Análises realizadas via Microscopia

Durante as etapas de caracterização e observação microscópica dos corpos-de-prova provenientes dos diversos ensaios realizados, várias técnicas de análise microscópicas foram utilizadas, tais como: microscopia eletrônica de varredura (MEV), microscopia ótica (MO), microscopia eletrônica via micro-sonda e difratometria de raios X. As características principais das metodologias utilizadas para cada equipamento são apresentadas nos próximos sub-itens.

4.2.1. Análises no microscópio ótico

A microscopia ótica foi uma técnica amplamente utilizada neste trabalho. A utilização de um analisador de imagens acoplado ao microscópio ótico permitiu quantificar algumas características microestruturais, tais como tamanho de grão e espessura da camada de óxido.

As análises microestruturais no microscópio ótico foram realizadas com os principais objetivos:

• Caracterizar a microestrutura e quantificar o tamanho de grão das amostras de modo a caracterizar a matéria-prima para todos os ensaios, ou seja, os esboços e as chapas laminadas a frio e recozidas;

• Caracterizar o tipo de corrosão ocorrido nas amostras provenientes dos ensaios de corrosão;

• Caracterizar a microestrutura, tamanho de grão e camada de óxido dos corpos-de- prova provenientes dos ensaios de fadiga térmica, fadiga isotérmica, oxidação cíclica e fluência.

A análise microestrutural teve o intuito de observar o grau de recristalização dos grãos, a homogeneidade microestrutural e medir o tamanho de grão. As amostras observadas no microscópio ótico foram preparadas previamente sendo embutidas e polidas até #1µm.

A medição do tamanho de grão foi realizada pelo método dos três círculos concêntricos (ou método de Abrams), conforme norma ASTM E112-95. Foram feitas 5 medições em diferentes regiões e calculado o número de interceptos dos contornos de grão com os círculos.

O ataque metalográfico de todas as amostras estudadas foi feito com o reagente Villela. A Tabela 4.2 apresenta sua composição química e algumas das características da técnica de ataque metalográfico. A imprecisão no tempo deve-se principalmente às diferentes características de composição química dos aços.

Tabela 4.2 – Prática padrão de preparação do ataque metalográfico com o reagente Villela (LACOMBE et al, 1990). 95ml álcool etílico 1g ácido pícrico 5ml HCl Ataque químico Temperatura ambiente Tempo = +/- 60 segundos

As amostras para análise da camada de óxido tiveram a metalização com carbono da superfície do óxido e posterior niquelagem de modo a garantir a fixação do óxido no substrato. Estas amostras foram preparadas na forma de sanduíche, sendo colocadas chapas de níquel como separação entre elas.

A espessura da camada de óxido foi medida em diferentes posições, utilizando um “software” do analisador de imagens cujo princípio é a separação dos meios pela diferença de tonalidade de cinza, também conhecido como composição de cores. Desta forma, o “software” reconhece a diferença de tonalidade e preenche a parte mais escura com uma coloração (limiar) a qual é possível de ser calculada.

4.2.2. Microscopia Eletrônica de Varredura

O microscópio eletrônico de varredura (MEV) foi utilizado em diversas etapas deste estudo com os seguintes intuitos:

• Análise fratográfica dos corpos-de-prova de fadiga ao ar e de fadiga-corrosão;

• Análise de precipitação de fases nos corpos-de-prova de fadiga térmica, fadiga isotérmica e fluência;

• Mapeamento da composição química da camada de óxido gerada no ensaio de oxidação cíclica.

As amostras que foram embutidas com resina não condutora para análise no microscópio ótico passaram por um tratamento de metalização anterior à análise no MEV. A metalização foi realizada sempre com carbono, tendo em vista a similaridade do pico de difração do ouro com o nióbio (elemento de interesse no estudo), impedindo a metalização com ouro. Por outro lado, a metalização com carbono impediu a análise de composição química via espectrometria de energia dispersiva (EDS) do elemento carbono.

Análises de composição química no MEV foram realizadas pela técnica de EDS. Foram analisados precipitados obtidos pela técnica de dissolução do substrato e feito mapeamentos de composição química da camada de óxido formada no ensaio de oxidação cíclica.

4.2.3. Micro-sonda de raios X

Amostras provenientes de corpos-de-prova de fadiga térmica (ruptura) e fadiga isotérmica (∆ε/2 = 0,30% para 300ºC e 0,39% para 850ºC) foram analisadas em uma micro-sonda de raios X da marca CAMECA SX50 localizada no CdM, semelhante ao mostrado na Figura 4.1.

