por ensaios de nanoindentação. Foi evidenciado que propriedades como dureza e rugosidade das amostras analisadas não mudam fortemente, dentro da incerteza experimental. No entanto, quando comparadas as amostras oxidadas com a somente nitretada foi observado que o coeficiente de atrito diminui quando a superfície contém a fase magnetita. Porém, comparando apenas as amostras oxidadas o CoF não variou com a espessura das nanocamadas do óxido. Com isso, pode se inferir que o comportamento do atrito é influenciado pela mudança físico-química da superfície (nitrogênio versus oxigênio, nitretos versus magnetita). Os resultados experimentais podem ser explicados com base em modelos de dissipação de energia por fônons. Os referidos modelos relacionam os modos de frequência vibracionais dos átomos presentes na superfície com o coeficiente de atrito e permitem inferir que em ensaios com indentações de até 200 nm o mecanismo dissipativo (atrito) é iniciado por vibrações locais e não coletivas. / Submitted by Ana Guimarães Pereira (agpereir@ucs.br) on 2016-05-18T12:02:17Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao Nerio Bogoni Junior.pdf: 29520976 bytes, checksum: 49b9ea3813aa49e566fa2312582745c2 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-05-18T12:02:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao Nerio Bogoni Junior.pdf: 29520976 bytes, checksum: 49b9ea3813aa49e566fa2312582745c2 (MD5) Previous issue date: 2016-05-18 / CAPES / FAPERGS / The friction phenomenon still does not have an understanding in fundamental terms. Such understanding would help clarifying the frictional energy dissipation during the interaction between atoms of two or more surfaces along a contact. This interpretation for small scales could lead to the development of new materials and also to advances on existing ones, as well as to advances in surface engineering in order to improve the energy efficiency of components for various purposes. Focusing on the fundamental laws of friction, this work investigated quantitatively the friction behavior on the outermost layers of AISI 1045 steel. For this, the material’s surfaces were nitrided and post-oxidized by plasma treatment, generating different thicknesses of oxide which varied from 0 to 408 nm. For morphological characterization were employed scanning electron microscopy (SEM) and glow discharge optical emission spectrometry (GD-OES). The determination of crystal structures on the outermost layers were obtained by X-ray diffraction (XRD) at grazing angle. From this, it was observed that the nitrided layer is composed of nitride phases' such as γ’-Fe4N and ε-Fe2- 3N, while the surface of the oxidized samples reveal only a phase constituted of pure magnetite (Fe3O4) with nanometric thickness. Friction coefficient (CoF), roughness and reduced elastic modulus data were obtained by nanoindentation tests. Properties such as hardness, Young's modulus, surface roughness and plasticity index of all samples did not change greatly within the margin of experimental scatter. Comparing the oxidized samples with the just nitrided exhibits a decrease on the friction coefficient when the surface layer contains magnetite. Further, a comparison within the oxidized samples show CoF does not vary with the thickness of oxide. Thus, it can be inferred that the friction behavior is influenced by physical and chemical change of surface (nitrogen vs. oxygen, nitrides versus magnetite). As a consequence, the experimental results can be explained based on energy dissipation models by phonons. The referred models relate the vibrational frequency modes of the atoms present on the surface with the coefficient of friction, allowing to be inferred that in indentation tests with up to 200 nm, the dissipative mechanism (friction) is initiated by local and not collective vibrations.

Submitted by Felipe Sannomiya Sakamoto (fesaka@gmail.com) on 2018-04-11T20:16:37Z No. of bitstreams: 1 Dissertação - Felipe Sannomiya Sakamoto.pdf: 6137098 bytes, checksum: a32159d8a079ea4c53b2bde7e050c4ad (MD5) / Approved for entry into archive by Pamella Benevides Gonçalves null (pamella@feg.unesp.br) on 2018-04-13T17:13:01Z (GMT) No. of bitstreams: 1 sakamoto_fs_me_guara.pdf: 6137098 bytes, checksum: a32159d8a079ea4c53b2bde7e050c4ad (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-13T17:13:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 sakamoto_fs_me_guara.pdf: 6137098 bytes, checksum: a32159d8a079ea4c53b2bde7e050c4ad (MD5) Previous issue date: 2018-02-16 / Os aços de alta resistência da série AISI 43XX apresentam importantes aplicações na indústria aeroespacial e automobilística. Devido as suas características, podem atingir altos limites de escoamento e resistência. A presença de elementos de liga como cromo, molibdênio e níquel juntamente com o teor de carbono, variando neste estudo de 0,20 a 0,70 %, podem promover melhorias nas