FERNANDO MARACCINI RABECHINI
INFLUÊNCIA DO ENCRUAMENTO E DO TEMPO DE ENVELHECIMENTO A
850°C NA MICROESTRUTURA DO AÇO UNS S31803
Relatório
final
Universitário
da
apresentado
FEI,
ao
como
Centro
parte
dos
requisitos estabelecidos pelo Programa de
Bolsas
de
orientado
Iniciação
pelo
Magnabosco.
São Bernardo do Campo
2010
Científica
professor
Dr.
(PBIC),
Rodrigo
RESUMO
A formação da fase sigma nos aços inoxidáveis dúplex UNS S31803 é prejudicial,
pois compromete as propriedades mecânicas e resistência à corrosão no aço. O objetivo deste
trabalho é estudar a formação desta fase em diferentes tempos de envelhecimento e diferentes
graus de encruamentos, a 850ºC já que nesta temperatura a cinética de transformação é mais
acentuada. A partir do material solubilizado foram feitas quatro séries de amostras com
diferentes deformações: 0%, 10%, 30% e 80% de encruamento. Em seguida o material foi
envelhecido a 850ºC por 6 tempos que variaram de 10 minutos até 96 horas. A fração de
ferrita foi determinada com medições com o auxílio de um ferritoscópio, enquanto a fração de
fase sigma foi determinada por estereologia quantitativa após o ataque eletrolítico em solução
de KOH. Após as medições foi possível concluir que a formação da fase sigma será maior
quanto maiores forem o tempo de envelhecimento e a porcentagem de encruamento.
Palavras-chave: Aço inoxidável dúplex, fase sigma, encruamento, transformação de
fases.
LISTA DE TABELAS
TABELA 1. Fração volumétrica das fases em função do tratamento térmico..................... 17
TABELA 2. Composição química (% em massa) do aço UNS S31803.............................. 21
TABELA 3. Fração volumétrica das fases em função do tratamento térmico, com 0% de
encruamento.........................................................................................................................
43
TABELA 4. Fração volumétrica das fases em função do tratamento térmico, com 10%
de encruamento....................................................................................................................
43
TABELA 5. Fração volumétrica das fases em função do tratamento térmico, com 30%
de encruamento....................................................................................................................
44
TABELA 6. Fração volumétrica das fases em função do tratamento térmico, com 80%
de encruamento....................................................................................................................
44
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1. Seção isotérmica a 1200ºC do ternário Fe-Cr-Ni.............................................
14
FIGURA 2. Seção isotérmica a 1100ºC do ternário Fe-Cr-Ni.............................................
14
FIGURA 3. Seção isotérmica a 900ºC do ternário Fe-Cr-Ni............................................... 15
FIGURA 4. Morfologia da fase sigma correspondente às temperaturas de solubilização
de: (a) 750ºC; (b) 850ºC.......................................................................................................
17
FIGURA 5. Fração das fases sigma, ferrita e austenita, obtidas através de
envelhecimento isotérmico à 800ºC.....................................................................................
18
FIGURA 6. Diagrama TTP para o aço UNS S31803..........................................................
19
FIGURA 7. Curva de fração volumétrica de sigma em função do tempo e da temperatura
de envelhecimento do aço UNS S31803..............................................................................
19
FIGURA 8. Efeito do trabalho a frio na formação da fase sigma no aço inoxidável 310
envelhecido a 800ºC............................................................................................................. 20
FIGURA 9. Laminador do CDMatM - FEI.........................................................................
22
FIGURA 10. Amostras amarradas.......................................................................................
22
FIGURA 11. Fornos tubulares do CDMatM - FEI usados para envelhecimento das
amostras................................................................................................................................ 23
FIGURA 12. Máquina de corte MESOTOM, do CDMatM - FEI.......................................
23
FIGURA 13. Equipamento de embutimento semi-automático TECHPRESS 2 ALLIED...............................................................................................................................
24
FIGURA 14. Amostras embutidas.......................................................................................
24
FIGURA 15. Equipamento de polimento semi-automático Struers Abramin.....................
25
FIGURA 16. Equipamento de ataque eletrolítico STRUERS LECTROPOL-5..................
26
FIGURA 17. Microscópio LEICA DMLM.........................................................................
26
FIGURA 18. Ferritoscópio FISCHER MP30......................................................................
27
FIGURA 19. Amostra solubilizada com 0% de deformação. Ataque: Ácido Oxálico
10%......................................................................................................................................
28
FIGURA 20. Amostra solubilizada com 10% de deformação. Ataque: Ácido Oxálico
10%......................................................................................................................................
29
FIGURA 21. Amostra solubilizada com 30% de deformação. Ataque: Ácido Oxálico
10%......................................................................................................................................
29
FIGURA 22. Amostra solubilizada com 80% de deformação. Ataque: Ácido Oxálico
10%......................................................................................................................................
