Made available in DSpace on 2016-03-15T19:37:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Eva Paganini Martins.pdf: 2852717 bytes, checksum: 4c8bb41c27d4434bc48bef3b6484ab0f (MD5) Previous issue date: 2010-03-05 / This paper deals with the effects of cold work on the nitriding kinetics and surface micro-hardness of the 3XX family of austenitic stainless steels. Nitriding is a thermo-chemical treatment based on the nitrogen diffusion and, under some specific circumstances, carbon in lower quantities, in to a ferrous matrix. The nitriding process improves particularly high cycle fatigue resistance, wear resistance, and corrosion resistance for carbon steels. To study the cold work effect on the material, samples of 304 and 316 were strained in tension tests to conventional deformation of 10%, 25% and up to rupture point prior to the nitriding process. A sample without deformation was kept for reference. It is possible to verify, based on the test performed, that the AISI 304 has smaller deformation capacity when compared to the 316 in terms of elongation on strain test presenting a higher degree of cold work deformation. Also the 304 presents a reduction on nitrided layer thickness and a smaller percentage of nitrogen in the nitrided layer after the cold work (difference of 1% point versus 0,5 for the 316) It is also possible to observe the smaller density on the 304 after the cold work which can be attributed, according to the literature, to the formation of cold work martensite during the cold work process. / O presente trabalho apresenta uma avaliação dos efeitos de encruamento na cinética do processo de nitretação das ligas de aço inoxidável austeníticos da série 3XX e no perfil de dureza das superfícies nitretadas. Nitretação é um tratamento termoquímico baseado na difusão de nitrogênio, em algumas circunstancias carbono em pequenas quantidades, na matriz ferrosa. Para estudar os efeitos do encruamento no material, amostras de 304 e 316 foram encruadas em ensaio de tração convencional, em 10%, 25% e até a ruptura e posteriormente nitretadas. Ainda manteve-se uma a mostra sem deformação para fins de comparação. Com base nos ensaios avaliados é possível verificar que o AISI 304 tem menor capacidade de deformação que o AISI 316 em termos de alongamento no ensaio de tração apresentando maior taxa de encruamento em relação ao 316. Além disso o 304 apresenta redução na camada nitretada proporcional ao grau de deformação plástica a frio e menor percentual de nitrogênio na camada após deformação (queda de aproximadamente 1 ponto percentual enquanto no 316 a diferença mantém-se em torno de 0,5 pontos). Ainda é possível observar a diminuição da densidade no 304, o que pode ser atribuído, segundo a literatura, a formação de martensita e deformação durante o processo de deformação plástica a frio.

O processo de injeção sob pressão de ligas de alumínio é empregado para a produção de peças diversas, destinadas principalmente à indústria automobilística. Dentre as principais vantagens deste processo, destaca-se a possibilidade de produção de peças complexas, com seções delgadas, e a alta velocidade de produção. Apesar desses pontos positivos, o reduzido tempo de ciclo e as elevadas temperaturas (~ 700°C) envolvidas promovem danos por fadiga térmica na superfície de trabalho das matrizes. Após milhares de peças produzidas, surgem trincas em regiões críticas, que crescem com o aumento da produção até atingirem condições que inviabilizam o uso da matriz, levando ao seu fim de vida. Na última década, novos aços de alta tenacidade e melhor resistência a quente, bem como tratamentos termoquímicos como a nitretação sob plasma vêm sendo aplicados em tais matrizes, retardando significativamente o fim de vida. Neste contexto, o presente trabalho visou estudar o fim de vida de matrizes de fundição sob pressão, relacionando-o aos aspectos microestruturais da superfície nitretada, tensões residuais inseridas durante processo de nitretação e as condições do processo de fundição. Para o estudo, os aços AISI H13, AISI H11 com redução do teor de Si e AISI H10 modificado, foram temperados e revenidos para dureza na faixa de 44 a 46 HRC e posteriormente nitretados sob plasma em diversas condições de temperatura, tempo e composição da atmosfera gasosa. Foram feitos ensaios de medições de tensões residuais, perfis de dureza, metalografia e difração de Raios-X. Para o estudo de fadiga térmica, foi utilizado o software DEFORM 3DTM para simular os danos ocasionados pelos mecanismos de fadiga térmica nas superfícies das matrizes com a presença e ausência de camada nitretada. Os resultados obtidos mostraram que a variação dos parâmetros de nitretação, tais como: tempo, temperatura e percentual de nitrogênio, afetam o perfil de dureza e de tensões residuais presentes na camada nitretada, bem como os microconstituintes da camada nitretada. Também foi verificado que a variação dos teores de elementos de liga de aços ferramenta para trabalho a quente em relação ao H13, mudam o perfil de dureza e de tensões residuais de compressão das camadas nitretadas. O material nitretado, após ser submetido em temperatura elevada, apresenta redução no nível de tensões residuais de compressão, ocorrendo processo de alívio de tensões. O mesmo efeito não é tão fortemente verificado no perfil de dureza do material. Deste modo, foi possível verificar que nos primeiros ciclos de injeção de alumínio, os mecanismos responsáveis por retardar a nucleação das trincas térmicas são a presença de tensões residuais de compressão na superfície do material e maior dureza local, dada pela maior dureza a quente existente no perfil de dureza da camada nitretada. Para estágios mais avançados de ciclagem térmica, apenas a maior dureza local será responsável por retardar a nucleação das trincas térmicas. A simulação demonstrou que o dano gerado durante processo de fadiga térmica é mais intenso no processo em que a matriz permanece exposta por tempos mais longos em elevadas temperaturas. O conhecimento destas características pode auxiliar a retardar o dano na superfície da matriz, via alterações do processo de fundição, ou das características dos aços ferramenta, dada pela tenacidade e resistência a quente da liga empregada na matriz, ou dos tratamentos térmicos e ou dos tratamentos de superfície, como a nitretação sob plasma, aplicados às matrizes. / The process of pressured injection of aluminum alloys is made use of in the production of sundry parts, meant mainly for the automotive industry. Among the main advantages of such process there stands out the possibility of production of complex parts, with thin sections, and at a high output