Química de superfície e atrito em nanoescala do aço-carbono AISI 1045 nitretado e pós-oxidado a plasma - Freislebem, Márcia (My University, 2014)
This work presents a quantitative chemical interpretation of friction for the most external layers of AISI 1045 steel previously nitrided and post-oxidized during 0, 1, 5, 10, 20 and 30 min. The characterization of morphology, microstructure, thickness and qualitative chemical composition of nitrided and post-oxidized layers was performed by scanning electronic microscopy (SEM) and glow discharge optical emission spectroscopy (GD-OES) analysis. The superficial crystalline structure was identified by grazing incident X-ray diffraction. The nitrided layer presented g’-Fe4N and e-Fe2-3N phases, while the postoxidized layer presented µ-Fe2O3 and Fe3O4 phases or just Fe3O4 phase (1 min postoxidized sample). The nanohardness was determined by low depth indentations (until 200 nm). The reduced elastic modulus, the surface roughness and the coefficient of friction (CoF) were determined by unidirectional sliding tests, using a MicroMaterials Nanotest- 600 nanoindenter. The deformation regime was identified through the plasticity index (Y). Nitrided only and 1 min post-oxidized samples showed constant results, considering the experimental error and the analyzed depth range (from 100 to 200 nm), for hardness, reduced elastic modulus, surface roughness and plasticity index, but different CoF. Therefore, the evolution of CoF as a function of the surface chemistry can be assessed without any influence from the change of the most important mechanical properties that determine the CoF. These experimental results can be explained using a phononic model relying on the characteristic vibrational frequency of the most external layers of the material. The model shows a reasonable agreement with the experimental results, with a difference of 3% between theoretical and practical results.
Este trabalho apresenta uma interpretação química quantitativa do atrito nas camadas mais externas do aço AISI 1045 nitretado e pós-oxidado com diferentes tempos de oxidação (0, 1, 5, 10, 20 e 30 min). A caracterização da morfologia, microestrutura, espessura e composição química qualitativa das camadas nitretadas e pós-oxidadas foi realizada por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de emissão óptica por descarga luminescente (GD-OES). A estrutura cristalina presente nas camadas mais superficiais das amostras foi identificada por difração de raios X (DRX), empregando ângulo rasante. Na camada nitretada, as amostras apresentam as fases de nitretos g’-Fe4N e e-Fe2-3N, enquanto que na camada oxidada há uma combinação das fases µ-Fe2O3 e Fe3O4 ou somente a fase Fe3O4 (amostra pós-oxidada por 1 min). A nanodureza foi obtida através de indentações de baixa penetração (até 200 nm). O módulo de elasticidade reduzido, a rugosidade superficial e o coeficiente de atrito (CoF) foram obtidos por ensaios de deslizamento unidirecional, utilizando o equipamento nanoindentador Nanotest-600 da MicroMaterials. O regime de deformação provocado por esses ensaios foi identificado através do cálculo do índice de plasticidade (Y). As amostras apenas nitretada e a pósoxidada durante 1 min apresentaram resultados constantes, dentro do erro experimental e da faixa de profundidade analisada (entre 100 e 200 nm), das propriedades tais como dureza, módulo elástico reduzido, rugosidade e índice de plasticidade, porém com coeficientes de atrito (CoF) diferentes. Desta forma, a evolução do CoF em função da química da superfície pode ser avaliada sem a influência de mudanças nas propriedades mecânicas mais importantes, que determinam o CoF. Esses resultados experimentais podem ser explicados usando um modelo baseado na origem fonônica do atrito, que depende da frequência vibracional característica das camadas mais externas do material. O modelo apresenta boa concordância com os resultados experimentais, com uma diferença de 3% entre teoria e prática.
Keywords: Quimica de superfícies; Nitruração; Materiais - Testes; Post-oxidizing; Nanotribology