30
FIGURA 23. Microestrutura da amostra envelhecida durante 10 minutos a 850°C, com
0% de deformação. Ataque: KOH........................................................................................ 31
FIGURA 24. Microestrutura da amostra envelhecida durante 10 minutos a 850°C, com
10% de deformação. Ataque: KOH...................................................................................... 31
FIGURA 25. Microestrutura da amostra envelhecida durante 10 minutos a 850°C, com
30% de deformação. Ataque: KOH...................................................................................... 32
FIGURA 26. Microestrutura da amostra envelhecida durante 10 minutos a 850°C, com
80% de deformação. Ataque: KOH...................................................................................... 32
FIGURA 27. Microestrutura da amostra envelhecida durante 30 minutos a 850°C, com
0% de deformação. Ataque: KOH........................................................................................ 33
FIGURA 28. Microestrutura da amostra envelhecida durante 30 minutos a 850°C, com
10% de deformação. Ataque: KOH...................................................................................... 33
FIGURA 29. Microestrutura da amostra envelhecida durante 30 minutos a 850°C, com
30% de deformação. Ataque: KOH...................................................................................... 34
FIGURA 30. Microestrutura da amostra envelhecida durante 30 minutos a 850°C, com
80% de deformação. Ataque: KOH...................................................................................... 34
FIGURA 31. Microestrutura da amostra envelhecida durante 1 hora a 850°C, com 0%
de deformação. Ataque: KOH..............................................................................................
35
FIGURA 32. Microestrutura da amostra envelhecida durante 1 hora a 850°C, com 10%
de deformação. Ataque: KOH..............................................................................................
35
FIGURA 33. Microestrutura da amostra envelhecida durante 1 hora a 850°C, com 30%
de deformação. Ataque: KOH..............................................................................................
36
FIGURA 34. Microestrutura da amostra envelhecida durante 1 hora a 850°C, com 80%
de deformação. Ataque: KOH..............................................................................................
FIGURA 35. Microestrutura da amostra envelhecida durante 5 horas a 850°C, com 0%
36
de deformação. Ataque: KOH..............................................................................................
37
FIGURA 36. Microestrutura da amostra envelhecida durante 5 horas a 850°C, com 10%
de deformação. Ataque: KOH..............................................................................................
37
FIGURA 37. Microestrutura da amostra envelhecida durante 5 horas a 850°C, com 30%
de deformação. Ataque: KOH..............................................................................................
38
FIGURA 38. Microestrutura da amostra envelhecida durante 5 horas a 850°C, com 80%
de deformação. Ataque: KOH..............................................................................................
38
FIGURA 39. Microestrutura da amostra envelhecida durante 24 horas a 850°C, com 0%
de deformação. Ataque: KOH..............................................................................................
39
FIGURA 40. Microestrutura da amostra envelhecida durante 24 horas a 850°C, com
10% de deformação. Ataque: KOH...................................................................................... 39
FIGURA 41. Microestrutura da amostra envelhecida durante 24 horas a 850°C, com
30% de deformação. Ataque: KOH...................................................................................... 40
FIGURA 42. Microestrutura da amostra envelhecida durante 24 horas a 850°C, com
80% de deformação. Ataque: KOH...................................................................................... 40
FIGURA 43. Microestrutura da amostra envelhecida durante 96 horas a 850°C, com 0%
de deformação. Ataque: KOH..............................................................................................
41
FIGURA 44. Microestrutura da amostra envelhecida durante 96 horas a 850°C, com
10% de deformação. Ataque: KOH...................................................................................... 41
FIGURA 45. Microestrutura da amostra envelhecida durante 96 horas a 850°C, com
30% de deformação. Ataque: KOH...................................................................................... 42
FIGURA 46. Microestrutura da amostra envelhecida durante 96 horas a 850°C, com
80% de deformação. Ataque: KOH...................................................................................... 42
LISTA DE GRÁFICOS
GRÁFICO 1. Fração volumétrica de ferrita em função da deformação a frio para
amostras apenas solubilizadas.............................................................................................. 45
GRÁFICO 2. Fração volumétrica de ferrita em função do tempo de envelhecimento a
850º com 0% de deformação. No retângulo vermelho, pode-se ver a fração volumétrica
de ferrita antes do envelhecimento....................................................................................... 46
GRÁFICO 3. Fração volumétrica de ferrita em função do tempo de envelhecimento a
850º com 10% de deformação. No retângulo vermelho, pode-se ver a fração volumétrica
de ferrita antes do envelhecimento....................................................................................... 46
GRÁFICO 4. Fração volumétrica de ferrita em função do tempo de envelhecimento a
850º com 30% de deformação. No retângulo vermelho, pode-se ver a fração volumétrica
de ferrita antes do envelhecimento....................................................................................... 47
GRÁFICO 5. Fração volumétrica de ferrita em função do tempo de envelhecimento a
850º com 80% de deformação. No retângulo vermelho, pode-se ver a fração volumétrica
de ferrita antes do envelhecimento....................................................................................... 47
GRÁFICO 6. Fração volumétrica de sigma em função do tempo de envelhecimento a
850º com 0% de deformação................................................................................................ 48
GRÁFICO 7. Fração volumétrica de sigma em função do tempo de envelhecimento a
850º com 10% de deformação.............................................................................................. 49
GRÁFICO 8. Fração volumétrica de sigma em função do tempo de envelhecimento a
850º com 30% de deformação.............................................................................................. 49
GRÁFICO 9. Fração volumétrica de sigma em função do tempo de envelhecimento a
850º com 80% de deformação.............................................................................................. 50
GRÁFICO 10. Fração volumétrica de sigma em função do tempo de envelhecimento a
850º para todas as deformações...........................................................................................
51
GRÁFICO 11. Fração volumétrica de sigma e ferrita em função do tempo de
envelhecimento a 850º com 0% de deformação................................................................... 52
GRÁFICO 12. Fração volumétrica de sigma e ferrita em função do tempo de
envelhecimento a 850º com 10% de deformação.................................................................
