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https://hdl.handle.net/1822/1212
2024-03-29T07:21:05ZEffects of substituting ytterbium for scandium on the microstructure and properties of Al-Sc and Al-Mg-Sc alloys
https://hdl.handle.net/1822/35767
Título: Effects of substituting ytterbium for scandium on the microstructure and properties of Al-Sc and Al-Mg-Sc alloys
Autor: Tuan, N. Q.
Resumo: Al(Sc) alloys represent a new class of potential alloys for high performance structural applications.
The excellent properties obtained from the combination of solid-solution hardening and precipitation
hardening in Al–Mg–Sc alloys make these alloys very attractive to automotive, aerospace, and
structural applications. However, the Sc high cost limits the applications and the addition of
cheaper alloying elements that substitutes partially Sc are not only desirable but crucial.
In order to reduce the cost of Sc–containing Al alloys and maintain their mechanical properties, the
microstructure and mechanical properties of Al–Sc–Yb and Al–Mg–Sc–Yb alloys in comparison
with Al–Sc and Al–Mg–Sc alloys were studied.
The results showed the similarity of microstructure, hardness and aging behaviour of
Al–0.24Sc–0.07Yb alloy in comparison with Al–0.28Sc alloy and Al–4 wt% Mg–0.3 wt% Sc alloy
with Al–4 wt% Mg–0.24 wt% Sc–0.06 wt% Yb alloy. The approximately spheroidal Al3Sc and
Al3(Sc,Yb) precipitates were uniformly distributed throughout the α–Al matrix. The precipitates
remain fully coherent with α–Al matrix even after aging at high temperature for long time.
In another aspect, the grain refinement in Al–Mg–Sc alloys with and without ultrasonic treatment
at various pouring temperatures was investigated. The average grain size of Al–Mg–Sc alloy
remarkably decreases by increasing the content of Mg or by adding 0.3 wt% of Sc. The pouring
temperature has a strong effect on the microstructure of Al–1Mg–0.3Sc alloy. Lower pouring
temperature leads to smaller grain size and more homogeneous microstructure. Ultrasonic
vibration proved to be a potential grain refinement technique of Al–1Mg–0.3Sc. Significant grain
refinement was obtained by applying ultrasonic treatment within the temperature range from 700
to 740 °C.
The corrosion behaviour of Al–Sc, Al–Sc–Yb, Al–Mg, Al–Mg–Sc and Al–Mg–Sc–Yb alloys in
3.5 wt% NaCl solution was investigated by immersion and potentiodynamic polarisation analysis in
order to understand the effect of Sc, Yb, and heat treatment on the localized corrosion and
electrochemical behaviour. The addition of Yb decreases the corrosion tendency and improves the
pitting corrosion resistance of Al–Sc alloy.. The addition of Sc and Yb to Al–4Mg alloy decrease the
susceptibility to corrosion of the heat treated alloys.; As ligas de alumínio com adição de escândio apresentam um elevado potencial para aplicações
estruturais de elevados desempenho. O efeito combinado do endurecimento por solução sólida e
por precipitação, resultante da adição de Sc às ligas Al-Mg alarga o campo da aplicação destas
ligas, nomeadamente à indústria dos transportes. No entanto o elevado custo do escândio tem
limitado a aplicação destas ligas, pelo que a substituição parcial Sc por outros elementos de liga de
menor custo é crucial para o desenvolvimento destes materiais.
Tendo em vista a redução do custo das ligas com Sc, mas mantendo o mesmo nível de
propriedades, o presente trabalho incidiu no estudo do efeito da substituição parcial do Sc pelo Yb
em ligas Al-Sc e Al-Mg-Sc.
Os resultados mostram que a substituição parcial de Sc por Yb não induz alterações significativas
no comportamento das ligas. Comparando as ligas Al–0.28Sc e Al–0.24Sc–0.07Yb com as ligas
Al–4Mg–0.3Sc e Al–4Mg–0.24Sc–0.06Yb, respetivamente, verifica-se uma grande semelhança
tanto a nível de microestrutura como de dureza e cinética de envelhecimento. O endurecimento
resulta formação de precipitados Al3Sc e Al3(Sc,Yb) coerentes, fina e uniformemente dispersos na
matriz α–Al.