propriedades mecânicas. O tratamento de superfície de nitretação utilizado pode promover melhorias nas propriedades de corrosão, desgaste e aumento da dureza superficial. Neste estudo foi aplicado o tratamento de nitretação a plasma em amostras dos aços da família AISI 43XX e foi avaliada, de forma comparativa, as alterações na superfície e na microestrutura dos aços nitretados em relação aos não nitretados. A elevação do teor de carbono pode dificultar ou reduzir a formação da camada de nitretos, portanto, é importante avaliar a influência do percentual de carbono nestas estruturas. As características microestruturais foram analisadas por microscopia óptica, microdureza e difração de raios-X. Foram também estudadas a influência do teor de carbono no aço apenas temperado e temperado e revenido. Com o aumento do teor de carbono do aço foi observada a elevação na dureza do aço temperado ou apenas recozido. O tratamento termoquímico de nitretação a plasma elevou a dureza da superfície para valores em torno de 800 HV, dureza superior à encontrada no substrato. A profundidade da zona de difusão de nitrogênio foi menor para os aços com teores de carbono mais elevados. A autenita retida aumentou juntamente com o teor de carbono, mas só foi possível quantificar a fração volumétrica desta fase pela microscopia óptica, uma vez que, pela técnica de difração de raio X, é de difícil detecção concentrações abaixo de 5% ou distribuídas de forma fina e homogênea. / The high strenght steel from series AISI 43XX are heavely applied on the aerospacial and automotive industry. Due to their chacteristics, they reach high yield values and resistence levels. The presence of chrome, nickel and molybdenum allied with the carbon content, from 0,20 to 0,70% in this study, can provide improvements on the mechanical properties. The nitriding surface threatment used may provide improvement on corrosion, wear properties and increase the surface hardness. In this study was applied the nitriding plasma threatment on samples of family 43XX steel and was evaluated, on comparative basis, the alterations on the surface and in the microstructure of nitrided steels in comparison to not nitrided steels. Higher carbon content may hamper or reduce the nitrides deposition, therefore, it is important to evaluate the influence of the carbon concentration in theses structures. The microstructure characteristics were analysed by optical microscopy, microhardness and X-ray difraction. The nitriding plasma thermochemical threatment raised the surface hardness to values of about 800 HV, higher than the values measured in the substract. The nitrogen diffused zone of higher carbon content steels was thicker than the lower. The content of arrested austenite increased as the carbon contend increased, but was just possible to measure it by optical microscopy, because it is difficult to measure lower contents than 5% or homogen and thick distributed by X-ray difraction.

A nitretação da liga NbTi 50% em peso de Ti, foi examinada em uma atmosfera de nitrogênio, na faixa de temperatura 800-1000&#176C, utilizando-se a técnica de difratometria de raios-X, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e metalografia. Foi observada a formação de duas camadas contínuas de nitretos sobre a matriz: fase-&#948 (TiN) mais externa e a fase-&#958(Ti2N) mais interna. As duas camadas cresceram continuamente durante a reação, sendo que, a frente de saturação da matriz, pelo nitrogênio, cresceu mais rapidamente do que a frente de saturação do TiN. Foi proposto um método, utilizando-se dados de difratometria de raios-X, para se estudar o crescimento de camadas, sobre metais e ligas, formadas durante a reação com gases. A aplicação deste método permitiu fazer uma avaliação da cinética de crescimento da camada de TiN sobre a camada de Ti2N. A energia de ativação para o crescimento do TiN foi de 19 Kcal/mol, obtida a partir da lei temporal linear, e indicou um mecanismo não controlado pela difusão do nitrogênio através da camada de TiN. Os resultados obtidos indicam que o nitrogênio difunde através de túneis, ricos em Nb, onde sua difusão é mais rápida do que através do TiN. / The NbTi (50% wt. Ti) alloy nitretation under nitrogen atmosphere (p=760mm) at 800-1000&#176C was studied by X-ray diffractometry, TEM and optical metallograpy. During the reaction the two phases (Ti2N &#948 and TiN &#958) growed continuously, the (Ti2N, N2) reaction front growed faster than the (TiN, N2). A method for study the scale growing was proposed using X-ray diffractometry data. By using this method, the growth of TiN scale was analyzed and the activation energy of 19 Kcal/mol was determined using a linear timming Law indicating a mechanism not controlled by diffusion througth TiN layer. The present results suggest that the diffusion through the tight tunnels, rich in Nb, allow a fast transport of nitrogen through the TiN layer.

