UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA

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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA

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OBTENÇÃO DA MAGNETOSTRICÇÃO DA LIGA DE ALTA ENTROPIA

FeCoNi(CuAl)0,8

LORENA

DEZEMBRO, 2019

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OBTENÇÃO DA MAGNETOSTRICÇÃO DA LIGA DE ALTA ENTROPIA

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Trabalho apresentado à Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo

para obtenção do título de Bacharel em Engenharia de Materiais.

Orientadora: Prof. Dra. Cristina B. Nunes

LORENA

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Bastos, Jhonatan Feitoza

Obtenção da Magnetostricção da Liga de Alta Entropia FeCoNi(CuAl)0,8 / Jhonatan Feitoza Bastos;

orientadora Cristina Bormio Nunes. - Lorena, 2019. 44 p.

Monografia apresentada como requisito parcial para a conclusão de Graduação do Curso de Engenharia de Materiais - Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo. 2019

1. Ligas de alta entropia. 2. Magnetostricção. 3. Magnetização. I. Título. II. Nunes, Cristina Bormio, orient.

AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE

QUE CITADA A FONTE

Ficha catalográfica elaborada pelo Sistema Automatizado da Escola de Engenharia de Lorena,

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AGRADECIMENTOS

À professora Dra. Cristina Bormio Nunes pelo auxílio e oportunidades de ensinamentos durante a elaboração do trabalho.

A todos que me auxiliaram a desenvolver este trabalho, em especial o aluno MSc. Fábio Martins. A EEL pelos seis anos incríveis de aprendizados e amizades. Incluindo todos os setores e pessoas que tiveram parte fundamental na minha formação.

A todos os amigos que fizeram parte desta jornada que tornou ela mais fácil e prazerosa. Em especial meus amigos da república Feudo, onde aprendi muito e me tornei uma pessoa um pouco melhor.

Aos familiares que sempre me apoiaram em tudo na minha vida.

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RESUMO

Nesse trabalho avaliou-se a microestrutura da liga de alta entropia FeCoNi(CuAl)0,8, em duas

situações: as cast e tratada termicamente a 1200ºC/48h, foram feitas avaliações em termos de fases, estrutura de grãos, e sua resposta em medidas de magnetostricção. Para isso, utilizou-se de microscopia eletrônica de varredura, difração de raios X, bem como medidas de magnetostricção. Observou-se que a microestrutura da liga as cast apresenta duas fases, uma CFC e dendrítica, e uma CCC, interdendrítica. Para a liga recozida também existem duas fases, porém sem estrutura dendrítica. Para a liga as cast a magnetostricção total obtida, em 1 Tesla, (λL – λT) foi de -8 ppm, enquanto que para a liga tratada termicamente este valor foi de -13 ppm.

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ABSTRACT

In this work microstructures of high entropy alloy FeCoNi(CuAl)0,8 were studied in two

situations: as cast and annealed at 1200°C/48h. The characteristics and properties that were assessed were: the phase composition of both alloys, the grain structure using scanning electron microscope (SEM) and X-ray diffraction (XRD) as well as the magnetostriction. It was observed that the microstructure presents two phases for both as cast and annealed samples. The as cast sample presented a FCC dendritic phase and a BCC interdendritic phase while the annealed sample also presented two phases but without the dendritic microstructure. The as cast total magnetostriction observed, at 1 Tesla, was -8 ppm and -13 ppm for the annealed alloy.

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LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1-MOMENTOS MAGNÉTICOS (FERROMAGNÉTICO) ... 7

FIGURA 2-MOMENTOS MAGNÉTICOS (FERRIMAGNÉTICO) ... 7

FIGURA 3-CURVA DE HISTERESE ... 8

FIGURA 4-FORNO A ARCO VOLTAICO ... 11

FIGURA 5-AMOSTRA FUNDIDA ... 12

FIGURA 6-ISOMET 1000... 13

FIGURA 7-CORTE DOS DISCOS DA LIGA ... 13

FIGURA 8-EMBUTIMENTO PANPRESS-30 ... 14

FIGURA 9-SISTEMA DE MEDIDA DE MAGNETOSTRICÇÃO EEL/USP ... 15

FIGURA 10-SOFTWARE AQMS ... 16

FIGURA 11-SOFTWARE CALCMS ... 17

FIGURA 12–MICROGRAFIA, AMOSTRA AS CAST OBTIDA EM MEV, AUMENTO DE 400X. ... 18

FIGURA 15–EDS AS CAST, FASE ESCURA. ... 20

FIGURA 16-EDS AS CAST, FASE CLARA ... 20

FIGURA 17-MICROGRAFIA, AMOSTRA TRATADA TERMICAMENTE OBTIDA EM MEV, AUMENTO DE 400X. ... 21

FIGURA 20-EDS AMOSTRA TRATADA TERMICAMENTE,CCC. ... 23

FIGURA 21-EDS AMOSTRA TRATADA TERMICAMENTE,CFC. ... 23

FIGURA 22-DRX LIGA AS CAST. ... 24

FIGURA 23-DRX LIGA TRATADA TERMICAMENTE ... 25

FIGURA 25-MAGNETIZAÇÃO DE SATURAÇÃO DA LIGA AS CAST E TRATADA TERMICAMENTE (573 A 673K)FECONI(CUAL)X (X=0-1,2) . 28 FIGURA 26-MAGNETOSTRICÇÃO LIGA AS CAST (AC). ... 29

