Linearly-increasing-stress testing of carbon steel in 4 N NaNO3 and in Bayer liquor

This paper reports the application of linearly increasing stress testing (LIST) to the study of stress corrosion cracking (SCC) of carbon steel in 4 N NaNO3 and in Bayer liquor. LIST is similar to the constant extension-rate testing (CERT) methodology with the essential difference that the LIST is load controlled whereas the CERT is displacement controlled. The main conclusion is that LIST is suitable for the study of the SCC of carbon steels in 4 N NaNO3 and in Bayer liquor. The low crack velocity in Bayer liquor and a measured maximum stress close to that of the reference specimen in air both indicate that a low applied stress rate is required to study SCC in this system. (C) 1998 Chapman & Hall.

Measurement of grain boundary composition for X52 pipeline steel

Analytical electron microscopy was used to measure the composition of grain boundaries (GBs) and interconstituent boundaries (IBs) of X52 pipeline steel using specimens about 40-60 nm in thickness. All elements of interest were examined with the exception of carbon. With this caveat; there was no segregation at proeutectoid ferrite GBs. This indicated that the commonly expected species S and P are not responsible for preferential corrosion of GBs during intergranular stress corrosion cracking of pipeline steels. Manganese was the only species measured to segregate at the IBs. Manganese segregated to the IBs between proeutectoid ferrite and pearlitic cementite, and desegregated from IBs between proeutectoid ferrite and pearlitic ferrite. The pearlitic cementite was Mn rich. There was no Mn segregation at the IBs between pearlitic ferrite and pearlitic cementite. The pattern of Mn segregation could be explained in terms of diffusion in the process zone ahead of the pearlite during the austenite to pearlite transformation and diffusion in the IBs between the proeutectoid ferrite and pearlite. (C) 1998 Acta Metallurgica Inc. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

The crack tip strain field of AISI 4340 - Part I - Measurement technique

This is the first paper in a study on the influence of the environment on the crack tip strain field for AISI 4340. A stressing stage for the environmental scanning electron microscope (ESEM) was constructed which was capable of applying loads up to 60 kN to fracture-mechanics samples. The measurement of the crack tip strain field required preparation (by electron lithography or chemical etching) of a system of reference points spaced at similar to 5 mu m intervals on the sample surface, loading the sample inside an electron microscope, image processing procedures to measure the displacement at each reference point and calculation of the strain field. Two algorithms to calculate strain were evaluated. Possible sources of errors were calculation errors due to the algorithm, errors inherent in the image processing procedure and errors due to the limited precision of the displacement measurements. Estimation of the contribution of each source of error was performed. The technique allows measurement of the crack tip strain field over an area of 50 x 40 mu m with a strain precision better than +/- 0.02 at distances larger than 5 mu m from the crack tip. (C) 1999 Kluwer Academic Publishers.

The crack tip strain field of AISI 4340 - Part II - Experimental measurements

Crack tip strain maps have been measured for AISI 4340 high strength steel. No significant creep was observed. The measured values of CTOD were greater than expected from the HRR model. Crack tip branching was observed in every experiment. The direction of crack branching was in the same direction as a major ridge'' of epsilon(yy) strain, which in turn was in the same direction as predicted by the HRR model. Furthermore, the measured magnitudes of the epsilon(y)y strain in this same direction were in general greater than the values predicted by the HRR model. This indicates more plasticity in the crack tip region than expected from the HRR model. This greater plasticity could be related to the larger than expected CTOD values. The following discrepancies between the measured strain fields for AISI 4340 and the HRR predictions are noteworthy: (1) The crack branching. (2) Values of CTOD significantly higher than predicted by HRR. (3) The major ridge'' of epsilon(yy) strain an angle of about 60 degrees with the direction of overall propagation of the fatigue precrack, in which the measured magnitudes of the epsilon(yy) strain were greater than the values predicted by the HRR model. (4) Asymmetric shape of the plastic zone as measured by the epsilon(yy) strain. (5) Values of shear strain gamma(xy) significantly higher than predicted by the HRR model. (C) 1999 Kluwer Academic Publishers.

