Universidade Federal do Rio Grande do Norte

Pós – Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais

Disciplina: Técnicas microscópicas de caracterização

Discente: Demmys Kelsen Florentino de Sousa

Francisco Marcelo da Silva

Raquel Guilherme de Carvalho

RELATÓRIO

Natal/RN

2013

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SUMÁRIO

Resumo..............................................................................................3

1. Introdução.......................................................................................4

2. Fundamentação teórica.....................................................................4

2.1 Níquel e suas ligas...................................................................4

2.1.1Superliga de Níquel......................................................4

2.2 Microscópio eletrônico de varredura............................................5

2.2.1 Princípio de funcionamento..........................................6

2.2.1.1 Elétrons Secundários(SE)..................................7

2.2.1.2 Elétrons Retroespalhados(BSE)..........................8

2.3 Espectroscopia de energia dispersiva de Raios-x............................9

3. Procedimento Experimental.............................................................9

3.1 Preparação da amostra............................................................9

4. Resultado e Discussão....................................................................13

5. Conclusão....................................................................................16

Referências Bibliográficas..................................................................18

2

Resumo

Este relatório apresenta os resultados obtidos na caracterização de uma amostra

metálica analisada em um microscópio eletrônico de varredura. Utilizando esta técnica

de microscopia eletrônica de varredura foi possível observar com mais detalhes a

microestrutura do material caracterizado, como a identificação dos precipitados e as

variações de composição química com realização de análise química na amostra

analisada.

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1. Introdução

O Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) se tornou um instrumento

indispensável nas mais diversas áreas, tais como geologia, ciência e

engenharia dos materiais, engenharia metalúrgica e etc. Essa afirmação esta

relacionada ao fato do microscópio eletrônica de varredura se apresenta

como uma técnica que permite alcançar aumentos superiores ao da

microscopia ótica [1].

Através da técnica de microscopia eletrônica de varredura é possível

analisar e explicar corretamente os fenômenos que ocorrem na escala

micrométrica ou submicrométrica. O potencial desta técnica é ainda mais

desenvolvido com a adaptação na câmara da amostra detectores de raios X

que permiti a realização de análise química na amostra em observação [1].

Neste presente trabalho, uma amostra metálica foi analisada pela

técnica de microscopia eletrônica de varredura com o objetivo de obter

informações mais detalhas da microestrutura da amostra caracterizada.

2. Fundamentação teórica

2.1 Niquel e suas ligas

O metal níquel pode ser usado de forma tecnologicamente pura, em

diversos tipos, ou como metal base de diversas ligas para a constituição de

peças e estruturas de diferentes produtos metálicos onde são exigidas as

suas características fundamentais de resistência mecânica associada à

resistência à corrosão, tanto a temperatura ambiente como às temperaturas

elevadas.

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O níquel e as ligas de níquel podem ser agrupadas da seguinte forma:

- níquel (de diversos graus de pureza);

- níquel ligado (com pequenos teores de elementos de liga);

- Ligas níquel-cobre

- ligas níquel – ferro – cromo;

- ligas níquel – molibdênio.

Além desses materiais, ainda se encontra o níquel em importantes

categorias de ligas: ligas cobre - níquel, superligas com níquel, ligas com

níquel para fins elétricos e magnéticos, aços com baixo teor de níquel e

aços inoxidáveis com níquel [7]

2.1.1 Superliga de Níquel

A estrutura cristalina cúbica de face centrada (CFC) da matriz γ

austenítica das superligas de níquel apresenta grande capacidade de

resistência à tração, à ruptura e boas propriedades de fluência em

temperaturas homólogas muito mais alta do que as ligas de matriz cúbica de

corpo centrado, por causa de vários fatores, como o módulo de elasticidade.

Os elementos em solução sólida promovem diferentes efeitos como o

aumento de resistência (molibidênio, tântalo e tungstênio), resistência a

oxidação(cromo e alunínio) e aumenta da fração volumétrica de precipitados

secundários (cobalto) [8].

2.2 Microscópio eletrônico de varredura

A principal função do microscópio é tornar visível ao olho humano o

que for muito pequeno para tal. Os microscópios ópticos convencionais

ficam, então, limitados a um aumento máximo de 2000vezes, porque acima

deste valor, detalhes menores são imperceptíveis. No caso do microscópio

eletrônico de varredura em vez de fótons usados no microscópio óptico, é

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utilizado feixe de elétrons, o que permite solucionar o problema de resolução

relacionado com a fonte de luz branca [2].

Fig. 1 Diferença entre o microscópio óptico e o microscópio eletrônico de

varredura.[2]

O MEV é um dos mais versáteis instrumentos disponíveis para a

observação e análise de característica microestruturais de objetos sólidos. A

principal razão de sua utilidade é a alta resolução que pode ser obtida

quando as amostras são observadas; valores da ordem de 2 a 5 nanômetros

são geralmente apresentados por instrumentos comerciais, enquanto

instrumentos de pesquisa avançada são capazes de alcançar uma resolução

melhor que 1nm [3]

Outra característica importante é que o MEV tem aparência

tridimensional da imagem das amostras, resultado direto da grande

profundidade de campo permitindo também, o exame de pequenos

aumentos e com grande profundidade de foco, o que é extremamente útil,

pois a imagem eletrônica completa a informação dada pela imagem óptica.