speed. Despite these positive points, the reduced cycle time and high temperatures (~ 700°C) involved cause damage due to the thermal fatigue on the working surface of dies. After a great number of parts made there appear cracks in these areas that grow with the production increase up to reaching conditions that make the use of the die no longer viable, thus leading to its death. In the last decade, new unyielding, better heat resistant steels, as well as thermochemical treatments like plasma nitriding, have been applied to such dies, significantly hindering their death. In this context, the present paper has aimed at studying the death of pressured die casting by relating it to the microstructural aspects of the surface, residual tensions inserted during the nitriding process and the die casting conditions. For the study, AISI H13, AISI H11 with Si content reduction, and DIN WNr. 1.2367 steels were quenched and tempered to hardness in the range of 44 to 46 HRC and later subjected to plasma nitriding in different conditions of temperature, time, and gas atmosphere composition. Measurement tests of residual tensions, hardness profiles, metallography, and X-Ray diffraction have been carried out. For the thermal fatigue study, the software DEFORM 3D has been used to simulate damages caused by the thermal fatigue on the surface of dies in the presence or absence of surface nitriding. Results obtained have shown that the variation of nitriding parameters, such as time, temperature, and nitrogen percent, affect the hardness and residual tension profiles present in the surface nitriding, as well as in its microcomponents. It has also been ascertained that the variation of content of elements of steel tool alloys for heat work in relation to H13 one changes the profile of hardness and residual tensions of compression of nitriding treated surface. The resulting material, after being subjected to high temperature, presents a reduction of level in the residual tensions of compression, bringing about a process of tensions relief. The same effect is not so strongly verified in the material hardness profile. Accordingly, it has been possible to ascertain that in the first cycles of aluminum injection, the mechanisms responsible for slowing down the nucleation of thermal cracks are the presence of residual compression tensions on the material surface and higher spot hardness, given the higher heated hardness existing in the hardness profile of nitriding treated surface. For more advanced thermal cycling stages just the higher spot hardness will account for hindering the nucleation of thermal cracks. The simulation has demonstrated that the thermal fatigue process is more intense in process in which the die is exposed to high temperature for a longer time. The knowledge of these characteristics may help hinder the die surface damage through modifications in the casting process, or in the characteristics of tool steel (given the toughness and heat resistance of the alloy used in the die), or in the thermal treatments, or in the surface treatments, like plasma nitriding applied to dies.

A tendência mundial de se buscar a sustentabilidade econômica tem causado uma crescente demanda por novas técnicas e novos materiais que gerem: aumento da produtividade, maior velocidade de operação, aumento da vida útil de ferramentas e matrizes, e que reduzam o custo ambiental atual. Nesta busca a modificação de superfícies metálicas é um campo promissor e o bombardeamento com íons de Xe+ tem sido utilizada para texturizar a superfície do substrato, seja para o aumento da aderência de revestimentos com grande dureza ou para melhorar a difusão de N. Neste estudo são relatados os resultados obtidos de ensaios de dureza, desgaste, DRX (fases e tensão residual) e microscopias MEV, AFM e MET, efetuadas em amostras de aço 100Cr6 (globulizada) modificadas superficialmente por meio de bombardeamento com íons de Xe+ e revestimento duplex. Para esse fim, foram preparadas amostras combinando: bombardeamento com íons de Xe+ com energia de 400 e 1000 eV; implantação de N por feixe de íons e plasma pulsado; e deposição do revestimento de TiN por sputtering com diferentes temperaturas em um sistema reativo com N2-IBSD. Uma análise desses resultados permitiu constatar que o bombardeamento de íons de Xe+ gera refinamento de grãos, texturização, e aumenta a densidade de defeitos na estrutura cristalina na superfície tratada em função da energia utilizada. O bombardeamento de Xe+ com energia de 1000 eV melhorou o aprisionamento de nitrogênio e a difusão a 380°C (via feixe de íons) o que levou a formação dos nitretos γ\'-Fe4N e ε-Fe2-3N. Enquanto que com energia de 400 eV levou a formação apenas do nitreto γ\'-Fe4N. As propriedades adquiridas na combinação dos pré-tratamentos de bombardeamento de Xe+ com energia de 400 eV, nitretação a plasma pulsado (520°C) e a deposição do filme de TiN (500°C/240 min) levaram ao melhor desempenho no ensaio de desgaste. / The global trend of seeking economic sustainability has caused a growing demand for new materials that generate: increased productivity, higher operating speed, increased service life of tools and dies, and to reduce the current environmental cost. In this search, the modification of metallic surfaces is a promising field and bombardment Xe+ ions has been used to texture the surface of the substrate, is to increase the tack coatings with high hardness or to improve the N diffusion. In this study are reported the results obtained from testing the hardness, wear, XRD (phase and residual stress) and microscopy SEM, AFM and TEM, made in 100Cr6 steel samples (globulized) surface modified by bombardment with Xe+ and duplex coating. To this end, samples were prepared by combining: bombardment Xe+ ions with energy of 400 and 1000 eV; N implantation by ion beam and pulsed plasma; and deposition of the TiN coating by sputtering at different temperatures in a N2 reaction system-IBSD. An analysis of these results helped to confirm that the bombardment of Xe+ ions produces grain refinement, texturing, and increases the defect density in the crystalline structure of the surface treated according to the energy used. Bombardment of Xe+ ions with energy 1000 eV improved nitrogen trapping and diffusion to 380°C (via ion beam) which led to the formation of γ\'-Fe4N and ε-Fe2-3N nitrides. Whereas with energy 400 eV led to the formation of only γ\'-nitride Fe4N. The properties acquired in the combination of the pre-treatments of Xe+ ions bombardment at 400 eV, pulsed plasma nitriding (520°C) and the deposition of TiN coating (500°C/240 min) leads to a superior performance in wear test.