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Sumário

1 Introdução e justificativas ... 1

2 Objetivo ... 2

3 Revisão Bibliográfica ... 3

3.1 Ligas de Alta Entropia... 3

3.1.1 Efeito da Alta entropia ... 3

3.1.2 Difusão lenta ... 4

3.1.3 Severa distorção da rede cristalina ... 4

3.1.4 Efeito coquetel... 4

3.2 A liga FeCoNi(CuAl)x ... 5

3.2.1 Propriedades magnéticas nas ligas FeCoNi(CuAl)x ... 5

3.3 Materiais Ferromagnéticos ... 6

3.3.1 Domínios magnéticos e Histerese ... 8

3.3.2 A magnetostricção ... 9

3.3.3 Materiais inteligentes ... 10

4 Materiais e métodos ... 10

4.1 Produção dos Lingotes ... 10

4.1.1 Pesagem ... 10 4.1.2 Fusão ... 11 4.1.3 Corte ... 12 4.2 Tratamento Térmico ... 13 4.3 Metalografia ... 14 4.4 MEV e EDS ... 14 4.5 Difratometria de raios X ... 15 4.6 Magnetostricção ... 15 5 Resultados e discussão... 18

5.1 Microscopia Eletrônica de Varredura e Análise por Energia Dispersiva... 18

5.2 Difratometria de raios X ... 24

5.3 Magnetização ... 26

5.4 Magnetostricção ... 28

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1 Introdução e justificativas

Os metais puros possuem pouca aplicação na sociedade. Para a grande maioria de aplicações são utilizadas ligas metálicas, misturando-se diversos elementos. Além disso, em ligas, existe sempre um elemento principal, que estará presente em maior quantidade, e elementos secundários para conferir propriedades específicas ao material.

Recentemente surgiu um novo conceito de ligas que vem sendo estudado chamado Ligas de Alta Entropia (High Entropy Alloys - HEAs). Esse novo tipo de liga consiste em misturar cinco ou mais elementos em composições equiatômicas ou próximas disso. A ideia principal dessa liga é de juntar esses elementos para aumentar a entropia do sistema e diminuir a difusão em altas temperaturas aumentando-se a energia de ativação, e consequentemente criar uma estrutura estável.

As HEAs tiveram seu potencial reconhecido na comunidade científica em 2004, onde primeiramente foram chamadas de ligas multi-componentes por Cantor el al. (2004), que estudou uma liga de composição equiatômica Fe20Cr20Mn20Ni20Co20.

No mesmo ano Yeh et al. (2004) chamou esse tipo de liga de ligas de alta entropia. O mesmo autor também publicou um estudo onde é exposto que esse tipo de liga tem um importante efeito na redução do número de fases em ligas metálicas.

A liga estudada no presente trabalho, FeCoNi(CuAl)0,8, é uma liga de alta entropia que já teve

algumas de suas propriedades estudadas em 2012 por Y.X. Zhuang et al. Nesse trabalho, uma profunda análise das propriedades mecânicas dessa HEA foi realizada. Em 2017 Q. Zhang et al avaliou, além das propriedades mecânicas, a magnetização de ligas FeCoNi(CuAl)x, variando-se

a composição do cobre e alumínio com x variando de 0 a 1.2. Porém, os estudos nessa liga ainda são poucos, e até o presente momento nenhum estudo foi feito especificamente sobre a magnetostricção desta HEA, que é uma propriedade importante a ser avaliada, para descobrir se o material é magneticamente macio. Portanto, esse trabalho visou realizar um estudo focando na propriedade de magnetostricção da liga FeCoNi(CuAl)0,8, visando possíveis aplicações desta

liga. A escolha de x = 0,8 deve-se ao fato desta liga possuir uma combinação benéfica de propriedades magnéticas e mecânicas (Zhang et al., 2017).

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2 Objetivo

Este trabalho tem como objetivo a produção e a caracterização microestrutural da liga de alta entropia FeCoNi(CuAl)0,8, e relacionar a microestrutura gerada com a magnetostricção da liga.

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3 Revisão Bibliográfica

3.1 Ligas de Alta Entropia

Durante anos sempre existiu um consenso na produção de ligas metálicas onde sempre existia um ou poucos elementos principais em sua composição, e então alguns elementos de liga em menores quantidades para promover algumas características desejadas ao material. Entretanto as HEAs têm atraído cada vez mais atenção devido ao seu bom potencial por apresentar características mecânicas, magnéticas e eletroquímicas favoráveis, tais como, alta estabilidade térmica e resistência à oxidação. (Zhang et al., 2013).