Visando-se determinar as temperaturas mais adequadas de nitretação e carbonitretação por plasma dos aços inoxidáveis austenítico AISI 316L, ferrítico AISI 409 e super duplex ASTM A890 Gr 5A e suas influências nas resistências ao desgaste e à corrosão, amostras desses aços foram tratadas a 400, 450 e 500°C, e submetidas a ensaios micrográficos, de raios X, ensaios microabrasivos e de corrosão. Todas as temperaturas de tratamentos utilizadas nos vários aços estudados produziram camadas com grande regularidade, que tiveram suas espessuras e durezas aumentadas com o aumento da temperatura de tratamento. Em todos os casos, ocorreu um grande aumento nas resistências ao desgaste microabrasivo das amostras nitretadas ou carbonitretadas, em comparação com o substrato, comprovando a efetividade da fase \"S\", produzida nas temperaturas mais baixas, no aumento das durezas e resistências ao desgaste. No caso das amostras tratadas em temperaturas mais elevadas, o nitreto de cromo foi o responsável principal pelo aumento dessa resistência. Verificou-se por meio dos resultados das curvas de polarização anódicas das camadas nitretadas e carbonitretadas a 400°C que, para os três tipos de aços em estudo, tais camadas apresentaram comportamentos semelhantes e superiores aos dos substratos, devido a formação de austenita ou ferrita expandidas. No caso das temperaturas de tratamentos de 450 e 500°C, as amostras carbonitretadas apresentaram desempenho superior ao das nitretadas e, próximos aos dos substratos, não tendo ocorrido degradação dessa propriedade. Os tratamentos de nitretação e carbonitretação por plasma, realizados nas temperaturas adequadas definidas no presente trabalho para os principais tipos de aços inoxidáveis, produziram camadas com elevadas durezas e resistências ao desgaste, sem perdas nas características de corrosão, que inclusive melhoraram em alguns casos, permitem a ampliação do uso dos aços inoxidáveis para situações que requeiram aquelas propriedades. / Aiming to determine the most appropriate temperatures of plasma and carbonitriding of the AISI 316L austenitic stainless steel, AISI 409 stainless steel and ASTM A890 Gr5A super duplex steel and their influence corrosion and wear resistances of those steel samples, they were treated 450 and 500°C, and submitted to micrography analyses, X-ray diffraction, abrasive wear and corrosion tests. All treatment temperatures used in the several studied steels produced layers with great regularity, which increased their thickness and hardness with the increase of the treatment temperature. In all the cases, a great increase occurred in the micro-abrasivive resistance of the nitrided and carbonitrided samples, in comparison with the substrate, proving the effectiveness of the \"S\" phase, produced in the temperatures, in the increase of the hardness and wear resistances. In the the samples treated at higher temperatures, the chromium nitride was the responsible one for the increase in the wear resistance. It was verified through the results of the potenciodinâmicos corrosion the nitrided and carbonitrided layers at 400°C, that for the three types of stee study, such layers presented similar and superior behaviors to that of the substrate, due to austenite or expanded ferrite formation. In the case of the treatment temperatures of 450 and 500°C, the carbonitrided samples presented s performance to the nitrided one and similar performance to the substrates s without the occurrence of any degradation of that property. The plasma nitriding and plasma carbonitriding treatments, carried out in the temperatures defined in the present work, for the principal types of stainless to produce layers with high hardness and wear resistances, without losses corrosion characteristics, which even got better in some cases, allow to expand the use of the stainless steels in situations where those properties are required.

Os aços ultra-resistentes e os sinterizados estão bem estabelecidos tecnologicamente, sendo utilizados nas mais variadas aplicações. Entretanto para certas situações, como é o caso de componentes sujeitos aos desgaste severo, existe a necessidade de se melhorar suas propriedades superficiais. Dentre as técnicas de endurecimento superficial, a nitretação iônica se apresenta como uma boa alternativa para o tratamento desses aços, uma vez que as peças ficam menos suscetíveis a empenamentos e distorções, como ocorre em outros tratamentos superficiais convencionais e permite o controle adequado da camada produzida. O presente trabalho tem por objetivo estudar o efeito do silício em aços ultra-resistentes com relação ao tratamento térmico bem como a influência desse elemento na nitretação e conseqüentemente no desgaste abrasivo e verificar a influência do V sobre essas mesmas características no caso de aços sinterizados. Foram utilizadas oito ligas, com diferentes teores de silício e vanádio, que foram nitretados ionicamente em diferentes condições de temperatura e/ou tempo. As camadas nitretadas obtidas foram avaliadas por meio de ensaios de microdureza na superfície e na seção transversal, microscopia ótica e eletrônica de varredura, com microssonda (EDX), análise por difração de raios X e ensaios de abrasão do tipo \"pino-sobre-disco\". Observou-se que, com o aumento do teor de silício, nas ligas ultra-resistentes aumentou a dureza após o revenido e que a presença desse elemento aumenta consideravelmente a dureza da camada nitretada. O aumento do teor de silício produziu camadas de compostos menos espessas e de alta dureza, que apresentaram as melhores resistência ao desgaste abrasivo. As análises superficiais por meio de raio X demonstraram que essas camadas são formadas por uma mistura de nitretos &#947\'-Fe4N, &#949Fe2-3N, CrN, MoN e Si3N4, que variam suas proporções com as condições de nitretação. Nas ligas sinterizadas as durezas das camadas aumentaram consideravelmente depois da nitretação iônica, devido a formação de VN. No ensaio de desgaste abrasivo verificou-se que tal aumento de dureza resultou em uma menor perda de massa, quando a camada de compostos é constituída significativamente de VN e &#947\'- Fe4N. O incremento do tempo de tratamento não influenciou na forma e tamanho dos carbonetos presentes nesses aços. / The ultra-strength and sintered steels are technologically very established, being used in the most varied applications. In the cases where the main selection requirements are the mechanical resistance and the cost of the material, those steels are an interesting option. However for certain applications, as it is the case of components subject to the severe wear, the need exists of improving its surface properties. Among the techniques of superficial hardening, the ion nitriding present it self as a good alternative for the treatment of those steels, once the specimen are less susceptible to the warpage and distortions, as it happens in another conventional superficial treatments. The objective of the present work is to study the effect of the Si in ultra-strength steels relating it to the heat treatment as well as the abrasive wear resistance of the same and of sintered tool steels with variable content of V, after ion nitriding. Eight alloys were used with different content of Si and V. The alloys were ion nitrided in different conditions of temperature and/or time. The nitrided layers obtained were appraised by means of microhardness test in the surface and in the cross section of the layers, optical and scanning electron microscopy (SEM), with energy dispersive spectrometry (EDS), analysis for X-ray diffraction and \"Pin-on-Disc\" type abrasion test. It was observed that with the increase of the content of Si in the ultra-resistant alloys, increased the hardness after the tempering and the presence of that element it increases the hardness of the nitrided layer considerably. The increase of the content of Si produced smaller compound layers and of high hardness, that presented the best resistance to the abrasive wear. The superficial analysis by means of X-ray has shown that the compound layers are formed by a mixture of &#947\'-Fe4N, e-Fe2-3N, CrN, MoN and Si3N4, nitrides that vary its proportions with the nitriding conditions. In the sintered alloys the hardness of the layers increased considerably after the ion nitriding, due to formation of VN. In the test of abrasive wear it was verified that such increase of hardness results in a smaller mass loss, when the compound layer is constituted of VN and &#947\'-Fe4N phase. The increase of time of treatment did not influence in the shape and size of the present carbides in the steels.

