Correlação entre as propriedades mecânicas e microestruturais da liga Al0,4%Nb em diferentes condições de solidificação

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade UnB Gama, Programa de Pós-Graduação em Integridade de Materiais da Engenharia, 2018.A diversidade de materiais gera grandes desafios, visto que as ligas de alumínio são parte de importantes componentes estruturais, a adição de elementos de liga contribui para a melhoria de suas propriedades. O Brasil, tendo a maior jazida de produção de nióbio do mundo, e o alumínio sendo um material em constante estudos, devido as suas excelentes propriedades, o estudo sobre o nióbio em ligas de alumínio ainda é muito escasso. Sendo o sistema Al – Nb um importante sistema binário e como proposta para substituição das ligas a base Ni, o conhecimento do efeito do Nb e o estudo da influência das condições de solidificação é de suma importância. Com isso, o objetivo do trabalho é estudar a solidificação unidirecional ascendente da liga Al0,4%Nb em duas diferentes condições de solidificação, correlacionando com as variáveis térmicas, parâmetros macroestruturais e microestruturais e ensaios mecânicos. As ligas foram solidificadas unidirecionalmente em regime transiente de transferência de calor, de modo a compreender duas faixas de taxas de resfriamento (Ṫ) e velocidade de solidificação (VL). A macroestrutura é caracterizada por em sua maioria por grãos colunares com uma transição colunar/equiaxial (TCE) quando as Ṫ são de 1,06 e 2,31° C/s para as respectivas condições da chapa/molde. A microestrutura é caracterizada por dendrítas ao longo de todas as alturas analisadas, correlacionadas com as variáveis: VL, Ṫ e GL. Para o espaçamento dendrítico primários foi obtido as equações experimentais: CM1: λ1=60,45(PL)0,4 e CM2: λ1=31,26(PL)0,4. Foi identificado através do ensaio de difração de raios – x, a presença da fase intermetálica Al3Nb. A microdureza de ambas as condições de solidificação, usando a equação do tipo Hall – Petch, mostrou que a microestrutura mais refinada oferece uma dureza de valor maior. O mesmo aconteceu com a tensão de escoamento e o limite de resistência a tração, diminuindo a microestrutura as mesmas tem um respectivo aumento em ambas condições.The diversity of materials poses major challenges, since aluminum alloys are part of important structural components, the addition of alloying elements contributes to the improvement of their properties. Brazil, having the largest niobium production deposit in the world and aluminum being a constantly studied material, due to its excellent properties, the study of niobium in aluminum alloys is still very scarce. Since the Al - Nb system is an important binary system and as a proposal for substitution of Ni - based alloys, knowledge of the effect of Nb and the study of the influence of solidification conditions is of paramount importance. Thus, the objective of the work is to study the unidirectional solidification of the Al0.4%Nb alloy in two different solidification conditions, correlating with the thermal variables, macrostructural and microstructural parameters and mechanical tests. The alloys were unidirectionally solidified in a transient heat transfer regime, so as to comprise two bands of cooling rates (Ṫ) and solidification velocity (VL). The macrostructure is characterized by columnar grains with a columnar/equiaxial transition (TCE) when the Ṫ are 1.06 and 2.31 ° C/s for the respective plate/mold conditions. The microstructure is characterized by dendrites along all the analyzed heights, correlated with the variables: VL, Ṫ and GL. For the primary dendritic spacing the experimental equations were obtained: CM1: λ1=60,45(PL)0,4 and CM2: λ1=31,26(PL)0,4. The presence of the intermetallic phase Al3Nb was identified through the x-ray diffraction test. The microhardness of both solidification conditions, using the Hall-Petch equation, showed that the more refined microstructure offers a higher value hardness. The same happened with drainage tension and the limit of tensile strength, reducing the microstructure they have a respective increase in both conditions

Influência da adição de zircônia tetragonal estabilizada com céria na resistência à fadiga por flexão em 4 pontos de compósitos Al2O3 – Ce-TZ