As HEAs são ligas com pelo menos cinco elementos, estando os cinco em composição equiatômica ou próxima da equiatômica, os teores aceitos estão entre 35% atômico e 5% atômico. Baseando-se em conhecimentos de metalurgia e diagramas de fases binários e ternários espera-se que numa liga com multi-componentes ocorra formação de vários compostos intermetálicos que consequentemente teria uma microestrutura complexa, seria uma liga frágil e de difícil processabilidade. Porém, o que ocorre é que soluções sólidas contendo vários elementos tendem a ser mais estáveis devido a sua alta entropia, portanto, ao invés de serem formados intermetálicos, na produção das HEAs, obtêm-se solução sólida (Yeh et al., 2004). Os principais efeitos de uma liga com elementos multi-elementos são: 1) Alta entropia, 2) Difusão lenta, 3) Distorção da rede cristalina e 4) Efeito coquetel.

A alta entropia resulta numa microestrutura simples, uma solução sólida; a distorção na rede cristalina tem influência nas propriedades mecânicas, físicas e químicas; a difusão lenta pode facilitar o desenvolvimento de estruturas nanocristalinas ou amorfas; já o efeito coquetel indica que as propriedades da liga podem ser significativamente alteradas com a mudança de composição dos elementos presentes (Yeh, 2006).

3.1.1 Efeito da Alta entropia

De acordo com a equação de fase de Gibbs, o número de fases (P) de uma liga é dado por uma relação do número de componentes nessa liga (C) e o número máximo de graus de liberdade (F).

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Apesar da previsão da fórmula de Gibbs, em HEAs é comum a formação de soluções sólidas ao contrário de fases intermetálicas. Isso é explicado justamente pelo efeito da alta entropia, que tende a estabilizar fases com alta entropia, formando-se preferencialmente soluções sólidas.

3.1.2 Difusão lenta

A taxa de difusão em ligas de alta entropia é em geral mais lenta quando as comparamos com aços inoxidáveis ou metais puros. Essa taxa de difusão lenta permite explicar a presença de precipitações de partículas nanométricas presentes em algumas ligas, já que a nucleação dessas precipitações é facilitada, porém o crescimento é lento.

3.1.3 Severa distorção da rede cristalina

Ligas que possuem apenas um elemento principal apresentam distorção da rede cristalina causada principalmente por este elemento dominante por este estar em maior quantidade. Já nas ligas HEAs não existe um elemento principal, portanto todos os elementos contribuem para uma severa distorção da rede.

Além desta diferença, é importante notar que existe diferença de tamanho entre os átomos nessas ligas. Considera-se que se esta diferença é menor que 6,6% por par de átomos, diminui-se a probabilidade de formação de segundas fases

Esta propriedade permite explicar a alta resistência em algumas ligas, além da fragilidade. (Yeh et al., 2013).

3.1.4 Efeito coquetel

As propriedades da liga podem ser ajustadas a partir da sua mudança da composição dos seus elementos. Ou seja, o efeito coquetel explica que se alterando a quantidade de certo elemento na liga, pode existir uma mudança de propriedade, como é visto na literatura o caso da quantidade de alumínio e sua relação com a dureza em ligas de alta entropia. (Ranganathan., 2003).

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3.2 A liga FeCoNi(CuAl)

x

Devido às características das ligas de alta entropia, previamente descritas, estas apresentam potencial para serem utilizadas em aplicações como turbinas de avião, resistores finos, produtos eletrônicos em geral, entre outros produtos. Porém, a aplicação dessa categoria de ligas ainda não é uma realidade, está predominantemente no campo teórico. Para a efetiva aplicação é necessário primeiro determinar as reais propriedades desses materiais, para então identificar os nichos de aplicações.

Existem dois principais motivos geradores de estudos da HEA FeCoNi(CuAl)x. O primeiro seria

que esta combinação de elementos pode formar uma liga com valor razoavelmente alto de magnetização de saturação. Já o segundo motivo diz respeito à possibilidade de controlar a proporção entre as fases que se formam no material a partir da modificação das quantidades de Cu e Al. (Lu et al., 2014). O aumento das quantidades de Cu pode promover a formação de fases CFC melhorando então a ductilidade do material, porém prejudica seu limite de escoamento. Por outro lado, o Al pode melhorar o limite de escoamento, porém prejudica a ductilidade.

3.2.1 Propriedades magnéticas nas ligas FeCoNi(CuAl)x

Zhang et al. realizaram experimentos utilizando variações de x entre 0 - 1,2 em razões molares e demonstraram que existe uma correlação entre a saturação de magnetização Ms e a composição da liga (as cast). Conforme as proporções de x aumentam, a saturação de magnetização diminui, o que era esperado, já que a proporção de elementos não magnéticos na liga (Al sendo paramagnético e Cu sendo diamagnético) aumentam com x.

