Universidade Federal Fluminense
PUVR-EEIMVR – Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica NMM - Núcleo de Modelamento Microestrutural
Prof. Dr. Paulo Rangel Rios
PQ - Processo número 500944/2007-5 Relatório do período 2007-2010
Modelamento Microestrutural
Coordenador: Paulo Rangel Rios, Ph. D.
Professor Titular, Pesquisador nível 1A do CNPq, Cientista do Nosso Estado da FAPERJ, Prêmio Humboldt( Humboldt-Forschungspreis ) da Fundação Alexander von Humboldt
Histórico
Em 2003, com apoio da FAPERJ e posteriormente do CNPq, iniciou-se o Núcleo de Modelamento Microestrutural(NMM) com objetivo específico de modelar a evolução microestrutural com ênfase em técnicas computacionais. Acredita-se que no Brasil não haja outro grupo na área de Metalurgia e Materiais que esteja fazendo um esforço coordenado e sistemático em Modelamento Microestrutural. Uma descrição do NMM está no início deste relatório.
Em particular, o reconhecimento internacional da excelência do trabalho realizado pelo NMM veio na forma do Prêmio Humboldt concedido ao coordenador do NMM. pela Fundação Alexander von Humboldt da Alemanha(www.humboldt-foundation.de). O Prêmio é concedido em reconhecimento aos resultados obtidos pelo pesquisador ao longo de toda a carreira até o momento. A concessão é baseada estritamente no mérito acadêmico aferido através de descobertas fundamentais, novas teorias ou "insights" que tenham tido impacto significativo na área de atuação do pesquisador.
De 2003 a 2010 houve considerável amadurecimento do NMM com o desenvolvimento de códigos computacionais para simulação do crescimento de grão e de transformações de fase/recristalização. O desenvolvimento de técnicas computacionais tem sido acompanhada de modelamento microestrutural utilizando métodos analíticos bem como da implementação de técnicas experimentais de caracterização microestrutural 3-d.
É importante salientar que duas outras fontes aportaram recursos significativos ao NMM e a este projeto específico: Universal 2007/2009 do CNPq e Cientistas do Nosso Estado 2007/2008 e 2009/2011 da FAPERJ.
Um componente importante do NMM tem sido a atuação dos alunos de Iniciação Científica que é descrita de forma sucinta neste relatório. As atividades de pesquisa do NMM em Modelamento Microestrutural já foram descritas em relatórios recentemente enviados e aprovados pelo CNPq referentes aos processos: PQ - Processo número 306690/2006-3 e Universal - Processo 472756/2007-9. Acredito que o NMM tenha proporcionado um excelente ambiente para que os alunos de IC aprendessem fazendo o que é Ciência. Note que, no último ano do Projeto não tive alunos IC pois estava na Alemanha durante este ano (agosto de 2009 a Julho de 2010) por conta do Prêmio Humboldt.
Parte I - Núcleo de Modelamento Microestrutural/NMM
Equipe
Paulo Rangel Rios, Coordenador, Ph. D, Professor Titular
Gláucio Soares da Fonseca, D. C., Professor Adjunto, apoio na parte experimental Adriano Martins, D. C., Professor Adjunto, Dinâmica Molecular
Flávio Ferreira, D. C., Professor Adjunto, Termodinâmica Computacional José Roberto Costa Guimarães, Ph. D., Martensita
Augusto César Lacerda, aluno de Doutorado, sem bolsa
Márcia Regina Baldissera Rodrigues, Pós- Doutorado, FAPERJ/CAPES, até Abril de 2010 Weslley Luiz da Silva Assis, aluno de Doutorado, CAPES
Tatiana Caneda Salazar, aluna de Doutorado, CNPq Simone Carreiro de Oliveira, aluna de Doutorado, CNPq Susana Carreiro de Oliveira, aluna de Doutorado, CAPES Celso Luiz Moraes Alves, aluno de Mestrado
Objetivos
1) Modelar computacionalmente a evolução da microestrutura resultante das diversas transformações no estado condensado.
2)Modelar analiticamente a microestrutura e sua evolução no tempo.
3) Desenvolver trabalhos experimentais visando principalmente obter dados quantitativos que suplementem os dados existentes na literatura com vistas a comparar com o modelamento analítico/computacional. Metalografia quantitativa e reconstrução 3-d são enfatizados nestes trabalhos.
4)Interagir com outros grupos de pesquisa ou indivíduos cuja área de atuação seja tanto experimental/aplicada quanto computacional/analítica.
Cooperação
Prof. Angelo F. Padilha, USP., São Paulo Prof. Ivani Bott, PUC-RIO, Rio d e Janeiro.