Tese (doutorado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2022.Materiais cerâmicos têm como características a estabilidade química, elevada dureza e resistência ao desgaste. Entretanto, devido a fragilidade, podem sofrer falha sob níveis de tensões relativamente baixas. A alumina é um material cerâmico biocompatível, apresenta boa resistência ao desgaste, mas possui tenacidade e resistência à flexão relativamente baixas. A zircônia é também inerte em meio fisiológico, apresenta menor módulo de elasticidade, maior tenacidade e resistência a flexão. O aumento de tenacidade verificado para a zircônia está relacionado com a transformação de fase (t→m) induzida por tensão. Portanto, compósitos à base zircônia estabilizada são promissores para utilização como materiais biocompatíveis, quando combinados. Neste trabalho, foi investigado o efeito da adição de zircônia tetragonal estabilizada com céria (Ce-TZP), sintetizada in situ, sobre o comportamento à fadiga de cerâmicas à base de alumina (Al2O3). Pó de Al2O3 (grupo de controle) e misturas contendo adições de 5% em peso (composição A) e 20% em peso (composição “B”) de uma mistura de pó comercial de ZrO2(monoclínica)/Al2O3/CeO2 (64/25/11% em peso), denominado ZrI, foram compactados uniaxialmente, sinterizados a 1600 °C - 2h e submetidos a envelhecimento em Autoclave. As amostras foram caracterizadas quanto a densidade relativa, microestrutura, fases cristalinas e propriedades mecânicas estáticas. A resistência à fadiga cíclica das composições foi determinada usando o método de escada modificado em testes de flexão de quatro pontos. Os resultados indicam que a adição da mistura ZrO2/Al2O3/CeO2 à matriz de alumina aumenta o número de grãos tetragonais-ZrO2 estabilizados com Ce (Ce-TZP), com teores de Ce-TZP de 2,9% e 11,9% para as composições “A” e “B”, respetivamente. Além disso, a adição de Ce-TZP melhora a densificação (98,5% ® 99,1%) com uma leve redução na dureza e módulo de elasticidade, e um aumento significativo na tenacidade à fratura do material, com valores de aproximadamente 6,7 MPa.m1/2 para o compósito “B” quando comparado com a alumina monolítica (KIC=2,4 MPa.m1/2). O limite de resistência à fadiga do grupo controle (alumina monolítica) ficou em torno de 100MPa. Os compósitos dos grupos “A” e “B” apresentaram os valores de 279MPa e 239MPa, respetivamente. Os resultados indicaram que a incorporação de Ce-TZP melhora significativamente a tenacidade à fratura de cerâmicas à base de alumina. Por outro lado, em relação ao comportamento à fadiga, houve aumento da resistência à fadiga na composição “A”, resultante dos benefícios da transformação tetragonal-monoclínica dos grãos de Ce-TZP, que ocorre durante o carregamento cíclico, produzindo uma zona de blindagem que envolve a ponta da trinca, retardando seu crescimento. O aumento na quantidade de CeTZP observado na composição “B” leva a um aumento considerável nas tensões residuais internas entre as fases presentes devido à anisotropia e diferença nos coeficientes de expansão térmica, o que acelera a transformação de fase e formação de microtrincas nos contornos de grão, reduzindo a resistência à fadiga do compósito “B”.Ceramic materials are characterized by chemical stability, high hardness and wear resistance. However, due to fragility, they may fail under relatively low stress levels. Alumina is a biocompatible ceramic material, has good wear resistance, but has relatively low toughness and flexural strength. Zirconia is also inert in a physiological medium, has a lower modulus of elasticity, greater toughness and flexural strength. The increase in toughness observed for zirconia is related to the voltage-induced phase transformation (t→m). Therefore, stabilized zirconia-based composites are promising for use as biocompatible materials when combined. In this work, the effect of the addition of ceriastabilized tetragonal zirconia (Ce-TZP) on the fatigue behavior of alumina (Al2O3)-based ceramics were investigated. Al2O3 powder (control group) and mixtures containing additions of 5wt% (composition A) and 20wt% (composition “B”) of a commercial ZrO2/Al2O3/CeO2 powders (64/25/11 wt.%) were uniaxially compacted and sintered at 1600°C-2h. Furthermore, the samples were characterized by relative density, microstructure, crystalline phases, and static mechanical properties. The cyclic fatigue strength of the compositions was determined using the modified staircase method. The results indicate that adding the ZrO2/Al2O3/CeO2 mixture to alumina matrix increases the number of tetragonal zirconia grains stabilized with Ce (Ce-TZP), with Ce-TZP contents of 2.9% and 11.9% for compositions “A” and “B”, respectively. Furthermore, the addition of Ce-TZP improves densification (98.5%→99.1%) with a slight reduction in hardness and modulus of elasticity, and a significant increase in the fracture toughness of the material, with values of approximately 6.7 MPa.m1/2 for composite “B” when compared to monolithic alumina (KIC=2.4 MPa.m1/2). The fatigue strength limit of the control group (monolithic alumina) was around 100MPa. The composites of groups “A” and “B” presented the values of 279MPa and 239MPa, respectively. The results indicated that the incorporation of Ce-TZP significantly improves the fracture toughness of alumina-based ceramics. On the other hand, regarding the fatigue behavior, there was an increase in fatigue resistance in composition A, resulting from the benefits of the tetragonalmonoclinic transformation of Ce-TZP grains, which occur during cyclic loading, producing a zone shielding that involves the tip of the crack, slowing its growth. However, the increase in the amount of Ce-TZP observed in composition “B” leads to a considerable increase in the internal residual stresses between the phases present due to anisotropy and difference in the thermal expansion coefficients, which accelerates the phase transformation and formation of microcracks at grain boundaries, reducing the fatigue strength of composite “B”