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2.2.1 Princípio de funcionamento

O Microscópio eletrônico de varredura (MEV) consiste em utilizar feixes

de elétrons com diâmetro pequeno que explora ponto a ponto a superfície da

amostra por linhas sucessivas transmitindo o sinal do detector a uma tela

catódica cuja varredura está perfeitamente sincronizada com aquela do feixe

incidente. Através de um sistema de bombina de deflexão, o feixe pode ser

guiado de modo a varrer a superfície da amostra segundo uma malha

retangular. O sinal de imagem resulta da interação do feixe incidente com a

superfície da amostra.

Dentre os sinais emitidos, os mais utilizados para a obtenção da

imagem são originários dos elétrons secundários e/ou dos elétrons

retroespalhados [2].

2.2.1.1 Elétrons secundários (SE)

Englobam todos os elétrons de energia inferior a 50 eV.

Essencialmente, compreendem os elétrons da camada de valência perdidos,

que, face a sua baixa energia, emergem das proximidades da superfície da

amostra possibilitando a visualização topográfica da amostra, com elevada

profundidade de foco.

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Fig. 2 Foto da microestrutura em um microscópio utilizando elétrons

secundários.[5]

2.2.1.2 Elétrons Retroespalhados(BSE)

Compreende o espalhamento elástico de elétrons cuja trajetória

foi desviada em mais de 900 em relação a direção do feixe incidente.

Mostram estreita relação de dependência com o número atômico e a energia

dos elétrons (50eV até valores correspondentes à energia do feixe

incidente). Permite a individualização de fases através de contraste de tons

de cinza em função do número atômico médio (Z) (diferenças de AZ

crescentes com o número atômico).[4]

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Fig. 3 Foto da microestrutura em um microscópio utilizando elétrons

secundários.[5]

2.3 Espectroscopia de energia dispersiva de Raios-x (EDS)

Os microscópios eletrônicos em geral possuem equipamentos para

microanálise, permitindo a obtenção de informações químicas em áreas de

ordem de micrometros, as quais (qualitativas e quantitativas) são obtidas

pela detecção dos raios-x resultantes da interação entre o feixe primário e a

amostra. Na análise por EDS é usado material semi-condutor para detectar

os raios-X e um anaisador multicanal, que converte a energia em raios –X em

uma contagem eletrônica; que resulta em um espectro que representa a

análise química da amostra.[6]

3. Procedimento experimental

3.1 Preparação da amostra

Primeiramente para ser realizada a análise foi realiado na amostra as

técnicas metalográficas usuais (embutimento, lixamento e polimento). A

amostra já foi entregue cortada e embutida(Figura 4) onde posteriormente

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foi feito o lixamento dela com as lixas na sequência 80, 240, 400, 600 e

1200 mesh lubrificada com água corrente (Figura 5) seguido pelo polimento

fino em uma polimetriz com pano tipo camurça e lubrificante a base de

alumina 1 μm e 0,5 μm (Figura 6).

Fig. 4 Foto da amostra fornecida ao grupo pelo professor.

Fig. 5. Lixamento manual lubrificado com água corrente.

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Fig. 6 Polimento da amostra em uma politriz.

Na Figura 7, vemos as imagens da superfície da amostra que foi

submetida a sequência do trabalho metalográfico.(a) a surperfície da

amostra antes do lixamento (como foi entregue), (b) lixa #240, (c) #400, (d)

#600, (e) #1200 e (f) polida com Alumina 1μm e 0,5 μm.

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(a) (b)

(c) (d)

Fig.7 Amostra antes do lixamento (a), lixa 240 (b), lixa 400 (c), lixa 600 (d),

lixa 1200 (e) e amostra polida com alumina Al2O3 (f) todas as figuras estão

com um aumento de 50x no microscópio óptico.

Logo após ao polimento com a amostra seca (com auxílio de álcool e

um secador) fez-se o ataque realizado dentro da estufa onde foi utilizado

como reagente a Glicerégia(específica para superligas), assim,

encaminhamos a amostra pronta para a análise em MEV de bancada Hitachi

TM-3000 similar ao da figura 8, onde, além de ter sido fotografadas no

próprio aparelho, foi realizada também análises por EDS,s para identificar os

elementos presentes na matriz e os precipitados.

Fig8. MEV de bancada Hitachi TM-3000 [9]

4. Resultado e Discussão

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(e) (f)

A amostra foi submetida à análise de microscopia eletrônica de

varredura de bancada (MEV) e Espectroscopia de Energia Dispersiva de

Raios-X (EDS) para determinação de sua microestrutura e composição

química. A figura 9 mostra imagem de uma área da zona fundida presente

no material, nela podemos observar de uma forma mais clara a presença de

predominante de três fases; além da matriz γ pode ser identificado duas

fases; uma mais clara e outra mais escura de precipitados (M23C6).

