ESTUDO MORFOLÓGICO DAS CÉLULAS DE
PRECIPITAÇÃO DESCONTÍNUA EM LIGA Zn-1,6% Al
J. C. Colmenero(1) e K. Akune(2)
(1)
Coordenação de Mecânica
Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná, Ponta Grossa, PR, Brasil
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(2)
Departamento de Engenharia de Materiais
Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, SP, Brasil
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ABSTRACT
The morphologic characteristics of discontinuous precipitation reaction cells in
Zn-1.6 wt% Al alloys, homogenized and cooled to room temperature, was studied by
scanning electron microscopy. Discontinuous precipitation cells were observed
immediately after the rapid cooling, evidencing the prior formation of metastable
discontinuous precipitation cells in the Zn + ZnAl region during the process of
homogenization. The process of discontinuous precipitation was characterized by
two successive reactions: (i) primary reaction (cellular structure with fine rodlike
precipitates) and (ii) secondary reaction with cells formed at original γ’/γ’ grain
boundaries and at cell boundaries of primary reaction (cellular structure with gross
rodlike non-continuous precipitates). The occurrence of discontinuous precipitation
reaction at phase boundaries (mobile interface) has made possible the formation of
typical cellular morphologies, i.e., hemispheric and mono-seam, for the primary as
well as secondary precipitation reactions. However, the formation of triangle type
cellular morphology was also verified in the secondary reaction cells.
RESUMO
As características morfológicas das células de precipitação descontínua em
ligas Zn-1,6 % peso Al homogeneizada e resfriada a temperatura ambiente foram
estudadas por meio de microscopia eletrônica de varredura. Células de precipitação
descontínua foram observadas imediatamente após o resfriamento rápido,
evidenciando a formação anterior de células de precipitação descontínua
metaestáveis na região Zn+ZnAL durante o processo de homogeneização. O
processo de precipitação descontínua é caracterizado por duas reações
consecutivas: (i) primeira reação (estrutura celular com precipitados finos tipo
rodlike) e (ii) segunda reação, com células formadas em contornos de grão γ'/γ'
originais e contornos de células da primeira reação (estrutura celular com
precipitados grossos tipo rodlike não-contínuos). A ocorrência de reação de
precipitação descontínua em contornos de fase (interface móvel) possibilita a
formação das morfologias celulares típicas, ou seja, hemisférica e mono-bandas,
tanto para a primeira quanto para a segunda reação. Contudo, foi constatada
também a formação de uma morfologia celular do tipo triangular em células da
segunda reação.
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1.INTRODUÇÃO
As reações de precipitação descontínua em ligas Zn-Al ricas em zinco foi
estudada por Manna et al. [1-2] e Colmenero e Akune [3]. A precipitação
descontínua em ligas homogeneizadas, resfriadas em água e envelhecidas a
temperatura ambiente ocorre em duas regiões distintas:
(i)
região Zn-ZnAl (T = 628 K), durante tratamento de homogeneização
(processo decomposição de fases metaestáveis ZnAl), resultando em
uma reação de precipitação descontínua metaestável e
(ii)
região Zn+Al (temperatura ambiente), após homogeneização total das
fases metaestáveis ZnAl e da reação de precipitação descontínua
formada na região Zn-ZnAl
No presente trabalho foram estudadas as morfologias das células formadas
durante os processos de precipitação descontínua em liga Zn-1.6 % p. Al.
2.PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
A liga Zn-1.6 % foi preparada através de fusão em forno de indução sob
pressão parcial de argônio de zinco (99,99 %)e alumínio (99,99+ %).
Amostras em forma de disco cilíndrico (∅ = 10 mm, altura ∼ 3 mm) foram
homogeneizados a 628 K durante 115 horas, resfriadas à temperatura ambiente e
envelhecidas a temperatura ambiente. As amostras foram examinadas, durante o
tratamentos de envelhecimento, em um microscópio eletrônico de varredura Carl
Zeiss DSM 940A.