Para composição de 0 < x < 0,6 a liga resultante apresentou-se monofásica com estrutura cúbica de face centrada (CFC), transformando-se em cúbica de corpo centrado (CCC) combinada com pequenas fases CFC para composições de 0,9 < x < 1,2. Para a liga de composição deste trabalho, com x = 0,8 observou-se um grande número de nanoprecipitados CFC ricos em cobre dispersos na matriz CCC.

As estruturas resultantes do estudo de Zhang et al. foram fases dendríticas (D) e interdendríticas (ID), tanto para as ligas as cast como para as tratadas termicamente. Sendo CFC a estrutura D enquanto a ID é CCC. Observou-se também que conforme se aumenta a temperatura de

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recozimento há um aumento da fração volumétrica da fase CCC e uma diminuição proporcional da fase CFC.

Pelos resultados de medida de composição a fase ID é mais rica em Al e por isso apresenta um tom cinza mais escuro, já que o Al é um elemento mais leve que os outros componentes. Já a fase D é mais pobre em alumínio e apresenta uma tonalidade cinza mais clara.

3.3 Materiais Ferromagnéticos

Materiais ferromagnéticos (FM), quando expostos à presença de um campo magnético se imantam fortemente, fazendo com que muitas vezes o campo magnético do material acaba sendo muito maior que o próprio campo aplicado a ele. São materiais ferromagnéticos elementares: o ferro, níquel, cobalto, algumas terras raras e algumas de suas respectivas ligas. Os outros três principais tipos de magnetismo: paramagnetismo, diamagnetismo e antiferromagnetismo são formas de magnetismo que respondem fracamente a campos magnéticos, sendo que as forças resultantes são tão fracas que conseguem ser detectadas somente por instrumentos em laboratórios.

Além dos tipos de magnetismos citados também existe o ferrimagnetismo, que se diferencia do ferromagnetismo na questão de orientação dos momentos magnéticos. Enquanto os materiais ferromagnéticos apresentam momentos magnéticos todos alinhados, Figura 1, os ferrimagnéticos apresentam alguns momentos magnéticos em direção oposta Figura 2, mas de intensidades diferentes, de forma que há um momento magnético líquido não nulo em uma dada direção.

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Figura 1 - Momentos Magnéticos (ferromagnético)

Fonte: Adaptado Callister (2014).

Figura 2 - Momentos Magnéticos (ferrimagnético)

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3.3.1 Domínios magnéticos e Histerese

Momentos magnéticos são agrupados em domínios magnéticos dentro do material, que representam áreas com momentos alinhados, essa diferença de direções resulta numa menor energia do material e por isso é mais estável. Dentro de cada domínio a magnetização de saturação é máxima, e o limite de cada domínio é delimitado por paredes de domínios que representa justamente a transição na direção destes momentos.

A histerese é um fenômeno que ocorre em materiais com comportamento FM. Trata-se do fato que ao se aplicar um campo magnético a um material FM há mudanças da magnetização, sendo que estas mudanças podem ser reversíveis ou irreversíveis. As mudanças reversíveis ocorrem com a aplicação de campos magnéticos de baixa intensidade, onde o material consegue retornar ao seu estado magnético inicial, desmagnetizado, após a retirada do campo. Já as mudanças irreversíveis ocorrem quando é aplicado um campo de alta intensidade, de forma que o material não retorna ao estado magnético inicial se o campo é diminuído até o valor nulo.

Estes ciclos de magnetização podem ser ilustrados pela curva de histerese mostrada na Figura 3.

Fonte: Adaptado de Callister ( 2014)

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Com o aumento da densidade de fluxo magnético (B) aplicado a um material FM até a saturação e sua seguida diminuição faz com que o campo H também diminua, porém, quando H atinge a corrente zero existe ainda a densidade de fluxo remanescente Br, ou seja, o material está

imantado. O único modo de zerar o campo B é se aplicando um campo negativo (no sentido contrário ao aplicado anteriormente) Hc chamado de força coercitiva. Caso essa força continue

sendo aumentada o material fica magnetizado com polaridade oposta.

3.3.2 A magnetostricção

Foi descoberta em 1840 por James P. Joule, que constatou que ocorria uma deformação de uma amostra de ferro que estava sujeita a um campo magnético. Posteriormente este efeito foi denominado de efeito Joule. As primeiras aplicações relacionadas ao fenômeno da magnetostricção foram com receptores de telefone, osciladores dentre outros equipamentos. O fenômeno da magnetostricção acontece somente em materiais ferromagnéticos e está associado à movimentação das paredes de domínios existentes nesses materiais. O fenômeno é tal que se expostos a um campo magnético em temperatura constante, podem dilatar ou contrair, mudando sua forma.