52
GRÁFICO 13. Fração volumétrica de sigma e ferrita em função do tempo de
envelhecimento a 850º com 30% de deformação................................................................. 53
GRÁFICO 14. Fração volumétrica de sigma e ferrita em função do tempo de
envelhecimento a 850º com 80% de deformação................................................................. 53
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO...............................................................................................................
11
2 OBJETIVO......................................................................................................................
12
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA.......................................................................................
13
3.1 Aços Inoxidáveis...........................................................................................................
13
3.2 Aços Inoxidáveis Dúplex..............................................................................................
13
3.2.1 Metalurgia física.......................................................................................................... 13
3.3 Fase Sigma e sua cinética de formação......................................................................
15
3.4 Fase Sigma em função do encruamento.....................................................................
20
4 METODOLOGIA...........................................................................................................
21
4.1 Preparação do material em estudo.............................................................................
21
4.2 Caracterização microestrutural..................................................................................
25
5 RESULTADOS................................................................................................................
28
5.1 Micrografias das amostras solubilizadas...................................................................
28
5.2 Micrografias das amostras envelhecidas a 850ºC...................................................... 30
5.3 Caracterização quantitativa da microestrutura........................................................ 43
6 DISCUSSÃO DOS RESULTADOS............................................................................... 45
6.1 Fração volumétrica de ferrita.....................................................................................
45
6.2 Fração volumétrica de sigma......................................................................................
48
6.3 Comparação entre o crescimento de sigma e a queda de ferrita.............................
51
7 CONCLUSÕES ..............................................................................................................
54
REFERÊNCIAS.................................................................................................................
55
11
1 INTRODUÇÃO
Os aços inoxidáveis dúplex são ligas que combinam as microestruturas dos aços
austeníticos e ferríticos, tendo altas resistência mecânica e resistência à corrosão. Constituídos
geralmente pela mesma fração volumétrica de austenita e ferrita, eles vêm sendo muito
utilizados nas indústrias de papel e celulose (NORDSTRÖM, RUNG, 1995), petrolíferas,
químicas, de geração de energia, entre outras (SEDRIKS, 1996).
Dentre esses aços, o UNS S31803 tem composição química 22% Cr - 5% Ni - 3% Mo
- 0,15% N – 0,02% C (ECKENROD, PINNOW, 1984) e apresenta limite de escoamento
próximo de 515 MPa (praticamente o dobro do encontrado em aços inoxidáveis austeníticos
como os AISI 304 e 316 (ECKENROD, PINNOW, 1984)), alta tenacidade e uma boa
resistência à corrosão, devido ao baixo teor de carbono e à grande concentração de cromo, que
é responsável por criar em sua superfície uma camada protetora, chamada de película passiva,
formada graças a reação do cromo com o oxigênio da atmosfera.
Apesar das boas propriedades mecânicas, durante o envelhecimento isotérmico do
material, pode ocorrer a precipitação de fases indesejáveis, sendo a principal delas a sigma
(σ), que se forma nas interfaces ferrita/ferrita ou ferrita/austenita. Tal precipitação pode ser
resultado da transformação eutetóide da fase ferrita (POHL, STORZ, GLOGOWSKI, 2007),
além de outras possíveis reações, que serão abordadas posteriormente, afetando as
propriedades mecânicas e principalmente a resistência à corrosão.
Estudo realizado (MAGNABOSCO, DONATO, GERZELY, 2003), mostra que
quanto maior a temperatura de envelhecimento, maior a porcentagem de fase sigma, e que
entre 700°C e 900°C, ela se forma por precipitação direta a partir da ferrita. Além disso, a
porcentagem de sigma no aço pode variar também em função do tempo de envelhecimento e
do grau de encruamento, sendo que quanto maiores forem essas duas grandezas, maior será a
porcentagem de fase sigma, deixando o material mais duro e frágil.
12
2 OBJETIVO
Este projeto visa estudar as influências do tempo de envelhecimento e grau de
encruamento na formação da fase sigma do aço UNS S31803 à 850°C, analisando as
diferentes microestruturas resultantes e a cinética de formação das microestruturas.
13
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 Aços Inoxidáveis
Aços inoxidáveis são aços onde o elemento de liga predominante é o cromo, sendo
que a concentração mínima de cromo para que o aço seja considerado inoxidável corresponde
a 11% em solução sólida (SEDRIKS, 1996).
A principal característica de um aço inoxidável é apresentar grande resistência à
corrosão, pois o cromo cria uma película passiva na superfície do metal, protegendo-o do
meio corrosivo. Essa resistência ainda pode ser aumentada se forem adicionados ao aço
inoxidável, níquel, molibdênio e nitrogênio.
3.2 Aços Inoxidáveis Dúplex
Os aços inoxidáveis dúplex são geralmente constituídos da mesma fração de ferrita e
austenita. A estrutura em média tem 40 a 45% de ferrita e 55 a 60% de austenita, obtidas após
solubilização entre 1000ºC e 1200ºC e resfriamento brusco (MAGNABOSCO, 2001). Esses
aços são produzidos através do sistema AOD (descarburação por sopro combinado de
oxigênio e argônio) e portanto, apresentam baixo teor de carbono (SEDRIKS, 1996).
Um dos problemas dos aços inoxidáveis dúplex é que a presença do cromo e do
molibdênio promovem a formação de uma fase prejudicial ao aço, a fase sigma, que diminui
tanto as propriedades mecânicas quanto a resistência a corrosão.