O aço de médio carbono e baixa liga SAE 4340 vem sofrendo diversas modificações e neste processo de desenvolvimento surgiu o aço 300M. O presente trabalho visa avaliar e comparar a microestrutura e a resistência mecânica dos aços SAE 4340 e 300M, submetidos ao processo de soldagem autógena a laser e em seguida a duas formas de tratamento: o revenimento pós-soldagem e a nitretação à plasma. Também é avaliado o efeito combinado dos tratamentos de revenimento e nitretação. Após soldagem, as chapas foram divididas nos lotes: como recebido, soldado, soldado e revenido, soldado e tratado superficialmente por nitretação a plasma e soldado, revenido e tratado superficialmente por nitretação a plasma. A partir desses lotes, foram obtidas amostras para análise microestrutural e produzidos corpos-de-prova para ensaios de tração. Os resultados mostraram que a presença de precipitados confere ao aço 300M maior resistência mecânica em relação ao aço 4340. Após a soldagem a laser, a zona fundida e zona termicamente afetada de ambos os materiais apresentaram fases diferentes das fases presentes no metal base, a zona fundida mostrou-se martensítica em sua maioria, e a zona termicamente afetada apresentou-se multifásica. Devido às dimensões reduzidas do cordão de solda, o comportamento em tração dos corpos-deprova soldados não diferiu significativamente dos corpos-de-prova produzidos com os materiais de base. O tratamento térmico de revenimento pós-soldagem promoveu queda na dureza da zona fundida em ambos os aços. Após a nitretação, os aços 4340 e 300M apresentaram aumento de dureza próximo às superfícies. O aço 4340 apresentou aumento na resistência mecânica sem perda significativa de ductilidade. Quando revenido e nitretado após a soldagem, o aço 4340 apresentou ligeira queda na resistência mecânica. A nitretação do aço 300M, com a temperatura e tempo escolhidos, levou à fragilização do material em ambas as situações (com e sem revenimento), resultando em uma piora significativa das propriedades mecânicas, o que indica que os parâmetros de nitretação para este aço devem ser revistos. / The high-strength low-alloy (HSLA) steel SAE 4340 has been modified over time giving raise to the 300M steel. This study intends to evaluate and compare the microstructure and the mechanical behavior of the steels SAE 4340 and 300M, after laser beam welding in one pass, followed by distinct treatment routes: tempering, plasma nitriding and tempering plus plasma nitriding. After welding, the plates were divided into five sets: as welded, welded and tempered, welded and plasma nitrided, welded and tempered and plasma nitrided. The samples for microstructural analyses and tensile tests were taken from these material conditions. The results revealed that the presence of precipitates allow higher mechanical strenght to the 300M steel compared to 4340 steel. The melted zone showed more fases if compared with base material, fase like martensite, and the heat affected zone presented a multiphase in your matrix. The melted zone in both materials suffered a hardness decreasing after tempering, although no microstructural changes were observed. After nitriding the 4340 and 300M steels showed a surface hardness increase. The 4340 steel showed an increase in tensile strenght without significant ductility loss. When tempered and nitrided after welding, the 4340 steel suffered a drop in its mechanical strenght. The 300M steel suffered an embrittlement after nitriding in both situations (with and without tempering), resulting in unsatisfactory mechanical properties. This indicates that improvements are needed in the plasma nitriding parameters for this steel.

