EDUARDO CORASSINI INFLUÊNCIA DO GRAU DE ENCRUAMENTO E TRATAMENTOS TÉRMICOS DE RECOZIMENTO NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DO AÇO ABNT 1006

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1 EDUARDO CORASSINI INFLUÊNCIA DO GRAU DE ENCRUAMENTO E TRATAMENTOS TÉRMICOS DE RECOZIMENTO NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DO AÇO ABNT 1006 Trabalho de Final de Curso, apresentado ao Centro Universitário da FEI, como parte dos requisitos necessários para obtenção do título de Engenheiro de Materiais, orientado pelo professor Dr. Rodrigo Magnabosco. São Bernardo do Campo 2012

2 AGRADECIMENTOS Gostaria de agradecer primeiramente a Deus e aos meus pais, por estarem presente em minha vida, me dando forças para continuar sempre batalhando e vencendo em busca dos meus objetivos. Gostaria de agradecer também, ao Prof. Dr. Rodrigo Magnabosco, por toda orientação e apoio para a realização deste trabalho com excelente qualidade e aos funcionários da empresa Mangels Industrial S.A, em especial aos engenheiros metalúrgicos Sr. Carlos Roberto Gianini Junior e ao Sr. Fernando Kawata, que colaboraram com informações importantes e com os procedimentos experimentais deste trabalho. A todas as pessoas que ajudaram de alguma forma, na viabilização deste trabalho.

3 RESUMO Baseado na norma ABNT NBR 5007, o presente trabalho consiste na análise da influência de diferentes condições de encruamento e ciclos térmicos de recozimento subcrítico nas propriedades mecânicas e tamanhos de grão do aço ABNT 1006, acalmado com alumínio e sem silício, utilizado para estampagem. O material foi laminado a frio em diferentes graus de encruamento e recozido em diferentes condições de tempo e temperatura. Para a caracterização da matéria-prima, realizou-se análise de composição química e propriedades mecânicas iniciais. Ao retirar amostras na direção longitudinal de cada redução, antes e após recozimento, realizam-se ensaios de tração, dureza, embutimento Erichsen e análise metalográfica. Após levantamento das propriedades mecânicas e tamanhos de grão do material em todas as condições de encruamento, e todos os ciclos de recozimento, foi possível obter curvas comparativas que auxiliam na interpretação do grau de encruamento e ciclo térmico necessários para se obter as propriedades mecânicas desejadas ao produto final, partindo-se de uma espessura inicial conhecida. Palavras-chave: Aço ABNT 1006, estampagem, encruamento, ciclos térmicos de recozimento subcrítico, tamanho de grão, propriedades mecânicas.

4 ABSTRACT Based on ABNT NBR 5007 standard, the present work evaluates the influence of different conditions of work hardening and subcritical annealing thermal cycles on the mechanical properties and grain sizes of ABNT 1006 steel, with aluminum and without silicon, used for sheet metal forming. The material is cold rolled to varying degrees of strain hardening and annealed under varying conditions of time and temperature. For the characterization of the raw material, chemical composition and mechanical properties were obtained. By taking samples in the longitudinal direction of each reduction, before and after annealing, tensile mechanical properties, hardness, Erichsen draw ability and grain size were determined. It was possible to obtain comparative curves which help in the interpretation of the degree of strainhardening and thermal cycle needed to obtain the mechanical properties desired in end product, starting from a known initial thickness. Key words: ABNT 1006 steel, stamping, hardening, thermal cycles subcritical annealing, grain size, mechanical properties.

5 LISTA DE TABELAS TABELA 1 - Composição química do aço ABNT 1006 com alumínio sem silício, conforme norma ABNT NBR...13 TABELA 2 - Composições químicas e propriedades mecânicas típicas de aços para estampagem no Brasil...19 TABELA 3 Propriedades mecânicas do aço ABNT 1006 em função do tipo de laminação...29 TABELA 4 - Porcentagens de redução de espessura e planos de passes originados no processo de laminação...38 TABELA 5 - Ciclos de recozimento utilizados na Mangels para tratamento das amostras...40 TABELA 6 - Composição química real da matéria-prima proveniente de usina...45

