Estudo da formação de trincas internas centrais em barras laminadas em aço SAE 1141

A qualidade SAE 1141 alia boas conformabilidade e usinabilidade em um mesmo aço – esta qualidade possui adição de teores de enxofre da ordem de 0,08 – 0,13% em peso. É largamente empregada no segmento de forjarias na confecção de componentes com relativa complexidade e exigência mecânica, tais como garfos e ponteiras para a indústria automotiva. Devido a esse fato, é imprescindível que a matéria-prima para a conformação destes componentes atenda às exigências impostas pelos esforços aplicados aos mesmos e, dado às solicitações que sofrem, apresente um desempenho satisfatório em sua forma final, principalmente no tocante à sanidade interna, visto que defeitos dessa natureza são extremamente deletérios à performance dos componentes conformados. Em função disso, o principal objetivo desta investigação é avaliar as causas potencialmente geradoras de defeitos denominados trincas internas centrais, as quais afetam fortemente a sanidade interna da matéria-prima, além de reduzir a sua incidência em barras de aço da qualidade SAE 1141. Para tanto, são apresentadas considerações sobre a avaliação destes defeitos, analisando-se as possíveis causas geradoras das trincas, as quais são caracterizadas sob o enfoque de bibliografia adequada. Através da realização de ensaios no lingotamento contínuo (LC) envolvendo a utilização do agitador eletromagnético final (FEMS), elaboração de curvas de ductilidade pelo emprego do simulador físico Gleeble para os materiais nas condições tarugo e barra laminada, experiências na laminação envolvendo análises de amostras após cada diferente grau de redução ou passe conferido ao material pelo processo e variação das taxas de resfriamento pós-processamento, busca-se reduzir as ocorrências destes defeitos, diminuindo conseqüentemente sucateamento e custos e melhorando o desempenho do material frente às expectativas dos componentes em serviço. A metodologia empregada para a detecção dos defeitos nas barras laminadas foi a submissão das mesmas ao ultra-som. Várias amostras tiveram os seus defeitos detectados através desse ensaio, os quais foram analisados e caracterizados previamente ao início da investigação das causas geradoras, balizando assim a tomada de decisão em relação aos experimentos a serem realizados. Os dados práticos foram obtidos na Gerdau Aços Especiais Piratini, onde a análise de defeitos internos gerados a partir do processo produtivo é um procedimento rotineiro. A interpretação dos resultados, bem como testes laboratoriais adicionais foram realizados na própria usina e no IAS – Instituto Argentino de Siderurgia. Em paralelo, realizou-se uma revisão na literatura aberta dos principais fundamentos e conceitos metalúrgicos referentes a trincas internas e causas de geração das mesmas, tais como, influência do FEMS na solidificação e na condição de segregação nos tarugos de LC, elementos de liga com caráter fragilizante e/ou deletério (por exemplo, hidrogênio, carbono, enxofre e manganês), influência das transformações de fase – velocidade de resfriamento pós-processamento e influência dos elementos de liga – na formação dos defeitos, entre outros. Os resultados obtidos permitiram concluir que a principal causa da geração das trincas internas do tipo centrais em barras laminadas está associada a uma combinação de variáveis. As transformações de fase, somadas a presença de altos teores de hidrogênio no aço – fato este de grande importância na geração dos defeitos detectado somente ao longo da realização do trabalho – fragilizam localmente o núcleo das barras, gerando trincas. Estas, por sua vez, têm a sua propagação facilitada através de cadeias ou redes de sulfeto de manganês, por vezes devido à alta incidência das mesmas nos aços da qualidade SAE 1141. Além disso, pode-se constatar que a geração dos defeitos é potencializada para barras de diâmetros superiores a 75,00 mm. Em barras de diâmetros menores, as falhas estão igualmente presentes e apresentam morfologia similar aos defeitos encontrados nas barras de maior diâmetro, porém, em escala não significativa, não sendo assim abordadas neste trabalho. Pode-se constatar ainda, que a redução da incidência dos defeitos do tipo trincas internas centrais em barras laminadas de diâmetros superiores a 75,00 mm – e conseqüente sucateamento – foi da ordem de mais de 95% desde o início do trabalho, reduzindo-se assim o sucateamento desta qualidade para níveis da ordem de, aproximadamente, 1,0%.