Neste trabalho foram fabricados diodos túnel MOS Al/SiOxNy/Si(p) e TiN/SiOxNy/Si(p) com áreas de 300µm x 300?m e de 700?m x 700µm. Para o crescimento do oxinitreto de silício (SiOxNy), como dielétrico de porta, foi utilizado um forno térmico junto com um aparato de quartzo para processamento de apenas uma lâmina por vez. Foi empregada uma temperatura de processamento de 850°C e fluxos de gases ultrapuros ajustados na proporção em volume de 5N2 : 1O2 (2 l/min. de N2 e 0,4 l/min. de O2). Foi constatado que a nitretação térmica rápida do silício introduz armadilhas no dielétrico de porta de duas naturezas: a) armadilhas do tipo K na interface dielétrico-silício devido à existência de ligações Si?N que podem armazenar elétron, lacuna ou ficar em um estado neutro e b) armadilhas geradas devido à quebra das cadeias Si-O-Si durante a oxinitretação. As armadilhas criadas durante a nitretação térmica rápida, tanto na interface como no corpo, influíram no mecanismo de tunelamento através do dielétrico de porta que foi predominantemente do tipo tunelamento assistido por armadilhas (TAT). A partir da característica J-V típica de diodos túnel MOS com porta de Al, verificou-se para VG =-1V que os níveis de densidade de corrente atingem 64mA/cm2, valor que é superior aos valores obtidos para óxidos de porta com espessura na faixa de 1-1,5nm na literatura apesar do nosso dielétrico apresentar espessura média de 2,1nm. Tal fato foi uma evidência clara de que um outro mecanismo diferente de tunelamento direto ocorreu no oxinitreto de silício crescido. Nos diodos túnel MOS, com porta de Al, observou-se a presença de dois picos característicos na curva C-V, o primeiro deles em tensão de porta mais negativa com uma fenomenologia que permitiu extrair a tensão de faixa plana (VG = VFB). O segundo pico na característica C-V do diodo MOS com porta de Al ocorreu em uma tensão menos negativa VG=VK= -0,78V o que foi atribuído à uma capacitância devido às armadilhas de interface Si?N localizadas dentro da banda proibida junto à interface silício-dielétrico e cerca de 0,16eV abaixo do nível de energia intrínseco do semicondutor. Para tensões de porta positivas, foi também constatada uma clara dependência da densidade de corrente com a intensidade da luz (0,05W/cm2 e 0,1W/cm2) devido à taxa de geração dentro do semicondutor. Da modelagem do tunelamento de corrente na região de depleção, verificou-se que a largura de depleção resultou sistematicamente maior do que a largura de depleção de equilíbrio, fato que permitiu concluir que o diodo túnel MOS entra em um estado de depleção profunda quase estacionária induzida pela corrente de tunelamento que atravessa o dielétrico de porta. / In this work Al/ SiOxNy/Si(p) and TiN/SiOxNy/Si(p) MOS tunnel diodes were fabricated with areas of 300µm x 300µm x 700µm and 700µm. For the growth of silicon oxynitrides (SiOxNy) as gate dielectrics, it was used a heating furnace with a quartz apparatus for single wafer processing. It was employed a processing temperature of 850°C and ultrapure gas flows adjusted in a volume proportion of 5N2:1O2 (2 l/min of N2 and 0.4l/min of O2). It has been found that the rapid thermal nitridation of silicon introduces traps in the gate dielectrics of two natures: a) K-type traps at the dielectric-silicon interface due to Si?N bonds that can store electrons or holes or can stay in a neutral state and b) traps generated from broken Si-O-Si chains during the oxynitridation. The traps created at the interface and in the oxynitride bulk, both influenced the tunneling mechanism through the gate dielectrics, which was predominantly a trap assisted tunneling (TAT). For VG = -1V, the current density of the Al-gate MOS tunnel diodes reached 64mA/cm2, a value which is higher than the reported values obtained for gate oxides with thickness in the range of 1-1.5nm in spite of our oxynitride thickness is 2.1nm. This fact is a clear evidence that another mechanism, different from direct tunneling, occurred in the silicon oxynitrides. For Al-gate MOS tunnel diodes, it was observed the presence of two characteristic peaks in the C-V curve: the first for more negative gate voltage with a phenomenology that allows one to extract the flat band voltage (VG = VFB). The second peak was located at a gate voltage VG = VK = -0.78V corresponding to a depletion regime and its maximum of capacitance was attributed to Si?N interface traps located in the bandgap at the silicon-dielectric interface, about 0.16eV below the intrinsic energy of the semiconductor. It was also observed a clear dependence of the current density against the light intensity (0.05/cm2 to 0.10W/cm2) due to the carriers generation inside the semiconductor. From the modeling of the current mechanism through the depletion region, it was found that the depletion width was systematically higher than the depletion width at the thermal equilibrium regime, a fact showing that the MOS tunnel diode achieves an almost stationary deep depletion, which is feeded by the tunneling current through the gate dielectrics.