6 LISTA DE ILUSTRAÇÕES ILUSTRAÇÃO 1 - Diagrama de fase Fe-C mostrando as regiões de formação de austenita e ferrita, para equilíbrio metaestável Fe-Fe3C...14 ILUSTRAÇÃO 2 Aço SAE 1006 laminado a 845 C e bobinado a 620 C, resultando em grãos finos de ferrita homogeneamente dispersos...15 ILUSTRAÇÃO 3 Influência dos elementos de liga em solução sólida na fase ferrita na mudança de resistência ao escoamento de aços baixo carbono...16 ILUSTRAÇÃO 4 Microestrutura de um aço baixo carbono sem recozimento, com matriz ferrítica e presença de perlita em contorno de grão. 2% de Nital e 4% de Picral, 1000X...17 ILUSTRAÇÃO 5 Microestrutura de um aço plano de baixo carbono recozido, com cementita em contorno de grão. 2% de Nital e 4% de Picral, 1000X...17 ILUSTRAÇÃO 6 Efeito endurecedor de diferentes elementos de liga, dissolvidos na ferrita de aços com baixo teor de carbono...18 ILUSTRAÇÃO 7 Relação entre o tamanho de grão ferrítico e qualidade da superfície, através do ensaio de embutimento Erichsen de chapas de aço baixo carbono. A última amostra, com granulação grosseira, resultou em superfície rugosa, diferentemente da primeira amostra...20 ILUSTRAÇÃO 8 Aço SAE 1006 laminado a 790 C e bobinado a 620 C. A temperatura de laminação resultou em grãos finos no interior do material, porém ocorreu crescimento exagerado dos grãos de ferrita na superfície. Nital,100X...22 ILUSTRAÇÃO 9 Aço SAE 1006 com precipitação de cementita. Picral,1000X...22 ILUSTRAÇÃO 10 - Orientação dos planos de deslizamento (PD) e as direções preferenciais de deslizamento (DD) atuantes no reticulado cristalino do material, ao serem submetidos a uma tensão axial (TA) de deformação, que definirá a anisotropia de propriedades do material...24 ILUSTRAÇÃO 11 - Valores de anisotropia normal em função do grau de encruamento anterior ao recozimento para três tipos de aços para estampagem distintos...25 ILUSTRAÇÃO 12 Microestruturas de um aço SAE 1010 laminado a frio, de 10 a 90% de redução, mostrando o encruamento dos grãos à medida que se intensifica, sem operações de recozimento intermediário. As setas pretas indicam a sequência de laminação...26

7 ILUSTRAÇÃO 13 Gráfico da porcentagem de redução de espessura por laminação a frio para um aço baixo carbono, em função das propriedades mecânicas...26 ILUSTRAÇÃO 14 Efeito sobre a curva tensão deformação em função do aumento do trabalho mecânico a frio de um aço baixo carbono, indicando o aumento da resistência mecânica e diminuição da ductilidade do material...28 ILUSTRAÇÃO 15 Influência do grau de encruamento na ductilidade, de um aço SAE 1005 laminado a frio...28 ILUSTRAÇÃO 16 - Curva tensão-deformação, mostrando o aparecimento do escoamento descontínuo para um aço de baixo teor de carbono...29 ILUSTRAÇÃO 17 - Comparação de microestruturas com recozimento subcrítico posterior a laminação a frio, mostrando a recuperação e recristalização dos grãos de ferrita, para um aço SAE ILUSTRAÇÃO 18 - Distribuições de tamanho de grão durante o crescimento de grão normal e anormal, em função da frequência de grãos de um determinado diâmetro e do tempo de recozimento t...33 ILUSTRAÇÃO 19 Efeito da temperatura de recozimento na dureza, para um aço baixo carbono, recozido a 1h...34 ILUSTRAÇÃO 20 Microestrutura de um aço 0.08C-1.5Mn-0.21Si. a) laminado a frio com 50% de encruamento b) 50% de encruamento a frio e recozido a 700 C por 20min, com cementita esferoidizada...34 ILUSTRAÇÃO 21 Forno de recozimento tipo sino de alta convecção da Mangels Industrial S.A...35 ILUSTRAÇÃO 22 - Campânulas de proteção de atmosfera, utilizadas nos fornos de recozimento da Mangels...36 ILUSTRAÇÃO 23 - Forno a gás de alta convecção com atmosfera de 100% H2. O rendimento é aproximadamente 80%...37 ILUSTRAÇÃO 24 - Campânula de resfriamento rápido, colocada sobre a campânula de proteção da carga...37 ILUSTRAÇÃO 25 - Laminador 13 da Mangels, utilizado para relaminação do material em estudo...38 ILUSTRAÇÃO 26 Esquema de retirada da amostra...39