3.2.1 Metalurgia física
Os aços inoxidáveis têm como principais elementos ferro, níquel e cromo, assim, pode
se estudar a metalurgia física destes aços através de um diagrama de equilíbrio ternário Fe-CrNi. Nas Figuras 1 e 2 observa-se que existem composições onde existe tanto ferrita quanto
austenita, sendo possível a formação da estrutura dúplex. Também é possível notar que quanto
menor a temperatura, maior o campo de equilíbrio entre essas duas fases.
14
Figura 1. Seção isotérmica a 1200ºC do ternário Fe-Cr-Ni (RAYNOR e RIVLIN,
1988).
Figura 2. Seção isotérmica a 1100ºC do ternário Fe-Cr-Ni (RAYNOR e RIVLIN,
1988).
15
Se a composição de uma liga estiver dentro do campo bifásico, tratando-se esta liga
isotermicamente entre 1020 e 1120ºC, e em seguida resfriamento rápido (VAROL,
BAESLACK III, 1989), a estrutura dúplex pode se formar.
A formação de fase sigma ocorre entre 600 e 1000ºC nos aços inoxidáveis dúplex
(POHL, STORZ, GLOGOWSKI, 2007), na Figura 3 apresenta-se a seção isotérmica a 900ºC
do ternário Fe-Cr-Ni, mostrando a fase sigma.
Figura 3. Seção isotérmica a 900ºC do ternário Fe-Cr-Ni (RAYNOR e RIVLIN,
1988).
3.3 Fase Sigma e sua cinética de formação
A fase sigma foi caracterizada pela primeira vez por volta de 1927 quando Bain e
Griffiths estudavam o ternário Fe-Cr-Ni (HALL, ALGIE, 1966), e na época a denominaram
"B" (“brittleness”, fragilidade) devido a grande fragilidade e elevada dureza. Essa fase tem
uma estrutura tetragonal complexa com 30 átomos por célula unitária (SEDRIKS, 1996), não
é magnética à temperatura ambiente e sua presença nos aços é prejudicial, pois ela
compromete tanto a resistência à corrosão, quanto algumas propriedades mecânicas, como a
tenacidade (BRANDI, PADILHA, 1990) e o alongamento.
A formação de fase sigma se dá à partir de três mecanismos (MAGNABOSCO, 2009):
16
- Nucleação e crescimento a partir da ferrita.
- Decomposição eutetóide da ferrita gerando austenita empobrecida em cromo e
molibdênio.
- Crescimento a partir da austenita após o total consumo de ferrita.
O crescimento da fase começará na ferrita, já que essa fase apresenta maiores
concentrações de cromo e molibdênio (NILSSON, 1992; HALL, ALGIE, 1966), principais
elementos formadores de sigma. A difusão do molibdênio é lenta quando comparada a do
cromo, sendo assim, o molibdênio pode ser considerado o responsável pelo controle da
formação de sigma (SIEURIN, SANDSTRÖM, 2007). De modo mais detalhado, existem
quatro maneiras de se formar sigma à partir de ferrita nos aços inoxidáveis dúplex (BRANDI,
PADILHA, 1990):
1. precipitação contínua (+ empobrecida em cromo e molibdênio);
2. precipitação descontínua (+ empobrecida em cromo e molibdênio);
3. eutetóide lamelar (+ nova);
4. eutetóide divorciado (+ nova).
Em 2 e 3 há a formação de sigma com morfologia lamelar e em 1 e 4 sigma com
morfologia maciça, de partículas isoladas. Esta última morfologia se dá quando a sigma é
formada em torno de 900ºC, enquanto a morfologia lamelar acontece quando a formação é
entre 700 e 800ºC; nesse quatro mecanismos, forma-se também austenita nova ou, austenita
secundária (BARBOSA, MORI, SOUZA, 1976) (BRANDI, PADILHA, 1990).
A formação de sigma é majoritariamente dada pelo consumo da ferrita, já que a fração
volumétrica de ferrita diminui com o aumento do envelhecimento (MAEHARA, OHMORI,
MURAYAMA, 1983; THORVALDSSON, ERIKSSON, KUTKA, 1984; BRANDI,
PADILHA, 1990); ocorre ainda a formação a partir da austenita, após o consumo total da
ferrita por decomposição eutetóide ou precipitação, que acontece depois de aproximadamente
9 horas de envelhecimento à 850ºC no o aço UNS S31803, ocasionando o aumento de sigma a
partir da austenita, evidenciado pelo aumento de dureza do aço UNS S31803 à 850ºC
(THORVALDSSON, ERIKSSON, KUTKA, 1984).
Em estudo realizado com o aço UNS S31803, Pohl, Storz e Glogowski (2007),
disseram que a 750ºC a fase sigma possui estrutura descontínua, Figura 4a, provavelmente
associada à precipitação descontínua, e acontece devido a baixa taxa de difusão e ao alto
número de núcleos no início da formação. Essa estrutura pode ser facilmente confundida com
17
a morfologia lamelar, oriunda da decomposição eutetóide da ferrita. Já em 850ºC, a sigma
apresenta uma estrutura mais compacta, Figura 4b, devido a alta taxa de difusão nesta
temperatura e a menor taxa de nucleação.
Figura 4. Morfologia da fase sigma correspondente às temperaturas de solubilização de: (a) 750ºC; (b) 850ºC
(POHL, STORZ, GLOGLWSKY, 2007).
Na tabela 1 pode se confirmar o que foi dito anteriormente. No material solubilizado,
não existe fase sigma. Então, iniciou-se um tratamento térmico à 850ºC e nas primeiras 5
horas o aparecimento da fase sigma foi muito grande, crescendo à partir da ferrita que nesse
primeiro intervalo decaiu muito. Quando se atinge 100 horas de tratamento, já não existe mais
ferrita, foi toda consumida, e à partir desse ponto a sigma passa a se formar a partir da
austenita.