Considerando-se uma barra cilíndrica com campo magnético aplicado na direção do comprimento, para uma magnetostricção positiva ocorre o alongamento do material, por sua vez, quando é negativa o comprimento do material diminui, aumentando então o seu diâmetro.

É entendido hoje que a mudança do tamanho dos materiais na magnetostricção está associada há existência da anisotropia magnetocristalina e da interação spin-órbita. Esta anisotropia significa que é mais fácil magnetizar o material em determinadas direções e difícil em outras. Outra forma de definir seria que um material ferromagnético tem esse tipo de anisotropia quando são necessárias diferentes quantidades de energia para magnetizar o material dependendo da direção em que ele está sendo magnetizado. Logo, se um campo magnético é aplicado em determinada direção no material, os domínios magnéticos deste material tenderão a se alinhar em direção às linhas do campo para minimizar a energia livre, como diferentes direções cristalinas possuem diferentes comprimentos, esse efeito faz com que o material mude de forma. Já a interação

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spin-10

órbita, acopla o momento magnético orbital do elétron ao momento magnético de spin do mesmo. Assim, se um campo magnético é aplicado, o spin tende a se alinhar com o campo, que por sua vez estando acoplado à órbita que também tenderá a se alinhar ao campo magnético. O alinhamento do momento orbital ao campo causa a deformação da órbita. Como consequência esta deformação, que ocorre em todos os átomos gera a deformação macroscópica que é a magnetostricção.

Apenas em 1960 houve uma grande descoberta neste campo onde a magnetostricção de alguns compostos de metais de terras raras possuíam deformações magnéticas (magnetostricção) da ordem de 10.000 x 10-6, porém essas deformações são alcançadas apenas em temperaturas criogênicas.

3.3.3 Materiais inteligentes

Materiais magnetostrictivos são pertencentes a uma classe de materiais denominados inteligentes.

Materiais inteligentes consistem em estruturas que respondem às mudanças de condições externas (Kessler et al. 2003), eles transformam uma propriedade física em outra, como por exemplo um sensor de material piezoelétrico que ao sofrer deformação gera campo elétrico. Ou um material magnetostrictivo (piezomagnético) que gera um campo magnético.

Atualmente, os materiais inteligentes mais empregados são as ligas com memória de forma, os materiais piezoelétricos, os fluidos eletromagnetorreolórigos e por fim, os magnetoestrictivos.

4 Materiais e métodos

4.1 Produção dos Lingotes

4.1.1 Pesagem

Os lingotes produzidos possuem massa de 10 gramas. Para a transformação da porcentagem atômica para porcentagem mássica foi utilizada a equação (1):

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Sendo:

 Wa a massa do elemento a em gramas.

 Xa,b,c,d ou e fornece a composição em atômico dos elementos a, b, c, d e e.

 Ma,b,c,d,e é a massa atômica dos elementos a, b, c, d e e em gramas por mol.

As chapas são pesadas em balança analítica Shimadzu modelo AUX220. Para obtenção das massas adequada de cada material utiliza-se tesouras e alicates para cortar pedaços de material até chegar a valores próximos da massa ideal calculada. O erro admitido para a pesagem dos elementos foi de ± 0,0006 g.

4.1.2 Fusão

A fusão das amostras é realizada por fusão a arco voltaico, Figura 4 a 5. A fusão é realizada em atmosfera inerte (vácuo).

As correntes utilizadas são de 50A para início do arco e 100A durante 2 minutos, 200A durante 3 minutos, e 300A por 20 segundos para fusão do lingote. Após a fusão o lingote é virado 180º e o procedimento é repetido.

Figura 4 - Forno a arco voltaico

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Figura 5 - Amostra fundida

Fonte: Autor

4.1.3 Corte

O corte do lingote é feito transversalmente em formas de discos utilizando IsoMet 1000, Figura 6 e 7.

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Figura 6 - IsoMet 1000

Fonte: Autor

Figura 7 - Corte dos discos da liga

Fonte: Autor

4.2 Tratamento Térmico

O tratamento é feito a 1200ºC durante 48 horas no forno tubular Lindberg Blue M, modelo Tube Furnace. Para o tratamento a amostra é encapsulada em tubo de quartzo a vácuo.

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4.3 Metalografia

A preparação metalográfica consiste no embutimento do pedaço do lingote destinado a análise da microestrutura. Utiliza-se uma embutidora de marca Panpress-30, mostrada na Figura 8. O tempo de prensagem e cura da resina é em torno de 15 minutos, sendo que a temperatura atingida no processo é de aproximadamente 150ºC.

Figura 8 - Embutimento Panpress-30

Fonte: Autor

O lixamento das amostras após embutimento é feito utilizando-se lixas d’água de granulometria: 600, 800, 1000, 1200 e 2400. A velocidade utilizada de rotação da politriz é de 300 RPM, em todas as etapas do lixamento foi utilizado água corrente para evitar aquecimento da amostra.