8 ILUSTRAÇÃO 27 - Espectrômetro Spectromax do Instituto de Pesquisas e Estudos Industriais (IPEI), utilizado para análise de composição química do material em estudo...39 ILUSTRAÇÃO 28 - Esquema e dimensões do corpo de prova usinado para ensaio de tração...40 ILUSTRAÇÃO 29 Equipamento MTS do Centro Universitário da FEI, utilizado para os ensaios de tração...41 ILUSTRAÇÃO 30 - Durômetro Fsclerometer da Mangels, utilizado para os ensaios de dureza Vickers com carga de 5 kgf...41 ILUSTRAÇÃO 31 - Equipamento do Centro Universitário da FEI utilizado para os ensaios de embutimento Erichsen do material em estudo...42 ILUSTRAÇÃO 32 Equipamento Allied Techpress 2 utilizado para embutimento em baquelite, dos corpos de prova utilizados para metalografia...43 ILUSTRAÇÃO 33 - Equipamento Struers Abramin do Centro Universitário da FEI, utilizado para preparação metalográfica das amostras...43 ILUSTRAÇÃO 34 - Microscópico óptico Olympus...44 ILUSTRAÇÃO 35 - Microestrutura do aço ABNT 1006 com Al sem Si, proveniente da usina. Nital 2%, 500X...46 ILUSTRAÇÃO 36 - Distribuição de tamanhos de grão da matéria-prima proveniente da usina...46 ILUSTRAÇÃO 37 - Embutimento Erichsen da amostra referente ao material original proveniente da usina...47 ILUSTRAÇÃO 38 - Micrografias após laminação, desde 5% até 80%, mostrando a comparação de microestruturas e formatos de grão. Nital 2%, 200X...47 ILUSTRAÇÃO 39 Gráfico do comportamento da dureza do material em função da porcentagem de redução de área, anterior ao processo de recozimento...50 ILUSTRAÇÃO 40 Gráfico do comportamento do limite de escoamento do material em função do porcentagem de redução de área, anterior ao processo de recozimento...50 ILUSTRAÇÃO 41 Gráfico do comportamento do limite de resistência do material em função da porcentagem de redução de área, anterior ao processo de recozimento...51 ILUSTRAÇÃO 42 Gráfico do comportamento do alongamento do material em função da porcentagem de redução de área, anterior ao processo de recozimento...51

9 ILUSTRAÇÃO 43 - Microestruturas obtidas de 4 condições de tempo e temperatura distintos, em função do grau de encruamento anterior ao recozimento...52 ILUSTRAÇÃO 44 Gráfico do diâmetro médio planar dos grãos em função do grau de encruamento, após recozimento a 630 C durante 6 horas de encharque...54 ILUSTRAÇÃO 45 - Gráfico do diâmetro médio planar dos grãos em função do grau de encruamento, após recozimento a 650 C durante 8 horas de encharque...54 ILUSTRAÇÃO 46 - Gráfico do diâmetro médio planar dos grãos em função do grau de encruamento, após recozimento a 670 C durante 8 horas de encharque...55 ILUSTRAÇÃO 47 - Gráfico do diâmetro médio planar dos grãos em função do grau de encruamento, após recozimento a 700 C durante 9 horas de encharque...55 ILUSTRAÇÃO 48 - Microestruturas das superfícies das amostras laminadas com 10% de encruamento e recozidas através dos ciclos G, H-I e J, respectivamente. Nital 2%, 100X...56 ILUSTRAÇÃO 49 - Gráfico da profundidade de estampagem em função do encruamento, para as amostras recozidas a 630 C durante 6 horas de encharque (ciclo F)...58 ILUSTRAÇÃO 50 - Gráfico da profundidade de estampagem em função do encruamento, para as amostras recozidas a 650 C durante 8 horas de encharque (ciclo G)...58 ILUSTRAÇÃO 51 - Gráfico da profundidade de estampagem em função do encruamento, para as amostras recozidas a 670 C durante 8 horas de encharque (ciclo H-I)...59 ILUSTRAÇÃO 52 - Gráfico da profundidade de estampagem em função do encruamento, para as amostras recozidas a 700 C durante 9 horas de encharque (ciclo J)...59 ILUSTRAÇÃO 53 Profundidade de estampagem em função da espessura, para todos os ciclos de recozimento...60 ILUSTRAÇÃO 54 - Fotografias da superfície estampada, mostrando a aparência superficial das amostras estudadas. As fotografias com bordas vermelhas correspondem às condições que apresentaram casca de laranja acentuada...61 ILUSTRAÇÃO 55 - Superfície que relaciona o tamanho de grão em função do grau de encruamento e ciclo de recozimento subcrítico...63 ILUSTRAÇÃO 56 - Gráfico que relaciona o limite de escoamento com o tamanho de grão, para todas as condições de recozimento e encruamento estudadas...64 ILUSTRAÇÃO 57 - Gráfico que relaciona o limite de resistência com o tamanho de grão, para todas as condições de encruamento e recozimento estudadas, com a respectiva equação de Hall-Petch obtida...65