Neste trabalho, foram determinadas as propriedades de tração, fadiga convencional e fadiga por fretting, do aço DIN 1.4112 (DIN X 90 Cr Mo V 18) nitretado por plasma, usado na fabricação de anéis de pistão de motores de combustão interna. Os corpos de prova tratados a 500ºC durante 5 horas. O material nitretado não apresentou valores de alongamento e redução de área possíveis de serem medidos e, tanto o limite de escoamento como o limite de resistência à tração, tiveram valores próximos aos do material temperado e revenido. Os ensaios de fadiga convencional e fadiga por fretting foram realizados em temperatura ambiente, sob carregamento cíclico tração-tração com R=0,1 e freqüência de 30 Hz. O fretting foi conseguido pressionando blocos de contato, feitos a partir de um ferro fundido cinzento, contra o corpo de prova de fadiga, com uma força normal de 100 N. Com o levantamento das curvas S-N para os dois ensaios, foi obtido o fator de redução de resistência FRR=1,62, que o fenômeno de fretting causa na fadiga convencional. Nos ensaios de fadiga por fretting, o pico da força de atrito aumentou com a tensão axial cíclica aplicada, atingindo um valor mínimo de 28 N e no máximo de 76 N. A camada nitretada apresentou microdureza máxima 1288 HV100 e espessura da camada de 91 &#956m. A metalografia revelou na camada nitretada, uma camada de compostos, a zona de difusão e uma zona de transição para o subtrato bem definidas. Foram encontrados nitretos dos tipos &#949 (Fe2-3N) e &#947\'(Fe4N) na superfície da camada nitretada. A análise fratográfica, revelou, em tração, o trincamento da superfície devido à baixa tenacidade da camada nitretada, além da programação de trincas por fadiga abaixo da camada nitretada, nos ensaios de fadiga convencional. Os ensaios de fadiga por fretting produziram acumulação de detritos e a formação de trincas secundárias na área ) na área de contato de fretting. / In the present work, the fretting and plain fatigue properties of plasma nitrided martensitic stainless steel, DIN 1.4112 (DIN X 90 Cr Mo V 18), used in piston rings, were investigated. Both fretting and plain fatigue specimens were treated at 500°C for 5 h. The fretting pads were made of gray cast iron. Both fretting and plain fatigue tests were carried out under a load-controlled condition under stress rate, R=0.1 and frequency of 30 Hz. The S-N curves generated with and without fretting showed the strength reduction factor SRF=1.62 when fretting was applied. In the fretting fatigue, frictional force increased with axial cyclic stress and reached a minimum value of 28 N and maximum value of 60 N. Microhardness measurements have shown that the nitrided case presented a maximum hardness of 1288 HV100 and thickness of 91 &#956m. X-ray diffraction techniques indicated that the compound layer consists of &#949 (Fe2-3N) and &#947\' (Fe4N) phases. Fractographic observations showed superficial cracking in tensile specimens due to the low toughness of the nitrided case and fatigue crack growth below this layer in plain fatigue specimens. Fretting fatigue tests produced accumulation of debris and the formation of secondary cracks at the contact area.

Neste trabalho foram fabricados diodos túnel MOS Al/SiOxNy/Si(p) e TiN/SiOxNy/Si(p) com áreas de 300µm x 300?m e de 700?m x 700µm. Para o crescimento do oxinitreto de silício (SiOxNy), como dielétrico de porta, foi utilizado um forno térmico junto com um aparato de quartzo para processamento de apenas uma lâmina por vez. Foi empregada uma temperatura de processamento de 850°C e fluxos de gases ultrapuros ajustados na proporção em volume de 5N2 : 1O2 (2 l/min. de N2 e 0,4 l/min. de O2). Foi constatado que a nitretação térmica rápida do silício introduz armadilhas no dielétrico de porta de duas naturezas: a) armadilhas do tipo K na interface dielétrico-silício devido à existência de ligações Si?N que podem armazenar elétron, lacuna ou ficar em um estado neutro e b) armadilhas geradas devido à quebra das cadeias Si-O-Si durante a oxinitretação. As armadilhas criadas durante a nitretação térmica rápida, tanto na interface como no corpo, influíram no mecanismo de tunelamento através do dielétrico de porta que foi predominantemente do tipo tunelamento assistido por armadilhas (TAT). A partir da característica J-V típica de diodos túnel MOS com porta de Al, verificou-se para VG =-1V que os níveis de densidade de corrente atingem 64mA/cm2, valor que é superior aos valores obtidos para óxidos de porta com espessura na faixa de 1-1,5nm na literatura apesar do nosso dielétrico apresentar espessura média de 2,1nm. Tal fato foi uma evidência clara de que um outro mecanismo diferente de tunelamento direto ocorreu no oxinitreto de silício crescido. Nos diodos túnel MOS, com porta de Al, observou-se a presença de dois picos característicos na curva C-V, o primeiro deles em tensão de porta mais negativa com uma fenomenologia que permitiu extrair a tensão de faixa plana (VG = VFB). O segundo pico na característica C-V do diodo MOS com porta de Al ocorreu em uma tensão menos negativa VG=VK= -0,78V o que foi atribuído à uma capacitância devido às armadilhas de interface Si?N localizadas dentro da banda proibida junto à interface silício-dielétrico e cerca de 0,16eV abaixo do nível de energia intrínseco do semicondutor. Para tensões de porta positivas, foi também constatada uma clara dependência da densidade de corrente com a intensidade da luz (0,05W/cm2 e 0,1W/cm2) devido à taxa de geração dentro do semicondutor. Da modelagem do tunelamento de corrente na região de depleção, verificou-se que a largura de depleção resultou sistematicamente maior do que a largura de depleção de equilíbrio, fato que permitiu concluir que o diodo túnel MOS entra em um estado de depleção profunda quase estacionária induzida pela corrente de tunelamento que atravessa o dielétrico de porta. / In this work Al/ SiOxNy/Si(p) and TiN/SiOxNy/Si(p) MOS tunnel diodes were fabricated with areas of 300µm x 300µm x 700µm and 700µm. For the growth of silicon oxynitrides (SiOxNy) as gate dielectrics, it was used a heating furnace with a quartz apparatus for single wafer processing. It was employed a processing temperature of 850°C and ultrapure gas flows adjusted in a volume proportion of 5N2:1O2 (2 l/min of N2 and 0.4l/min of O2). It has been found that the rapid thermal nitridation of silicon introduces traps in the gate dielectrics of two natures: a) K-type traps at the dielectric-silicon interface due to Si?N bonds that can store electrons or holes or can stay in a neutral state and b) traps generated from broken Si-O-Si chains during the oxynitridation. The traps created at the interface and in the oxynitride bulk, both influenced the tunneling mechanism through the gate dielectrics, which was predominantly a trap assisted tunneling (TAT). For VG = -1V, the current density of the Al-gate MOS tunnel diodes reached 64mA/cm2, a value which is higher than the reported values obtained for gate oxides with thickness in the range of 1-1.5nm in spite of our oxynitride thickness is 2.1nm. This fact is a clear evidence that another mechanism, different from direct tunneling, occurred in the silicon oxynitrides. For Al-gate MOS tunnel diodes, it was observed the presence of two characteristic peaks in the C-V curve: the first for more negative gate voltage with a phenomenology that allows one to extract the flat band voltage (VG = VFB). The second peak was located at a gate voltage VG = VK = -0.78V corresponding to a depletion regime and its maximum of capacitance was attributed to Si?N interface traps located in the bandgap at the silicon-dielectric interface, about 0.16eV below the intrinsic energy of the semiconductor. It was also observed a clear dependence of the current density against the light intensity (0.05/cm2 to 0.10W/cm2) due to the carriers generation inside the semiconductor. From the modeling of the current mechanism through the depletion region, it was found that the depletion width was systematically higher than the depletion width at the thermal equilibrium regime, a fact showing that the MOS tunnel diode achieves an almost stationary deep depletion, which is feeded by the tunneling current through the gate dielectrics.