Drs. Dorte Juul-Jensen e R. Vandermeer, RISØ, Dinamarca. Prof. Hugo Sandim, EEL-USP, Lorena.
Prof. Rogério Hein, Unesp, Guaratinguetá.
Prof. Martin Glicksman, Universidade da Flórida, USA. Prof. Dagoberto Santos Brandão, UFMG.
Dra. Elena de Villa, Universidade de Milão, Itália.
Prof. Günter Gottstein, Institut für Metallkunde und MetallPhysik, RWTH-Aachen, Alemanha.
Projetos do NMM
1)Modelamento da Recristalização pelo Método do Autômato Celular. 2)Modelamento do Crescimento de Grão pelo método de Monte Carlo.
3)Dinâmica Molecular – um código computacional foi desenvolvido pelo Prof. Adriano Martins, resultados preliminares já foram obtidos e um trabalho internacional foi aceito.
4)Transformações de fase/Recristalização e Crescimento de Grão – Realiza-se estudos experimentais e analíticos sobre este tema.
5)Caracterização da Microestrutura 3-d – trabalho experimental e computacional está em andamento visando desenvolver técnicas de caracterização microestrutural em 3-d.
6) Transformações martensíticas – modelamento analítico está em andamento, com sete publicações internacionais em co-autoria com o Dr. José Roberto C. Guimarães.
7)Metalurgia Física dos Aços e dos Materiais Metálicos – este projeto é a “interface” para cooperação com Indústrias e outras Instituições. Nossa participação é geralmente em aspectos quantitativos.
Infraestrutura
O NMM dispõe de boa infra-estrutura: onze microcomputadores ligados em rede com destaque para quatro estações de trabalho dual Xeon "quadcore" uma com 24 GB de memória e outras três com 16 GB de memória. O “hardware” e os “softwares” têm sido mantidos atualizados graças ao apoio contínuo recebido. A infra-estrutura computacional sofre de rápida obsolescência e sua renovação constante é fundamental. Esta renovação constante, por seu lado, permite que se aumente a complexidade dos programas desenvolvidos no NMM.
Financiamento
O NMM tem contado com o apoio financeiro de:
1-Modelamento da Recristalização pelo Método do Autômato Celular, FAPERJ, Cientistas do Nosso Estado, 2003/2011.
2-Modelamento Microestrutural — Modelamento da Recristalização pelo Método do Autômato Celular, Bolsa de Pesquisa 1A + Taxa de Bancada, CNPq: 2004/2014.
3- Universal CNPq 2005/2006(R$50000,00) e 2008/2009(R$40000,00)
4- Pensa Rio(parte de R$340000,00 que coube ao NMM) coordenado por Paulo Rangel Rios com a participação de outros grupos de pesquisa da Pós-graduação.
5-Bolsas CAPES(mestrado e doutorado), CNPq(IC, Doutorado) e FAPERJ(IC, Pós-doutorado em convênio com a CAPES)
Produção Científica
No período 2003/2010 – destacam-se sessenta publicações em periódicos internacionais, treze teses de mestrado e duas de doutorado concluídas, vide currículo do Prof. Paulo Rios.
Avanços em infraestrutura
A melhoria da infra-estrutura computacional foi essencial para a evolução de simulações 2D para simulações 3D. Com a estação dual Xeon quadcore com 24GB de memória , adquirida em 2008, e os novos compiladores FORTRAN é possível atingir matrizes de 1000x1000x1000 mantendo ainda tempos de processamento adequados. Aliás houve avanço considerável graças à evolução dos processadores e queda de preço nas memórias. Com isto pode-se manter um desenvolvimento razoável sem os pesados investimentos que seriam necessários caso se quisesse partir para estações de nível acima disto(Itanium, por exemplo). Aliás, esta tem sido a filosofia do NMM, procurar trabalhar dentro dos recursos possíveis e ir desenvolvendo os programas na medida da capacidade.
Avanços nas cooperações
A complexidade da pesquisa moderna impossibilita que um grupo ou pesquisador fique isolado. Portanto, a interação de todo o tipo é de grande importância : participação em congressos nacionais e internacionais, divulgação do trabalho realizado através de publicação em revistas de primeira linha e cooperações com pesquisadores de primeira linha no Brasil e no exterior. Tudo isto tem contribuído para enriquecer a visão e aumentar a capacidade de inovação do NMM. As principais cooperações são:
A cooperação com o Prof. Martin Glicksman na área de crescimento de grão tem gerado trabalhos analíticos que provavelmente estão entre os melhores trabalhos produzidos pelo coordenador no assunto.