Neste trabalho, filmes finos e nanotubos (NTs) de Ta3N5 foram sintetizados por termo-nitretação a partir de Ta2O5 amorfo. Filmes finos de Ta2O5 foram preparados por rádio frequência magnetron sputtering e os nanotubos foram preparados por anodização electroquímica. Foram investigadas as propriedades eletrônicas, ópticas, estruturais, superfíciais e, particularmente, as propriedades fotoeletroquímicas dos amostras de Ta3N5. Difração de raios-X e análises de microscopia eletrônica de alta resolução mostraram que filmes finos de Ta3N5 apresentam fase monoclínica, enquanto nanotubos de Ta3N5 estrutura cristalina ortorrômbica. Para os filmes finos de Ta3N5 foram obtidos constantes ópticas por elipsometria espectroscópica. O valor obtido para a constante dielétrica foi de 7–9 na região espectral visível (3,1-1,7 eV). Após o estudo dos filmes finos de Ta3N5 as investigações centraram-se nos nanotubos. Para preservar a morfologia tubular em altas temperaturas de nitretação, o processo de anodização foi otimizado para aumentar a aderência e a espessura da parede dos nanotubos de Ta2O5.O refinamento Rietveld mostrou que o processo de nitretação resulta em defeitos Schottky de nitrogênio e tântalo, além de isso, a amostra apresenta defeitos substitucionais do oxigênio. Utilizando voltametria cíclica, cronoamperometria e espectroscopia de impedância electroquímica foi observado que o desempenho fotoeletroquímico inferior dos nanotubos puros de Ta3N5 é atribuído à presença de estados aprisionados associados a interface dos nanotubos de Ta3N5–electrólito com electrólito padrão. Ainda, mesmo altamente cristalinos os nanotubos puros de Ta3N5 não podem suportar os estados de aprisionamento mencionados, que prejudicam o desempenho do fotoanodo e, assim, necessitam a aplicação de maior polarização externa (> 1,23 V vs RHE). Estes resultados não foram observados no electrólito contendo reagente de sacrifício. A espectroscopia de impedância electroquímica mostrou que o transporte de carga na interface de semicondutores–eletrólito é altamente influenciada pelas condições de nitretação. No entanto, a banda plana de nanotubos de Ta3N5 puro mantem-se inalterada. Verificou-se que para um melhor desempenho fotoelectroquímico das nanotubos de Ta3N5 a temperatura de nitretação deve ser suficientemente elevada para melhorar a cristalinidade, mas o tempo deve ser curto o suficiente para preservar a morfologia tubular. A melhora do desempenho fotoeletroquímico foi relacionada com baixo teor de oxigênio, alta cristalinidade, baixa formação de defeitos e baixa transferência de carga na interface do semicondutor com o eletrólito, obtidos em condições de anodização e nitretação ideais. / In this work thin films and nanotubes (NTs) of Ta3N5 have been synthesized by thermal nitridation of amorphous Ta2O5 starting materials. Ta2O5 thin films were prepared by radio frequency magnetron sputtering; whereas Ta2O5 NTs were prepared by electrochemical anodization. With the aim to investigate electronic, optical structural, surface, and particularly photoelectrochemical properties; the Ta3N5 samples were studied employing thorough characterization techniques. X-ray diffraction and high resolution electron microscopy analyses have shown that Ta3N5 thin films exhibit monoclinic phase whereas Ta3N5 NTs present orthorhombic crystalline structure of Ta3N5. Utilizing Ta3N5 thin films the optical constants were obtained by spectroscopic ellipsometry. The obtained dielectric constant of Ta3N5 thin film was in the range of 7–9 in the visible spectral region (3.1–1.7 eV). After studying Ta3N5 thin films the investigations were focused on the NTs. To preserve the tubular morphology of Ta3N5 NTs at higher nitridation temperatures the anodization was optimized by fine-tuning the adherence and the wall thickness of Ta2O5 NTs. The Rietveld refinement has confirmed that in addition to oxygen substitutional defects the nitridation process results in Schottky defects of nitrogen and tantalum within the crystalline structure. Utilizing cyclic voltammetry, chronoamperometry and electrochemical impedance spectroscopy it was observed for the first time that lower photoelectrochemical performance of pristine T3N5 NTs is attributed to the presence of trapping states associated with T3N5 NTs–electrolyte interface in standard electrolyte. Even highly crystalline pristine Ta3N5 NTs could not cope with these trapping states. These states devastate the performance of the photoanode and present the necessity of applying higher biasing (> 1.23 V vs RHE); which is a major drawback of using pristine Ta3N5 NTs for water splitting. These were not observed in the electrolyte containing sacrificial reagent due to its efficient hole scavenging ability. Electrochemical Impedance spectroscopy has shown that the charge transportation at the Semiconductor–Electrolyte interface is highly influenced by the nitridation conditions; however, the flat band of pristine Ta3N5 NTs remained unchanged. It was found that for improved photoelectrochemical performance of Ta3N5 NTs the nitridation temperature should be high enough to improve crystallinity but the time should be short enough to preserve the tubular morphology. The improved photoelectrochemical performance was related to low oxygen content, high crystallinity, low defects formation and low interfacial charge transfer at Semiconductor–Electrolyte interface, obtained at optimum anodization and nitridation conditions.