Tabela 1. Fração volumétrica das fases em função do tratamento térmico:
Tratamento térmico
Fração volumétrica
Fração volumétrica
Fração volumétrica
de ferrita (%)
de sigma (%)
de austenita (%)
Solubilização
40,9 1,9
Não há
59,1 1,9
850ºC/5h
1,6 0,1
44,9 2,3
53,5 2,4
850ºC/100h
Não há
50,8 3,2
49,2 3,2
Fonte: (MAGNABOSCO, ALONSO-FALLEIROS, 2002).
Essa relação pode ser vista também na Figura 5, onde, para o aço UNS S31803
solubilizado a 1250ºC por 30 minutos e envelhecido a 800ºC, é feita uma relação entre a
fração de fases de sigma, ferrita e austenita e o tempo de envelhecimento:
18
Figura 5. Fração das fases sigma, ferrita e austenita, obtidas através de envelhecimento isotérmico à
800ºC (Maehara, 1983).
No aço em estudo, a fase sigma pode ser encontrada após envelhecimento entre 700ºC
a 950ºC, à partir de 10 minutos de envelhecimento (JACKSON, VISSER, CORNISH, 1993).
Segundo outros autores, citados em (DAVIS, 1994), o aumento do teor de molibdênio nestas
ligas causa um aumento significativo na fase sigma formada no envelhecimento à 850ºC,
temperatura onde a cinética de formação de sigma é a maior (MAGNABOSCO, 2005).
Pelas curvas Tempo-Temperatura-Precipitação (TTP) expostas na Figura 6, que foram
obtidas em experimento no aço UNS S31803, solubilizado a 1120ºC por 30 minutos e
resfriado em água, observa-se que à 850ºC a sigma se forma com maior facilidade e em
tempos menores de envelhecimento. Percebe-se também que quanto maior é o tempo de
envelhecimento e maior a temperatura, até 850ºC, maior é a fração de sigma presente na
estrutura do aço. Esses dados também podem ser confirmados ser for feita a análise de um
gráfico "Fração volumétrica de partículas versus Temperatura", como o da Figura 7.
19
Figura 6. Diagrama TTP para o aço UNS S31803 (MAGNABOSCO, 2005)
Figura 7. Curva de fração volumétrica de sigma em função do tempo e da temperatura de
envelhecimento do aço UNS S31803 (SIEURIN e SANDSTRÖM, 2007).
20
3.4 Fase Sigma em função do encruamento
A fase sigma se forma após envelhecimento do aço em altas temperaturas, e sua
formação pode ser favorecida por diversos fatores, como altos teores de cromo, silício,
molibdênio, titânio, grãos de tamanhos pequenos, além de trabalho a frio (SEDRIKS, 1996).
Na Figura 8, nota-se que quanto menor a porcentagem encruamento imposta a um aço
inoxidável austenítico, mais tempo a fase sigma demorará para se formar a menor será a sua
fração volumétrica. Conforme aumenta-se o encruamento, a fração volumétrica de sigma
aumenta consideravelmente, num dado tempo de envelhecimento a 800ºC.
Figura 8. Efeito do trabalho a frio na formação da fase sigma no aço inoxidável 310 envelhecido a 800ºC
(SEDRIKS, 1996).
21
4 METODOLOGIA
4.1 Preparação do material em estudo
O material em estudo foi adquirido pelo Centro de Desenvolvimento de Materiais
Metálicos (CDMatM - FEI), em forma de barra cilíndrica de 20mm de diâmetro laminada a
quente e tratada a 1100°C por 30 minutos, sendo resfriada em água. A composição química
do material pode ser vista na Tabela 2.
Tabela 2 - Composição química (% em massa) do aço UNS S31803.
Cr
22,1
Ni
5,4
Mo
3,15
Mn
0,76
N
0,178
C
0,015
Si
0,45
P
0,02
S
0,005
Fe
Balanço
Fonte: Tabela fornecida pelo fabricante.
A partir do metal como recebido, foi feito encruamento no laminador do CDMatM FEI, Figura 9, obtendo-se quatro séries de amostras com redução de área transversal de: 0%,
10%, 30% e 80%. Em seguida, as amostras foram amarradas, Figura 10, mantendo certa
distância uma da outra para facilitar o resfriamento subsequente ao envelhecimento. As séries
sofreram envelhecimento isotérmico a 850°C, em forno tubular, mostrado na Figura 11, com
variação máxima de temperatura de 2°C, por tempos variando de 10 minutos a 96 horas, em
seis diferentes intervalos (10 minutos, 30 minutos, 1h, 5h, 24h e 96h), sendo posteriormente
resfriadas em água. Após os tratamentos térmicos, as amostras foram cortadas em quatro
partes, utilizando a máquina de corte do CDMatM - FEI, Figura 12, e embutidas em resina de
cura a quente (baquelite), em equipamento mostrado na Figura 13, gerando corpos-de-prova
como os mostrados na Figura 14.
22
Figura 9. Laminador do CDMatM - FEI.
Figura 10. Amostras amarradas.
23
Figura 11. Fornos tubulares do CDMatM - FEI usados para envelhecimento das amostras.
Figura 12. Máquina de corte MESOTOM, do CDMatM - FEI.
24
Figura 13. Equipamento de embutimento semi-automático TECHPRESS 2 - ALLIED.