O presente trabalho teve como objetivo principal avaliar o efeito dos recobrimentos TiN e TiAlN depositados por PVD a plasma na liga Ti-6Al-4V sob condições de fluência a 600 °C e corrosão em meios contendo cloreto a 25, 60 e 80 °C. O trabalho foi complementado com análises microestruturais e dos revestimentos superficiais utilizando-se as técnicas de difração de raios X, microscopias óptica, eletrônica de varredura e de transmissão, medidas de microdureza e oxidação isotérmica. Os resultados permitiram concluir que a liga Ti-6Al-4V constituída pela configuração de Widmanstätten apresentou dureza média de 343 HV para a condição como recebida. Após os tratamentos por PVD a plasma observou-se um recobrimento à base de TiN de espessura de 2,2 ?m e composição igual a Ti0,7N. O recobrimento a base de TiAlN/TiAlCrN apresentou espessura em torno de 6 ?m e composição igual a (Ti0,38Al0,62)N/(Ti0,31Al0,50Cr0,19)N. As medidas do potencial em circuito aberto e polarização mostraram que a liga Ti-6Al-4V apresentou comportamento ativo com transição ativo-passiva em solução HCl e comportamento passivo em solução NaCl a 25, 60 e 80 °C. As amostras recobertas por TiN e TiAlN/TiAlCrN apresentaram comportamento passivo nas duas soluções corrosivas e em todas as temperaturas estudadas. A amostra revestida por TiN depositado por PVD apresentou os menores valores de taxa secundária em fluência para tensões maiores que 222 MPa, contudo a amostra nitretada a plasma apresentou maiores valores de vida útil e níveis de ductilidade. A análise conjunta dos expoentes de tensão, energia de ativação e estrutura de discordâncias indicaram que o principal mecanismo de deformação por fluência foi controlado por escalagem de discordâncias. O cálculo do parâmetro de tolerância ao dano (W) contribuiu para indicar que os revestimentos TiN e TiAlN/TiAlCrN, apesar de protegerem a superfície da oxidação, diminuíram a capacidade de deformação plástica ao longo do estágio terciário e vida útil da liga Ti-6Al-4V, reduzindo a ductilidade. Finalmente, os tratamentos superficiais utilizados neste trabalho foram eficientes por seu efeito de proteção através da deposição de um elemento cerâmico mais estável na superfície e não por transformações causadas na microestrutura. / This study aimed to evaluate the effect of the plasma-assisted PVD TiN and TiAlN/TiAlCrN coatings in the Ti-6Al-4V alloy under creep conditions at 600 °C and under corrosion conditions in environments containing chloride at 25, 60 and 80 °C. The study was complemented by microstructural and surface coatings analysis using XRD, optical, scanning and transmission electron microscopy, microhardness and isothermal oxidation. The results showed that the Ti-6Al- 4V alloy with Widmanstätten morphology presented an average hardness of 343 HV for as received condition. After treatment by plasma PVD, it was observed a TiN based coating, with 2,2 ?m and composition of Ti0,7N. The TiAlN/TiAlCrN based coating presented 6 ?m of thickness and composition of (Ti0,38Al0,62)N/(Ti0,31Al0,50Cr0,19)N. Anodic polarization and open circuit potential showed that Ti-6Al-4V alloy had active behavior with active - passive transition in HCl solution and passive behavior in NaCl solution at 25, 60 and 80 °C. The TiN and TiAlN/TiAlCrN coated samples showed passive behavior in both corrosive solutions and at all studied temperatures. The TiN coated sample showed the lowest values of secondary creep rate for stresses greater than 222 MPa, however, the plasma nitrided sample showed higher levels of service life and ductility. The analysis of stress exponents, activation energy and dislocations structures indicated that the main mechanism of creep was controlled by climbing dislocations. The damage tolerance parameter (W) calculation contributed to indicate that TiN and TiAlN/TiAlCrN coatings, although protect the surface from oxidation, decreased plastic deformation ability throughout tertiary stage and service life of the Ti-6Al-4V alloy, decreasing ductility. Finally, the surface treatments, used in this study, were efficient for their protective effect by depositing a more stable ceramic compound on surface and not by transformations caused on microstructure.