O fenômeno de atrito ainda não possui um entendimento em termos fundamentais. Tal compreensão poderia contribuir no esclarecimento da dissipação de energia por atrito durante a interação entre os átomos de duas ou mais superfícies ao longo de um contato. Essa interpretação para pequenas escalas pode levar ao desenvolvimento de novos materiais, ou mesmo a avanços em materiais já existentes e ainda na engenharia de superfícies, visando uma melhor eficiência energética de componentes para diversas finalidades. Com foco nas leis fundamentais do atrito, neste trabalho investigou-se quantitativamente o comportamento do atrito nas camadas mais externas do aço AISI 1045. Para isso, as superfícies do mesmo foram nitretadas e pós oxidadas à plasma, gerando diferentes nanocamadas de óxido, as quais variaram de 0 a 408 nm. Para a caracterização morfológica foram empregadas técnicas de microscopia de varredura (MEV) e espectroscopia de emissão óptica por descarga luminescente (GD-OES). A determinação das estruturas cristalinas presentes nas camadas superficiais das amostras foi obtida por difração de raios X (DRX) em ângulo rasante. Como resultado, foi observado que a camada nitretada é composta de nitretos γ’-Fe4N e ε-Fe2-3N, enquanto que as camadas superficiais das amostras oxidadas são compostas apenas por Magnetita (Fe3O4) com espessuras nanométricas. O coeficiente de atrito, ou do ingês, coefficient of friction (CoF), além dos dados de rugosidade e módulo elástico reduzido foram obtidos por ensaios de nanoindentação. Foi evidenciado que propriedades como dureza e rugosidade das amostras analisadas não mudam fortemente, dentro da incerteza experimental. No entanto, quando comparadas as amostras oxidadas com a somente nitretada foi observado que o coeficiente de atrito diminui quando a superfície contém a fase magnetita. Porém, comparando apenas as amostras oxidadas o CoF não variou com a espessura das nanocamadas do óxido. Com isso, pode se inferir que o comportamento do atrito é influenciado pela mudança físico-química da superfície (nitrogênio versus oxigênio, nitretos versus magnetita). Os resultados experimentais podem ser explicados com base em modelos de dissipação de energia por fônons. Os referidos modelos relacionam os modos de frequência vibracionais dos átomos presentes na superfície com o coeficiente de atrito e permitem inferir que em ensaios com indentações de até 200 nm o mecanismo dissipativo (atrito) é iniciado por vibrações locais e não coletivas. / CAPES / FAPERGS / The friction phenomenon still does not have an understanding in fundamental terms. Such understanding would help clarifying the frictional energy dissipation during the interaction between atoms of two or more surfaces along a contact. This interpretation for small scales could lead to the development of new materials and also to advances on existing ones, as well as to advances in surface engineering in order to improve the energy efficiency of components for various purposes. Focusing on the fundamental laws of friction, this work investigated quantitatively the friction behavior on the outermost layers of AISI 1045 steel. For this, the material’s surfaces were nitrided and post-oxidized by plasma treatment, generating different thicknesses of oxide which varied from 0 to 408 nm. For morphological characterization were employed scanning electron microscopy (SEM) and glow discharge optical emission spectrometry (GD-OES). The determination of crystal structures on the outermost layers were obtained by X-ray diffraction (XRD) at grazing angle. From this, it was observed that the nitrided layer is composed of nitride phases' such as γ’-Fe4N and ε-Fe2- 3N, while the surface of the oxidized samples reveal only a phase constituted of pure magnetite (Fe3O4) with nanometric thickness. Friction coefficient (CoF), roughness and reduced elastic modulus data were obtained by nanoindentation tests. Properties such as hardness, Young's modulus, surface roughness and plasticity index of all samples did not change greatly within the margin of experimental scatter. Comparing the oxidized samples with the just nitrided exhibits a decrease on the friction coefficient when the surface layer contains magnetite. Further, a comparison within the oxidized samples show CoF does not vary with the thickness of oxide. Thus, it can be inferred that the friction behavior is influenced by physical and chemical change of surface (nitrogen vs. oxygen, nitrides versus magnetite). As a consequence, the experimental results can be explained based on energy dissipation models by phonons. The referred models relate the vibrational frequency modes of the atoms present on the surface with the coefficient of friction, allowing to be inferred that in indentation tests with up to 200 nm, the dissipative mechanism (friction) is initiated by local and not collective vibrations.