3.RESULTADOS E DISCUSSÃO
Em ligas Zn-1,6% peso Al homogeneizadas (628 K, 6900 minutos), resfriadas
rapidamente (água, 298 K) e envelhecidas a temperatura ambiente o processo de
eliminação da supersaturação ocorre, em um estágio inicial, através de uma reação
de precipitação descontínua. A figura 1 mostra a microestrutura da liga para um
tempo de envelhecimento tE = 180 minutos (algumas células de precipitação
descontínua são indicadas por setas). Em todas as regiões analisadas foi observado
que as células da reação de precipitação descontínua nucleiam em um dos lados do
contorno de grão da matriz supersaturada γ’ e crescem para o interior de do grão. No
estágio inicial da reação as células de precipitação descontínua apresentam dois
tipos característicos de morfologia celular:
(i)
mono-banda, observada principalmente
(marcada por setas brancas na figura 1) e
no
início
do
envelhecimento
(ii)
triangular, semelhante a precipitação descontínua durante a homogeneização
e presente durante todo o processo de crescimento celular (marcada por seta
preta na figura 1).
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Geralmente, as células com morfologia triangular desenvolvem uma frente de reação
aproximadamente plana. Com o decorrer do crescimento as células adquirem uma
morfologia irregular.
Figura 1. Microestrutura da liga Zn-1,6 % p. homogeneizada e envelhecida a 298K (
tE = 180 minutos). BSE.
A figura 2 mostra a estrutura celular da reação de precipitação descontínua
para tE = 1980 minutos. As células são constituídas por precipitados tipo rodlike com
espaçamento interfásico verdadeiro médio σ = 0,14 µm. Contudo, em todas as
células examinadas observa-se que os precipitados rodlike apresentam orientações
diferentes em relação ao plano de exame metalográfico; em geral, a célula é
composta por grupos de precipitados com orientação semelhante (nódulos).
Figura 2. Estruturas das células de precipitação descontínua mostrando precipitados
tipo rodlike em liga Zn-1,6 % p. Al homogeneizada, resfriada rapidamente e
envelhecida (298 K, tE = 1980 minutos).
Para melhor visualização e análise da estrutura celular é mostrada, na figura
3, a imagem negativa da figura 2. As linhas brancas delimitam as regiões que
apresentam aproximadamente a mesma orientação. Na figura 3 observa-se que:
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(a) a célula cresce através do avanço de 3 frentes de reação planares (FR1,
FR2 e FR3) correspondentes a 3 regiões distintas (A, B e C,
respectivamente)
(b) os precipitados rodlike das regiões A, B e C possuem diferentes
orientações do eixo axial em relação ao plano de referência (plano de
análise metalográfica).
Figura 3. Imagem negativa da figura 2 mostrando a estrutura celular com diferentes
orientações do precipitado rodlike (nódulos). FRi = frente de reação. A, B e C =
nódulos.
Em algumas células a existência de regiões com diferentes orientações e
densidades de precipitados rodlike resulta em um efeito de relevo na superfície da
região analisada mesmo com a utilização de BSE (back scattered electron image) .
Em todas as células examinadas durante o processo de envelhecimento não
foi observado mecanismo de multiplicação lamelar por ramificação (branching) ou
nucleação em recessos da frente de reação.
Figura 4. Célula da segunda reação de precipitação descontínua. BSE.
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Com o decorrer do envelhecimento as células de precipitação descontínua
crescem, aumentando assim a fração de volume transformado; ao final deste
processo a matriz é constituída pela fase γ, fase ZnAl nos contornos de grão e
células de precipitação descontínua. Contudo, após a transformação completa da
solução sólida supersaturada γ' em precipitação descontínua, uma nova reação de
precipitação descontínua decompõem a primeira reação. O produto da reação,
denominado células secundárias, consiste em uma estrutura duplex com as mesmas
fases porém com maior espaçamento interfásico (figura 4).