Figura 4.1 – Fotografia de uma micro-sonda da marca CAMECA SX50.

A micro-sonda é um tipo de microscópio eletrônico de varredura construído para análise química usando quatro espectrômetros de comprimento de onda dispersiva (WDS) para detectar e medir os raios X gerados na interação do feixe de elétrons com a amostra. Este equipamento pode ser utilizado para caracterizar a microestrutura combinando imagens de

elétrons secundários e retroespalhados e mapeamento com raios X, o que permite analisar as fases particulares presentes nas amostras.

O intuito principal da análise em micro-sonda foi o de obter um mapeamento de composição química via WDS dos precipitados observados anteriormente no MEV. Os resultados são apresentados na forma de imagens, onde uma escala crescente (azul a vermelho) é apresentada, e de tabela com o resultado de composição química dos precipitados observados.

4.2.4. Difratometria por raios X de precipitados obtidos por técnica de dissolução

A técnica de difração de raios X foi utilizada para identificar os tipos de precipitados extraídos pela técnica de dissolução dos aços. Para tal, foi utilizado o equipamento X’PERT PRO MPD com goniômetro Theta/Theta da marca Philips utilizando tubo com anodo de cobre. A configuração do equipamento foi: feixe incidente com fenda de divergência programável, modo fixo em 0,5º, fenda soller de 0,04rad e máscara de 10mm. No feixe difratado foi utilizado o detector X’celerator do tipo RTMS (Real Time Multiple Strip).

A coleta foi realizada entre os ângulos 20 a 120º (2 Theta). A identificação das fases foi obtida por comparação com padrões pré-determinados utilizando banco de dados PDF-2 (Powder Diffraction File) editado e publicado pelo ICDD (International Center for Diffraction Data).

A técnica de dissolução de aços para extração química de precipitados foi realizada em corpos-de-prova provenientes dos ensaios de fluência e de fadiga isotérmica. No caso das amostras provenientes do ensaio fadiga isotérmica, foram analisados os corpos-de-prova com amplitude de deformação (∆ε/2) igual a 0,30% (para 300ºC) e 0,39% (para 850ºC).

A técnica de dissolução química consistiu no ataque da amostra com o reagente “Berzelius” e a sua filtragem em um filtro de papel, seguido de secagem em estufa (GARZON et al., 2000). O reagente “Berzelius” foi preparado conforme receita apresentada na Tabela 4.3.

Tabela 4.3 – Composição química do reagente Berzelius (GARZON et al., 2000).

Quantidade Constituinte

320g Cloreto cúprico dihidratado (CuCl22H2O)

280g Cloreto de potássio (KCl)

20g Ácido tartárico (HOOC[CHOH]2COOH)

1,85 litros Água destilada

150ml Ácido clorídrico (HCl)

A dissolução química foi feita à temperatura ambiente em béquer com 300ml de solução Berzelius e agitação magnética. As amostras foram cortadas e lavadas de modo a ter uma massa em torno de 2g. O tempo de ataque foi em torno de 6 horas para haver a completa dissolução do aço. Completada a filtragem de todo o líquido, o filtro é lavado com água corrente. A secagem do filtro foi feita durante uma hora em uma estufa aquecida a 100ºC. O filtro com o material dissolvido foi, então, levado ao MEV e ao difratômetro para devidas análises.

A escolha do material a ser utilizado como filtro consistiu em análises de 2 tipos de membranas/filtros no MEV e no difratômetro de raios X. A Figura 4.2 e Tabela 4.4 apresentam um espectro de difração de raios X e a composição química da membrana PTFE e do microfiltro. 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 2Theta (°) 2500 10000 22500 40000 62500 Int e ns it y ( c o unt s )

Figura 4.2- Espectro de difração de raios X da membrana PTFE e microfiltro de fibra de vidro boro-silicato.

Tabela 4.4 – Composição química das membranas/filtros.

O Na Al Si K Ca Zn Ba C F

PTFE --- --- --- --- --- --- --- --- 24 76

Filtro FV 37 6 3 36 3 2 5 7 --- ---

O micro-filtro de fibra de vidro boro-silicato apresenta-se completamente amorfo e uma composição química mais complexa. A membrana PTFE apresenta uma composição química mais simples mas há a desvantagem de ser cristalina. Desta forma, optou-se trabalhar com micro-filtro de fibra de vidro para a filtragem do produto da dissolução dos aços.