Neste trabalho foi ainda estudado o efeito do tratamento por ultra-sons na estrutura de vazamento.
Os resultados mostram que os ultra-sons originam uma afinação significativa do grão. Verificou-se
também que com o teor em Mg, a adição de Sc e a diminuição da temperatura de vazamento têm
um efeito significativo na estrutura de vazamento.
O comportamento à corrosão das ligas Al–Sc, Al–Sc–Yb, Al–Mg, Al–Mg–Sc and Al–Mg–Sc–Yb
numa solução de NaCl (3.5% wt.) foi estudado através de ensaios de imersão e de polarização
potenciodinâmica, tendo sido avaliado o efeito da adição de Sc e Yb bem como do tratamento
térmico no comportamento eletroquímico e corrosão localizada. A adição de Yb às ligas de Al-Sc
diminui a tendência para a corrosão e melhora a resistência à corrosão por picada.. A adição de Sc
e Yb à liga Al-4Mg envelhecida diminui a suscetibilidade à corrosão nas ligas
Al-4Mg-0.3Sc e Al-4Mg-0.24Sc-0.006Yb.
Descrição: Programa Doutoral em Engenharia Materiais.
<b>Tipo</b>: doctoralThesis2015-06-26T11:25:59ZBiotribocorrosion behavior of titanium in simulated oral environments
https://hdl.handle.net/1822/10439
Título: Biotribocorrosion behavior of titanium in simulated oral environments
Autor: Souza, J. C. M.
Resumo: The oral cavity is a complex environment where corrosive substances
from dietary, human saliva and oral biofilms may accumulate in retentive areas
of dental implant systems and prostheses promoting corrosion at their surfaces.
Additionally, during mastication, micro-movements may occur in artificial
joints causing a relative motion between contacting surfaces, leading to wear.
Both processes (wear and corrosion) result in a biotribocorrosion system.
Previous studies have reported the corrosion of titanium in fluoride solutions.
Nevertheless, the biotribocorrosion of titanium in fluoride solutions and in the
presence of biofilms has not yet been reported to the authors’ best knowledge.
Thus, the novelty of this work is to investigate the in-vitro corrosion and wear
behavior of titanium in fluorinated artificial saliva solutions, and in presence of
biofilms.
In order to evaluate the corrosion behavior of titanium, electrochemical
tests were performed on commercially pure (CP) titanium and Ti6Al4V in
artificial saliva solutions without and containing different fluoride
concentrations. After, electrochemical tests were carried out on CP titanium
covered with biofilms composed of Streptococcus mutans and Candida
albicans, and immersed in artificial saliva free of fluorides. In corrosion
measurements, the following techniques were used: open-circuit potential
(OCP), impedance spectroscopy (EIS) measurements and potentiodynamic
polarization. Subsequently, sliding wear was assessed in the same media using a
tribometer equipped with test viewer software . Also, OCP and EIS tests were
carried out during the wear sliding tests. After corrosion-wear tests, worn and
unworn surfaces were analyzed by atomic force (AFM) and scanning electron
(SEM) microscopy.
Localized corrosion of titanium was only observed at high fluoride
concentration (12,300 ppm F-) although a decrease of the corrosion resistance of titanium was noticed when the fluoride concentration increased. As a
consequence, metallic ions were released from the materials and, it should be
highlighted, that these ions can become toxic for human tissues depending on
their concentration. Under wear sliding tests, a progressive degradation of
titanium by wear and corrosion (tribocorrosion) mechanisms can take place
being harmful for titanium-based implant and prostheses. Also, the formation of
wear debris due to the tribocorrosion phenomena can become toxic for human
tissues.
The presence of biofilms affected negatively the corrosion resistance of
titanium probably due to acids release from the microorganisms. Moreover, the
corrosion resistance of titanium was further affected in the presence of S.
mutans biofilms as well as of mixed biofilms composed of C. albicans and S.
mutans. Under wear sliding tests, biofilms generated an ultra-low friction on
titanium immersed in artificial saliva solution, which can be compared to the
effect of commercial lubricant agents. In dental implant systems, ultra-low
friction on sliding contact areas might therefore cause a loss of the mechanical
integrity ending up in a loosening of the implant internal connections.
