ANÁLISE DA FASE SIGMA NO AÇO INOXIDÁVEL DUPLEX UNS S31803 POR RECONSTRUÇÃO TRIDIMENSIONAL
D. M. Baía1 J. dos S. M. St.Cruz2
V. L. F. da Silva³ W. L. da S. Assis4
1 Aluno de Graduação – Escola de Engenharia Industrial Metalúrgica de Volta Redonda/UFF 2 Aluna de Graduação – Escola de Engenharia Industrial Metalúrgica de Volta Redonda/UFF
³ Aluna de Pós-Graduação – Escola de Engenharia de Lorena/USP
4 Professor Titular – Escola de Engenharia Industrial Metalúrgica de Volta Redonda/UFF
RESUMO
Este trabalho consiste na reconstrução microestrutural em parâmetros
tridimensionais e na análise da morfologia dos contornos de grão do aço inoxidável duplex UNS S31803 (SAF 2205). O material foi caracterizado na forma como recebido e após tratamento térmico de envelhecimento a 800°C por vinte e quatro horas. Para a reconstrução microestrutural, utilizou-se a técnica de seccionamento em série. Selecionou-se determinada região das amostras após a repetição das etapas de preparação metalográfica, de polimento e ataque químico para gerar micrografias com auxílio de microscopia ótica. As micrografias foram processadas no open source de análise de imagens, ImageJ. Os resultados mostram que após tratamento térmico houve o surgimento e crescimento considerável de fase sigma. Ao comparar a fração volumétrica das fases presente antes e após tratamento térmico observa-se que aproximadamente metade do volume da fase ferrita transformou-se em fase sigma após o tratamento, enquanto o volume inicial da austenita praticamente se manteve.
Palavras-chave: reconstrução microestrutural, parâmetros tridimensionais, aço inoxidável duplex, seccionamento em série.
INTRODUÇÃO
Possuindo microestrutura formada por fases ferrita e austenita, os aços inoxidáveis duplex combinam propriedades desejáveis em diversas aplicações: excelente resistência mecânica e resistência à corrosão (1). Assim, esses materiais tornam-se atraentes para diversos projetos e desenvolvimentos de engenharia, ganhando espaço em setores como indústrias química, de petróleo e de geração de energia. Entretanto, um ponto de grande relevância para este tipo de material encontra-se nas fases passíveis de formação em temperaturas entre 500 e 1000 °C, como as fases sigma (σ), chi (χ), austenita secundária, carbetos e nitretos (2-5). Estudos em torno das propriedades mecânicas apresentadas por aço duplex em que há formação de fase sigma têm caracterizado a mesma como sendo prejudicial para o desempenho do material (2,3). Assim, o estudo da formação desta fase em aços inoxidáveis tem relevância para a compreensão das propriedades a serem exibidas, e, para isso, análises microestruturais a partir de imagens de superfícies bidimensionais são metodologias tradicionais e de grande importância. Entretanto, este tipo de análises não fornecem todas as informações acerca da geometria e morfologia da microestrutura tridimensional (6).
Neste contexto, a técnica de reconstrução tridimensional de imagens obtidas a partir do seccionamento em série pode ser útil e fornecer resultados que não seriam observados em duas dimensões (7). Esta técnica consiste na remoção de sucessivas camadas de região específica do material em análise através de polimento, quando, em cada uma destas etapas, são obtidas imagens bidimensionais da microestrutura (7). Por fim, com uma quantidade suficiente de imagens, executa-se a reconstrução através da renderização da sequência de micrografias em softwares de processamento de imagens, obtendo-se, assim, a microestrutura como um bloco tridimensional.
O presente trabalho tem por objetivo apresentar a microestrutura tridimensional de porção de amostras do aço inoxidável duplex UNS S31803, obtida através da reconstrução tridimensional de micrografias bidimensionais via seccionamento em série, bem como, analisar da formação da fase sigma no material após tratamento térmico de envelhecimento por 24 horas.
MATERIAIS E MÉTODOS
A porção de aço inoxidável duplex SAF 2205, cuja composição química é apresentada na Tabela 1, no estado laminado a quente foi submetida a corte para extração duas amostras com dimensões de aproximadamente 15x10x10 mm. Uma das amostras foi submetida a tratamento térmico de envelhecimento a temperatura de 800 °C por 24 horas, realizado em forno resistivo. Ambas as amostras foram embutidas em baquelite e lixadas em lixas de carbeto de silício e polidas em pasta de diamante (6 µm e 3 µm), seguido de polimento com alumina (1 µm e 0,05 µm). Para a estimativa das frações volumétricas e tamanho de grão de cada fase, aplicou-se metodologias descritas nas normas ASTM E562 e ASTM E112 respectivamente.