Investigação dos efeitos de temperaturas elevadas em reforços estruturais com tecidos de fibra de carbono

A necessidade cada vez maior de efetuar a reabilitação de estruturas que apresentam manifestações patológicas faz com que os profissionais da área busquem continuamente aperfeiçoar os meios tradicionais utilizados para este fim e investigar novos materiais que apresentem vantagens técnicas e econômicas. A utilização de tecidos de fibra de carbono para reabilitação ou reforço de estruturas de concreto armado apresenta-se como uma nova alternativa que tem despertado grande interesse tanto no meio científico quanto no meio profissional, justificando-se o seu estudo. A presente pesquisa investiga a sanidade do reforço quando submetido a elevadas temperaturas, uma vez que o risco de perda da integridade durante um incêndio constitui uma das principais preocupações no que se refere a esta nova técnica, pois a aderência do tecido ao substrato é realizada com adesivo epóxi, altamente vulnerável ao efeito do calor. A degradação em termos de perda de resistência do reforço é avaliada para temperaturas variando de 80 °C à 240 °C e tempos de exposição de 30 à 120 min. Proteções passivas com argamassa de revestimento e gesso aplicadas sobre a matriz de epóxi, como forma de atenuar a degradação do polímero, são também investigadas Pesquisas e várias combinações destas variáveis e os resultados indicam que o adesivo epóxi apresenta um processo de volatilização crescente com o aumento da temperatura, comprometendo a eficácia da técnica de reforço; no entanto, a aplicação de revestimentos incombustíveis e isolantes sobre os elementos reforçados retarda este fenômeno. O estabelecimento do que se constitui em boa técnica para a aplicação de reforço com tecidos de fibra de carbono é de vital importância para evitar o colapso de elementos estruturais reforçados ou, ao menos, garantir estanqueidade e isolamento dos mesmos por um intervalo de tempo suficiente que possibilite a retirada dos ocupantes e as operações de combate ao incêndio em condições de segurança.

Simulação pelo modelo Century do impacto da agricultura no estoque de carbono orgânico de solos do Planalto Rio-Grandense

Este estudo teve por objetivo estimar, pelo modelo CENTURY, a alteração no estoque de carbono orgânico (CO) de solos do Planalto do Rio Grande do Sul durante o período de expansão da agricultura e o potencial de recuperação do estoque de CO através de diferentes sistemas de manejo. Foram utilizados solos de cinco Unidades de Mapeamento (UM), sob vegetação original de campo e floresta: LATOSSOLO VERMELHO Distófico típico (UM Cruz Alta e Passo Fundo), LATOSSOLO VERMELHO Distroférrico típico (UM Santo Ângelo e Erechim) LATOSSOLO BRUNO Alumínico câmbico e (UM Vacaria). Avaliou-se a expansão da agricultura nas UM, a variação no conteúdo de CO dos solos por decomposição microbiana e erosão e a emissão ou seqüestro de CO2 em cenários de manejo com diferentes adições de C, métodos de preparo do solo e perdas de solo por erosão. Durante o período de expansão da agricultura (1900-1980), o uso de sistemas de cultura com baixa adição de C, pousio, queima de resíduos e preparo convencional do solo, ocasionou reduções estimadas de 31 a 45% no estoque original de CO dos solos. Com a melhoria nos eventos de manejo a partir de 1981, houve a recuperação parcial no estoque de CO. Considerando o balanço de CO e CO2 para a região em estudo (52506 km2), o cenário de manejo 1 (PC trigo/soja com queima) apresentou perda total estimada de 159517,0x103 Mg de CO e emissão de 299562,10x103 Mg de CO2 à atmosfera. Nos demais cenários, foram estimados incrementos de CO em relação ao cenário 1, atingindo, em 2050, valores correspondentes a 68,5% (cenário 2 - PR trigo/soja sem queima), 92,7% (cenário 3 - PD trigo/soja, aveia/soja, aveia/milho) e 98,1% (cenário 4 - PD trigo/soja, aveia/milho) do estoque original de CO. Devido a alta adição anual de C (6,0 Mg ha-1) e uso do plantio direto, o cenário 4 apresentou seqüestro líquido de 52173,32x103 Mg de CO2.