Coupled experimental and thermodynamic modeling studies for metallurgical smelting and coal combustion slag systems

An extensive research program focused on the characterization of various metallurgical complex smelting and coal combustion slags is being undertaken. The research combines both experimental and thermodynamic modeling studies. The approach is illustrated by work on the PbO-ZnO-Al2O3-FeO-Fe2O3-CaO-SiO2 system. Experimental measurements of the liquidus and solidus have been undertaken under oxidizing and reducing conditions using equilibration, quenching, and electron probe X-ray microanalysis. The experimental program has been planned so as to obtain data for thermodynamic model development as well as for pseudo-ternary Liquidus diagrams that can be used directly by process operators. Thermodynamic modeling has been carried out using the computer system FACT, which contains thermodynamic databases with over 5000 compounds and evaluated solution models. The FACT package is used for the calculation of multiphase equilibria in multicomponent systems of industrial interest. A modified quasi-chemical solution model is used for the liquid slag phase. New optimizations have been carried out, which significantly improve the accuracy of the thermodynamic models for lead/zinc smelting and coal combustion processes. Examples of experimentally determined and calculated liquidus diagrams are presented. These examples provide information of direct relevance to various metallurgical smelting and coal combustion processes.

Material influence on the stress corrosion cracking of rock bolts

Rock bolt stress corrosion cracking (SCC) has been investigated using the linearly increasing stress test (LIST). One series of experiments determined the threshold stress of various bolt metallurgies (900 MPa for 1355AXRC, and 800 MPa for MAC and MA840B steels). The high values of threshold stress suggest that SCC begins in rock bolts when they are sheared by moving rock strata. SCC only occurred for environmental conditions which produce hydrogen on the sample surface, leading to hydrogen embrittlement and SCC. Different threshold potentials were determined for a range of metallurgies. Cold work was shown to increase the resistance of the steel to SCC. Rock bolt rib geometry does not have a direct impact on the SCC resistance properties of the bolt, although the process by which the ribs are produced can introduce tensile stresses into the bolt which lower its resistance to SCC. (C) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Effect of hardness on three very different forms of wear

Different abrasive wear tests have been applied to materials with hardnesses ranging from 80 HV (aluminium) to 1700 HV (tungsten carbide). The tests were: dry sand rubber wheel (DSRbrW); a similar test using a steel wheel (DSStlW); a new combined impact-abrasion test (FIA). The DSRbrW results were as expected, giving generally decreasing wear with increasing hardness. White cast irons and tool steels containing coarse, hard carbide particles performed better than more homogeneous materials of comparable hardness. When normalized to load and distance, the DSStlW results for the homogeneous materials were similar to the DSRbrW results. The multi-phase materials performed poorly in the DSStlW test, with volume loss for high-speed steel (880 HV) higher than that of aluminium. Within this group, wear increased with increasing hardness. These unexpected results are explained in terms of (a) differential friction coefficients of wheel and specimen, (b) increased fracture of sand, and (c) introduction of microfracture wear mechanisms. The FIA combined impact-abrasion results lacked clear correlations with hardness. The span of relative wear rates was similar to that reported for materials in ball mills. White cast irons at maximum hardness performed fairly poorly and showed evidence of microfracture. (C) 1997 Elsevier Science S.A.

Environmental assisted fracture for 4340 steel in water and air of various humidities

This paper reports on measurements of crack growth by environmental assisted fracture (EAF) for 4340 steel in water and in air at various relative humidities. Of most interest is the observation of slow crack propagation in dry air. Fractographic analysis leads to the strong suggestion that this slow crack propagation is due to hydrogen cracking caused by internal hydrogen in solid solution inside the sample material.

Accurate orientation relationship between ferrite and austenite in low carbon martensite and granular bainite

Convergent beam Kikuchi diffraction was used to accurately determine the orientation relationships (ORs) between austenite and martensite, and between austenite and granular bainite in two Fe-Ni-Mn-C alloys. Both martensite and granular bainite have the same crystallographic characteristics with the OR: (111)(A)parallel to(101)(F), [1 (1) over bar0](A) 2.5degrees +/- 2degrees from [1 (1) over bar(1) over bar](B).

Horizontal rotating cylinder - A compact apparatus for studying the effect of water wetting on carbon dioxide corrosion of mild steel

Water wetting is a crucial issue in carbon dioxide (CO.) corrosion of multiphase flow pipelines made from mild steel. This study demonstrates the use of a novel benchtop apparatus, a horizontal rotating cylinder, to study the effect of water wetting on CO2 corrosion of mild steel in two-phase flow. The setup is similar to a standard rotating cylinder except for its horizontal orientation and the presence of two phases-typically water and oil. The apparatus has been tested by using mass-transfer measurements and CO2 corrosion measurements in single-phase water flow. CO2 corrosion measurements were subsequently performed using a water/hexane mixture with water cuts varying between 5% and 50%. While the metal surface was primarily hydrophilic under stagnant. conditions, a variety of dynamic water wetting situations was encountered as the water cut and fluid velocity were altered. Threshold velocities were identified at various water cuts when the surface became oil-wet and corrosion stopped.