4.4 MEV e EDS

A amostra foi analisada utilizando o microscópio eletrônico de varredura da marca HITACHI modelo TM3000. As análises foram feitas com os seguintes aumentos: 40x, 80x, 120x, 200x, 600x, 800x, 1200x, 2000x. Todas as imagens foram obtidas no modo elétrons retroespalhados.

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Em seguida foi feita uma análise por energia dispersiva (EDS) para verificar a composição química das fases e partículas precipitadas.

4.5 Difratometria de raios X

A análise de difração de raios X das amostras foi feito com pedaços pequenos do lingote devidamente lixados, o equipamento utilizado foi o difratômetro Empyrean da PANalytical, com radiação de molibdênio e graus de varredura de 10° a 90°.

Além do difratômetro foi utilizado o software PowderCell para analisar os picos e compara-los com os picos da estrutura Cúbica de Corpo Centrado (CCC) e Cúbica de Face Centrada (CFC).

4.6 Magnetostricção

Para as medidas de magnetostricção, foram extraídas amostras do miolo do lingote produzido e então cortado em cubos de lado variando entre 2-3,5mm. O sistema utilizado para as medidas pode ser observado na Figura 9. E consiste em uma ponte de capacitância de alta precisão para polarização e leitura de capacitância do dilatômetro, também é utilizado um sensor de platina para a medida de temperatura do dilatômetro. Enquanto a medida da tensão do sensor é feita por um multímetro. Para geração do campo magnético utiliza-se um eletroímã de cobre refrigerado à água.

Figura 9 - Sistema de medida de magnetostricção EEL/USP

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Para obtenção das medidas e cálculos da análise foram utilizados alguns programas computacionais utilizando-se MATLAB. Esses softwares são o AqMS, Figura 10, e o CalcMS, Figura 11. Eles possuem como principal função o controle e aquisição de dados dos instrumentos (AqMS) e visualização e tratamento dos dados (CalcMS).

Figura 10 - Software AqMS

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Figura 11 - Software CalcMS

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5 Resultados e discussão

5.1 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e Espectroscopia de raios

X por dispersão em energia (EDS)

Nas Figuras 12 a 16 são apresentadas as micrografias da liga FeCoNi(CuAl)0,8 no estado as cast.

Junto às Figuras 15 e 16 são apresentadas as Tabelas 1 e 2 que mostram os valores das porcentagens dos elementos presentes na liga, medidas por EDS.

Figura 12 – Micrografia, amostra as cast obtida em MEV, aumento de 400x.

Fonte: Autor

CFC CCC

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Fonte: Autor

CFC

CCC

CFC CCC

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Figura 15 – EDS as cast, fase escura. Tabela 1 - Percentual atômico as cast - CCC

Elemento Atômico % Alumínio 17.909 Ferro 19.717 Cobalto 21.140 Níquel 23.396 Cobre 17.838

Figura 16 - EDS as cast, fase clara Tabela 2 - Percentual atômico as cast fase - CFC

Elemento Atômico % Alumínio 12.435 Ferro 25.010 Cobalto 25.759 Níquel 20.161 Cobre 16.634

Analisando os resultados de MEV e EDS da HEA as cast se observa que a liga apresenta uma micrografia com duas fases principais, uma região clara e outra escura como pode ser visto nas Figuras 12, 13 e 14.

Os resultados estão de acordo com os resultados de Zhang et al (2017) e com isso podemos identificar a fase clara como sendo a fase CFC e a escura como sendo a fase CCC.

Nas Figuras 17 a 21 são apresentadas as micrografias da liga FeCoNi(CuAl)0,8 no estado

recozido a 1200°C por 48 h. Junto às Figuras 20 e 21 são apresentadas as Tabelas 3 e 4 que mostram os valores das porcentagens dos elementos de liga presentes medidas por EDS.

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Analisando-se os resultados de MEV e EDS da HEA as cast se observa que a liga recozida também apresenta uma micrografia com duas fases principais, uma região clara e outra escura. Isto pode ser visto nas Figuras 17, 18 e 19, onde a fase clara (CFC) também é mais pobre em Al que a escura (CCC). No entanto, a estrutura dendrítica desapareceu. Agora temos uma matriz com uma segunda fase secundária dispersa.

Figura 17 - Micrografia, amostra tratada termicamente obtida em MEV, aumento de 400x.

