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4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

4.1. CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL

4.2.1. Calibração

Os ensaios de TDS para o TiH2 apresentados a seguir (figura 4.5) mostram o

aumento gradual e coerente da área abaixo da curva de dessorção, com o aumento da quantidade de hidreto utilizada. Além disso, observa-se que não houve alterações significativas na posição do pico global, o que seria característico de dessorções oriundas de amostras em pó realizadas a uma mesma taxa de aquecimento, dado que nesta condição, os fenômenos de dissociação e dessorção ocorrem quase que instantaneamente, pois o hidrogênio não possui um caminho significativo para percorrer e deixar a amostra. Entretanto, conforme se eleva a quantidade de hidreto, o perfil da curva ganha um aspecto bimodal, o qual pode estar relacionado às condições de aglomeração da amostra. Isto somente evidencia o quão acurado é o ensaio de TDS.

Figura 4.5 – Espectros de TDS realizados a 10°C/min para diferentes quantidades de TiH2 na forma de pó. Observa-se o aumento da intensidade e da área abaixo da curva

conforme se eleva a quantidade de hidreto utilizada no ensaio.

Com métodos de integração computacional, obtiveram-se as áreas abaixo das referidas curvas, de modo a se chegar a um fator ou constante de calibração. A figura 4.6 apresenta a regressão linear utilizada para a determinação desse fator em 2,717.

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Figura 4.6 – Determinação do fator ou constante de calibração através de regressão linear das áreas oriundas dos espectros de TDS realizados a 10°C/min para o TiH2 na

forma de pó.

Chega-se a relação de 0,0147 mg de H/unidade de área, ou 0,0147 x 10-3 mol/unidade de área no espectro de TDS, para o equipamento presente no Laboratório de Propriedades Mecânicas do DEMM/UFRJ.

4.2.2. Ensaios de TDS para o aço 9Ni

4.2.2.1. Influência da espessura de amostra nos espectros de TDS

Os espectros de dessorção do hidrogênio obtidos de amostras com espessuras 0,30 e 0,72 mm podem ser observados na figura 4.9. Os gráficos mostram que a amostra com 0,72 mm de espessura apresenta um perfil de dessorção do hidrogênio que atinge maiores intensidades, em relação aquela com 0,30 mm de espessura, lembrando que os sinais de dessorção de ambas foram normalizados pelas suas próprias massas.

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Figura 4.9 – Espectro de TDS sob aquecimento de 10°C/min e condições prévias de hidrogenação iguais pertencentes a duas amostras do aço ASTM A553 (9Ni) com espessuras diferentes. Observa-se maior intensidade nas taxas de dessorção para a

amostra de 0,72 mm, frente a de de 0,30 mm.

As diferenças de intensidade nas taxas de dessorção podem ser justificadas pela cobertura de dessorção. Uma vez que se normalizam ambos os espectros, dividindo os sinais obtidos pela massa das respectivas amostras utilizadas, minimizam-se efeitos quantitativos, obviamente, porém os aspectos volumétricos e de área de superfície também devem ser observados. Analisando isoladamente o espectro da amostra de menor espessura (figura 4.10), percebe-se que a sobreposição de dois picos de dessorção foi mais pronunciada, quando comparada com o espectro da amostra de espessura maior (figura 4.11). Este fenômeno pode ocorrer para sítios aprisionadores da microestrura que possuem energias próximas para ativação da dessorção; na condição de amostra muito fina, não haverá o efeito significativo de retardo da difusão do hidrogênio até sair na superfície do material. 100 200 300 400 500 600 700 800 0.0 6.0x10-16 1.2x10-15 1.8x10-15 2.4x10-15 3.0x10-15 0,30 mm 0,72 mm T a xa d e D e ssor çã o d e H id ro g ê n io (mo l/ s) Temperatura (°C)

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Figura 4.10 – Evolução do hidrogênio dessorvido sob aquecimento de 10°C/min para uma amostra do aço ASTM A553 (9Ni) de 0,30 mm de espessura, hidrogenada em

solução de NaOH 0,1 M. Observa-se a formação de picos de dessorção a 653°C e 677°C; “A” corresponde a área abaixo da curva de dessorção em unidade arbitrária.

