Microscopia de Varredura por Sonda

Palavras­chave: aço inoxidável dúplex; crescimento de filme; SPM;microestrutura.1. IntroduçãoAços inoxidáveis dúplex apresentam as fases ferrítica eaustenítica. Para otimizar as propriedades essas fases apresentamfrações volumétricas próximas a 50%. Pela combinação de excelentespropriedades mecânicas e alta resistência à corrosão, essesmateriais são utilizados em numerosas atividades industriais [1].Contudo, quando o inoxidável dúplex é envelhecido em condiçõesde serviço em baixas temperaturas (em torno de 400ºC), ocorre umadegradação de suas propriedades mecânicas e de sua resistência àcorrosão, devido à precipitação de fases ricas em Cr ou Mo [2­4].A microscopia de varredura por sonda (Scanning ProbeMicroscopy − SPM) utiliza uma sonda mecânica para obter imagens apartir de interações entre a ponta e a amostra. A SPM apresentaalta resolução espacial e pode ser utilizada em vários modos deoperação, dentre eles o modo contato (Atomic Force Microscopy –AFM) e a microscopia de força magnética (Magnetic Force Microscopy– MFM), que é uma ferramenta importante e avançada que possibilitaa detecção das interações magnéticas [5].Este trabalho utiliza a microscopia de varredura por sonda,AFM e MFM, para analisar a estrutura de um aço inoxidável dúplex2205 nas condições solubilizada e envelhecida em baixastemperaturas por tempos prolongados. Além disso, foi feita umaanálise da superfície por AFM antes e após crescimento de filmepassivo sobre o dúplex na condição solubilizada.2. Material e MétodosO material analisado foi um aço inoxidável dúplex 2205 comcomposição química mostrada na Tabela 2.1.Tabela 2.1 – Composição química do aço inoxidável dúplex(porcentagens em peso).Cr Ni Mo Mn Si C N S22,6 5,38 2,58 1,57 0,35 0,024 0,13 0,008

Foi feita uma solubilização a 1050ºC por 1 hora seguida deresfriamento em óleo. Algumas amostras foram envelhecidas a 400ºCpor 7000 horas. Foi analisada a seção longitudinal de laminação.Utilizaram­se dois tipos de amostras: polidas em alumina 1,0mm e atacadas com ácido oxálico eletrolítico a 1 A/cm 2 por cerca de20 segundos. Após limpeza com ultra­som em soluções contendodesengordurante e acetona foram feitas as análises por MFM e AFM.O aço solubilizado, com a superfície polida, foi polarizadopotenciostaticamente a +400 mV SCE (na região passiva) em H 2 SO 4 0,1 Mpor 30 minutos, para crescimento de um filme passivo.Posteriormente, a superfície foi analisada por AFM antes e após ocrescimento de filme, para investigar alterações topográficasdevido à formação do filme anódico.As imagens de AFM e MFM foram obtidas utilizando ummicroscópio de força atômica, Dimension 3000 equipado com umcontrolador Nanoscope IIIa e um módulo de extensão eletrônica(Veeco Instruments, Santa Barbara, CA). As medidas topográficas ede MFM foram obtidas simultaneamente e em duas etapas (Lift Mode).Na primeira etapa, a ponta (operando em TappingMode) varre umalinha topográfica e então, utilizando o Interlive/Lift Mode, aponta é afastada a altura pré­definida para a segunda varreduracom o objetivo de remover o efeito da rugosidade da superfície.Nesta segunda varredura detectam­se as variações de freqüência deoscilação do cantilever, registrando a influência das forçasmagnéticas, usando o princípio de detecção de gradiente de força.Em todas as análises utilizou­se uma sonda MESP, recoberta deCo/Cr. A distância de separação entre a ponta e a amostra foi 75nm para minimizar os efeitos das forças de van der Waals.3. ResultadosA Tabela 3.1 mostra como varia a dureza com o envelhecimento.Após o envelhecimento observa­se endurecimento da ferrita, o quenão ocorre na austenita.

