Caracterização das amostras

A sequência de atividades envolvidas na caracterização das amostras é mostrada na Figura 3.3. A análise química através de fluorescência de raios X e análises de oxigênio e nitrogênio foi feita para se verificar a composição real das amostras obtidas. A caracterização iniciou-se pela preparação metalográfica objetivando a análise microestrutural usando microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura. Em adição, também foi utilizada a difração de raios X, tendo-se como meta verificar as fases presentes e relacioná-las aos resultados da microscopia. A avaliação das transformações de fases durante o aquecimento das amostras foi efetivada por meio de ensaios de difratometria de raios-X em altas temperaturas, bem como por meio de ensaios de calorimetria diferencial de varredura (DSC). A avaliação das propriedades mecânicas foi realizada por meio de ensaios de dureza, de módulo de elasticidade e ensaios de tração.

Figura 3.3. Sequência de atividades envolvidas na caracterização das amostras.

3.2.1. Análise química

A análise química das amostras foi realizada através das técnicas para fluorescência de raios X e análises de oxigênio e nitrogênio. A fluorescência de raios X utiliza raios X para excitar a amostra em avaliação. O resultado é obtido através do conceito de raios X característicos, os quais são emitidos para cada elemento químico.

As análises de elementos como oxigênio e nitrogênio não são possíveis através da fluorescência de raios X por serem elementos leves. Elementos leves possuem menor probabilidade de emitir raios X e os que são emitidos podem ser absorvidos na entrada do detector. Portanto, o analisador da marca LECO TC400 é utilizado para verificar os valores de nitrogênio e oxigênio. A determinação do oxigênio nesse equipamento se dá por radiação infravermelha, enquanto a determinação do nitrogênio é feita através da detecção de condutividade térmica. A importância dessas análises está relacionada com o fato de que esses elementos podem ser intersticiais, interferindo no comportamento mecânico do material.

As amostras no estado bruto de fusão, tratadas termicamente, deformadas e resfriadas em forno e em água foram embutidas a frio em resina de poliéster. Para análise via microscopia óptica, a superfície das amostras foi lixada em politriz automática da Buehler, modelo Phoenix Beta, utilizando lixas de grana 100, 360, 600, 800 e 1.200, nessa ordem e usando água. A mudança de uma lixa para outra se dá após os riscos desaparecerem. Após o lixamento, as amostras foram submetidas a banho de água e detergente líquido em equipamento de ultra-som Bransonic 220 durante 3 minutos. Em seguida, as amostras foram exaguadas em água corrente, lavadas com acetona e secadas com secador de ar quente. O polimento mecânico das amostras foi realizado usando pano com pasta de diamante 9 μm, lubrificado com álcool etílico absoluto, seguido dos panos de nylon Struers DP-DUR com pasta de diamante de 6 μm e posteriormente, 3 μm, também lubrificados com álcool etílico absoluto. O polimento final é realizado em pano de 3 μm lubrificado com solução de KOH. O ataque químico para revelação da microestrutura foi realizado com solução de Kroll, cuja composição é apresentada na Tabela 3.1. A Tabela 3.1 mostra a solução utilizada para o polimento final e para a revelação das microestruturas.

Tabela 3.1. Soluções utilizadas no polimento e revelação da microestrutura.

Solução para polimento 350 ml de água destilada, 40 ml de sílica coloidal e 3 pastilhas de KOH.

Solução de Kroll 65 ml de água destilada, 5 ml de ácido fluorídrico (48%) e 30 ml de ácido nítrico

Inicialmente, as amostras atacadas quimicamente foram analisadas em microscópio ótico de luz refletida modelo Olympus BX60M.

A microscopia eletrônica de varredura permite maiores aumentos, bem como diferentes informações provenientes da amostra. As imagens obtidas por elétrons secundários tratam da topografia da amostra, pois são elétrons provenientes do espalhamento inelástico, desta forma, estes elétrons provém da superfície. As partes mais claras se referem as partes mais altas da amostra, pois estão mais próximas do feixe e por isso possuem mais brilho, que nada mais é que densidade de corrente. Já os elétrons retroespalhados são provenientes do feixe e sofreram interação elástica com a amostra. Por possuírem maior energia, são responsáveis por informações de composição química por contraste. No presente trabalho foi utilizado equipamento marca Zeiss, modelo EVO MA15 operado a 20 kV.

Difração de Raios-X

Com o objetivo de identificar as possíveis transformações de fases, bem como a natureza das fases formadas, foram realizadas análises por difração de raios-X. Na formulação da lei de Bragg para a difração de raios-X de um cristal, supõe-se que este seja formado por planos atômicos paralelos entre si e que sejam separados por uma distância d constante. Assim, para um que plano cristalino difrate o feixe de raios-X incidente é necessário que ocorra interferência construtiva e que a equação de Bragg seja satisfeita:

2dsenθ = nλ (Lei de Bragg) (3.1) onde n é a ordem de difração e para maioria dos casos é possível utilizar n = 1.

