Contribuição ao estudo da microestrutura, comportamento mecanico e estrutura de defeitos cristalinos do composto intermetalico Nb2Al

Orientador: Rubens Caram JuniorTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecanicaResumo: Os compostos intermetálicos podem exibir combinação interessante de características, o que os toma uma alternativa na obtenção de materiais estruturais para operação em altas temperaturas. Dentre tais compostos destaca-se o Nb2Al, também denominado de fase a. Tal composto exibe comportamento mecânico peculiar, envolvendo alta fragilidade à temperatura ambiente e resistência mecânica muito elevada em altas temperaturas. O presente trabalho objetivou estudar a microestrutura, o comportamento mecânico e a estrutura de defeitos cristalinos do Nb2Al. Inicialmente, ligas Nb-Al foram preparadas através de fusão a arco. Às ligas obtidas foram adicionados os elementos Ni, Si, Ti, Mo, V e Zr em quantidades variáveis. A análise microestrutural procurou estabelecer o efeito dessas adições na modificação da estrutura cristalina do Nb2Al, na formação de precipitados e no comportamento mecânico, quantificado através de ensaios de dureza, e tenacidade à fratura. Em seguida foi investigado o efeito da variação dos teores de Nb e Al na estrutura desse composto, avaliados através de ensaios de difração de raios X e microscopia eletrônica de varredura. Nessa etapa também procurou-se estabelecer o efeito da taxa de solidificação sobre a microestrutura. O comportamento mecânico do composto Nb2Al foi estudado através de medidas de dureza em altas temperaturas. A estrutura de defeitos cristalinos foi estudada por microscopia eletrônica de transmissão. Os resultados obtidos indicam que a adição de outros elementos ao Nb2Al não modificou sua estrutura cristalina ou seu comportamento mecânico, formando apenas precipitados, indicando alta estabilidade de seu arranjo atômico. O aumento da quantidade de alumínio nesse composto acarretou na modificação de seus parâmetros de rede. Constatou-se que o composto Nb2Al não apresenta transição frágil/dúctil entre a temperatura ambiente e 800 °C. Finalmente, a análise de sua estrutura cristalina revelou a presença de falhas de empilhamento e a ausência de discordâncias ou de sinais de sua movimentação, o que explicaria sua alta fragilidadeAbstract: The intermetallic compounds usually exhibit interesting features, which make them candidate materials to be used for the manufacturing of mechanical components to operate at high temperatures. An intermetallic compound which attracts attention for research is Nb2Al, also known as the (J phase. Such a compound presents a very particular mechanical behaviour, showing low fracture toughness at room temperature and remarkable strength at high temperatures. The purpose of this work was to study the microstructure, the mechanical behaviour and the crystalline defects structure of Nb2Al. Firstly, samples of Nb-Al alloys were arc melted. Afterwards Nb-Al alloys were alloyed with the following elements: Ni, Si, Ti, Mo, V and Zr, each one at several levels. The effects of these additions on the crystalline structure of Nb2Al, on the precipitation of other phases and on the mechanical properties were investigated. Mechanical properties were evaluated by means of hardness and fracture toughness tests. The influence of the variation of niobium and aluminium contents on the microstructure of this compound was evaluated utilizing X-ray diffraction and scanning electron microscopy. It was also investigated the effect of the heat extraction rate on the microstructure of the alloys. Vickers indentations were used to study the mechanical behaviour of the Nb2Al compound at high temperatures and a transmission electron microscopy study of the crystalline defects was also done. The results show that the alloying elements do not cause any change neither to the crystalline structure, nor to the mechanical behaviour of the Nb2Al. The only effect of the alloying elements was to form precipitates, which shows the remarkable stability of the structure. The increase of the aluminium content causes changes in the lattice parameters. It was verified that the Nb2Al compound does not show a brittle to ductile transition between room temperature and 800°C. Finally, the crystalline structure presents considerable amount of stacking faults as well as it was not found any sign of dislocations and dislocations motion, which explains the highly brittle behaviour of the materialDoutoradoMateriais e Processos de FabricaçãoDoutor em Engenharia Mecânic