Fonte: Autor

CCC

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Fonte: Autor

CCC

CFC

CCC CFC

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Figura 20 - EDS amostra tratada termicamente, CCC . Tabela 3 - Percentual atômico amostra tratada termicamente, CCC. Elemento Atômico % Alumínio 20.708 Ferro 18.605 Cobalto 20.200 Níquel 22.935 Cobre 17.553

Figura 21 - EDS amostra tratada termicamente, CFC. Tabela 4 - Percentual atômico amostra tratada termicamente, CFC. Elemento Atômico % Alumínio 12.565 Ferro 24.329 Cobalto 22.598 Níquel 19.702 Cobre 20.805

Tabela 5 - Composição da liga FeCoNi(CuAl)0.8 nos estados as cast e recozido

Alloy Região Fe Co Ni Cu Al

As cast D (clara) 25,0 25,8 20,2 16,6 12,4

ID(escura) 19,7 21,1 23,4 17,8 17,9

Recozido Matriz (clara) 24,3 22,6 19,7 20,8 12,6

Segunda fase (escura) 18,6 20,2 22,9 17,5 20,7

Dos resultados de composição para as amostras recozidas observa-se que a fase CFC (matriz, mais clara) teve um empobrecimento de Ni e em menor proporção de Fe e Co e o enriquecimento de Cu. Já a fase CCC (segunda fase, mais escura) enriqueceu em Al e teve uma pequena diminuição de Fe e Co, como pode ser verificado na Tabela 5.

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5.2 Difratometria de raios X (DRX)

As Figuras 22 a 23 mostram os padrões de difração obtidos para a liga FeCoNi(CuAl)0,8 nos

estados as cast e recozido a 1200°C por 48 h, respectivamente.

Figura 22 - DRX liga As Cast.

20

25

30

35

40

45

50

55

60 CCC

?

o

_*

_o

o

*

Int

en

sid

ad

e (u.a)

2 

o

_{as cast}

o

CFC

*

Fonte: Autor

(36)

Figura 23 - DRX liga tratada termicamente 20 25 30 35 40 45 50 55 60

CCC

o

CFC

*

?

o

_o

o

*

o

*

Int

en

sid

ad

e (u.a)

2 

o

recozida

Fonte: Autor

Comparando-se os difratogramas das ligas as cast e recozida, primeiramente observa-se que os picos obtidos para a liga recozida são muito mais estreitos que para a liga as cast, sugerindo que possa haver menos distorções da rede neste caso. Além disso, para a liga as cast há um pico não identificado (identificado com “?”) em 2 ~ 16,5º que desapareceu na liga recozida. Já na liga recozida há um pico não identificado para 2 ~ 24º, que não aparece na liga as cast. Dois picos existentes na liga as cast em 2 ~ 34º e 2 ~ 54º desapareceram na liga recozida e estão indicados com setas vermelhas .

Utilizando-se o Programa de acesso livre PowderCell (PowderCell, 2000), foi possível identificar que as fases majoritárias nas ligas são as fases CFC e CCC, estando de acordo com os resultados obtidos por MEV/EDS e (Zhang et al, 2017). O refinamento feito utilizando-se o mesmo programa e resultou que na amostra as cast a fase CFC ocupa uma fração volumétrica de 0,797 enquanto que a CCC ocupa a fração de 0,203. Os resultados mostram que na amostra

(37)

26

recozida houve uma diminuição da fração volumétrica da fase CFC para 0,529 e consequente aumento da fração da fase CCC para 0,471.

Com relação aos parâmetros de rede, para a fase CFC houve uma diminuição do parâmetro de rede de 3,6720 Å para 3,6599 Å. Enquanto que a fase CCC teve um aumento do parâmetro de rede de 2,9195 Å para 3,0060 Å.

5.3 Magnetização

As medidas de magnetização da liga não foram realizadas neste trabalho, porém, será exposto aqui os resultados esperados, a partir do paper de Zhang et al. (2017) que estudou, dentre outros pontos, a magnetização de saturação da liga deste trabalho, variando-se a composição de Cu e Al em x = 0-1,2.

Na Figura 24 é apresentada a curva de magnetização de saturação Ms da liga as cast FeCoNi(CuAl)x com x variando de 0 até 1,2.

(38)

Figura 24 - Magnetização de saturação Ms da liga as cast FeCoNi(CuAl)x (x=0-1,2)

Fonte: Adaptado de Zhang et al. (2017)

Como é possível observar na Figura 24, Ms tende a decrescer de x = 0 à x = 1,2, isso é o esperado, uma vez que a proporção de elementos não magnéticos na liga (Cu e Al) aumenta com x. No entanto, um pequeno aumento é observado para x > 0,8 se comparado com a tendência da curva, indicada pela linha pontilhada. Mais curioso é que a magnetização de saturação está aumentando quando a concentração de átomos magnéticos, Fe, Co e Ni está diminuindo, pois Cu e Al estão aumentando.

Zhang et al. (2017) também estudou a Ms da liga FeCoNi(CuAl)x variando-se a temperatura de

tratamento térmico da liga e os resultados para as temperaturas de 300°C, 400°C e 500°C (573, 673 e 673 K). Podem ser verificados na Figura 25.