Figura 14. Amostras embutidas.
Os corpos-de-prova metalográficos passaram por lixamento até 600 mesh, sendo em
seguida polidos, no equipamento de polimento semi-automático do CDMatM - FEI, Figura
15, utilizando pasta de diamante de granulação: 6µm, 3µm, 1µm e 0,25µm, sempre utilizando
como lubrificante das etapas de polimento, álcool etílico.
25
Figura 15. Equipamento de polimento semi-automático Struers Abramin.
4.2 Caracterização microestrutural
Para revelar a fase sigma foi utilizado ataque eletrolítico com solução de 10% de
hidróxido de potássio (KOH), Figura 16, com 2V de diferença de potencial, durante um
minuto. O ataque foi interrompido com água, e a superfície de observação seca através da
evaporação de álcool etílico, auxiliada por jato de ar. As amostras preparadas foram
observadas no microscópio LEICA DMLM do CDMatM - FEI, Figura 17. Tambem foi feito
ataque com ácido oxálico, com 6V de diferença de potencial, durante 20 segundos, nas
amostras solubilizadas. Esse ataque tem o objetivo de revelar as fases ferrita e austenita e seus
contornos.
26
Figura 16. Equipamento de ataque eletrolítico STRUERS LECTROPOL-5.
Figura 17. Microscópio LEICA DMLM.
A fração volumétrica de ferrita (%) das amostras foi obtida através de um
ferritoscópio FISCHER MP30 do CDMatM - FEI, Figura 18, com precisão de 0,1%. Foram
feitas dez medições em cada amostra e calculada a média e desvio padrão, obtendo-se assim a
porcentagem de ferrita em cada uma. Já a fração volumétrica da fase sigma (%) foi
determinada por estereologia quantitativa: após o ataque eletrolítico em hidróxido de potássio,
as amostras foram analisadas no software "QMetals", que é integrado ao microscópio LEICA
27
DMLM. Vinte campos por amostra foram analisados, e assim foi calculada a porcentagem de
sigma de cada amostra.
Figura 18. Ferritoscópio FISCHER MP30.
28
5 RESULTADOS
5.1 Micrografias das amostras solubilizadas
As figuras abaixo, 19 a 22, foram obtidas através do microscópio LEICA DMLM após
ataque com ácido oxálico. Nas amostras sem envelhecimento, nota-se a presença de ferrita e
austenita, orientadas em bandas paralelas de acordo com o sentido da laminação. Pode-se ver
que quanto maior o grau de encruamento, mais finas vão ficando as bandas; a ferrita é
indicada nas figuras em azul por , enquanto a austenita é indicada em vermelho por 
γ
α
Figura 19. Amostra solubilizada com 0% de deformação. Ataque: Ácido Oxálico 10%.
29
α
γ
Figura 20. Amostra solubilizada com 10% de deformação. Ataque: Ácido Oxálico 10%.
γ
α
Figura 21. Amostra solubilizada com 30% de deformação. Ataque: Ácido Oxálico 10%.
30
γ
α
Figura 22. Amostra solubilizada com 80% de deformação. Ataque: Ácido Oxálico 10%.
5.2 Micrografias das amostras envelhecidas a 850ºC
As figuras a seguir, 23 a 46, foram obtidas através do microscópio LEICA DMLM
após ataque com hidróxido de potássio (KOH). Nota-se que quanto maior o encruamento
maior será a porcentagem de sigma, representada em preto, que se forma principalmente nas
interfaces ferrita/ferrita e ferrita/austenita. A fração de sigma vai aumentando, até que na
amostra de 80% de deformação e 96 horas de envelhecimento, a presença de sigma é máxima,
Figura 46.
31
Figura 23. Microestrutura da amostra envelhecida durante 10 minutos a 850°C, com 0% de deformação.
Ataque: KOH.
Figura 24. Microestrutura da amostra envelhecida durante 10 minutos a 850°C, com 10% de
deformação. Ataque: KOH.
32
Figura 25. Microestrutura da amostra envelhecida durante 10 minutos a 850°C, com 30% de
deformação. Ataque: KOH.
Figura 26. Microestrutura da amostra envelhecida durante 10 minutos a 850°C, com 80% de
deformação. Ataque: KOH.
33
Figura 27. Microestrutura da amostra envelhecida durante 30 minutos a 850°C, com 0% de deformação.
Ataque: KOH.
Figura 28. Microestrutura da amostra envelhecida durante 30 minutos a 850°C, com 10% de
deformação. Ataque: KOH.
34
Figura 29. Microestrutura da amostra envelhecida durante 30 minutos a 850°C, com 30% de
deformação. Ataque: KOH.
Figura 30. Microestrutura da amostra envelhecida durante 30 minutos a 850°C, com 80% de
deformação. Ataque: KOH.
35
Figura 31. Microestrutura da amostra envelhecida durante 1 hora a 850°C, com 0% de deformação.
Ataque: KOH.
Figura 32. Microestrutura da amostra envelhecida durante 1 hora a 850°C, com 10% de deformação.
Ataque: KOH.
36
Figura 33. Microestrutura da amostra envelhecida durante 1 hora a 850°C, com 30% de deformação.
Ataque: KOH.
Figura 34. Microestrutura da amostra envelhecida durante 1 hora a 850°C, com 80% de deformação.
Ataque: KOH.
37
Figura 35. Microestrutura da amostra envelhecida durante 5 horas a 850°C, com 0% de deformação.
Ataque: KOH.
Figura 36. Microestrutura da amostra envelhecida durante 5 horas a 850°C, com 10% de deformação.