Study of wet porous filtration

A growing demand for efficient air quality management calls for the development of technologies capable of meeting the stringent requirements now being applied in areas of chemical, biological and medical activities. Currently, filtration is the most effective process available for removal of fine particles from carrier gases. Purification of gaseous pollutants is associated with adsorption, absorption and incineration. In this paper we discuss a new technique for highly efficient simultaneous purification of gaseous and particulate pollutants from carrier gases, and investigate the utilization of Nuclear Magnetic Resonance (NMR) imaging for the study of the dynamic processes associated with gas-liquid flow in porous media. Our technique involves the passage of contaminated carrier gases through a porous medium submerged into a liquid, leading to the formation of narrow and tortuous pathways through the medium. The wet walls of these pathways result in outstanding purification of gaseous, liquid and solid alien additives. NMR imaging was successfully used to map the gas pathways inside the porous medium submerged into the liquid layer. (C) 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Estudo da corrosão dos aços AISI 1010 e AISI 316L em soluções com elevado teor de cloreto e em ácido naftênico

A mudança no mercado global do petróleo nos últimos anos, com o declínio das reservas de óleo leve, têm forçado a busca por novos campos petrolíferos em ambientes mais remotos, como nos campos localizados na camada pré-sal, e a exploração de óleos pesados que possuem elevado teor de ácidos naftênicos. Isso acarreta em grandes desafios para a previsão do desempenho de materiais frente às novas condições ambientais em que estão inseridos. No presente trabalho, o comportamento da corrosão do aço carbono AISI 1010 e do aço inoxidável AISI 316L foi estudado em soluções aquosas com elevado teor de cloreto e em solução de ácido naftênico ciclopentanóico a fim de ter melhor entendimento da ação dessas espécies no processo de corrosão e simular a corrosão pela água de produção na indústria petrolífera. Foram aplicadas as técnicas de potencial de circuito aberto, polarização potenciodinâmica, voltametria cíclica, espectroscopia de impedância eletroquímica, espectroscopia Raman, microscopia eletrônica de varredura e microscopia de força atômica, usadas, em cada caso, de acordo com a conveniência. O aumento da [Cl-] na faixa de 1,2–2,8 mol.L-1 não altera os processos catódicos e anódicos perto do Ecorr para os aços AISI 1010 e AISI 316L. Em condições de sobrepotenciais afastados do Ecorr, o aumento de [Cl-] aumenta os processos oxidativos de corrosão, o que é expresso pelas maiores densidades de corrente e carga anódica e aumento da perda de massa sofrida pelos eletrodos de ambos os aços. Portanto, os danos da corrosão são mais intensos quando se aumenta a [Cl-]. O aço AISI 1010 é ativo nas soluções de NaCl e a corrosão se propaga livremente de forma uniforme. Para o aço AISI 316L, uma ampla faixa de passividade pode ser vista nas soluções de NaCl; no Epit ocorre a ruptura do filme passivo e o crescimento de pites estáveis. Após 24 h de imersão em soluções de sulfato de sódio (branco) e de ácido naftênico ciclopentanóico ocorre crescimento de filme de óxido e as fases α-Fe2O3, Fe3O4 e δ-FeO(OH) foram identificadas nos espécimes de aço AISI 1010 e Fe3O4 foi identificado nos defeitos do filme prévio presente na superfície do aço AISI 316L. Os filmes formados em solução de ácido ciclopentanóico possuem menor resistência à polarização, maior rugosidade e maior taxa de corrosão quando comparado aos filmes crescidos na solução branco, para ambos os aços. A presença do ácido naftênico muda a forma como a reação de corrosão se procede e contribui para o aumento da corrosão. A corrosão naftênica foi mais pronunciada no aço carbono porque a presença dos elementos de liga no aço inox reduzem o número de sítios ativos ricos em Fe e tornam menos oportuna a ligação do Fe com o naftenato.