Atualmente, quando se tem a necessidade de nitretar peças produzidas pela metalurgia do pó, usa-se a nitretação a plasma. Apesar de ser um processo de alto custo, com diversas dificuldades operacionais e de ajuste de processo, a nitretação a plasma é o único processo viável para nitretar esses materiais por ter uma ação apenas superficial, não apresentando ação nitretante no interior dos poros. Nos processos de nitretação a gás e banho de sais, o meio nitretante penetra na porosidade (interconectada) dos materiais sinterizados, havendo assim a formação de camada branca em uma grande profundidade da peça (ou mesmo na peça toda), gerando problemas de deformação e fragilização do componente. Este trabalho teve por objetivo a aplicação do processo shot peening em peças sinterizadas com a finalidade de fechar a porosidade superficial das peças e estudar seu comportamento sob o processo de nitretação a gás. O estudo verifica que o material sinterizado submetido à nitretação gasosa permitiu a entrada do meio nitretante pelos poros abertos e interconectados promovendo a formação de camada branca no interior dos poros de praticamente todo o volume da peça. Essa camada branca no interior do material fragiliza o componente e inviabiliza sua utilização como componente em praticamente qualquer aplicação industrial. As peças sinterizadas jateadas com granalhas de aço antes da nitretação também permitiram o acesso do meio nitretante no interior do componente, porém, sem potencial suficiente para a formação de camada branca. As amostras jateadas apresentaram apenas agulhas de nitretos formados durante a nitretação. / Plasma nitriding is the process used to nitriding components produced by powder metallurgy. Although its high coast and operational difficulties, this is the best process for this kind of materials because the nitring occurs only in the surface. In gas and liquid nitriding processes the nitriding atmosphere goes through interconnected porous and the white layer forms not only on the surface but around internal porous resulting in embrittlement and deformation of the component. The aim of this work was evaluate the gas nitriding behavior of iron samples as received and previously submitted to shot peening process in order to close superficial porosities in a gas nitriding process. The results have shown that during gas nitriding the samples as received, did not present white layer at the surface but around the porous in the bulk of the sample. This fact suggested that the gaseous atmosphere goes through interconnected porous. This white layer causes the embrittlement of the component and its use in industrial application is not recommended. Otherwise, samples previously submitted to shot peening process before nitriding showed an external white layer but also permitted the access of nitriding atmosphere to the bulk of the sample, but in this case the nitriding potential was not sufficient to form white layer around internal porous.

Neste trabalho são estudados os mecanismos de desgaste, atuantes na escala do tamanho de grão (meso-escala), durante ensaios de cavitação vibratória, para diferentes amostras de aços inoxidáveis austeníticos ligados com nitrogênio. Amostras com teores superficiais de nitrogênio de aproximadamente 0, 9 % massa, 1, 4%massa e 20%massa, obtidas a partir do a¸co inoxidável dúplex UNS S31803, foram estudadas. As amostras do a¸co inoxidável duplex UNS S31803, com aproximadamente 0, 9 % N massa, foram obtidas por nitretação gasosa em alta temperatura (temperatura de nitretação entre 1050 e 1200 C) e consistiram em três grupos diferentes: amostras com nitrogênio em solução sólida e solubilizadas, amostras com precipitação de nitretos e amostras com nitrogênio em solução sólida e encruadas. Já as amostras com teor de nitrogênio próximo de 20 % N massa foram processadas por meio de nitretação a plasma na temperatura de 400 C, obtendo-se uma camada superficial de austenita expandida. As amostras de ensaio foram submetidas à caracterização de textura por difração de elétrons retroespalhados, EBSD, e posteriormente à cavitação vibratória em ´agua destilada. Os ensaios de cavitação foram periodicamente interrompidos com o intuito de estudar a deteriora¸cao das amostras por exame das mesmas no microscópio eletrônico de varredura, MEV, e por medidas de perda de massa. Quando comparadas com os aços inoxidáveis austeníticos convencionais (UNS S30403 solubilizado e UNS S31803 como recebido), sem adição de nitrogênio e livre de encruamento, as amostras estudadas apresentaram resistência ao desgaste por cavitação superior, quantificada tanto pelo tempo de incubação do dano com perda de massa quanto pela taxa máxima de perda de massa nos estágios avançados do dano. A taxa máxima de perda de massa para cada tipo de amostra estudada, com relação `a taxa máxima do material de comparação, o aço inoxidável convencional sem adição de nitrogênio e livre de encruamento (UNS S30403) solubilizado, foi de: amostras com precipitação de nitretos (318HTGN+Nit), 6,9 vezes menor; amostras com nitrogênio em solução sólida e solubilizadas (318HTGH+Sol) e laminadas e solubilizadas (318HTGN+Lam+Sol), 26,8 e 25 vezes menor, respectivamente; amostras com nitrogênio em solução sólida e encruadas (318HTGN+Enc) 145 vezes menor; e amostras com camada superficial de austenita expandida (obtidas por nitretação a plasma), (318HTGN+Plas e 304LSol+Plas) 290 e 1,77 e vezes menor respectivamente. O efeito benéfico da adição de nitrogênio na resistência à erosão por cavitação dos aços