10 ILUSTRAÇÃO 58 - Gráfico que relaciona a dureza com o tamanho de grão, para todas as condições de encruamento e recozimento estudadas, com a respectiva equação de Hall-Petch obtida...65 ILUSTRAÇÃO 59 - Gráfico do alongamento em 50 mm em função do inverso da raiz quadrada do diâmetro médio dos grãos posterior ao recozimento, para todas as condições estudadas, com a respectiva equação de Hall-Petch obtida...66 ILUSTRAÇÃO 60 Gráfico do limite de escoamento em função do encruamento, para todas as amostras recozidas através dos ciclos F, G, H-I e J...67 ILUSTRAÇÃO 61 - Gráfico do limite de resistência em função do encruamento, para todas as amostras recozidas através dos ciclos F, G, H-I e J...68 ILUSTRAÇÃO 62 - Gráfico da dureza em função do encruamento, para todas as amostras recozidas através dos ciclos F, G, H-I e J...70 ILUSTRAÇÃO 63 - Gráfico do alongamento em função do encruamento, para todas as amostras recozidas através dos ciclos F, G, H-I e J...70 ILUSTRAÇÃO 64 - Superfície que relaciona o limite de escoamento em função do grau de encruamento e ciclo de recozimento subcrítico...71 ILUSTRAÇÃO 65 - Superfície que relaciona o limite de resistência em função do grau de encruamento e ciclo de recozimento subcrítico...71 ILUSTRAÇÃO 66 - Superfície que relaciona a dureza em função do grau de encruamento e ciclo de recozimento subcrítico...72 ILUSTRAÇÃO 67 - Superfície que relaciona o alongamento em função do grau de encruamento e ciclo de recozimento subcrítico...72

11 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO E OBJETIVO REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Aços Baixo-Carbono Laminação a quente Laminação a frio Tratamento térmico de recozimento subcrítico Fornos de recozimento da Mangels MATERIAL E MÉTODOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS E DISCUSSÃO CONCLUSÕES REFERÊNCIAS... 74

12 12 1 INTRODUÇÃO E OBJETIVO Os aços baixo carbono são de longe o material metálico mais produzido no mundo. Embora grande parte da sua produção seja utilizada em aplicações simples, sua tecnologia de processamento e propriedades tem ganhado interesse. O foco deste trabalho é o aço ABNT 1006 acalmado com alumínio e sem silício, na forma de chapas, destinado principalmente a aplicações que envolvam estampagem profunda ou conformação mecânica a frio, como por exemplo, carrocerias de automóveis de um modo geral. Por se tratar de aplicações que exijam determinada resistência mecânica, dureza e diferentes espessuras, é preciso conhecer o processo de relaminação pelo qual o material vai ser submetido para chegar à espessura e às propriedades mecânicas desejadas para o produto final, a partir de uma espessura inicial conhecida. É preciso conhecer também o efeito de diferentes ciclos de recozimento sobre as propriedades mecânicas e tamanho de grão deste. A laminação a frio provoca o encruamento do material, sendo que quanto maior for o grau deste, espera-se que menor seja o tamanho de grão após recozimento e melhores as propriedades mecânicas alcançadas. O recozimento é um tratamento térmico intermediário, realizado com o intuito de facilitar o trabalho mecânico a frio posterior, melhorar as propriedades mecânicas e promover a estabilidade dimensional, através de fenômenos como recuperação, recristalização e crescimento de grão. Este trabalho tem como objetivo verificar a influência de diferentes graus de encruamento e ciclos de recozimento sobre a microestrutura e propriedades mecânicas do aço ABNT 1006, com a finalidade de se obter o melhor conjunto de propriedades para a espessura final desejada, partindo-se de uma bitola inicial específica.

13 13 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Nesta seção serão abordadas as principais características do aço baixo carbono, principalmente o ABNT 1006, com foco na aplicação em estampagem. 2.1 Aços Baixo-Carbono Aço é uma liga metálica composta basicamente por ferro e carbono, com teores de outros elementos que variam conforme a aplicação e solicitação mecânica. Os aços são geralmente classificados segundo o teor de carbono, que pode chegar até aproximadamente 2,1%C. A primeira classe destes é o de baixo carbono, a qual contém até 0,3%C e engloba o material em estudo, que contém em média 0,06%C. A composição química do aço segundo a Associação Brasileira de Normas Técnicas ABNT está indicada na Tabela 1. Tabela 1 - Composição química do aço ABNT 1006 com alumínio sem silício, conforme norma ABNT NBR Número ABNT Carbono Limites e faixas de composição química (%) Manganês Máx % Fósforo Máx % Enxofre Máx % Alumínio Min % ,04 0,08 0,50 0,03 0,035 0,020 Em todos os aços-carbono existem pequenas quantidades de elementos residuais provenientes das matérias-primas utilizadas na fabricação do aço, como cobre, níquel, molibdênio e cromo. São considerados residuais quando não interferem na aplicação final do produto. adaptado de ABNT NBR 5007, 2008, p. 9. O segmento mais importante dos aços baixo carbono, sob o ponto de vista econômico, é voltado para a estampagem, particularmente estampagem profunda ou conformação mecânica a frio, sendo as principais aplicações: no ramo automobilístico, fabricação de embalagens, formas estruturais (vigas I, canaletas, ferros angulados), chapas utilizadas em tubulações, edificações, pontes e outros produtos que não envolvam grandes solicitações mecânicas posteriores. (CALISTER, 2008)