Remoção de íons Cd2+ de soluções aquosas por eletrodeposição em eletrodos de carbono vítreo reticulado

As soluções aquosas obtidas após o tratamento final de efluentes de processos de eletrodeposição de Cd contém baixas concentrações de íons Cd2+. Neste trabalho determinaram-se as melhores condições para a utilização de eletrodos de carbono vítreo reticulado (CVR) no polimento destas soluções. A eletrodeposição do íon Cd2+ sobre eletrodo de carbono vítreo reticulado de porosidades distintas, 30, 60 e 100 ppi, com e sem recobrimento com polipirrol, foi investigada em soluções aquosas aeradas de ácido sulfúrico e sulfato de potássio em pH 4,8. Sob condições potenciostáticas, uma elevada eficiência de remoção foi obtida para soluções contendo 5 e 10 mg L-1 de íon Cd2+, na faixa de potenciais entre –0,9 e –1,1 V para CVR e em –3,0 V para CVR recoberto com polipirrol (CVR-PPy0). Após cada experimento de eletrodeposição, a diminuição da concentração do íon Cd2+ no eletrólito foi monitorada por voltametria de redissolução anódica. Neste experimenteo, empregando um eletrodo de gota pendente de mercúrio sendo estes resultados comparados com medidas por espectrometria de emissão atômica (ICP). Para o eletrodo de CVR, neste intervalo de potenciais, -0,9 e –1,1 V, a eletrodeposição do íon cádmio é controlada por transporte de massa e a concentração de íons cádmio varia exponencialmente com o tempo, seguindo uma cinética de pseudo primeira ordem. Para a concentração 10 mg L-1 e usando eletrodo de CVR 30 ppi, as eficiências de corrente e de remoção determinadas a -1,1 V após 30 minutos de eletrólise foram, 38 % e 97% , respectivamente. Para eletrodo de CVR 60 ppi foram encontrados 30 % e 99 %, respectivamente. Para o eletrodo de CVR-PPy0 a maior eficiência de remoção encontrada foi de 84% após 90 minutos de eletrólise em –3,0 V, sendo a eficiência de corrente menor do que 2%. A presença de Cd metálico depositado na superfície do eletrodo de CVR e CVR-PPy0 depois da redução em –1,1 V e –3,0 V, respectivamente, foi confirmada por análise de Microscopia Eeletrônica de Varredura (MEV) e espectrometria de energia dispersiva (EDS).

Caracterização por microscopia eletrônica de transmissão do aço SAE5115 microligado ao nióbio para cementação em altas temperaturas

A busca de uma maior competitividade tem levado a indústria a utilizar temperaturas de cementação cada vez mais elevadas. Este aumento na temperatura permite uma significativa diminuição dos tempos de tratamentos, porém pode levar a um aumento generalizado ou anormal do tamanho de grão austenítico bastante deletério as propriedades mecânicas do material. A utilização de elementos formadores de precipitados é uma alternativa para minimizar este problema. Neste trabalho foi estudado um aço SAE 5115 com adição de 0,038% em peso nióbio para ancoramento de grão. Para este estudo foi simulado um tratamento térmico de cementação em temperaturas mais elevadas, como 1000 e 1050°C, por duas horas, partindo-se de duas condições, bruto de laminação e esferoidizado. A técnica de microscopia eletrônica de transmissão (MET) foi empregada para caracterizar os precipitados, bem como avaliar sua contribuição no ancoramento do grão. A caracterização dos precipitados quanto sua composição, morfologia, tamanho e distribuição, foi realizada analisando-se amostras preparadas por extração de réplicas em filme de carbono e por lâminas finas pelo método de polimento plano no “Tripod Polisher”. Sendo que este último, convencionalmente não utilizado em aço, possibilita a obtenção de amostras com extensa área fina para observação no MET, além de facilitar a análise por minimizar o efeito de desvio de feixe em amostras magnéticas. Os resultados das análises comprovam a precipitação de partículas complexas de Nb e que a forma de distribuição, bem como o percentual de tamanho dos precipitados é de suma importância para o ancoramento do grão. Verificou-se uma tendência maior para o aparecimento de grão anormal nas amostras que sofreram o processo de esferoidização.