Tabela 3.1 – Valores de Microdureza Vickers (HV 25 ) da ferrita eaustenita do aço inoxidável dúplex solubilizado e envelhecido, com10 medidas em cada fase.Condição Fase Microdureza (HV 25 )Ferrita 268 ± 19SolubilizadaAustenita 260 ± 22Envelhecida a Ferrita 403 ± 55400ºC por 7000 h Austenita 252 ± 31As Figuras 3.1 e 3.2 apresentam imagens topográficas dasamostras atacadas com ácido oxálico, nas condições solubilizada eenvelhecida à 400ºC por 7000 h, respectivamente.(a)Figura 3.1 – Imagens da superfície do aço inoxidável dúplexsolubilizado e atacado (60 mm ´ 60 mm ´ 1 mm): (a) 2D; (b) 3D.(b)(a)Figura 3.2 – Imagens da superfície do aço inoxidável dúplexenvelhecido e atacado (60 mm ´ 60 mm ´ 1,5 mm): (a) 2D; (b) 3D.A Figura 3.1 mostra que ocorreu maior dissolução da austenita,representada pelas regiões mais baixas e escuras. Além disso, épossível observar maclas na austenita.Na Figura 3.2 (a, b) observa­se dissolução preferencial daferrita, representada pelas regiões mais baixas e escuras,(b)

contrário ao observado nas imagens da amostra solubilizada (Fig.3.1).As Figuras 3.3 e 3.4 apresentam imagens de amostras polidas,nas condições solubilizada e envelhecida, respectivamente.(a)(b)Figura 3.3 – Imagens do aço inoxidável dúplex solubilizado epolido: (a) Topografia (15 mm ´ 15 mm ´ 0,25 mm); (b) Imagem MFM(15 mm ´ 15 mm ´ 200 Hz)(a)(b)Figura 3.4 – Imagens do aço inoxidável dúplex envelhecido epolido: (a) Topografia (15 mm ´ 15 mm ´ 0,2 mm); (b) Imagem MFM (15mm ´ 15 mm ´ 50 Hz).As imagens topográficas (Fig. 3.3(a) e 3.4(a)) mostramsuperfícies planas, não sendo possível observar a distribuição defases. A Figura 3.4(a) mostra partículas de contaminação e algunsriscos. Observa­se que a ferrita apresenta domínios magnéticos,enquanto a austenita revela­se mais clara e uniforme, devido aoseu paramagnetismo.A Figura 3.5 apresenta imagens da superfície polida do dúplexsolubilizado, antes e após crescimento de filme anódico. NasFiguras 3.5 (a) e (b), as linhas demarcam regiões ao longo dasquais foram obtidos os perfis de topografia, mostrado na Figura3.5 (d).

(a) (b) (c)9075Z (nm)604530austenitaferrita150Antes do crescimento do filmeApós o crescimento do filme0 6 12 18 24 30X (mm)(d)Figura 3.5 – Imagens da superfície do aço inoxidável dúplexsolubilizado e polido: (a) antes do crescimento do filme anódico(40 mm x 40 mm x 300 nm); (b) após crescimento de filme anódico (40mm x 40 mm x 400 nm). (c) Imagem da superfície do aço inoxidáveldúplex solubilizado atacado (40 mm x 40 mm x 1 mm). Perfistopográficos antes (d) e após (e) crescimento do filme.Observa­se pelo perfil topográfico uma região muito baixa,correspondendo à região próxima ao contorno de fase. A comparaçãodos perfis antes e após o crescimento de filme revela um maiorcrescimento do filme sobre a austenita.4. DiscussãoNa estrutura de ferrita e austenita dos aços inoxidáveisdúplex, é possível ocorrer dissolução preferencial da austenita ouda ferrita, dependendo da composição do meio corrosivo e dopotencial eletroquímico [6]. A menor taxa de dissolução da ferritano aço solubilizado (Fig. 3.1) pode ser atribuída aos maiores

