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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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:tede2.uepg.br:prefix/877 |
| Date | 13 July 2009 |
| Creators | Prandel, Luis Valério |
| Contributors | Cruz, Gerson Kniphoff da, Gomez, Sérgio Leonardo, Lima, João Cardoso de |
| Publisher | UNIVERSIDADE ESTADUAL DE PONTA GROSSA, Programa de Pós-Graduação em Ciências, UEPG, BR, Fisica |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UEPG, instname:Universidade Estadual de Ponta Grossa, instacron:UEPG |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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