Coeficiente de determinação de 0,89.

Figura 4.11 – Evolução do hidrogênio dessorvido sob aquecimento de 10°C/min para uma amostra do aço ASTM A553 (9Ni)de 0,72 mm de espessura, hidrogenada em

solução de NaOH 0,1 M. Observa-se a formação de picos de dessorção a 645°C e 720°C; coeficiente de determinação de 0,99. 600 650 700 750 677°C A = 2,25.10-14 Dados Experimentais Deconvoluções Gaussianas R2 = 0,89 Evol u çã o d o H id ro g ê n io (u .a ) Temperatura (°C) 653°C A = 2,26.10-14 500 550 600 650 700 750 800 Dados Experimentais Deconvoluções Gaussianas R2 = 0,99 Evol u çã o d o H id ro g ê n io (u .a ) Temperatura (°C) 645°C A = 1,71.10-13 720°C A = 3,49.10-14

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Ainda, utilizando o fator de calibração chegam-se as quantidades de hidrogênio referentes a cada pico de dessorção, as quais podem ser observadas na tabela 4.1. Comparando a diferença de quantidade de hidrogênio entre o primeiro e segundo pico para a amostra de 0,30 mm, com a diferença de quantidade de hidrogênio entre o primeiro e segundo pico para a amostra de 0,72 mm, se observa que, para a amostra menos espessa, a contribuição do aprisionamento de hidrogênio foi muito semelhante (~3,30 x 10-19 mol), enquanto que, para a amostra cuja espessura é mais que o dobro, observa-se uma diferença de 1 ordem de grandeza entre a quantidade de hidrogênio referente ao primeiro e ao segundo pico.

Tabela 4.1 – Picos de dessorção do hidrogênio e suas respectivas quantidades do mesmo para as amostras contendo 0,30 e 0,72 mm de espessura.

Espessura (mm) Tm (°C) Quantidade de H (mol)

0,30 653 3,32 x 10 -19 677 3,30 x 10-19 0,72 645 2,51 x 10 -18 720 5,13 x 10-19

Os resultados são corroborados pela literatura [54,100] no que se refere ao aumento na intensidade dos sinais observados na dessorção do hidrogênio. No entanto, a princípio, não fica clara uma relação direta entre a espessura e o como ou quão se desloca um pico de dessorção (ver figura 2.12 - b). O hidrogênio aprisionado em um sítio de baixa energia, uma vez se atingindo a temperatura referente a esse sítio, é liberado, no entanto, este pode sofrer o fenômeno de reaprisionamento em outro sítio aprisionador de maior energia. Outro ponto aparentemente óbvio, porém de extrema importância diz respeito a difusividade do hidrogênio. Em materiais onde o mesmo tenha alto coeficiente de difusão como o Fe puro, a espessura de amostra não apresentaria grandes efeitos, já em materiais como o aço inox 316L ou algumas ligas de níquel, o efeito da espessura poderia alterar drasticamente os resultados [54]. A espessura de amostra também poderia afetar os resultados quanto à difusão, trazendo efeitos de direcionalidade. Finalmente, as discrepâncias das quantidades molares dessorvidas observadas entre os picos na amostra de menor espessura e entre os picos da aostra de maior espessura, mostram que esta garante uma distribuição de fases mais fidedigna que espessuras menores, levando em consideração que se trata de um material multifásico.

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Ainda, QUEIROZ [33] observou diferenças significativas em resultados de permeação do hidrogênio em um aço 9Ni, nos quais as amostras possuíam uma diferença de menos de 0,3 mm de espessura.

4.2.2.2. Influência da taxa de aquecimento nos espectros de TDS

A figura 4.12 mostra os resultados do ensaio de TDS para as taxas de 5, 10 e 15°C/min. Ambos os ensaios apresentam uma temperatura de início de dessorção muito semelhante, próximo a 550°C. Foram observados 2 picos de dessorção sobrepostos num intervalo de temperatura entre 600 e 800°C.