Ataque: KOH.
38
Figura 37. Microestrutura da amostra envelhecida durante 5 horas a 850°C, com 30% de deformação.
Ataque: KOH.
Figura 38. Microestrutura da amostra envelhecida durante 5 horas a 850°C, com 80% de deformação.
Ataque: KOH.
39
Figura 39. Microestrutura da amostra envelhecida durante 24 horas a 850°C, com 0% de deformação.
Ataque: KOH.
Figura 40. Microestrutura da amostra envelhecida durante 24 horas a 850°C, com 10% de deformação.
Ataque: KOH.
40
Figura 41. Microestrutura da amostra envelhecida durante 24 horas a 850°C, com 30% de deformação.
Ataque: KOH.
Figura 42. Microestrutura da amostra envelhecida durante 24 horas a 850°C, com 80% de deformação.
Ataque: KOH.
41
Figura 43. Microestrutura da amostra envelhecida durante 96 horas a 850°C, com 0% de deformação.
Ataque: KOH.
Figura 44. Microestrutura da amostra envelhecida durante 96 horas a 850°C, com 10% de deformação.
Ataque: KOH.
42
Figura 45. Microestrutura da amostra envelhecida durante 96 horas a 850°C, com 30% de deformação.
Ataque: KOH.
Figura 46. Microestrutura da amostra envelhecida durante 96 horas a 850°C, com 80% de deformação.
Ataque: KOH.
43
5.3 Caracterização quantitativa da microestrutura
Todas as amostras tiveram sua fração volumétrica de ferrita determinada pelo
ferritoscópio FISCHER MP30. A fração volumétrica de sigma foi determinada por medidas
automáticas de estereologia quantitativa nas amostras que sofreram o ataque eletrolítico de
hidróxido de potássio (KOH). Os valores médios e os desvios-padrão estão descritos nas
tabelas abaixo, que foram divididas de acordo com o grau de encruamento.
Tabela 3. Fração volumétrica das fases em função do tratamento térmico, com 0% de encruamento:
Tratamento térmico
Fração volumétrica
Fração volumétrica
de ferrita (%)
de sigma (%)
Solubilização
54,61 2,04
0,0
10 minutos
37,09 0,42
2,35 0,68
30 minutos
31,59 0,65
3,89 1,14
1 hora
21,83 0,41
9,26 2,26
5 horas
9,79 0,62
16,80 2,58
24 horas
4,61 0,17
23,25 4,14
96 horas
0,40 0,05
37,33 3,93
Fonte: Autor.
Tabela 4. Fração volumétrica das fases em função do tratamento térmico, com 10% de encruamento:
Tratamento térmico
Fração volumétrica
Fração volumétrica
de ferrita (%)
de sigma (%)
Solubilização
42,30 
0,0
10 minutos
33,14 0,84
2,36 0,52
30 minutos
28,55 0,25
5,10 1,17
1 hora
24,36 0,21
8,37 2,15
5 horas
8,54 0,16
21,56 3,59
24 horas
4,19 0,40
27,44 3,41
96 horas
0,42 0,08
38,26 3,43
Fonte: Autor.
44
Tabela 5. Fração volumétrica das fases em função do tratamento térmico, com 30% de encruamento:
Tratamento térmico
Fração volumétrica
Fração volumétrica
de ferrita (%)
de sigma (%)
Solubilização
37,87 1,59
0,0
10 minutos
31,40 0,36
4,19 0,60
30 minutos
23,21 0,67
10,14 2,07
1 hora
16,02 0,77
14,09 3,84
5 horas
7,03 0,44
28,51 4,37
24 horas
2,50 0,20
34,09 4,94
96 horas
0,22 0,05
46,48 2,80
Fonte: Autor.
Tabela 6. Fração volumétrica das fases em função do tratamento térmico, com 80% de encruamento:
Tratamento térmico
Fração volumétrica
Fração volumétrica
de ferrita (%)
de sigma (%)
Solubilização
30,79 1,75
0,0
10 minutos
19,88 1,90
16,7 2,95
30 minutos
9,08 0,42
26,28 6,36
1 hora
5,78 0,96
36,02 4,04
5 horas
2,28 0,37
38,58 2,37
24 horas
0,33 0,06
41,21 3,85
96 horas
0,0
56,94 4,66
Fonte: Autor.
45
6 DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
6.1 Fração volumétrica de ferrita
Em medições realizadas, percebeu-se que nas amostras solubilizadas, Figuras 19 a 22,
sem tratamento térmico nos fornos, a fração volumétrica de ferrita diminui conforme se
aumenta o grau de encruamento da amostra, o que pode ser visto no gráfico 1. Deste modo,
deve se supor que ocorre a transformação de ferrita em austenita induzida por deformação.
Transformações martensíticas são observadas em aços ou ligas de ferro, a partir da austenita
de alta temperatura, para a ferrita de baixa temperatura. O contrário pode ser observado em
ligas de alto teor de níquel, como sugerem os estudos de (MACLAREN, IVANNISENKO,
VALIEV, FECHT, 2006).
Gráfico 1. Fração volumétrica de ferrita em função da deformação a frio para amostras apenas
solubilizadas.
Os gráficos 2 a 5 são referentes a porcentagem de ferrita em função do tempo de
envelhecimento para cada uma das deformações, a faixa em vermelho mostra a fração de
ferrita nas amostras solubilizadas em cada uma das condições de encruamento. Pode-se
perceber pelos gráficos, que conforme aumenta o tempo de envelhecimento da amostra a
fração volumétrica de ferrita diminui, já que a partir de 10 minutos de envelhecimento a
850ºC se inicia o surgimento da fase sigma, que começa a crescer a partir da ferrita.
