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Tese de Doutorado
DOI
https://doi.org/10.11606/T.18.2023.tde-29052023-113206
Documento
Autor
Nome completo
Felipe Henrique Santa Maria
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2023
Orientador
Banca examinadora
Oliveira, Marcelo Falcão de (Presidente)
Afonso, Conrado Ramos Moreira
Coury, Francisco Gil
Ferreira, Eduardo Bellini
Ishikawa, Tomaz Toshimi
Título em português
A influência de terras raras na cristalização de vidros metálicos à base de zircônio contaminados com oxigênio
Palavras-chave em português
elementos terras raras
oxigênio
vidros metálicos
VIT105
VIT601
zircônio
Resumo em português
Nesta tese foi desenvolvido um estudo que busca entender a forma com que elementos terras raras como ítrio e érbio influenciam na cristalização e estabilidade térmica de vidros metálicos à base de zircônio, VIT105 - Zr52,5Cu17,9Ni14,6Al10Ti5 e VIT601 - Zr50,76Cu36,14Ni4,04Al9,06 (%at.) contaminados com oxigênio em dois diferentes níveis, 200 ppm e 1000 ppm em peso. Sabendo que o oxigênio tem grande influência no processo de cristalização dessa classe de materiais, na literatura até então conhecida ainda não foi feito um estudo sistemático com o objetivo de definir teores ideais de adição desses elementos de terras raras. Essas adições buscam amenizar a deterioração da tendência à formação de vidros (TFV) causada pela presença do oxigênio. Amostras com 2 mm de espessura foram produzidas em um forno à arco elétrico e coquilhamento em molde de cobre refrigerado à água. Primeiramente foram produzidas amostras sem a adição de terras raras. Após a verificação dos teores de oxigênio as mesmas foram analisadas por calorimetria exploratória diferencial (DSC). O objetivo era determinar as temperaturas características de transformações como temperatura de transição vítrea (Tg), temperatura de início de cristalização (Tx onset) e as temperaturas onde ocorrem os picos de cristalização (Tp). Novas ligas foram produzidas com adição de três diferentes níveis de ítrio e érbio separadamente. As mesmas foram analisadas e comparadas entre si através de difração de raios-X utilizando um módulo de aquecimento acoplado ao difratômetro. As amostras foram aquecidas e ao atingirem as temperaturas características estabelecidas pelo ensaio de DSC foram gerados difratogramas de forma a analisar o comportamento das ligas com relação à cristalização e crescimento de fases. As amostras também foram ensaiadas quanto à microdureza Vickers e comparadas ao estado inicial. Uma importante conclusão dessa tese é que em alguns casos a adição de uma quantidade estequiométrica de um elemento de terra rara, como ítrio ou érbio, para se ligar e consumir todo o oxigênio presente na liga, formando óxidos estáveis, não é eficaz quanto ao aumento da TFV. Ao contrário do que se esperava inicialmente, em algumas situações esta quantidade tem efeito deletério sobre a TFV, enquanto que quantidades inferiores ou superiores de adição desses elementos, em alguns casos, demonstraram um comportamento favorável ao aumento da TFV.
Título em inglês
The influence of rare earth elements on the crystallization of zirconium-based metallic glasses contaminated with oxygen
Palavras-chave em inglês
metallic glasses
oxygen
rare earth elements
VIT105
VIT601
zirconium
Resumo em inglês
In this thesis, a study was developed that aims to understand the way in which rare earth elements such as yttrium and erbium influence the crystallization and thermal stability of zirconium-based metallic glasses, VIT105 - Zr52,5Cu17,9Ni14,6Al10Ti5 and VIT601 - Zr50,76Cu36,14Ni4,04Al9,06 (at. %) contaminated with oxygen at two different levels, 200 ppm and 1000 ppm by weight. Knowing that oxygen has a great influence on the crystallization process of this class of materials, in the literature so far known, a systematic study has not yet been carried out with the objective of defining ideal levels of addition of these rare earth elements. These additions seek to mitigate the deterioration of the glass forming ability (GFA) caused by the presence of oxygen. 2 mm thick samples were produced in an electric arc furnace and chilled in a water-cooled copper mold. First, samples were produced without the addition of rare earths elements. After verifying the oxygen levels, they were analyzed by differential scanning calorimetry (DSC). The objective was to determine the characteristic temperatures of transformations such as the glass transition temperature (Tg), the crystallization onset temperature (Tx onset) and the temperatures where crystallization peaks occur (Tp). New alloys were produced with the addition of three different levels of yttrium and erbium separately. They were analyzed and compared to each other through X-ray diffraction using a heating module coupled to the diffractometer. The samples were heated and when they reached the characteristic temperatures established by the DSC analysis, diffractograms were generated in order to analyze the behavior of the alloys in relation to crystallization and phase growth. The samples were also tested for Vickers microhardness and compared to the initial state. An important conclusion of this thesis is that in some cases the addition of a stoichiometric amount of a rare earth element, such as yttrium or erbium, to bind and consume all the oxygen present in the alloy, forming stable oxides, is not effective in terms of increasing of the GFA. Contrary to what was initially expected, in some situations this amount has a deleterious effect on the GFA, while lower or higher amounts of addition of these elements, in some cases, demonstrated a favorable behavior to increase the GFA.
 
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Data de Publicação
2023-05-30
 
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