Tabela 1 - Composição química do aço inoxidável duplex UNS S31083 (ou SAF 2205), material fornecido pela Villares Metals.
C (máx) Mn (máx) Cr Ni Mo Si (máx) N Fe
0,03 % 2,00 % 22,60 % 5,00 % 3,10 % 1,00 % 0,19 % Bal.
Para a execução da análise metalográfica quantitativa, foram obtidas 15 imagens de diferentes regiões de cada uma das amostras através de microscópio óptico. Nesta etapa, para a revelação dos contornos de grão, utilizou-se solução de 10 mL de HCl com 0,01 g de Ácido Pícrico e, em seguida, Behara Modificado (solução de 20% de HCl com 0,6 g de metabissulfito de potássio) visando promover a coloração das fases ferrita e austenita.
O seccionamento em série das amostras foi realizado através da remoção de sucessivas camadas das amostras através do polimento manual em alumina (0,05 µm) por 1 minuto na amostra submetida ao tratamento térmico e polimento em alumina (1 µm) por 40 segundos. Após cada polimento, uma imagem da região escolhida para a reconstrução foi obtida através de microscópio óptico. Foram utilizadas as mesmas soluções já descritas para revelação dos contornos de grãos e coloração das fases ferrita e austenita na amostra tratada termicamente. Para ataque químico da amostra como recebida, utilizou-se solução de 10 mL de HCl com 0,01 g de Ácido Pícrico seguida de Behara contendo 0,3 g de metabissulfito de potássio. Para a correta localização da região a ser registrada a imagem, foi feita
uma endentação de microdureza Vickers nas amostras, que serviu como ponto de referência para as micrografias obtidas em diferentes etapas do seccionamento. Essas endentações foram úteis também para o cálculo da espessura removida em cada polimento, sendo obtidas através da diferença entre a profundidade da endentação na última imagem e a profundidade da endentação na imagem anterior, demonstrado pela equação (A).
ℎ = 𝐷𝐷𝑚𝑚
2 sin �𝜃𝜃2� (A)
Sendo ℎ a altura da endentação, 𝐷𝐷𝑚𝑚 a distância média das diagonais e 𝜃𝜃 o ângulo entre as duas diagonais, no caso da dureza Vickers, 𝜃𝜃 = 135°.
Com a remoção das camadas sucessivas do material, periodicamente foi feita nova endentação de forma a se garantir que as imagens a serem obtidas compreendiam a correta região de interesse para a reconstrução. Todas as imagens foram obtidas através de microscópio óptico Olympus BX51 M. A cada 10 micrografias obtidas, as amostras foram submetidas à limpeza por ultrassom, imersas em acetona por 480 segundos.
A reconstrução tridimensional foi executada a partir de 80 imagens da amostra como recebida e 100 imagens da amostra tratada termicamente, sendo todas da mesma região de interesse de cada amostra. O processamento das imagens foi realizado utilizando o software de domínio público ImageJ, através do plugin Volume
Viewer (desenvolvido por Kai Uwe Barthel). O ajuste de alinhamento das imagens
foi realizado através do plugin StackReg (desenvolvido por Philippe Thévenaz). As amostras foram previamente editadas, ajustando-se brilho e contraste para melhor distinção de cada fase no momento do processamento da reconstrução tridimensional.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Fração Volumétrica e Tamanho de Grão
Os resultados de frações volumétricas de ferrita e austenita das amostras analisadas são apresentados na Tabela 2, e nas Figuras 1 e 2 são apresentadas micrografias da amostra como recebida e da amostra tratada termicamente, mostrando a evolução da microestrutura do material.
Tabela 2 - Fração Volumétrica das fases presentes.
Microconstituinte Amostra como recebida Amostra tratada termicamente (Envelhecimento 24h)
Ferrita (53,0 ± 3,2)% (23,2 ± 2,9)%
Austenita (47,0 ± 3,2)% (52,0 ± 4,1)%
Sigma 0 (24,8 ± 3,6)%
Figura 1 - Micrografia da amostra sem tratamento térmico, mostrando as fases ferrita (escura) e austenita (clara). Ampliação de 500x.