Observa-se que, com o aumento nas taxas de aquecimento do ensaio, ocorre o deslocamento dos picos de dessorção para temperaturas superiores, o que condiz com a literatura, tanto em condições experimentais (figura 2.23 - b), quanto em condições de modelagem numérica (figura 2.12 - a). Já no que diz respeito à intensidade, as variações entre o ensaio a 10 e 15°C/min não foram tão proeminentes, quando comparadas com as variações para aquele ensaio realizado a 5°C/min, de modo que o aumento na intensidade de dessorção do hidrogênio entre 5 e 10°C/min foi bastante pronunciado.

Figura 4.12 – Espectro de TDS de três amostras do aço ASTM A553 (9Ni) com espessuras aproximadas, carregadas sob os mesmos parâmetros de hidrogenação, ensaiadas a 5, 10 e 15°C/min. Observa-se o deslocamento dos espectros conforme o

aumento da taxa de aquecimento.

100 200 300 400 500 600 700 800 0.0 2.0x10-16 4.0x10-16 6.0x10-16 8.0x10-16 1.0x10-15 15°C/min 10°C/min 5°C/min T a xa d e D e ssor çã o d e H id ro g ê n io (mo l/ s) Temperatura (°C)

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Ao compararmos os picos sobrepostos dos ensaios realizados a 5 (figura 4.13), 10 (figura 4.11, ver seção 4.4) e 15°C/min (figura 4.14) não foi possível observar uma tendência a separação dos mesmos, para valores baixos de taxa de aquecimento. Pode-se afirmar, porém, que há um efeito sinérgico entre a influência da espessura de amostra e a taxa de aquecimento utilizada. Quanto maior a taxa de aquecimento aplicada, mais rápido os sítios aprisionadores serão acionados. Caso a difusão do hidrogênio em determinado material seja baixa, poderá ocorrer a sobreposição de picos de dessorção, ou seja, o hidrogênio associado a determinado sítio aprisionador poderá estar contribuindo na detecção do hidrogênio oriundo de outro sítio, com menor ou maior energia. Amostras de elevada espessura multiplicariam o fator de sobreposição. Sugere- se então que cada material, cada microestrutura, terá uma espessura de amostra limite, mais adequada para o ensaio de TDS, levando em consideração sua difusividade. Já no que se refere a taxas de aquecimento, variá-las é necessário para se obter os gráficos vs. , no entanto, quanto menores forem as taxas aplicadas, mais se evitará sobreposição de picos.

Figura 4.13 – Evolução do hidrogênio dessorvido sob aquecimento de 5°C/min para uma amostra do aço ASTM A553 (9Ni) de 0,74 mm de espessura, hidrogenada em

solução de NaOH 0,1 M. Observa-se a formação de picos de dessorção a 618°C e 662°C; coeficiente de determinação de 0,99. 500 550 600 650 700 750 800 Dados Experimentais Deconvoluções Gaussianas R2 = 0,99 Evol u çã o d o H id ro g ê n io (u .a ) Temperatura (°C) 662°C A = 3,21.10-14 618°C A = 2,86.10-14

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Figura 4.14 – Evolução do hidrogênio dessorvido sob aquecimento de 15°C/min para uma amostra do aço ASTM A553 (9Ni) de 0,76 mm de espessura, hidrogenada em

solução de NaOH 0,1 M. Observa-se a formação de picos de dessorção a 696°C e 764°C; coeficiente de determinação de 0,99.

Em geral, todos os resultados apresentaram o início da dessorção do hidrogênio próximo a 550°C. Em seguida, dois picos sobrepostos são observados, entre 600 e 750°C. Além desses, outro pico se apresenta, porém em temperaturas superiores àquela máxima de realização do ensaio.