14 14 No Brasil e em muitos países, bobinas laminadas a quente, com espessuras na faixa de aproximadamente 2 a 10 mm são fornecidas para as empresas relaminadoras. O processamento nestas envolvem etapas de decapagem, corte, laminação a frio e recozimento e, em alguns casos, tratamentos da superfície. Para alcançar as propriedades mecânicas desejadas e resistir a esforços mecânicos aplicados ao produto após fabricação, é necessário compreender uma série de fatores, que serão discutidos a seguir. Quanto à microestrutura, o aço com teor de carbono baixo apresenta estrutura predominante ferrítica, a qual não responde a tratamentos térmicos que visem à formação de martensita para aumento de resistência mecânica, que é alcançado somente através do trabalho mecânico a frio. Ferrita é uma solução sólida de ferro no estado alotrópico alfa, com baixos teores de carbono ou mais elementos de liga dissolvidos, que ocupam posições específicas no reticulado cristalino de célula cúbica de corpo centrado do aço. Possui microestrutura de grãos poligonais irregulares de alta ductilidade e resistência mecânica da ordem de 270 MPa. A Figura 1 mostra o diagrama de fase Fe-C, onde é possível identificar as regiões de estabilidade das fases existentes em função do teor de carbono do aço e da temperatura. (ANDRESEN, P. et al, 1997) Figura 1 - Diagrama de fase Fe-C mostrando as regiões de formação de austenita e ferrita, para equilíbrio metaestável Fe-Fe 3 C., adaptado de Arai, T. et al, 1991, p. 103.

15 15 A resistência mecânica da ferrita é determinada também pelo seu tamanho de grão, sendo que quanto menor o tamanho destes, maior é a resistência mecânica, seguindo a relação de Hall-Petch. Para aços com baixo teor de carbono, a resistência ao escoamento varia em função do diâmetro dos grãos, também segundo a equação 1. (G. AGGEN, et al, 1993) σy = σ0 + κy d -1/2...(1) onde σy é a resistência ao escoamento, σ0 é a resistência ao escoamento de um único cristal de condição e pureza equivalentes, κy é o coeficiente de resistência do contorno de grão e d é o diâmetro médio do grão. A equação acima mostra que a resistência ao escoamento é inversamente proporcional à raiz quadrada do diâmetro médio do grão. O limite de escoamento representa a média dos limites de escoamento de todos os cristais que compõem a microestrutura. A Figura 2 mostra um exemplo da microestrutura de um aço SAE 1006, com grãos finos de ferrita, que certamente apresenta resistência ao escoamento elevada. (G. AGGEN, et al, 1993) Figura 2 Aço SAE 1006 laminado a 845 C e bobinado a 620 C, resultando em grãos finos de ferrita homogeneamente dispersos. Nital, 100x., adaptado de Aaronson, H., et al, 1985, p Quanto a maioria dos elementos de liga, ao entrarem em solução sólida na ferrita aumentam a resistência ao escoamento desta, como mostra a Figura 3, destacando-se principalmente o carbono, nitrogênio e fósforo, que aumentam aproximadamente até 300 MPa, mesmo em baixos teores. (ANDRESEN, P. et al, 1997)

16 16 Mudança na tensão de escoamento (MPa) e e Teor de liga (% peso) Figura 3 Influência dos elementos de liga em solução sólida na fase ferrita na mudança de resistência ao escoamento de aços baixo carbono., adaptado de Andresen, P. et al, 1997, p. 855 Elementos intersticiais como o carbono e o nitrogênio se difundem mais rapidamente na ferrita, quando comparado com elementos substitucionais, resultando em uma resposta mais rápida ao tratamento térmico. (ANDRESEN, P. et al, 1997) No caso da quantidade de carbono exceder o limite de solubilidade de aproximadamente 0,0218%C na ferrita a 727 C, o carbono remanescente precipita na matriz e constitui uma segunda fase denominada cementita. É uma fase composta pela combinação de ferro com o carbono (Fe 3 C), muito dura e com 6,67%C, responsável por elevar a dureza e resistência mecânica da matriz de aços baixo carbono, em que cada partícula é totalmente envolvida pela matriz. Também pode ser um constituinte da perlita, na qual o tamanho das partículas de segunda fase é da ordem do tamanho de grão da matriz, composta por 88,5% de ferrita e 11,5% de cementita na forma lamelas alternadas com a mesma orientação, formada a partir da transformação eutetóide de austenita com 0,76%C, e que apresentam resistência à tração, em média, de 740 MPa. As Figuras 4 e 5 mostram microestruturas típicas de aço baixo carbono na presença de perlita e cementita, respectivamente. (ANDRESEN, P. et al, 1997)