Utilização da filtração lenta para tratamento de água com variações da turbidez

O uso da filtração lenta traz um processo barato e eficiente para aplicação, onde os filtros a serem construídos em escala piloto, garantem o conhecimento da eficiência requerida para aplicação em escala real. A construção de um modelo de filtro ao qual atenda um padrão de potabilidade da água bruta a ser tratada tem como principal virtude desenvolver uma pesquisa que estabelecesse a melhoria da água para o consumo é relevante apresentar o procedimento mais importante dentro dos processos de tratamento, detalhadamente utilizando o conhecimento de várias tecnologias sendo convencionais ou não. Portanto, o presente artigo tem como objetivo montar em escala piloto um filtro lento de forma a atender as exigências de potabilidade de água para consumo humano. Para tal pesquisa foi montado um filtro lento de múltiplas, onde o delineamento experimental foi conduzido e realizado no laboratório da UNIP campus Brasília. Já as análises foram realizadas no laboratório de saneamento básico da universidade de Brasília (UnB), onde se analisou os seguintes parâmetros: sólidos, condutividade, turbidez e pH. Os resultados obtidos mostram eficiência na remoção de turbidez de 90% em média para o filtro de múltiplas camadas com baixa turbidez, atendendo aos parâmetros preconizados pela portaria de potabilidade de água para consumo

Upward unsteady-state solidification of silute Al–Nb alloys : microstructure characterization, microhardness, dynamic modulus of elasticity, damping, and XRD analyses

Aluminium alloys form many important structural components, and the addition of alloying elements contributes to the improvement of properties and characteristics. The objective of this work is to study the influence of thermal variables on the microstructure, present phases, microhardness, dynamic modulus of elasticity, and damping frequency in unidirectional solidification experiments, which were performed in situ during the manufacturing of Al–0.8 Nb and Al–1.2 Nb (wt.%) alloys. Experimental laws for the primary ( 1) and secondary ( 2) dendritic spacings for each alloy were given as a function of thermal variables. For Al–0.8%wt Nb, 1 = 600.1(˙T)1.85 and 2 = 186.1(VL)3.62; and for Al–1.2%wt Nb, 1 = 133.6(˙T)1.85 and 2 = 55.6(VL)3.62. Moreover, experimental growth laws that correlate the dendritic spacings are proposed. An increase in dendritic spacing influences the solidification kinetics observed, indicating that metal/mold interface distance or an increase in Nb content lowers the liquidus isotherm velocity (VL) and the cooling rate (˙T). There is also a small increase in the microhardness, dynamic modulus of elasticity, and damping frequency in relation to the composition of the alloy and the microstructure

Four-Point Bending Fatigue Behavior of Al2O3-ZrO2 Ceramic Biocomposites Using CeO2 as Dopant

This work investigated the effect of adding ceria-stabilized tetragonal zirconia (Ce-TZP) on the fatigue behavior of alumina-based ceramic composites. Alumina powder (control group) and mixtures containing 5 wt.% (group A) and 20 wt.% (group B) of a commercial m-ZrO2/Al2O3/CeO2 powder mixture were milled/homogenized, compacted, sintered at 1600°C-2h, and submitted to hydrothermal degradation. The samples were characterized by relative density, microstructure, crystalline phases, and static mechanical properties. The cyclic fatigue strength was determined using the modified staircase method in 4-point bending tests. The results indicate that adding the m-ZrO2/Al2O3/CeO2 powder mixture to the Al2O3-matrix increases the tetragonal-ZrO2 grains (Ce-TZP) content, presenting 2.9 wt.% of Ce-TZP and 11.9 wt.% of Ce-TZP for group A and group B, respectively. Furthermore, the addition of Ce-TZP improves densification (98.5% → 99.1%) with a slight reduction in hardness and modulus of elasticity and a significant KIC increase of the composite (KIC = 6.7 MPa.m1/2, group B) when compared to monolithic alumina (KIC=2.4 MPa.m1/2). The fatigue strength limit of the control group was around 100 MPa, while the composites (groups A and B) presented the values of 279 MPa and 239 MPa, respectively. The results indicated that the incorporation of Ce-TZP significantly improves the fracture toughness of alumina-based ceramics. On the other hand, regarding the fatigue behavior, there was an increase in fatigue resistance in group A, resulting from the benefits of the t→m Ce-TZP grains transformation, which occurs during cyclic loading, producing a zone shielding that involves the tip of the crack, slowing its growth. The increase in the amount of Ce-TZP (group B) leads to an increase in the internal residual stresses between the phases due to anisotropy and difference in the thermal expansion coefficients, which accelerates the phase transformation and formation of microcracks at grain boundaries, reducing the fatigue strength of composites of group B