A literatura reporta a presença de aprisionadores óxidos de Ni policritalino [86] para picos de dessorção a 700°. Ensaios de TDS realizados em aços austeníticos [87-90] apresentam temperaturas máximas de dessorção do hidrogênio inferiores as observadas para o aço ASTM A553 (9Ni), na faixa de 250-450°C. Já para aços martensíticos de alta resistência (MS980, MS1180, MS1300, MS1500, por exemplo), os perfis de dessorção apresentam temperaturas máximas ainda menores que os observados neste trabalho, na faixa de 100-200°C [91-94]. Embora haja discrepância no posicionamento de temperaturas máximas de dessorção para diferentes classes de aços, quando comparadas ao aço ASTM A553 (9Ni), deve-se levar em conta as possíveis influências de condições de ensaios de dessorção. Uma comparação mais assertiva é realizada ao se comparar as energias de ativação para a dessorção do hidrogênio.

No que se refere ao pico de dessorção para além da faixa de realização dos ensaios realizados, sugere-se que o crescimento contínuo da dessorção do hidrogênio nos aços

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9Ni, acima de 750°C, está ligado a possíveis transformações de fase na microestrutura. ZHAO et al. [95] estudaram o efeito da tempera intercrítica na formação de austenita retida para aços 9Ni. Os autores observaram que ocorre queda significativa na fração volumétrica de austenita retida para temperaturas entre 660 e 680°C. Ainda, ensaios de

DSC indicaram fenômenos de transição de fase na faixa de 720-730°C.

Além disso, deve-se considerar que taxas de aquecimento diferentes podem afetar a fração volumétrica das fases presentes na microestrutura. ZHANG et al. [96] observaram que variações nas taxas de aquecimento, abaixo de 600°C/min, promovem o aumento da fração volumétrica de austenita retida durante revenimento; já para taxas superiores, a estabilidade da austenita é afetada, com decréscimo de sua fração volumétrica.

Tais fenômenos podem afetar significativamente o processo de dessorção e consequentemente os resultados de TDS. Uma vez que o hidrogênio aprisionado alcance sua energia de ativação para a dessorção, o mesmo percorrerá caminhos específicos de difusão. Com a mudança concomitante da microestrutura, é possível que ocorra reaprisionamento e retardo, ou aceleração, nos mecanismos difusíveis. Ainda, antes mesmo de sua liberação, mudanças microestrurais podem causar tensões localizadas, as quais venham a influenciar na própria energia de ativação. Ou seja, a possibilidade de que se ocorram transformações de fase significativas na faixa de realização do ensaio causa uma perda da percepção dos sítios aprisionadores iniciais da microestrutura, os quais se desejava estudar.

Como o foco do trabalho é avaliar a técnica, de modo a respeitar os resultados obtidos na faixa de realização dos ensaios de dessorção, optou-se por desconsiderar o terceiro pico, no que diz respeito à determinação de sua temperatura máxima e ao cálculo das energias de dessorção referentes a esse sítio aprisionador.

Com base na análise dos resultados associados aos espectros de dessorção, são sugeridas temperaturas máximas que podem se referir ao mesmo sítio aprisionador de hidrogênio para o aço ASTM A553 (9Ni). É importante destacar que foram utilizados todos os resultados, inclusive aqueles nos quais as amostras possuíam espessuras diferentes. A tabela 4.2 apresenta os valores obtidos para as temperaturas de dessorção,

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correspondentes a dois picos, além das energias de dessorção associadas aos sítios aprisionadores, obtidas através do coeficiente angular de vs. (figura 4.7).

Tabela 4.2 – Energias associadas aos picos de dessorção. Temperatura (°C)

Φ (°C/min) Pico 1 Pico 2

5 618 662 6 621 690 10 645 677 10 653 720 15 696 764 Ep (kJ/mol) 74,7 81,1

Figura 4.7 – Gráfico vs. aplicado ao aço ASTM A553 (9Ni), apresentando dois diferentes picos de dessorção do hidrogênio.

Os valores obtidos para as energias de dessorção do hidrogênio de 74,7 e 81,1 kJ/mol permitem classificar os sítios aprisionadores pertencentes à microestrutura do aço ASTM A553 (9Ni) entre os de segunda classe, próximos a 50 kJ/mol, e os de terceira classe, próximos a 100, 120 kJ/mol.