Essa lei é consequência direta da periodicidade da rede cristalina e impõe uma correspondência entre o ângulo de difração θ, o comprimento de onda λ dos raios-X e as características da estrutura cristalina. As amostras foram analisadas utilizando-se equipamento marca Panalytical, no qual foram empregadas tensão de 40 kV, corrente de 30 mA e faixa de

observação compreendida entre 30º ≤ 2Ө ≤ 90º. Foi utilizado alvo de Cu-Kα que fornece raios-x com comprimento de onda, λ = 1,5406 Å.

3.2.3. Análise térmica

Difração de raios X em altas temperaturas

Com o objetivo de verificar a transformação de fases, foi usado o mesmo difratômetro citado anteriormente, com análises realizadas em diferentes temperaturas. Neste caso, foi utilizado um suporte de amostras especial contendo sistema de aquecimento do tipo resistivo. As análises foram realizadas durante o aquecimento, a cada 50°C. Como a amostra é espessa (aproximadamente 2 mm), alocou-se um termopar sobre a mesma.

Figura 3.4. Difratômetro de raios-X operando em alta temperatura.

A calorimetria exploratória diferencial (DSC) é uma técnica analítica sensível ao calor absorvido ou liberado durante transformações de fases. Nessa técnica, dois cadinhos, um deles é tido como padrão inerte e o outro, contem a amostra em análise. No DSC (differential scanning calorimetry) é medido o fluxo de energia entre os dois cadinhos, o que permite estabelecer se a transformação é exotérmica ou endotérmica, bem como a variação de temperatura na qual esta ocorre. Neste trabalho foi utilizado equipamento da marca Netzsch usando cadinhos de platina e aquecimento de 10°C/min.

3.2.4. Propriedades mecânicas

Dureza Vickers

Para caracterizar de maneira preliminar o comportamento mecânicos das amostras estudadas foram realizados ensaios de dureza Vickers. Para tanto utilizou-se equipamento da marca Buehler modelo 2100. Tal equipamento conta com microscópio ótico acoplado ao penetrador que é constituído de uma pirâmide de diamante com base quadrada. A carga aplicada produz um losango e o valor da dureza Vickers é obtido através da equação:

HV = 1,8544F/D2 (3.2)

onde D, medido em μm, é a média dos comprimentos das diagonais da impressão e F, medido em kgf, é a carga utilizada. As medidas foram realizadas na superfície polida da amostra com carga de 1.000 gf aplicada durante 15 segundos e os valores apresentados referem-se à média de cinco medidas.

O módulo de elasticidade das ligas foi determinado por meio de técnicas acústicas, seguindo-se a norma ASTM E1876-09, utilizando-se transdutores longitudinal e transversal de diâmetro 6,35 mm. Sabe-se que o módulo de elasticidade de um meio material está associado à velocidade que o som propaga-se no mesmo. Assim, a determinação dessa velocidade permite determinar o módulo de elasticidade. Para tanto, um corpo de prova de pequenas dimensões (cilindros de 10 mm de diâmetro e 10 mm de altura ou placas de 2,5 mm de espessura) foi acoplado a transdutores piezoelétricos, que permitem emitir e detectar o ultrassom,. Dessa forma, acoplando-se transdutores longitudinais e transversais à amostra, foi possível determinar a velocidade longitudinal (VL) e transversal (VT). Com tal artifício é possível determinar o módulo de elasticidade, E, e o coeficiente de Poisson, , usando as seguintes equações:

(3.3)

(3.4)

onde b=VT/VL e  é a densidade da amostra [Tang, 2000]. A densidade das amostras é determinada pela técnica de Arquimedes.

Ensaio de tração

As ligas utilizadas nos ensaios mecânicos de tração foram obtidas por fusão a arco, homogeneizadas a 1.000ºC durante 24 h, sob atmosfera controlada de argônio e forjadas a quente (~1.000ºC) até serem obtidas barras de 8 mm de diâmetro. As barras forjadas foram usinadas até a obtenção do corpo de prova conforme ilustra a Figura 3.5.

) 1 ( ) 2 1 )( 1 ( V E T         ) b 2 ( ) b 1 ( 2 2    

Figura 3.5. Esquema do corpo de prova de tração.

Após a obtenção dos corpos de prova nas dimensões citadas, foram realizados os tratamentos térmicos de solubilização (1h/1.000ºC) seguidos de resfriamento em água. Os ensaios de tração foram realizados à temperatura ambiente em equipamento do tipo MTS (Mechanical

Test System) modelo 810. Para cada condição foram utilizados três corpos de prova. Para

determinação do limite de escoamento foi utilizado extensômetro acoplado à amostra até a finalização do ensaio. Os valores de carga e deslocamento foram dinamicamente registrados usando um computador acoplado ao sistema. Foram determinados através do ensaio de tração, com taxa de deformação constante de 0,02 mm/s, o limite de escoamento, limite de resistência à tração, alongamento e redução de área, de acordo com a norma ASTM E8M (2004).