inoxidáveis austeníticos estudados foi atribuído a: (i) aumento na resistência à deformação plástica; (ii) distribuição mais homogênea da deformação plástica induzida pelas ondas de choque e micro-jatos característicos do processo de cavitação; e (iii) aumento da importância relativa dos mecanismos de perda de massa com elevado consumo de energia de impacto. Nos primeiros estágios do dano erosivo por cavitação se observou clara evidência de deformação plástica, acompanhada de formação de microreelevo superficial e de protrusão de bandas de escorregamento. A perda de massa em nível microscópico (observações no MEV) começa como destacamento de material em microtrincas e micropites. Observou-se que tanto a nucleação do dano como o seu crescimento se apresenta de forma heterogênea na escala do tamanho de grão. Os sítios microestruturais nos quais se iniciou o dano com perda de massa foram preferencialmente protuberâncias nas protrusões de bandas de escorregamento, protuberâncias nos contornos de grão e as interfaces matriznitreto. O incremento do teor de nitrogênio (em solução sólida) na amostra aumentou a importância relativa dos contornos de grão como locais de nucleação do dano, em relação ao dano iniciado no interior dos grãos. Observou-se que o interior dos grãos com planos 100 ou 111 orientados de forma aproximadamente paralela à superfície das amostras são regiões muito suscetíveis à incubação do dano e ao crescimento do mesmo. Já os grãos com planos 101 orientados aproximadamente paralela à superfície das amostras, apresentam regiões com resistência ao dano bem maior. Esses resultados são discutidos, considerando as diferenças de tensão (resultantes da ação de ondas de choque causadas pela implosão de bolhas de cavitação) crítica projetada para cisalhamento de grãos com diferentes orientações. O dano ocorre preferencialmente em contornos de grãos com acentuados gradientes de tensão resolvida para a deformação plástica, onde se desenvolve elevada concentração de tensões. Em particular, os contornos de macla CSL 3 são acentuadamente mais suscetíveis à incubação do dano que os outros tipos de contornos CSL e que os contornos não CSL. / High nitrogen austenitic stainless steels containing 0.9 wt-% N and 20 wt- % N were tested in a ultrasonically induced vibratory cavitation testing device. Incubation times for damage initiation and mass losses were periodically measured during the cavitation-erosion tests. Scanning Electron Microscopy observation of the damaged surfaces allowed identifying the wear mechanisms operating during each step of the cavitation-erosion test. 0.9 wt-% N specimens were obtained through High Temperature Gas Nitriding UNS S31803 duplex stainless steel, at temperatures between 1050 and 1200 oC. Three groups of specimens were obtained: solubilized with all nitrogen in solid solution, solubilized and work hardened specimens and nitride containing specimens. The 20 wt- % N specimens were obtained through Low Temperature Plasma Nitriding the already High Temperature Gas Nitrided specimens and getting an expanded austenite layer at the surface. The specimens were firstly characterized by Electron Backscattered Diffraction - EBSD techniques and then submitted to the cavitation-erosion tests in distilled water. When compared to conventional UNS S30403 lean nitrogen solubilized austenitic stainless steel specimens, greater incubation times and smaller maximum wear rates were observed. The maximum wear rates (compared to those of the solubilized UNS S30403 steel) were: for the nitride containing specimen 6.9 times smaller; for textured and non-textured all nitrogen in solid solution specimens 26.8 and 25 times smaller, respectively; for the solubilized and work hardened specimen 145 times smaller; for the expanded austenite layer, with circa 20 wt- % N, specimens 300 times smaller. The beneficial effect of nitrogen on the cavitation-erosion resistance of the studied specimens was attributed to: (i) an increase in resistance to plastic deformation; (ii) a more homogeneous distribution of the plastic deformation; and (iii) an increase of the relative participation of energy consuming mass loss mechanisms. Plastic deformation accompanied by formation of micro relief at the surface and slip bands protrusions were clearly identified, during the first stages of cavitation erosion. The first evidences of mass loss (detected by SEM observations) were seen as particles detaching from micro cracks and micro pits formed at the grain surface. Nucleation and growth of cavitation damage was heterogeneously distributed at the grain scale. Slip bands protrusions, grain boundary protrusions and nitride matrix interfaces sites were more prone to nucleating the damage. Increasing nitrogen contents in solid solution increased the relative contribution of grain boundary nucleated damage, compared to the total amount of nucleation sites. Grains with 100 and 111 crystallographic planes approximately parallel to the surface were more prone to nucleation and growth of cavitation damage. Grains with 101 planes // surface were much more resistant to cavitation-erosion damage. These results are discussed considering differences of critical resolved shear stresses for grains with different orientations. Cavitation erosion damage occurs preferentially at grain boundaries across which steep stress gradients arise. Particularly, CSL -3 twin boundaries are much more susceptible to cavitation erosion damage incubation than other types of CSL boundaries and non CSL boundaries.