Com base na análise microestrutural, são esperados aprisionadores de hidrogênio referentes às fases austenita revertida/retida, ferrita e cementida (martensita revenida), bem como suas interfaces. Também são esperados aprisionadores referentes a possíveis

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defeitos da rede cristalina. No entanto, na comparação com a tabela 2.3, observa-se que as energias mais próximas das obtidas sãoreferentes a interfaces de ferrita e perlita lamelar (84 kJ/mol) e ferrita e precipitados de MnS (72 kJ/mol).

Na comparação com resultados obtidos para outros aços, ambos os sítios aprisionadores possuem energias de dessorção próximas da faixa de aprisionadores irreversíveis encontrados em aços lean duplex, na formação da fase σ e o hidrogênio associado a ela (67-82 kJ/mol) [92, 98]. Quando comparados aos aprisionadores presentes em aços austeníticos, AISI 310 (53 kJ/mol), AISI 301LN (49 kJ/mol), AISI 201 (54 kJ/mol), AISI 201A Cr-Mn-Ni (49 kJ/mol), AISI 204Cu (55 kJ/mol), os aprisionadores observados para o aço ASTM A553 (9Ni) apresentam energias superiores necessárias à dessorção [89, 98]. No que se refere a aços martensíticos temperados e revenidos, o aço estudado também apresentou energias de dessorção superiores, porém, mais próximas do que aquelas observadas em aços austeníticos; encontra-se na literatura sítios aprisionadores referentes a 61, 66 e 67 kJ/mol [79, 91]. Além disso, também é documentada a presença de interfaces entre martensita-ε (hexagonal compacta e finamente dispersa) e martensita-α (tetragonal de corpo centrado)', com 62 kJ/mol de energia. Ainda, associasse a transformação de martensita-ε em martensita-α' ao estresse elástico causado pelo hidrogênio durante sua dessorção [99]. Por fim, a presença de austenita retida em aços TRIP apresentou energias próximas a 90 kJ/mol [9].

4.2.2.3. Influência das condições de hidrogenação nos espectros de TDS A figura 4.15 mostra os resultados do ensaio de TDS para duas soluções fontes de hidrogenação diferentes: NaCl 3,5 % e NaOH 0,1 M. Ambos os ensaios apresentam uma temperatura de início de dessorção coerente com os demais apresentados neste trabalho (550°C). A morfologia dos espectros permite observar dois picos de dessorção sobrepostos em ambos.

Percebe-se que a hidrogenação em solução de NaCl 3,5 % causou ruídos próximos a 500°C e uma leve dispersão a 700°C. Já com relação à intensidade, a solução de NaOH 0,1 M manteve-se abaixo em relação ao carregamento de NaCl, o que é totalmente coerente com o fato dessa solução ser menos alcalina que aquela, disponibilizando assim mais íons H+ no meio. As temperaturas dos picos de dessorção também foram observadas (figuras 4.16 e 4.17).

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Figura 4.15 – Espectro de TDS sob aquecimento de 6°C/min para duas amostra do aço ASTM A553 (9Ni) com espessuras semelhantes, hidrogenadas previamente em duas

soluções diferentes: NaCl 3,5 % em peso, e NaOH 0,1 M.

Figura 4.16 – Evolução do hidrogênio dessorvido sob aquecimento de 6°C/min para uma amostra do aço ASTM A553 (9Ni) de 0,90 mm de espessura, hidrogenada em

solução de NaCl 3,5 % em peso; coeficiente de determinação de 0,98.