17 17 Figura 4 Microestrutura de um aço baixo carbono sem recozimento, com matriz ferrítica e presença de perlita em contorno de grão. 2% de Nital e 4% de Picral, 1000X. Fonte: Andresen, P. et al, 1997, p. 854 Figura 5 Microestrutura de um aço plano de baixo carbono recozido, com cementita em contorno de grão. 2% de Nital e 4% de Picral, 1000X. Fonte: Andresen, P. et al, 1997, p. 854 Um fator também importante a ser considerado é o conhecimento da composição química da matéria-prima, que deve ser mantida dentro da faixa de especificação, para evitar o aparecimento de eventuais precipitados e inclusões não metálicas. Os aços carbono geralmente apresentam impurezas, metálicas ou não, resultantes do processo de fabricação, e que geralmente estão presentes na composição química da matéria-prima, sendo que as mais comuns são o enxofre, o manganês, o silício e o alumínio. A maioria destas reage entre si formando inclusões não metálicas, normalmente prejudiciais às aplicações. (CHIAVERINI, 1990).

18 18 O manganês, quando não combinado com o enxofre, contribui para o aumento da dureza e resistência mecânica de aços com baixo teor de carbono, ao se dissolver na ferrita, com diminuição insignificante da tenacidade. (CHIAVERINI, 1990). O alumínio atua como elemento controlador do crescimento de grãos e em solução sólida na ferrita endurece-a consideravelmente, enquanto o enxofre apresenta um efeito significativo sobre as propriedades mecânicas do aço baixo carbono, porém deve possuir teor máximo de 0,05%S para evitar a formação de sulfetos prejudiciais às propriedades mecânicas. (CHIAVERINI, 1990). O silício dissolve-se na ferrita e não afeta de maneira significativa a ductilidade, também contribui para o aumento de dureza e resistência mecânica, porém em teores elevados combina-se com outros elementos formando os silicatos. É responsável por expandir a região de estabilidade da ferrita no diagrama de fase Fe-C a temperatura ambiente, através da diminuição da quantidade de austenita. (CHIAVERINI, 1990). Inclusões de silicatos e sulfetos, resultantes ou não do processo de fabricação, se alongam na direção da laminação. Como exemplo dessas, têm-se o sulfeto de manganês (MnS), que prejudica a maleabilidade da fase ferrita por comprometer a continuidade de deformação da matriz. (CHIAVERINI, 1990) A Figura 6 mostra a influência do teor de elementos de liga que se dissolvem na ferrita sobre o aumento da resistência mecânica, sem comprometer de maneira significativa a ductilidade. Figura 6 Efeito endurecedor de diferentes elementos de liga, dissolvidos na ferrita de aços com baixo teor de carbono. Fonte: Chiaverini, 1990, p. 172.

19 19 Quanto à estampabilidade, quanto menor o teor de carbono do aço, que não deve ultrapassar 0,1%C, e o teor de elementos de liga, que somados não devem ultrapassar 1%, melhor é a formabilidade do aço. Elementos de liga dissolvidos na ferrita aumentam a resistência mecânica dessa e prejudicam a formabilidade. Os elementos de liga com maior influência na estampabilidade dos aços baixo carbono são: carbono, manganês, alumínio, titânio e nióbio. Teores de fósforo e enxofre para chapas com destino a estampagem devem estar abaixo de 0,035%P e 0,04%S, pois aumentam a probabilidade de nucleação de trincas, prejudicando a formabilidade. O teor de silício geralmente deve ser inferior a 0,1%Si, pois em maiores quantidades pode formar inclusões de silicatos prejudiciais a formabilidade, além de aumentar a resistência do aço, diminuindo a ductilidade necessária. O alumínio tem um papel importante em aços baixo carbono, pois ajuda no desenvolvimento da orientação preferencial dos grãos, resultando em uma melhor estampabilidade. (CHIAVERINI, 1990) A Tabela 2 apresenta valores típicos de composição química e de propriedades mecânicas de aços para estampagem. (FILHO, A. F. et al, 2001) Tabela 2 - Composições químicas e propriedades mecânicas típicas de aços para estampagem no Brasil. Aço Composição Química (% Peso) Propriedades Mecânicas Baixo Carbono C Mn P S Al LE LR AL LE/LR rm Estampagem Média (EM) 0,05 0,23 0,018 0,015 0, ,66 1,5 Estampagem Profunda (EP) 0,05 0,23 0,017 0,015 0, ,62 1,5 Estampagem Extra-Profunda 0,04 0,23 0,016 0,015 0, ,59 1,7 (EEP) Estampagem Extra-Profunda 0,04 0,21 0,014 0,014 0, ,58 1,8 Crítica (EEP- PC) adaptado de Filho, A. F. et.al, 2001, p Outros fatores que também interferem na estampabilidade é o tamanho, o formato e a orientação dos grãos (textura) em relação à direção de laminação, e a existência de microconstituintes que influenciam na profundidade e qualidade da superfície estampada. O tamanho de grão influencia muito a resistência ao escoamento de um aço baixo carbono, sendo que grãos finos possuem resistência ao escoamento e expoentes de encruamento elevados, porém formabilidade limitada. Já uma granulação grosseira tem melhor estampabilidade em função da menor resistência ao escoamento, porém gera superfície áspera (casca de laranja). A Figura 7 mostra esses dois extremos. Geralmente grãos na faixa de