Com base nos dados apresentados, nota-se um pequeno aumento da fração volumétrica de austenita quando ocorrido o tratamento térmico de envelhecimento, possivelmente devido a formação de austenita secundária em decorrência da precipitação de fase sigma, porém, devido a taxa de erro evidenciada na tabela esse crescimento pode ser caracterizado como irrelevante pois a fração volumétrica das duas amostras estão dentro dessa faixa. Nota-se também o decréscimo da fração
volumétrica de ferrita no material, que pode ser explicado pela transformação de fase deste microconstituinte em fase sigma e austenita secundária.
É perceptível a deterioração da ferrita, indicando que esta é consumida pela formação da fase intermetálica. Na Figura 3, em maior ampliação, é evidenciada a formação de fase sigma e austenita.
Figura 2 - Micrografia da amostra sem tratamento térmico, mostrando as fases ferrita (escura), austenita (bege) e sigma (clara). Ampliação de 500x.
Verificou-se a redução do tamanho de grão médio da austenita após tratamento térmico, o que é devido a formação de pequenos grãos (menores que 1 𝜇𝜇𝜇𝜇) de austenita secundária, o que levou à redução do valor médio obtido. Com relação a ferrita, seu menor tamanho de grão após o tratamento térmico está relacionado a sua degradação, como já descrito anteriormente. De acordo com os resultados de fração volumétrica e tamanho de grão médio da fase sigma, é possível observar que o tratamento térmico aplicado (envelhecimento por 24h) resultou no consumo de pouco mais de 50 % de ferrita pela fase sigma.
Figura 3 - Micrografia da amostra com tratamento térmico com a formação de austenita secundária com algumas evidenciadas pela seta. Ampliação de 1000 x.
Reconstrução Tridimensional
As Figuras 4 e 5 apresentam a reconstrução tridimensional das regiões escolhidas das amostras como recebida e tratada termicamente, respectivamente, com dimensões de (94 x 77 x 99) μm e (106 x 76 x 37) μm.
Com base nas análises da micrografia tridimensional, em suas secções foi verificado que a amostra sem tratamento térmico (Figura 4) possui uma microestrutura duplex típica, com grãos aproximadamente equiaxiais e com quantidades iguais de ferrita e austenita que possuem morfologias semelhantes.
Figura 4: Reconstrução tridimensional da amostra como recebida.
Com relação a reconstrução tridimensional da amostra tratada termicamente (Figura 5), fica evidente a localização preferencial da nucleação da fase sigma, os contornos de grão ferrita-ferrita e ferrita-austenita. Observando as seções do bloco tridimensional, a fase sigma cresce preferencialmente nos entre os contornos de grão, tendendo a envolver contornos de grão ferrita-austenita.
Após consumir os contornos de grão, a fase sigma passa a crescer ao interior da ferrita, seja de forma vermicular ou lamelar com ferrita ou austenita secundária em decorrência da transformação de fase 𝛼𝛼 → 𝜎𝜎 + 𝛾𝛾2. Com isso vale ressaltar que, com o tratamento térmico de envelhecimento por 24 h, não há uma morfologia única para a fase sigma, podendo apresentar-se na forma de pequenos grãos equiaxiais nos contornos de grãos entre ferrita e austenita, com morfologia lamelar com a ferrita ou a austenita secundária e também na forma de emaranhados de pequenos grãos de sigma, ferrita e austenita secundária.
A deterioração da ferrita pode ser explicada devido ao consumo preferencial de cromo e molibdênio no processo de formação de fase sigma, com esses elementos
presentes em maior proporção na fase ferrítica em relação a austenita, fato este que já foi evidenciado em outros estudos (8). O empobrecimento da ferrita dos elementos cromo e molibdênio ocasionam a alteração de sua estrutura cúbica de corpo centrado, devido a maior concentração de níquel (em relação ao cromo e molibdênio), o que resulta na transformação da ferrita não consumida em austenita (estrutura cúbica de faces centradas).
Figura 5: Reconstrução tridimensional da amostra tratada termicamente.
CONCLUSÃO
Após a realização de caracterização microestrutural e reconstrução tridimensional através da técnica de seccionamento em série de regiões específicas de amostras do aço UNS S31803 nos estados laminado a quente e envelhecido por 24h, foi possível obter as seguintes conclusões:
• Sendo verificada variação de fração volumétrica dos constituintes presentes no material após tratamento térmico de envelhecimento, sugere-se que a elevação do percentual de austenita foi atribuída à formação de austenita secundária e o decréscimo de ferrita possivelmente ocasionado pela transformação de porção desta fase em sigma, outros constituintes intermetálicos menos expressivos quantitativamente e austenita secundária.