teores dos elementos ferritizantes Cr e Mo presentes nessa fase emrelação à austenita. Na amostra envelhecida, esse comportamentoinverte­se, com foi mostrado na Figura 3.2. A dissoluçãopreferencial da ferrita pode ser atribuída à diminuição dos teoresde Cr e Mo da ferrita devido à formação das fases a’ e G,descritas na literatura [2­4]. O aumento de dureza da ferritamostrado na Tabela 3.1 é ocasionado por essas transformações defase. Por serem muito finas, essas fases não foram observadas porAFM e MFM.A técnica de MFM é útil na visualização da distribuição defases do aço inoxidável dúplex, uma vez que permitiu aidentificação das fases com um mínimo de preparação de amostra esem a necessidade de ataque metalográfico. As imagens de MFM,mostradas nas Figuras 3.3 e 3.4, são similares àquelas obtidas comdúplex em trabalhos anteriores [7­8].Sobre a estrutura solubilizada, o filme passivo crescidopotenciostaticamente, pelo método ex situ, apresentou maiorcrescimento na austenita que na ferrita, como apresentado naFigura 3.5.5. Conclusões1. As técnicas de AFM e MFM foram utilizadas com sucesso paraobservar a distribuição de austenita e ferrita em aço inoxidáveldúplex; particularmente, a MFM não requer ataque metalográfico.2. Houve dissolução preferencial de uma das fases ferrítica ouaustenítica durante o ataque com ácido oxálico, sendo que atopografia resultante depende do tratamento térmico, invertendosede uma amostra para a outra.3. Foi possível observar diferenças de crescimento do filme passivosobre a estrutura bifásica do material solubilizado, com maiorcrescimento de filme sobre a austenita.6. AgradecimentosÀ CAPES, FAPESP e CNPq pelo suporte financeiro imprescindívelpara o desenvolvimento desta pesquisa.

7. Referências Bibliográficas1. NILSSON, J.­O. Super duplex stainless steels. Materials Scienceand Technology, v. 8, n. 8, p. 685­700, 1992.2. DANOIX, F.; AUGER, P.; BLAVETTE, D. Hardening of Aged DuplexStainless Steels by Spinodal Decomposition. Microscopy andMicroanalysis, v. 10, n. X, p. 349­354, 2004.3. IACOVIELLO, F.; CASARI, F.; GIALANELLA, S. Effect of ”475ºCembrittlement” on duplex stainless steels localized corrosionresistance. Corrosion Science, v. 47, n. X, p. 909­922, 2005.4. KURI, S. E.; MAY, J. E.; MORENO, J. R. S. Inducedsusceptibility to pitting corrosion in duplex stainless steeldue to long aging at low temperatures. Materials and Corrosion,v.52, n. 10, p. 785­788, 2001.5. Neves, B. R. A.; Vilela, J. M. C.; Andrade, M. S. Microscopiade varredura por sonda mecânica: uma introdução. Cerâmica, v.44, n. 290, 1998.6. SYMNIOTIS, E. Galvanic Effects on the Active Dissolution ofDuplex Stainless Steels. Corrosion, v. 46, n. 1, p. 2­12, 1990.7. FEMENIA, M. et alii. Scanning Kelvin Probe Force Microscopy andMagnetic Force Microscopy for Characterization of DuplexStainless Steels. Journal of The Electrochemical Society, v.150, n. 6, p. B274­B281, 2003.8. DIAS, A.; ANDRADE, M. S. Atomic force and magnetic forcemicroscopies applied to duplex stainless steels. AppliedSurface Science, v. 161, n. X, p. 109­114, 2000.Departamento de Engenharia de Materiais – Universidade Federal deSão Carlos ­ Rod. Washington Luiz, Km 235, Cx. Postal:676, CEP:13565­905, São Carlos­SP, Brasil; Fone: (16)3351­8507; Fax:(16)3361­1404;(3) dsek@power.ufscar.br