Made available in DSpace on 2016-03-15T19:36:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Eduardo Nocera.pdf: 12755331 bytes, checksum: 08a19b90827b2e4f2954b2f799e3d18d (MD5) Previous issue date: 2013-09-19 / MAHLE / Piston rings are metal parts which, when installed on the pistons in the cylinders of the engine, become circular with variable pressure and self-expansive, providing a movable seal between the combustion chamber and the crankcase. These components are subjected to intense functional demand, being asked to submit a low wear rate and maintain their structural and functional integrity under high temperatures and pressures. Due to these requirements, the technique is known of providing up-to-face contact with coatings or surface treatments to improve wear. Currently the majority of applications in the compression rings are martensitic stainless steels. These rings have their tribological properties improved by gas nitriding treatment which gives the steel surface intermediate properties between metallic and ceramic materials with high resistance to adhesive wear, as well as to wear by abrasion. This technology has been applied since the 90s with great success and high market penetration. With demand growing for reducing emissions was introduced in the market the Otto cycle engines with bifuel, better known as Flex engines. The principle of operation of these engines is the use of gasoline and ethanol at any mixing. The compression ratio of the piston is optimized for gasoline and not optimized for ethanol, since the latter does not have limitations to the phenomenon of detonation and this fact makes it occurs more Ethanol injection into the combustion chamber providing an improper fuel does not wash burnt in the cylinder wall. The result was the creation of a different tribological system in the area of operation of the rings where the nitrided layer began to suffer a detachment. This study aimed to find a solution for this detachment, where the nitride layer was changed. The modification consisted in decreasing the precipitation of carbides in the grain boundaries through migration carbon more to the core of the ring making it more robust to cracks and less susceptible to hydrogen embrittlement. Was created two nitriding stages, one richer in nitrogen which provides the wear resistance required for applying and the second stage causes the carbon to become more concentrated in the core hindering the generation of cracks and, consequently, the detachment. There was a decrease in the hardness of the nitrided layer without deteriorating the wear resistance, creating a unique solution and extending the life of this technology. / Os Anéis de Pistão são peças de metal que, quando instaladas nos pistões dentro dos cilindros dos motores, tornam-se circulares com pressão variável e auto-expansivas, proporcionando uma vedação móvel entre a câmara de combustão e o carter do motor. Estes componentes são submetidos à intensa demanda funcional, sendo solicitados a apresentarem uma baixa taxa de desgaste e a manterem sua integridade estrutural e funcional sob temperaturas e pressões elevadas. Em função destas exigências, é conhecida a técnica de prover-se a face de contato com o cilindro destes componentes revestimentos ou tratamentos de superfície para melhorar a resistência ao desgaste. Atualmente grande parte das aplicações nos anéis de compressão são em aços inoxidáveis martensíticos. Estes anéis têm suas propriedades tribológicas melhoradas pelo tratamento de nitretação gasosa o qual confere ao aço propriedades superficiais intermediárias entre os materiais metálicos e cerâmicos, com alta resistência ao desgaste adesivo, assim como ao desgaste por abrasão. Esta tecnologia vem sendo aplicada desde os anos 90 com absoluto sucesso e alta penetração de mercado. Com a demanda por redução de emissões crescendo foi introduzido no mercado os motores de ciclo Otto bicombustíveis, mais conhecidos como motores flex. O princípio de funcionamento destes motores é a utilização de gasolina e etanol em qualquer mistura. A taxa de compressão do Pistão é otimizada para gasolina e não otimizada para o Etanol, pois este último não possui limitações para o fenômeno de detonação e este fato faz com que ocorra mais injeção de Etanol na câmara de combustão proporcionando uma indevida lavagem de combustível não queimado na parede do cilindro. A consequência foi a criação de um tribo sistema diferente na região de funcionamento dos Anéis onde a camada nitretada começou a sofrer um destacamento. Este trabalho visou buscar uma solução para este destacamento, onde a camada nitretada foi alterada. A alteração consistiu em diminuir a precipitação de carbonetos nas fronteiras dos grãos através da migração do carbono para o núcleo do anel deixando-o mais robusto à nucleação de trincas e menos susceptível a fragilização por hidrogênio. Foram criados dois estágios de nitretação, sendo o primeiro estágio mais rico em nitrogênio o qual confere ao anel a resistência ao desgaste necessária para a aplicação, e o segundo estágio faz com que o carbono fique mais concentrado no núcleo. O problema de destacamento foi resolvido onde houve uma diminuição na dureza da camada nitretada sem a deterioração da resistência ao desgaste do anel, criando uma solução única e estendendo a vida desta tecnologia sem aumento de custos.