46
Gráfico 2. Fração volumétrica de ferrita em função do tempo de envelhecimento a 850º com 0% de
deformação. No retângulo vermelho, pode-se ver a fração volumétrica de ferrita antes do envelhecimento.
Gráfico 3. Fração volumétrica de ferrita em função do tempo de envelhecimento a 850º com 10% de
deformação. No retângulo vermelho, pode-se ver a fração volumétrica de ferrita antes do envelhecimento.
47
Gráfico 4. Fração volumétrica de ferrita em função do tempo de envelhecimento a 850º com 30% de
deformação. No retângulo vermelho, pode-se ver a fração volumétrica de ferrita antes do envelhecimento.
Gráfico 5. Fração volumétrica de ferrita em função do tempo de envelhecimento a 850º com 80% de
deformação. No retângulo vermelho, pode-se ver a fração volumétrica de ferrita antes do envelhecimento.
48
6.2 Fração volumétrica de sigma
Os gráficos 6 a 9 são referentes a porcentagem de sigma em função do tempo de
envelhecimento para cada uma das deformações. Pode-se perceber pelos gráficos, que
conforme aumenta o tempo de envelhecimento da amostra a fração volumétrica de sigma
aumenta, a princípio, apenas à partir da ferrita e após o consumo total da mesma, a fase sigma
começa a crescer também pela austenita, fato que pode ser confirmado se forem comparados
os gráficos 5 e 9. Percebe-se que a partir de 96 horas, a fração de ferrita é zero, entretanto, a
fração de sigma continua crescendo, dessa forma conclui-se que, a partir do ponto onde a
porcentagem de ferrita é nula, a fase sigma irá crescer a partir da austenita. Pode-se notar
também na comparação feita no gráfico 10, que a fração de sigma é maior conforme
aumentamos o grau de encruamento das amostras.
Gráfico 6. Fração volumétrica de sigma em função do tempo de envelhecimento a 850º com 0% de
deformação.
49
Gráfico 7. Fração volumétrica de sigma em função do tempo de envelhecimento a 850º com 10% de
deformação.
Gráfico 8. Fração volumétrica de sigma em função do tempo de envelhecimento a 850º com 30% de
deformação.
50
Gráfico 9. Fração volumétrica de sigma em função do tempo de envelhecimento a 850º com 80% de
deformação.
A análise do gráfico 10, mostra que para maiores tempos de envelhecimento, e
maiores encruamentos, a tendência é que a fração volumétrica de sigma aumente. Após
decompor toda a ferrita, a fase sigma começará a se formar a partir da austenita, e vai
crescendo até que chegar no ponto de porcentagem máxima.
51
Gráfico 10. Fração volumétrica de sigma em função do tempo de envelhecimento a 850º para todas as
deformações. (Legenda: Azul - amostra com 0% de encruamento; Vermelho - amostra com 10% de
encruamento; Verde - amostra com 30% de encruamento; Roxo - amostra com 80% de encruamento)
6.3 Comparação entre o crescimento de sigma e a queda de ferrita
Como dito anteriormente, conforme se aumenta o tempo de envelhecimento, têm-se o
a queda da fase ferrita e o aumento da fase sigma. Nos primeiros minutos do tratamento
térmico, percebe-se o aumento de sigma simultâneo ao decréscimo de ferrita, evidenciado nos
gráficos 11 a 14, onde os pontos em azul representam a ferrita e os pontos vermelho, a sigma,
o que leva a conclusão que nesse tempo a precipitação de sigma será exclusivamente à partir
da ferrita. Para tempos maiores de envelhecimento, principalmente 96 horas, onde a presença
de ferrita já é muito pequena, o aumento de sigma é maior do que a presença da ferrita,
portanto está havendo nucleação e/ou crescimento de sigma a partir da austenita.
52
Gráfico 11. Fração volumétrica de sigma e ferrita em função do tempo de envelhecimento a 850º com
0% de deformação.
Gráfico 12. Fração volumétrica de sigma e ferrita em função do tempo de envelhecimento a 850º com
10% de deformação.
53
Gráfico 13. Fração volumétrica de sigma e ferrita em função do tempo de envelhecimento a 850º com
30% de deformação.
Gráfico 14. Fração volumétrica de sigma e ferrita em função do tempo de envelhecimento a 850º com
80% de deformação.
54
7 CONCLUSÕES
Do presente trabalho pode-se concluir que:
- A formação de fase sigma está associada preferencialmente ao consumo de ferrita
presente.
- Aumentado o tempo de envelhecimento das amostras, a fração volumétrica de sigma
aumentará significativamente.
- Aumentado o grau de encruamento das amostras, a fração volumétrica de sigma é
maior num dado tempo de envelhecimento.
- A fase sigma pode ser formar pela decomposição direta a partir da ferrita ou nas
interfaces ferrita/ferrita e/ou ferrita/austenita.
- Sigma pode se formar a partir da austenita, após o consumo total da ferrita.
- Aumentado o grau de encruamento das amostras, a fração volumétrica de ferrita
diminui.
- A fração volumétrica de sigma de uma amostra aumenta se aumentarmos a
porcentagem da trabalho à frio da amostra.
- Quanto maior for o tempo de envelhecimento das amostras, o aumento de sigma será
maior do que o decréscimo de ferrita.
55
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