Fig. 9 Imagem geral obtida por MEV da zona fundida.

A Tabela 1 logo abaixo mostra a composição da região em estudo, a

partir de uma análise semiquantitativa, utilizando o a técnica de EDS.

Tabela 1 – Composição do material na zona fundida.

Element Weight % Weight % σ Atomic %

Aluminum 1.117 0.175 2.253

Silicon 1.055 0.164 2.044

Chromium 27.045 0.617 28.295

Manganese 1.978 0.451 1.958

Iron 35.750 0.750 34.823

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Nickel 33.054 0.851 30.627

A título de especificação, prosseguimos com as análises pontuais nas

regiões que apresentam diferenças de contrastes (fases). A figura 10 mostra

a análise de EDS no precipitado claro, enquanto a Tabela 2 detalha sua

composição. Nela percebemos a predominância de Ni, Cr e Fe.

Fig. 10 Detalhe da análise pontual no precipitado claro.

Tabela 2 – Composição do precipitado claro.

Element Weight % Weight % σ Atomic %

Silicon 1.059 0.157 2.079

Chromium 25.627 0.557 27.174

Manganese 2.234 0.402 2.242

Iron 36.425 0.699 35.960

Nickel 34.655 0.789 32.544

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Em seguida apresentamos a Figura 11 mostrando um ponto no precipitado

escuro, o qual por análise com EDS apresentou a composição descrita na Tabela 3.

Nesse região encontramos uma maior quantidade de precipitados de Cr.

Fig. 11 Análise pontual no precipitado escuro.

Tabela 3 - Composição do precipitado escuro.

Element Weight % Weight % σ Atomic %

Silicon 0.820 0.147 1.555

Chromium 70.012 0.818 71.694

Iron 15.386 0.557 14.669

Nickel 12.597 0.680 11.425

Molybdenum 1.185 0.491 0.657

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Por último, a Figura 12 detalha o ponto no qual é feita uma análise de EDS. Os

resultados obtidos encontram-se na Tabela 4.

Figura 12 – Análise pontual na matriz.

Tabela 4 – Composição da matriz na região da zona fundida.

Element Weight % Weight % σ Atomic %

Silicon 0.989 0.184 1.950

Chromium 21.400 0.610 22.797

Manganese 2.087 0.459 2.104

Iron 39.204 0.839 38.883

Nickel 36.321 0.928 34.267

5. Conclusão

No presente trabalho graças a resolução do MEV foi visualizado na amostra a

presença de três fazes, o que não deu para visualizar quando foi feito o trabalho

apenas com o microscópio óptico. Já o EDS por mais que não seja uma ferramenta

100% confiável, nos reveleou a presença de elementos a mais do que foi pesquisado

no trabalho anterior. Observando as imagens pode - se confirmar a presença de três

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fases distintas no material, na matriz γ austenítica composta predominantemente por

Ni, Cr e Fe a formação de precipitados, provavelmente o M23C6 (fase escura onde M de

acordo com a porcentagem seja o Cr) que confere uma maior resistência à oxidação ao

material e por último a presença de um precipitado claro com composição semelhante

à matriz, porém sua geometria pode influenciar na propriedade. A grande quantade de

níquel na amostra (mais de 30%) revela que a amostra se trata muito mais de uma

Superliga de Níquel do que um aço inoxidável.

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1 – MALISKA, A. M. Microscopia Eletrônica de Varredura e Microanálise, Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC.

2 - DEDAVID, B. A.; GOMES, C.I.; MACHADO. G. Microscopia eletrônica de

varredura : aplicações e preparação deamostras : materiais

poliméricos, metálicos e semicondutores.Porto Alegre : EDIPUCRS,

2007.

3 - NAGATANI, T.; SAITO S,; SATO, M.; YAMADA, M. Development of an

ultra high resolution scanning electron microscope by means of a

field emission source and in-lens system. Scanning Microscopy. v.11.

1987.

4 - KAHN, H. Microscopia electronica de varredura e microanálise

química.Disponível em:

http://www.angelfire.com/crazy3/qfl2308/1_multipart_xF8FF_4_MEV_PMI-

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5 - MANSUR, H.S. Técnicas de caracterização de materiais. Disponível

em :http://www.biomaterial.com.br/capitulo7part01.pdf Acesso : 01/06/2013

6 - Técnicas de análises. PUC-RIO. Disponível em: http://www2.dbd.puc-

rio.br/pergamum/tesesabertas/0721806_2012_cap_4.pdf. Acesso:

01/06/2013.

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7-UNICAMP. Seleção de materiais. Disponível em:

ftp://ftp.fem.unicamp.br/pub/EM833/Parte%20II%201.3.b%20%20Niquel

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8 - SOUSA, G.R.X. de. Processamento da superliga de níquel X-750

para fabricação de molas helicóidais. Universidade Federal do Rio de

Janeiro, 2010.

9 – DP UNION. Intrumentação analítica e científica. Disponível em:

http://www.dpunion.com.br/Produto_Detail.aspx?D=233. Acesso: 01/06/2013.

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