Made available in DSpace on 2017-07-21T19:25:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 LuisValerioPrandel.pdf: 1196969 bytes, checksum: 7149e8d23002198e7dc429375f6b767d (MD5) Previous issue date: 2009-07-13 / The photo-acoustic technique has become a standard photo-thermal method for carrying out diverse studies on solids materials. Photo-thermal phenomena in solids results from a combination of thermal expansion, thermal diffusion, and thermo-elastic bending effects and can be obtained by c k . r a = where k is the thermal conductivity, r is the density, and c is the specific heat at constant pressure. For that reason thermal diffusivity is a parameter that measures the rate of heat diffusion in a sample. It is a genuine and important bulk property of the material which is directly related with the materials structure and stabilization conditions. In this work, we propose to build a system to measure the thermal diffusivity of a metal sample, in special the aluminum and the AISI 304 steel with nitrating and non-nitrating. In the AISI 304 steel modifications in surface metals are made to improve its mechanicals and tribological properties as well also the corrosion resistance in metal alloys. These materials surface modifications can be made by using different ion beams processes and the most commonly employed to modify surface properties of steels are ion implantations, glow discharge and plasma immersion ion implantation. In this work we applied the Open-Photo-Acoustic Cell (OPC) to determine the variation in the thermal diffusivity of the glow discharge nitriding in Commercial AISI 304 stainless steel material. Because the ion beams processes modified region, different nitride precipitates are formed and they will improve the mechanical and tribological properties changing the thermal diffusivity. Aluminum samples were cutted from a rod, polished and prepared to measurement. After this treatment the thermal diffusivity were measured and the value 72.9 μm2 /s was obtained. Then the samples were putted at temperature of 120 0C and 240oC for 45 minutes and then the temperature was decreased rapidly back to room temperature. A new set of measured were obtained and a new value of the thermal diffusivity was obtained 84.2 μ m2/s and 90.1 μm2/s, respectively. From the aluminum we were able to show that OPC technique can detect variation in the thermal diffusivity produced by mechanical tensions produced by mechanical treatment, as cut and polish, in the superficies of the metal materials. For commercial AISI 304 stainless steel three samples was cutted in around (20×20×3) mm dimension. Then they were mechanically polished until 1/4 μm diamond paste in order to obtain a clean and mirror finishing. The sample was prepared for measurement and the result for thermal diffusivity for the non-nitrating sample was 4.09 μm2/s. This value agrees well with the literature 4.05 μm2/s. In the second sample we didn’t know the nitrating process and the result for thermal diffusivity was 6.58 μm2/s. From this result we can show that OPC technique can distinguish between a nitrating and a non-nitrating metal surface. And to the third sample, we know the sample nitrating process and the thermal diffusivity obtained was 11.43 μm2/s. This new result confirms our supposition. We are able to distinguish between surfaces of two samples. From this samples results three new conclusion were obtained: (1) the exciting surface, nitrating and the non-nitrating, permit us to obtain the thermal property, (2) the intensity of nitrating process is higher from the centre the border and, (3) the OPC technique can distinguish the thermal diffusivity before and after a surface thermal treatment. In conclusion we show that OPC technical is a new useful tool for characterization studies of metals surfaces. This technique was in the “Laboratório de Óptica and Espectroscopia”. / A técnica fotoacústica tem se tornado um método cada vez mais aplicado para estudos das propriedades físicas e térmicas de diversos materiais sólidos. O fenômeno fototérmico em sólidos resulta da combinação de efeitos como a expansão térmica, difusão térmica e a flexão termoelástica, e pode ser obtida diretamente através da equação c k . r a = em que k é a condutividade térmica, r é a densidade, e c é o calor específico à pressão constante. A difusividade térmica é um parâmetro que mede o quanto calor é difundido ao longo da amostra. Sabe-se que modificações na superfície de metais são realizadas para um aumento nas propriedades tribológicas e mecânicas bem como um aumento na resistência das ligas metálicas. Assim neste trabalho é feita a implementação de um sistema de Fotoacústica em Célula Aberta (OPC) para a medida da difusividade térmica de amostras metálicas, em especial, o alumínio e o aço AISI 304 nitretado e não–nitretado. O processo de implantação iônica modifica as propriedades tribológicas e mecânicas da região em torno da superfície de uma amostra, pois diferentes precipitados são formados, alterando assim a difusividade térmica. A caracterização do sistema foi realizada em amostras de alumínio, que foram cortadas a partir de uma barra comercial e em seguida polidas e preparadas para a medida. O resultado obtido para a difusividade térmica foi de 72,9 μm2/s. Valores de 84,2 μm2/s e 90,1 μm2/s foram obtidos após tratamento térmico das amostras nas temperaturas de 120 e 240oC por 45 minutos, espectivamente. Conclui-se que o sistema é capaz de detectar variações na difusividade térmica de superfícies tencionadas por tratamentos mecânicos tais como o corte e o polimento. Amostras de aço AISI 304 foram também medidas. A difusividade térmica obtida foi de 4,09 μm2/s, valor que concorda muito bem com o valor calculado a partir da equação acima mencionada que é de 4,05 μm2/s. No caso de amostras de aço AISI 304 nitretadas, os resultados das difusividades térmicas obtidos foram de 6,58 μm2/s e de 11,43 μm2/s. Os resultados confirmam que a técnica de OPC faz a distinção entre superfícies nitretadas e não nitretadas e que: (1) a medida da difusividade térmica independe da superfície que se utiliza para a excitação, nitretada ou não–nitretada, (2) A intensidade da nitretação nas amostras nitretadas utilizadas é maior no centro e diminui na direção das bordas e (3) a OPC é uma técnica que pode ser utilizada para distinguir superfícies que sofreram ou não tratamentos térmicos. A técnica OPC está em funcionamento no Laboratório de Óptica e Espectroscopia do Departamento de Física da UEPG.