20 20 tamanho entre 7 ou 8, classificados conforme norma ASTM E112, apresentam um bom compromisso entre conformabilidade e aparência de superfície. Tamanho de grão abaixo de 5 são considerados inaceitáveis para muitas aplicações. Quanto ao formato, geralmente grãos de ferrita equiaxiais, associados com a orientação preferencial destes, resultam em excelente formabilidade. A existência de microconstituintes a temperatura ambiente, como carbonetos e inclusões não metálicas (sulfetos, silicatos e óxidos) podem prejudicar a formabilidade da chapa de aço por estimularem a nucleação de trincas durante a estampagem. (G. AGGEN, et al, 1993) Figura 7 Relação entre o tamanho de grão ferrítico e qualidade da superfície, através do ensaio de embutimento Erichsen de chapas de aço baixo carbono. A última amostra, com granulação grosseira, resultou em superfície rugosa, diferentemente da primeira amostra., adaptado de G. Aggen, et al, 1993, p Laminação a quente O controle do processo de laminação a quente é de grande importância para o aumento das propriedades mecânicas do aço baixo carbono, após laminação a frio e recozimento. Serve tanto para evitar o aparecimento de precipitados e inclusões exógenas que induzam a ruptura durante a conformação ou corte do material, quanto ao controle da temperatura, tempo e taxa de aquecimento para evitar crescimentos anormais de grãos. O controle do resfriamento também é muito importante. Quando o produto de transformação da austenita consiste em grande parte de ferrita, o resfriamento rápido impede o crescimento dos grãos de ferrita e a possibilidade de formação de precipitados, embora algumas partículas sejam inevitavelmente

21 21 formadas durante a transformação austenita-ferrita, por conta da menor solubilidade de carbono na ferrita em relação a austenita. (G. AGGEN, et al, 1993) A temperatura de acabamento é também um parâmetro importante e exerce influência no produto laminado a frio. Normalmente é utilizada para controlar o tamanho de grão austenítico e a precipitação de carbonitretos. Por sua vez, estabelece a granulação ferrítica bastante fina encontrada nestes aços. A temperaturas elevadas, bastante acima da temperatura Ar3 (temperatura de início da transformação da fase austenita para ferrita), além dos elementos formadores de carbonetos, nitretos ou carbonitretos estarem em solução sólida, o tamanho de grão austenítico torna-se muito grande. A temperaturas mais baixas, próximas à temperatura Ar3, finos precipitados irão se formar a partir da austenita, devido à reduzida solubilidade dos solutos a baixas temperaturas. Estes precipitados inibem o crescimento de grão austenítico ou até mesmo a recristalização. A intensidade deste efeito depende, no entanto, da concentração de elementos de liga, da quantidade de deformação e da temperatura de laminação. (G. AGGEN, et al, 1993) A temperatura de bobinamento é outro parâmetro que afeta significativamente o produto final laminado a frio. Baixas temperaturas produzem precipitados finos e aleatoriamente distribuídos, que elevam a temperatura de recristalização durante a etapa do recozimento, tendendo com isto aumentar a resistência do produto final. Por outro lado, o aumento da temperatura de bobinamento leva a uma diminuição da temperatura de recristalização, pelo decréscimo da fração volumétrica de carbonetos e pelo atraso na sua dissolução (devido ao tamanho grosseiro dos mesmos). (G. AGGEN, et al, 1993) A Figura 8 mostra a microestrutura de um aço SAE 1006 laminado a quente, em que se verificou o crescimento excessivo de grão na superfície devido à temperatura elevada de laminação.