Estudo da corrosão e inibição dos aços carbono AISI 1010, inoxidável AISI 316 e duplex UNS S31803 em meio de solução de íons cloreto

O comportamento da corrosão e inibição à corrosão dos aços carbono AISI 1010, inox AISI 316 e duplex UNS S31803 foi estudado em meio de solução de íons cloreto à 3,0% (m/v), na ausência e presença do benzimidazol e imidazol como inibidores. A caracterização química e morfológica dos aços foi realizada por meio das técnicas de espectrometria de emissão ótica, difração de raios X (DRX), microscopia ótica, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e energia dispersiva de raios X (EDX). As análises eletroquímicas foram realizadas através das técnicas de polarização potenciodinâmica e espectroscopia de impedância eletroquímica. As análises de DRX e de metalografia mostraram as fases presentes em cada aço, sendo o aço AISI 1010 composto pela fase ferrita, o aço AISI 316 pelas fases de FeNi e Cr e o aço UNS S31803 pelas fases austenita e ferrita. Além disso, a metalografia e as análises de MEV e EDX permitiram identificar regiões e certos elementos presentes nos aços que propiciam à ocorrência da corrosão, tais como inclusões. Os inibidores foram testados em diferentes concentrações (25 ppm, 50 ppm, 100 ppm, 500 ppm e 1000 ppm) para os três aços, através das curvas de polarização e impedância eletroquímica, e verificou-se que para todas as concentrações houve aumento da resistência à corrosão dos aços. Pelas curvas de polarização verificou-se que o benzimidazol proporcionou aos aços AISI 1010, AISI 316 e UNS S31803, eficiências de inibição de cerca de 51%, 71% e 75%, respectivamente. Enquanto que o imidazol apresentou eficiência de cerca de 73%, 95% e 86%, respectivamente. Os resultados de impedância eletroquímica mostraram que as eficiências de inibição do benzimidazol foram de aproximadamente 52%, 73% e 71%, respectivamente, para os aços AISI 1010, AISI 316 e UNS S31803. E por sua vez, o imidazol apresentou eficiências de aproximadamente 96% para os aços AISI 1010 e AISI 316 e 85% para o aço UNS S31803. O teste de perda de massa mostrou que para o aço AISI 1010 tanto o benzimidazol quanto e o imidazol inibiram a corrosão, sendo que reduziram a corrosão em cerca de 17% e 24%, respectivamente. Nas análises das curvas de polarização em estudos com a água do mar observou-se que os inibidores foram menos eficientes do que em meio de solução de cloreto. O benzimidazol obteve eficiências de cerca de 14%, 50% e 33%, respectivamente, para os aços AISI 1010, AISI 316 e UNS S31803. Enquanto que o imidazol apresentou eficiências de aproximadamente 21%, 59% e 34%, respectivamente. Em todas as análises eletroquímicas e análise de perda de massa, o imidazol se mostrou o melhor inibidor para os aços estudados.

Modelo de escoamento multifásico para estudo da interação onda/sedimento

Modelos de escoamento multifásico são amplamente usados em diversas áreas de pesquisa ambiental, como leitos fluidizados, dispersão de gás em líquidos e vários outros processos que englobam mais de uma propriedade físico-química do meio. Dessa forma, um modelo multifásico foi desenvolvido e adaptado para o estudo do transporte de sedimentos de fundo devido à ação de ondas de gravidade. Neste trabalho, foi elaborado o acoplamento multifásico de um modelo euleriano não-linear de ondas do tipo Boussinesq, baseado na formulação numérica encontrada em Wei et al. (1995), com um modelo lagrangiano de partículas, fundamentado pelo princípio Newtoniano do movimento com o esquema de colisões do tipo esferas rígidas. O modelo de ondas foi testado quanto à sua fonte geradora, representada por uma função gaussiana, pá-pistão e pá-batedor, e quanto à sua interação com a profundidade, através da não-linearidade e de propriedades dispersivas. Nos testes realizados da fonte geradora, foi observado que a fonte gaussiana, conforme Wei et al. (1999), apresentou melhor consistência e estabilidade na geração das ondas, quando comparada à teoria linear para um kh   . A não-linearidade do modelo de ondas de 2ª ordem para a dispersão apresentou resultados satisfatórios quando confrontados com o experimento de ondas sobre um obstáculo trapezoidal, onde a deformação da onda sobre a estrutura submersa está em concordância com os dados experimentais encontrados na literatura. A partir daí, o modelo granular também foi testado em dois experimentos. O primeiro simula uma quebra de barragem em um tanque contendo água e o segundo, a quebra de barragem é simulada com um obstáculo rígido adicionado ao centro do tanque. Nesses experimentos, o algoritmo de colisão foi eficaz no tratamento da interação entre partícula-partícula e partícula-parede, permitindo a evidência de processos físicos que são complicados de serem simulados por modelos de malhas regulares. Para o acoplamento do modelo de ondas e de sedimentos, o algoritmo foi testado com base de dados da literatura quanto à morfologia do leito. Os resultados foram confrontados com dados analíticos e de modelos numéricos, e se mostraram satisfatórios com relação aos pontos de erosão, de sedimentação e na alteração da forma da barra arenosa