Made available in DSpace on 2017-07-21T19:26:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silvio Henrique Gonsalves.pdf: 4373254 bytes, checksum: f02417e8e185f6b65f2673e04f0855f0 (MD5) Previous issue date: 2014-04-03 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Bioactive layers produced on titanium to induce osseointegration may not be mechanically stable and/or attend to the requirement for the bone-matching elastic modulus. The previous surface modification by ion nitriding can eventually improve adhesion and mechanical properties of such bioactive coatings. Titanium samples were DC plasma nitrided in low conditions of temperature (400 ºC and 600 ºC) and time (1 h and 3 h). Afterwards, Ca-P containing titania coatings were produced by anodic oxidation under the current density 150 m1-A/cm2 in the galvanostatic mode. The surfaces were studied by grazing-incidence X-ray diffraction, micro-Raman spectroscopy, Fourier-transform infrared spectroscopy, atomic force microscopy, scanning electron microscopy, energy-dispersive spectroscopy, instrumented indentation and nanoscratch tests. Effects of roughness and substrate on mechanical properties were corrected by means of analytical methods. The treatments at 600 ºC produced a stratified surface containing -TiN, -Ti2N and N-solid solution Ti(N), whereas the 673 K samples presented Ti(N) and evidence of nitride precipitates at a very shallow depth, as suggested by micro-Raman (depth of analysis ≤ 25 nm). The asperity degree and distribution increased with the treatment temperature and time. The most significant changes in the near surface hardness (5 to 15 GPa) and elastic modulus (170 to 200 GPa) profiles in respect to the pristine Ti were observed for 873 K treatments. However, the 673 K – 3 h sample presented scratch hardness twice as high as the substrate value, even if the ductile-like tribological response was preserved. Titania layers produced by anodic oxidation presented crystallographic phase anatase concomitantly with nitride compounds. The layers presented reduced brittleness under normal loading if grown on the previously nitrided surfaces, whereas elastic modulus profiles (75-90 GPa) were kept lower than bulk Ti and close to bone values (10-40 GPa). Because of the improved load bearing capacity,layers grown on Ti PN at 400ºC-3h presented critical load in scratch tests three times higher (~400 mN) than the control one (135 mN). We conclude hat Ti surfaces can be tailored by plasma nitriding to improve their load bearing capacity for deposition of bioactive layers. / Os processos de modificação de superfície em Ti que visam induzir a osseointegração nesse material podem resultar em camadas ou filmes que não apresentam boa adesão (são mecanicamente instáveis), e/ou não atendem o requisito de apresentar módulo de elasticidade da ordem dos valores encontrados para os ossos. Neste trabalho amostras de titânio foram nitretadas e em seguida submetidas ao crescimento de filmes bioativos anódicos. A nitretação foi realizada em temperaturas de 600 °C e 400 °C, com tempos de tratamento entre 1 h e 3 h. As camadas de TiO2 com presença de Ca e P foram produzidas por oxidação anódica em modo galvanoestático, utilizando-se densidade de corrente de 150 mA/cm². As amostras foram analisadas por difração de raios X (DRX), microscopia de força atômica (MFA), microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia micro-Raman, espectroscopia de infra-vermelho, espectroscopia de energia dispersiva (EDS), indentação instrumentada e ensaios de nanorrisco. A análise por difração de raios X e espectroscopia de micro-Raman indicaram a presença de nitretos em todas as amostras, na estequiometria δ-TiN, e também de nitrogênio em solução sólida. Nas amostras tratadas à 600 °C também houve a presença de nitretos ε-Ti2N. Para nitretação a 600 °C produziu mudanças significativas na dureza (5 para 15 GPa) e no módulo de elasticidade (170 para 200 GPa); a condição 400 ºC – 3 h apresentou resistência ao risco duas vezes maior que o substrato de Ti, porém sem alterações no módulo de elasticidade. Na oxidação anódica, posterior à nitretação, observou-se a presença de óxidos de titânio (anatásio) em coexistência com os nitretos previamente depositados, além de quantidades menores de fosfato de cálcio. Observou-se que existe uma relação inversa entre a espessura das camadas e a eficiência do processo prévio de nitretação das superfícies. As camadas bioativas crescidas não apresentaram trincas durante os ensaios de nanoindentação, revelando-se mais resistentes. O módulo de elasticidade das camadas crescidas em quaisquer das superfícies nitretadas (75-90 GPa) é comparável aos valores dos ossos humanos (10-40 GPa), o que é favorável à biocompatibilidade mecânica das superfícies tratadas. A carga crítica para remoção da camada em ensaios de nanorisco se elevou de 135 mN (amostra apenas oxidada) para ~400 mN (nitretada 400 ºC – 3 h e oxidada). Concluiu-se que a nitretação prévia forneceu uma melhor sustentação às camadas bioativas crescidas por oxidação anódica, melhorando a sua adesão ao substrato.