• A partir das análises quantitativas, supõe-se que a redução de tamanho de grão médio após tratamento térmico foi atribuída, no caso da austenita, à formação de pequenos grãos (menores que 1 μm) desta mesma fase secundária, e com relação a ferrita, pela degradação da fase na formação de sigma e austenita secundária.
• Observou-se que o tratamento térmico de envelhecimento por 24h resultou no consumo de pouco mais que 50 % de ferrita pela fase sigma. • Nas seções das imagens de reconstrução tridimensional apresentadas,
verificou-se microestrutura com grãos aproximadamente equiaxiais e com quantidades iguais de ferrita e austenita com morfologias semelhantes, para a amostra como recebida. Para a amostra tratada termicamente, verificou-se a formação de fase sigma em localização preferencial, a saber, nos contornos de grão ferrita e ferrita-austenita, sendo que a fase sigma apresentou tendência de crescimento de forma a envolver os contornos de grão ferrita-austenita.
• A partir das figuras tridimensionais, verificou-se ainda crescimento de fase sigma no interior da ferrita, de forma vermicular ou lamelar com ferrita ou austenita secundária.
AGRADECIMENTOS
A Villares Metals pelo fornecimento do material para a viabilização da pesquisa. A Professora Dra. Fabiane Roberta Freitas da Silva pelo ensino de práticas de laboratório, auxílio na escolha dos reagentes para ataques químicos e orientações para a execução da reconstrução tridimensional.
REFERÊNCIAS
(1) BERGLUND, G.; WILHELMSSON, P. Fabrication and Practical Experience of Duplex Stainless Steels. Materials & Design Vol. 10 No. 1, January/February, 1989.
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(3) KESHMIRI, H.; MOMENI, A.; DEHGHANI, K.; EBRAHIMI, G. R.; HEIDARI, G. Effect of Aging Time and Temperature on Mechanical Properties and Microstructural Evolution of 2205 Ferritic-Austenitic Stainless Steel. J. Mater. Sci. Technol., Vol.25 No.5, pp. 597-602, 2009.
(4) DAVANAGERI, M. B.; NARENDRANATH, S.; KADOLI, R. Effect of Sigma (σ) phase on Mechanical and Dry sliding wear. Materials Today: Proceedings 4 (2017) 10189–10196.
(5) ZUCATO, I.; MOREIRA, M. C.; MACHADO, I. F.; LEBRÃO, S. M. G. Microstructural Characterization and the Effect of Phase Transformations on Toughness of the UNS S31803 Duplex Stainless Steel Aged Treated at 850 °C. Materials Research, Vol. 5, No. 3, 385-389, 2002.
(6) TEWARI, A.; GOKHALE, A. M. Application of Three-Dimensional Digital Image Processing for Reconstruction of Microstructural Volume from Serial Sections. Materials Characterization 44:259–269 (2000).
(7) TEWARI A., GOKHALE A. M.; Estimation of Three-dimensional Grain Size Distribution from microstructural serial sections. Materials Characterization, v. 46, p. 329-335, 2001.
(8) SANTOS, D. C.; MAGNABOSCO, R.; NETO, C. de M. Estudos do Mecanismo e da Cinética de Formação de Fase Sigma no Aço Inoxidável Duplex UNS S31803 Envelhecido a 700 °C. In: 68° Congresso Anual da ABM, Belo Horizonte, MG, 2013. 68 – 79 (2013). Anais. São Paulo, SP, 2013, p. 1-12. Ref. 68-79. Disponível em: https://www.researchgate.net/publication/289534120.
ANALYSIS OF SIGMA PHASE IN STAINLESS STEEL UNS S31803 BY THREE-DIMENSIONAL RECONSTRUCTION
ABSTRACT
This work is based on analysis of three-dimensional parameters and the analysis of the morphology of the stainless-steel grains of a duplex stainless steel UNS S31803 (SAF 2205) reconstructed in 3D via serial sectioning. The material was characterized in its original form and subsequent to this analysis was subjected to a heat treatment at a temperature of 800 ° C for twenty-four hours. To perform the microstructural reconstruction, the serial sectioning technique was used. A specific region of the sample was selected after the steps of metallographic preparation, polishing and etching to generate micrographs with the aid of optical microscopy. The images (micrographs) were processed with image analysis (open source) software, ImageJ. The results were as follows: there were nucleation and considerable sigma phase growth. Comparing the volumetric fraction of the phases before and after the heat treatment it is observed that the ferrite phase volume was transformed into the sigma phase after the treatment, while the initial volume of the austenite remained practically constant.
Key words: Microstructure reconstruction, three-dimensional parameters, serial sectioning.
