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metadata.dc.type: Tese
Title: Propriedades da austenita expandida por hidrogênio e sua interação com a fase γN em uma liga Fe-Cr-Ni
metadata.dc.creator: Chuproski, Rafael Fillus
metadata.dc.contributor.advisor1: Souza, Gelson Biscaia de
metadata.dc.contributor.referee1: Lepienski, Carlos Mauricio
metadata.dc.contributor.referee2: Borges, Paulo César
metadata.dc.contributor.referee3: Pukasiewicz, Anderson Geraldo Marenda
metadata.dc.contributor.referee4: Cintho, Osvaldo Mitsuyuki
metadata.dc.description.resumo: A permeação de hidrogênio produz efeitos diversos nos metais. Um desses efeitos é a retenção intersticial durante a carga catódica, que é de breve duração e, geralmente, é negligenciada nos estudos sobre fragilização por hidrogênio. Avaliou-se esse fenômeno por ensaios estruturais e mecânicos in situ em um aço inoxidável superaustenítico (AISA), à luz de teorias recentes sobre a difusão e retenção de elementos intersticiais em ligas Fe-Cr-Ni. O fluxo de hidrogênio do eletrólito através da superfície do AISA produz uma saturação dos interstícios da estrutura cúbica de face centrada (CFC), formando uma fase expandida por hidrogênio. Essa fase demonstra semelhanças com a fase austenita expandida por nitrogênio, γN. A expansão da rede apresenta dois estágios, alta (γH) e baixa expansão (γe). O caráter metaestável da estrutura fica evidente pelo seu rápido decaimento, γH → γe → γ, que se completa no período de aproximadamente um dia. A camada com a fase expandida apresenta dureza duas vezes maior e módulo de elasticidade 17% superior ao do substrato. Com o decaimento da fase γH, essas propriedades retornam aos níveis da liga não modificada. A hidrogenação afeta a resposta elastoplástica da superfície. Sob taxas de deformação elevadas, o aumento da plasticidade localizada por ação do hidrogênio, descrito pelo mecanismo HELP, é superado pelo endurecimento por solução sólida. Por outro lado, a fragilização por hidrogênio domina a interação plástica da superfície quando as taxas de deformação são baixas. Avaliou-se, também, a inibição do fluxo de hidrogênio através de uma camada nitretada composta pela fase γN, submetida às mesmas condições anteriores de carga catódica. A superfície modificada inibe parcialmente a entrada de íons, devido à presença de um gradiente de potencial químico contrário ao seu fluxo, que resultam em expansão de rede menor do que a observada no material base. A dureza da camada nitretada, superior à do substrato (6,5 GPa e 2,5 GPa, respectivamente), aumenta mais após a carga catódica, chegando a ~10 GPa. Com a desidrogenação, os valores retornam aos níveis anteriores à hidrogenação. A hidrogenação altera a resposta elastoplástica da camada nitretada, a qual passa a apresentar características frágeis. O mecanismo que leva ao desprendimento parcial de regiões da camada se deve ao efeito competitivo entre tensões residuais compressivas, impostas pela γN, e trativas na interface γN/γ. Nesta última, forma-se o hidrogênio molecular H2, que irrompe através da camada nitretada γN, seletivamente por direções cristalográficas favoráveis à difusão e acúmulo de hidrogênio. Conclui-se que a fase expandida γH pode ser satisfatoriamente entendida pelos mecanismos de difusão e aprisionamento intersticiais na rede CFC, considerando-se sua característica altamente metaestável.
Abstract: The permeation of hydrogen produces varied effects in metals. One of these effects is the interstitial retention during cathodic charging, which is of brief duration and is, generally, neglected in studies on hydrogen embrittlement. This phenomenon was evaluated through in situ structural and mechanical analysis on a superaustenitic stainless steel (SASS), in the light of recent advances in the understanding of diffusion and retention of interstitial elements in Fe-Cr-Ni alloys. The hydrogen flux from the electrolyte through the SASS surface saturates interstices of the face-centered cubic (FCC) structure, leading to the formation of a hydrogen-expanded phase. This phase exhibits similarities to the nitrogen-expanded austenite phase, γN. The expansion of the lattice shows two distinct domains, high (γH) and low expansion (γe). The metastable nature of the structure becomes evident through its rapid decay, γH → γe → γ, which is completed in approximately one day. The layer with the expanded phase exhibits hardness twice as high and elastic modulus 17% higher than those of the substrate. These properties return to the levels of the unmodified substrate after the γH phase decay. The hydrogenation affects the elastoplastic response of the surface. At high strain rates, the increase of localized plasticity due to hydrogen, described by the HELP mechanism, is overcome by solid solution strengthening. On the other hand, hydrogen embrittlement dominates the surface plastic interaction at low strain rates. The inhibition of hydrogen flux through a nitrided layer composed of the γN phase was also evaluated under the same cathodic charging conditions. The modified surface partially inhibits the permeation of ions due to the presence of an opposing chemical potential gradient, resulting in a smaller lattice expansion than that observed in the base material. The hardness of the nitrided layer, higher than that of the substrate (6.5 GPa vs. 2.5 GPa), increases further after cathodic charging, reaching up to 10 GPa. Upon hydrogen outgassing, the values return to pre-hydrogenation levels. Hydrogenation alters the elastoplastic response of the nitrided layer, which shifts to a brittle character. The mechanism leading to the partial detachment of regions of the layer is due to the competitive effect between compressive residual stresses imposed by γN and tensile stresses at the γN/γ interface. In the latter, molecular hydrogen H2 is formed, which erupts selectively through the γN nitrided layer along crystallographic directions favorable to the diffusion and accumulation of hydrogen. In conclusion, the expanded phase γH can be properly understood through the interstitial diffusion and trapping mechanisms in the FCC lattice, considering its highly metastable nature.
Keywords: implantação iônica assistida por plasma
plasticidade
transformação martensítica
difração de raios X
nanoindentação
difusividade anisotrópica
plasma-based ion implantation
plasticity
martensitic transformation
X- ray diffraction
nanoindentation
anisotropic diffusion
metadata.dc.subject.cnpq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
metadata.dc.language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Estadual de Ponta Grossa
metadata.dc.publisher.initials: UEPG
metadata.dc.publisher.department: Setor de Ciências Exatas e Naturais
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Ciências
Citation: CHUPROSKI, Rafael Fillus. Propriedades da austenita expandida por hidrogênio e sua interação com a fase γN em uma liga Fe-Cr-Ni. 2023. Tese (Doutorado em Ciências) - Universidade Estadual de Ponta Grossa, Ponta Grossa, 2023.
metadata.dc.rights: Acesso Aberto
Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
metadata.dc.rights.uri: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
URI: http://tede2.uepg.br/jspui/handle/prefix/4065
Issue Date: 29-Sep-2023
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