Concerning the biofilm structure, the extracellular matrix reveals interesting
properties to produce novel materials for several applications ranging from
tissue engineering to mechanical engineering. On the other hand, the
improvement of the design of joint-based systems in different industrial sectors
might be stimulated from this study, reducing the risks of failures caused by
friction.; A cavidade oral é um complexo onde substâncias corrosivas oriundas da
dieta, saliva humana e biofilmes orais podem ser acumulados em áreas
retentivas de sistemas de implantes e próteses promovendo a corrosão de suas
superfícies. Por outro lado, durante o processo mastigatório, micro-movementos
podem ocorrer em juntas artificiais causando um movimento relativo entre
superfícies em contato. Ambos os processos (desgaste e corrosão) resultam em
um fenômeno conhecido como biotribocorrosão. Estudos prévios têm reportado
a corrosão do titânio em soluções fluoretadas. Entretanto, a biotribocorrosão do
titânio em tais soluções, e em presença de biofilmes não têm sido ainda
investigados. O objetivo deste trabalho é investigar a corrosão e desgaste invitro
em soluções de saliva artificial fluoretadas, e em presença de biofilmes.
Testes electroquímicos de superfícies de titânio foram realizados em
soluções de saliva artificial contendo diferentes concentrações de fluor para
avaliar o comportamento de corrosão do titânio. Após esta etapa, testes
electroquímicos foram realizados em saliva artificial com superfícies de titânio
cobertas com biofilmes. Para os testes de corrosão, os seguintes testes foram
realizados: potencial em circuito aberto (OCP), espectroscopia de impedância
eletroquimica (EIS) e polarização potenciodinâmica. Posteriormente, testes de
desgaste foram realizados nas mesmas soluções usando um tribômetro
conectado a um computador. OCP e EIS foram emplementados para os ensaios
de desgaste. Após os testes de corrosão-desgaste, superfícies danificadas e não
danificadas foram analizadas por microscopia de foça atômica (AFM) e de
varrimento (SEM).
Corrosão localizada foi somente detectada em alta concentração de fluor
(12,300 ppm F-). Embora, a diminuição da resistência à corrosão do titânio foi
observado com o aumento da concentração de fluor. Consequentemente, íons
metálicos foram liberados das superfícies dos materiais o que pode ser tóxico para os tecidos humanos, dependendo da concentração de íons. Sob testes de
desgaste, uma progressiva degradação do titânio por mecanismos de desgaste e
corrosão foi constatada o que pode ser prejudicial para próteses e implantes de
titânio. Ainda, a formação de particulas de desgaste devido ao fenômeno de
tribcorrosão pode se tornar tóxico para os tecidos humanos.
A presença de biofilmes afetou negativamente a resistência à corrosão do
titânio provavelmente devido a substâncias ácidas liberadas a partir do
metabolismo microbiano. Mais ainda, a resistência à corrosão foi menor na
presença dos biofilmes mistos compostos de S. mutans e C. albicans do que na
presença de biofilmes compostos apenas de S. mutans. Sob testes de desgaste,
biofilmes promoveram uma ultra-baixa fricção sobre titânio imerso em solução
de saliva artificial comparável àquela promovida por agentes lubrificantes. Em
sistemas de implantes dentários, ultra-baixa fricção sobre áreas em contacto
poderiam causar uma perda da integridade mecânica, no que levaria a falhas em
conexões internas dos implantes. Considerando a estrutura dos biofilmes, a
matriz extracelular revela interessantes propriedades para produção de materiais
para diversas aplicações em engenharia de tecidos animais ou/e em engenharia
mecânica. Por outro lado, a optimização do desenho de sistemas de juntas em
diferentes setores industriais poderia ainda ser estimulado a partir deste estudo,
reduzindo os riscos de falhas causados por fricção e desgaste.
Descrição: Tese de Doutoramento em Engenharia Biomédica
<b>Tipo</b>: doctoralThesis2010-03-01T14:26:37Z