100 200 300 400 500 600 700 800 0.0 4.0x10-16 8.0x10-16 1.2x10-15 1.6x10-15 NaCl 3,5 % NaOH 0,1 M T a xa d e D e ssor çã o d e H id ro g ê n io (mo l/ s) Temperatura (°C) 500 550 600 650 700 750 800 Dados Experimentais Deconvoluções Gaussianas R2 = 0,98 Evol u çã o d o H id ro g ê n io (u .a ) Temperatura (°C) 621°C A = 7,93.10-14 690°C A = 4,99.10-14

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Figura 4.17 – Evolução do hidrogênio dessorvido sob aquecimento de 6°C/min para uma amostra do aço ASTM A553 (9Ni) de 0,90 mm de espessura, hidrogenada em

solução de NaOH 0,1 M. Observa-se a formação de picos de dessorção a 660°C e 724°C; coeficiente de determinação de 0,89.

4.3. Comentários gerais

De modo a cobrir todos os pontos significativos na discussão a respeito da técnica de TDS aqui utilizada, é importante destacar alguns fatores em relação àqueles citados na seção 2.5.2.

O sistema de TDS utilizado neste trabalho possui um comprimento médio de tubulações de cerca de 10 m, com diâmetro de ⁄ de polegada, constituídas de um aço, com algumas curvas, e sem aplicação de aquecimento contínuo antes ou durante a realização de ensaios.

Como visto, a distância percorrida pelo hidrogênio após a dessorção deve ser minimizada ao máximo. Cabe ressaltar que atrasos na detecção do hidrogênio podem deslocar o espectro de dessorção para temperaturas superiores, o que afeta a confiabilidade desse tipo de análise térmica pura e simplesmente com um único ensaio de TDS, ou com a associação direta de picos de dessorção a sítios aprisionadores da microestrutura. O mesmo não ocorre na análise da cinética de dessorção, através do coeficiente angular das curvas vs. . Uma vez que vários ensaios são realizados,

500 550 600 650 700 750 800 Dados Experimentais Deconvoluções Gaussianas R2 = 0,89 Evol u çã o d o H id ro g ê n io (u .a ) Temperatura (°C) 724°C A = 3,49.10-14 660°C A = 1,71.10-13

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são promovidos os mesmos erros causados pela arquitetura do equipamento, ou seja, os mesmos deslocamentos em diferentes espectros de TDS, o que não afeta a obtenção das energias de ativação para a dessorção.

Ainda sobre a arquitetura do equipamento, não se sabe se a ausência de aquecimento ininterrupto, mesmo com etapas de purga, afetou os resultados obtidos. Também não foram abordados neste trabalho os efeitos das possíveis formações de óxidos após a etapa de hidrogenação eletrolítica que antecede os ensaios de TDS, ou mesmo o efeito do tempo entre as etapas na dessorção de hidrogênio difusível.

68 5. Conclusões

Sobre o aprisionamento do hidrogênio nos aços ASTM A553 (9Ni), os resultados permitem concluir que:

 As energias de dessorção observadas classificam os aprisionadores como intermediários/fortes. Sugere-se que estes sejam interfaces entre a fase ferrita e cementita (74,7 kJ/mol), e contornos de grãos de austenita revertida/retida (81,1 kJ/mol).

A respeito da técnica de TDS, os resultados apresentados permitem concluir que:

A espessura de amostra influencia nos espectros de TDS. Sugere-se que isso ocorra devido à representatividade da microestrutura e aos fenômenos de difusão e reaprisionamento do hidrogênio;

A taxa de aquecimento aplicada nos ensaios de TDS desloca picos de dessorção para temperaturas superiores, bem como aumenta a taxa de dessorção (intensidade do sinal);

 O meio de hidrogenação utilizado impacta em maior ou menor grau de ocupação dos sítios aprisionadores de hidrogênio da microestrutura.

Com base nas conclusões acima, recomenda-se, para garantir a confiabilidade e reprodutibilidade dos resultados de TDS, a padronização de espessuras de amostras de metais multifásicos e dos meios de hidrogenação aplicados, optando por aqueles com maior potencial hidrogeniônico. Além disso, recomenda-se a realização de variados ensaios, em taxas diferentes de aquecimento, inferiores a 15°C/min, que permitam o melhor entendimento da morfologia e distribuição de picos de dessorção do hidrogênio.

69 6. Referências

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