A formação de células secundárias é observada em contornos de grãos γ'/γ'
originais e contornos de células da primeira reação de precipitação descontínua.
Semelhantemente as células da primeira reação (células primárias), as
células secundárias nucleiam em somente um lado do contorno de grão γ'/γ' original.
A figura 5 mostra a formação de células secundárias contornos de grão, onde
pode-se observar que:
(a) as células secundárias nucleiam nos contorno de grão e crescem para o
interior do grão
(b) as células secundárias crescem através do avanço de uma frente de
reação irregular
(c) a junção tripla de contorno de grão (marcado por seta branca) não permite
o avanço da frente de reação pelo contorno de grão, resultando em um
encurvamento local da frente de reação
Figura 5. Formação de células secundárias em contornos de grão γ'/γ' originais (a
seta branca indica junção tripla de contorno de grão).
Contudo, nos contornos das células primárias a nucleação das células
secundárias pode ocorrer em ambos os lados. Em geral, as células secundárias
formam-se ao longo dos contornos de grão e/ou contornos de células primárias e
crescem hemisfericamente para o interior dos grãos (ou células primárias). Apesar
de não desenvolver uma morfologia celular do tipo triangular durante o crescimento,
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algumas células secundárias apresentam morfologia triangular. A morfologia
triangular em células secundárias é obtida através de duas etapas:
(i)
nucleação da célula secundária em contornos de células primárias na
qual uma das células primárias, necessariamente, apresenta
morfologia triangular e
(ii)
crescimento para o interior da célula primária triangular de modo a
transformar a célula completamente.
A estrutura das células secundárias é composta por precipitados rodlike e
globulares irregulares e, por este motivo, não foi determinado o espaçamento
interfásico destas células.
Considerando que não ocorra migração do contorno de grão, tem-se que o
início da reação de precipitação descontínua em contornos de grão e o posterior
desenvolvimento da célula em somente um lado do contorno implica em um
mecanismo de nucleação por migração do contorno induzida pelo precipitado. Este
tipo de mecanismo de nucleação em geral resulta na formação de células
hemisféricas (ou seja, v X = v Y = v Z ) ou mono-bandas ( v X = v Y ≠ v Z , ( v Z << v X ) ).
O desenvolvimento de células hemisféricas implica necessariamente na formação e
deslocamento de um nova área de contorno (frente de reação) a todo instante,
enquanto que na formação de mono-bandas a frente de reação desloca-se
paralelamente ao contorno de grão com aproximadamente mesma área de contorno.
A formação de células com morfologia triangular é semelhante ao das células
hemisféricas; contudo, na morfologia triangular o precipitado não determina o
deslocamento local do contorno, uma vez que, em uma frente de reação
aproximadamente linear ou curvada são possíveis distintas orientações entre a
direção axial do precipitado e a frente de reação. Desta forma, o desenvolvimento de
uma célula com morfologia triangular possivelmente depende da interação entre a
estrutura da frente de reação com a solução sólida rica em zinco. A pequena
influência exercida pelo precipitado no tipo de morfologia desenvolvida no
crescimento das células de precipitação descontínua neste sistema pode ser melhor
exemplificada nas reações secundárias (precipitação descontínua do Tipo 2), onde o
precipitado encontra-se muitas vezes isolado no interior da célula. O processo de
formação da célula envolve a dissolução dos precipitados próximos ao contorno de
grão e a posterior formação do precipitado. Ainda, torna-se evidente pela distribuição
irregular dos precipitados em ambas as reações que o processo de multiplicação
lamelar ocorre por re-nucleação na frente de reação.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
(1) I. Manna, W. Gust, B. Predel, Scripta Metall. Mater. 24 (1990) 1635.
(2) I. Manna, Z. Metallk. 82 (1991) 96.
(3) J.C. Colmenero, K. Akune, Mat. Charact. 37 (1996) 1.
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