Comportamento estrutural de vigas de concreto armado reforçadas com compósitos de fibra de carbono

Atualmente, a necessidade de reabilitação estrutural tem se tornado cada vez mais freqüente. Desde o advento do concreto, diversas metodologias de reabilitação estrutural vêm sendo desenvolvidas e aplicadas; e têm tornado-se cada vez mais sofisticadas. A aplicação de compósitos de fibra de carbono no reforço de estruturas de concreto armado, representa o que há de mais moderno neste importante segmento da engenharia estrutural. Apesar das inúmeras vantagens de sua aplicação, a incorporação de um material, até então estranho ao meio da engenharia estrutural convencional, tem merecido especial atenção por parte dos pesquisadores envolvidos neste segmento. Este estudo tem por objetivo, portanto, explorar as principais implicações estruturais da aplicação dos compósitos de fibra de carbono no reforço externo de vigas de concreto armado. Para tanto, tornou-se necessária a implementação de um amplo programa de investigação, fundamentalmente experimental, baseada na realização de ensaios de flexão em vigas de concreto armado, reforçadas à flexão e ao cisalhamento, com dois tipos de sistemas de reforço. De modo a permitir uma análise ampla das evidências experimentais alcançadas através da condução do programa experimental, realizou-se uma profunda revisão da literatura disponível acerca do assunto. O programa experimental foi dividido em dois grupos O primeiro, composto por 14 vigas, reforçadas à flexão e o segundo, composto por 30 vigas, reforçadas ao cisalhamento. Em ambos os grupos, empregaram-se dois tipos de sistema de reforço (laminados pré-fabricados e mantas flexíveis pré-impregnadas). O procedimento de ensaio, idealizado e implementado especialmente para a condução do programa experimental da presente tese, foi totalmente controlado por computador, conferindo, assim, maior confiabilidade aos ensaios. Em cada um dos grupos, analisaram-se, além dos modos e cargas de ruptura, deformações específicas, deslocamentos e distribuição de tensões. Finalmente, estes resultados são discutidos e avaliam-se modelos analíticos que permitam simular o comportamento destas estruturas.

Análise do comportamento em fadiga do aço SAE 52100 sob diferentes condições microestruturais

Devido às altas tensões envolvidas nos mecanismos de fadiga por contato, o uso de aços de alta dureza é uma exigência na fabricação de mancais de rolamento. Se a dureza de uma das partes em contato é baixa (sendo menor que 58 HRC), a ocorrência da descamação de camadas superficiais torna-se iminente no material menos duro. Estes defeitos superficiais podem, eventualmente, levar o componente a fraturar na direção radial se as tensões circunferenciais trativas forem relativamente elevadas. Os rolamentos que apresentam estes tipos de falhas são fabricados com o aço SAE 52100 temperado e revenido, com têmpera total. Recentemente tem sido sugerida a utilização do aço SAE 52100 processado por tratamento isotérmico para a obtenção de bainita inferior já que esta microestrutura apresenta boa tenacidade e resistência à fadiga associadas a uma alta dureza. Neste trabalho, foram realizados tratamentos térmicos utilizando o aço SAE 52100 a fim de obter microestruturas cujas matrizes fossem, predominantemente, martensita revenida ou bainita inferior. Para a condição martensítica, utilizou-se o tratamento térmico convencional de têmpera e revenido com três temperaturas de revenido para a obtenção de diferentes quantidades de austenita retida na matriz martensítica. Para a condição bainítica, utilizou-se o tratamento de austêmpera para a obtenção de bainita inferior com alto nível de dureza O comportamento mecânico do aço SAE 52100, tratado termicamente nas quatro condições, foi avaliado através de ensaio de tração e ensaio de impacto Charpy. O comportamento em fadiga, por sua vez, foi avaliado através de ensaios de propagação de trinca por fadiga realizados em corpos de prova tensão compacto. Para a determinação da influência da razão de carregamento (R=Kmin/Kmax) sobre o comportamento em fadiga este parâmetro foi variado entre 0,1 e 0,5. Foram realizadas análises fractográficas em todas as superfícies de fratura e de fadiga. Os resultados dos testes indicaram um melhor comportamento em fadiga para o aço SAE 52100 com microestrutura bainítica. No entanto para um R = 0,5, este material apresentou comportamento semelhante ao martensítico de mesmo nível de dureza na região limiar de fadiga. Observou-se o fenômeno de fechamento de trinca nos testes realizados com R de 0,1 e 0,3, sendo este efeito mais pronunciado para o menor valor de R.