Também muito importante foi a cooperação com a Dr. Dorte Juul-Jensen e Dr. Roy Vandermeer, dois expoentes da área de recristalização, deram muitas idéias sobre os caminhos da simulação da recristalização.
O Prof. Hugo Sandim da USP de Lorena e Prof. Rogério Hein da UNESP de Guaratinguetá tem apoiaram de forma decisiva a tese de doutorado de Márcia Baldissera em reconstrução 3-d que foi defendida com sucesso em 2009.
De um ponto de vista mais aplicado a cooperação com a Prof. Ivani Bott da PUC-Rio visa utilizar os conhecimentos básicos de microestrutura e transformações de fase acumulados no núcleo à situação práticas., tais como: s aços de alta resistência para a indústria do petróleo e aços de grãos ultrafino tema do FVA , coordenado pela Prof. Ivani,do qual o NMM participou.
Destaca-se ainda uma cooperação com o Prof. Padilha da USP, que já tem dez anos, e produziu diversos trabalhos na área de recristalização e precipitação na austenita. Esta cooperação resultou em um livro Transformações de Fase”(Editora Artliber, 2007).
Recentemente(2008) começou-se um contato com a Dra. Elena Villa, matemática da Universidade de Milão, visando o avanço das soluções analíticas de cinética formal. Finalmente, por conta do Prêmio Humboldt, o coordenador está passando um ano no
Institut für Metallkunde und Metallphysik na RWTH Aachen University.
Resumo da produção 2003-2010 de Paulo Rangel Rios
Ano
03 04 05
06
07
08
09
10
Total
Trabalhos internacionais 4 8 6 9 15 7 7 4 60 Mestrado (concluídas) 1 2 4 2 1 1 2 1* 13 Doutorado (concluídas) - - - - 1 - 1 5* 2 Iniciação científica** 2 2 2 2 4 2 2 - - Livros - - - - 1 - - - 1 Capítulos 1 - 1 - 2 - - - 4* Em andamento; **Iniciação científica se refere ao número de bolsas IC vigentes no ano.
Prêmio Humboldt - Humboldt Research Award- concedido pela Fundação Alexander von Humbolt - www.humboldt-foundation.de com base exclusivamente no mérito científico da contribuição de Paulo Rangel Rios à área de Engenharia Metalúrgica e de Materiais
Parte II – Atividades dos alunos de IC
Este projeto foi um tanto fora do usual, pois, houve pouca troca de alunos. Quatro alunos cobriram cerca de dois anos do projeto. Também, como já indiquei na avaliação individual, o nível dos alunos foi muito bom.
No projeto três possíveis áreas de atuação foram definidas para a atuação dos alunos IC:
Modelamento da Recristalização pelo Método do Autômato Celular: Thaís Dias do Nascimento e Douglas Jardim
Modelamento do Crescimento de Grão pelo Método de Monte Carlo: Celso Luiz Moraes Alves e Ana Carolina Abrantes de Souza.
Descrição Atomística da Evolução Temporal de Sistemas via Dinâmica Molecular : nenhum aluno.
Infelizmente não foi possível alocar ninguém na área 3, pois, o Professor Adriano Martins que ajudaria em Dinâmica Molecular teve problemas.
Foi também proposto um roteiro tentativo para a atuação anual dos alunos que foi cumprido e excedido pelos quatro alunos.
Cronograma Anual – geralmente os alunos permanecem cerca de um ano na iniciação científica, depois tendem a fazer estágio.
Primeiro trimestre: Familiarização com o fenômeno estudado. Leitura de livros, trabalhos anteriores do Núcleo, primeiro contato com trabalhos científicos. Breve estágio no laboratório de metalografia.
Segundo trimestre: Obtenção de um conjunto de dados relevante para o tema. Geralmente estes dados são gerados por um aluno de mestrado fazendo tese no assunto. Familiarização com as ferramentas de análise necessárias, por exemplo, Origin e Excel. Realização de gráficos a partir dos dados fornecidos.
Terceiro trimestre: Comparação dos resultados da simulação com as teorias analíticas. Realização de gráficos baseados em quantidades sugeridas pela teoria. Compreensão do significado dos resultados.
Quarto trimestre: Elaboração de relatório e se possível participação na redação de artigo para publicação.
Todos os alunos cumpriram com sobras o roteiro acima. Anexo os relatórios finais que os alunos me enviaram. Não editei os relatórios que falam por si só do desempenho dos alunos. Por razões de espaço forneço o link da página onde estão os quatro relatórios.