(39)

28

Figura 245 - Magnetização de saturação da liga as cast e tratada termicamente (573 a 673 K) FeCoNi(CuAl)x (x=0-1,2)

Fonte: Adaptado de Zhang et al. (2017)

É observado que o tratamento térmico quase não afeta as propriedades magnéticas da liga para x ≤ 0,6. Porém no intervalo de 0,7 ≤ x ≤ 0,9 há um aumento em Ms, aumentando de 78,9 Am²/kg

(as cast) para 93,1 Am²/kg para as temperaturas de recozimento de 450 °C e 500 °C (623 e 673 K). Esse resultado está certamente associado à variação da fração volumétrica das fases CCC que aumenta após o tratamento térmico e a CFC diminui. Esse resultado sugere que a fase CCC possui uma magnetização saturação maior que a fase CFC.

5.4 Magnetostricção

Para as ligas as cast e tratada termicamente, as curvas obtidas na magnetostricção linear nas direções longitudinal e transversal em função do campo magnético, podem ser conferidas nas Figuras 26 e 27.

(40)

Figura 256 - Magnetostricção liga as cast (AC).

-1.2 -0.9 -0.6 -0.3 0.0 0.3 0.6 0.9 1.2

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

AC _total

(@1T) = - 8 ppm



_trans

M

a

g

n

e

to

st

ric

çم

o

(

p

m

)



₀

H (T)



_long FeCoNi(CuAl)_0,8 Fonte: Autor

Figura 267 - Magnetostricção liga tratada termicamente (TT).

-1.2 -0.9 -0.6 -0.3 0.0 0.3 0.6 0.9 1.2

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

TT _total

(@1T) = -13 ppm



_trans

M

a

g

n

e

to

st

ric

çم

o

(

p

m

)



₀

H (T)



_long FeCoNi(CuAl)_0,8 Fonte: Autor

(41)

30

Para termos de comparação foi definido como referência o campo de 1 Tesla. Onde, para a liga as cast, houve uma magnetostricção de 6 ppm na direção transversal e de -2 ppm na direção longitudinal, resultando numa magnetostricção total (λL – λT) de -8 ppm. Enquanto na liga

tratada termicamente os valores para direção transversal e longitudinal foram respectivamente 9 ppm e -4 ppm, atingindo uma magnetostricção total de -13 ppm, uma diferença de 38% em relação a liga as cast. Estes resultados demonstram a existência de uma diferença no magnetismo das fases CCC e CFC, conforme já conhecido dos resultados de magnetização. Onde a fase CCC deve apresentar maior valor de magnetostricção, já que este valor aumentou quando a fração volumétrica da fase em questão aumentou na liga duplex. Ainda podemos argumentar que a fase CCC provavelmente tenha uma maior anisotropia magnética e/ou maior acoplamento spin-órbita que a fase CFC.

6 Conclusões

A partir dos resultados obtidos com os experimentos podem-se estabelecer as seguintes conclusões:

A liga de alta entropia FeCoNi(CuAl)0,8 as cast apresenta uma micrografia com duas fases

principais, uma região clara dendrítica, CFC e mais pobre em Al, e outra escura, interdendrítica e CCC. A HEA recozida também possui duas fases, porém, sem estrutura dendrítica, apresentando uma matriz clara com segunda fase escura dispersa.

A partir do trabalho de Zhang et al. (2017) verificou-se que para a HEA as cast estudada, em concentrações de Cu e Al com x ≥ 0,8, comparando-se com a curva de tendência, ocorre um pequeno aumento da magnetização de saturação, mesmo que a concentração dos átomos magnéticos Fe, Co e Ni esteja diminuindo. Já para a liga recozida, com as temperaturas de 623 e 673 K observou-se que para composições de Cu e Al menores que 0,6 quase não houve mudança nas propriedades magnéticas, já para 0,7 ≤ x ≤ 0,9 há aumento de Ms, aumentando de 78,9

Am²/kg (as cast) para 93,1 Am²/kg. Sugerindo que a fase CCC possui uma magnetização de saturação maior que a fase CFC uma vez que a fração volumétrica da primeira aumenta após o recozimento.

Para um campo de 1 Tesla houve, para a liga as cast, uma magnetostricção de 6 ppm na direção transversal e de -2 ppm na direção longitudinal, atingindo uma magnetostricção total de -8 ppm. Já para a liga recozida esses valores foram de 9 ppm e -13 ppm para as magnetostricções

(42)

transversal e longitudinal, respectivamente, resultando numa magnetostricção total de -13 ppm. Esses resultados sugerem que a fase CCC deve apresentar uma maior magnetostricção em relação a CFC, uma vez que sua fração volumétrica aumentou no recozimento.

Apesar dos resultados, ainda é importante realizar novos testes na liga estudada, como o teste de magnetização e também estudar as propriedades mecânicas da liga. Para que após este estudo mais completo envolvendo diversas propriedades da liga, seja possível encontrar a aplicação mais adequada.

(43)

32

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