Desenvolvimento de um aço SAE 5115 microligado ao nióbio para cementação a alta temperatura

Este trabalho busca desenvolver um aço para cementação a alta temperatura através da adição de nióbio como microligante, a fim de que os compostos formados forneçam partículas de segunda fase que atuem como ancoradoras do grão austenítico, já que o processo de crescimento de grão, especialmente anormal, é conseqüência natural das temperaturas envolvidas. A elevação da temperatura tem como objetivo proporcionar um ganho em produtividade pela redução dos tempos de cementação. Procura-se também estabelecer uma comparação do aço proposto a aços de cementação convencionais (DIN 17Cr3 e SAE 5115). Utilizou-se um aço SAE 5115 com 0,034% de nióbio, que foi submetido a diferentes condições de ensaio em laboratório: deformação a frio por compressão livre em três graus de deformação (isento, 25 e 50%); com posterior aquecimento em patamares de temperatura que simulam diferentes níveis de cementação (930 , 950 , 1000 e 1050 C), bem como diferentes tempos de manutenção em temperatura, de tal forma a atingir camadas cementadas hipotéticas em torno de 1,0 mm de profundidade. Encerram-se os testes submetendo o aço estudado a um processo de produção industrial de pinos de pistão, que sofrem deformação a temperatura ambiente e cementação a 950 C por 2,5 h O aço SAE 5115 ao “Nb” mostrou um melhor desempenho no controle dos grãos austeníticos, tanto para os ensaios de simulação realizados em laboratório e comparados ao aço DIN 17Cr3, como frente ao processo de produção de pinos de pistão tendo como comparativo o aço SAE 5115. O modelo teórico de Hudd e outros (que trata os carbonitretos de nióbio como de extensiva solubilidade mútua) e o de Gladman (que define os nitretos de alumínio e de nióbio como mutuamente exclusivos), associados às equações de Wagner (para coalescimento das partículas de segunda fase), bem como à equação de Gladman e Pickering (que determina o raio crítico de partícula para uma distribuição aleatória de partículas), mostraram-se bastante adequados em prever a resposta das partículas precipitadas, partindo-se da composição química do aço, principalmente para as partículas de carbonitreto de nióbio em condições que não envolvessem níveis elevados de deformação.

Estudo do crescimento de filmes de carbono sobre silício devido à irradiação com feixes de H e He

É bem conhecido que técnicas experimentais que fazem uso de feixes iônicos induzem sobre a superfície dos alvos irradiados o depósito de diversos tipos de impurezas. Este depósito é causado pelas interações entre o feixe de íons, as moléculas de gás residual no interior das câmaras de irradiação e a superfície da amostra. Apesar do fato deste processo poder alterar significativamente os parâmetros de irradiações, bem como afetar a análise de materiais tratados, os parâmetros experimentais que influenciam na deposição das impurezas ainda não são bem conhecidos e nem o depósito se encontra suficientemente quantificado. No presente trabalho relatamos um estudo quantitativo da deposição de carbono sobre amostras de Si (100) irradiadas com feixes de He e H. A deposição de carbono foi determinada em função da fluência de irradiação, variando diversos parâmetros experimentais, tais como: pressão na câmara de irradiação, temperatura do alvo, densidade de corrente do feixe, energia do feixe e o estado da carga do íon. Em todos os casos a análise das amostras irradiadas foi feita pela técnica de Retroespalhamento de Rutherford em direção Canalizada (RBS/C) e através da reação nuclear ressonante 12C(a, a´)12C na energia de 4265 keV. Os resultados experimentais mostram que se consegue minimizar a deposição de C através: a) da redução do tempo de irradiação, b) da redução da pressão na câmara de irradiação, c) do aumento da temperatura do alvo durante a irradiação e d) minimização do poder de freamento do íon no alvo.