22 22 Figura 8 Aço SAE 1006 laminado a 790 C e bobinado a 620 C. A temperatura de laminação resultou em grãos finos no interior do material, porém ocorreu crescimento exagerado dos grãos de ferrita na superfície. Nital,100X, adaptado de Aaronson, H., et al, 1985, p. 304 A Figura 9 mostra a microestrutura do mesmo aço, porém laminado a 890 C e bobinado a 655 C com matriz ferrítica contendo partículas de cementita. Figura 9 Aço SAE 1006 com precipitação de cementita. Picral,1000X., adaptado de Aaronson, H., et al, 1985, p Laminação a frio O processo de laminação a frio é normalmente realizado à temperatura ambiente e é utilizado como processo de deformação subsequente a laminação a quente e decapagem, servindo tanto para aumento de resistência mecânica, quanto para redução de espessura e

23 23 melhoria da qualidade superficial, em função da necessidade do produto final. (G. AGGEN, et al, 1993) Consiste na passagem do material entre dois cilindros que giram com a mesma velocidade periférica e em sentidos opostos. O espaçamento entre esses cilindros é menor do que a espessura inicial do material que se deseja laminar, reduzindo sua espessura e aumentando seu comprimento. O controle do atrito é fundamental para definir o plano de passes, a fim de obter o máximo de redução possível por passe, garantindo a viabilidade do processo e controle da quantidade de deformação imposta ao material. (G. AGGEN, et al, 1993) Durante a laminação a frio ocorre a movimentação e criação de discordâncias no reticulado cristalino do metal. Discordâncias são defeitos lineares intimamente ligados ao encruamento, responsáveis pelo fenômeno de deslizamento entre planos de átomos na rede cristalina do metal e determinam a quantidade de deformação plástica máxima imposta. Por apresentar vários sistemas de escorregamento e alta energia de defeito de empilhamento, o aço baixo carbono possui grande propensão à formação de um arranjo celular de discordâncias após deformação plástica. (FILHO, A. F. et al, 2001) Na ausência de obstáculos como contornos de grão com orientações cristalográficas distintas, defeitos pontuais, lacunas, precipitados, entre outros, e sob ação de uma pequena força aplicada, uma discordância pode se movimentar facilmente promovendo o deslizamento de planos cristalográficos específicos de maior densidade atômica, originando bandas de deformação. Bandas de deformação, também chamadas de bandas de transição, são heterogeneidades frequentemente encontradas na microestrutura de metais deformados a frio e são caracterizadas por deformações heterogêneas do reticulado, devido a partes diferentes de um mesmo grão sofrerem rotações distintas durante a deformação. (DIETER, 1981) Inokuti e Doherty, com auxílio da técnica de difração de raios-x, estudaram as heterogeneidades de deformação do ferro puro, cujo estado encruado é muito similar ao estado encruado do aço baixo carbono. Constataram que após 40% de redução por compressão em ferro puro com granulação grosseira, há a presença de grande quantidade de bandas de deformação, que estão confinadas dentro dos grãos e os subdividem ou fragmentam em várias regiões e também são locais preferenciais para a nucleação da recristalização. (INOKUTI, et al, 1978) Por outro lado, apesar da quantidade de soluto em solução sólida dos aços baixo carbono para estampagem ser muito baixa, os campos de tensão elástica dos elementos em

24 24 solução sólida, principalmente dos solutos intersticiais, interagem com os campos de tensão das discordâncias, diminuindo sua mobilidade, aumentando sua densidade e homogeneidade de distribuição. A presença de partículas indeformáveis plasticamente também contribui para o aumento da densidade de discordâncias na matriz ao redor destas partículas e podem facilitar a nucleação da recristalização, que será discutido no próximo item. (FILHO, A. F. et al, 2001) É relevante ressaltar que a textura presente antes da deformação também influencia a energia armazenada na deformação e, portanto, a dependência com a orientação influencia a textura de recristalização. (FILHO, A. F. et al, 2001) Outro fator que ocorre durante a laminação a frio é a anisotropia. O índice de anisotropia plástica está relacionado com o quociente da deformação real na largura pela deformação real na espessura. É um fenômeno no qual as propriedades mecânicas variam conforme a direção de solicitação mecânica, que é causada pela orientação cristalográfica dos grãos, ao submetê-lo a tensões axiais. A Figura 10 mostra a orientação preferencial dos grãos do material e da orientação dos planos de deslizamento paralelos de alta densidade atômica, juntamente com as forças de ligação interatômicas do metal no reticulado cristalino. (SILVA, 2010) Figura 10 - Orientação dos planos de deslizamento (PD) e as direções preferenciais de deslizamento (DD) atuantes no reticulado cristalino do material, ao serem submetidos a uma tensão axial (TA) de deformação, que definirá a anisotropia de propriedades do material. Fonte: Silva, André V. da Costa, 2010, p.321. Um parâmetro importante relacionado com a estampabilidade é a anisotropia normal média (r m ), que representa a média dos valores de anisotropia para corpos de prova retirados a 0, 90 e ± 45 da direção de laminação da chapa.

25 25 Ferreira-Filho et al (2001) comprovaram que a alta estampabilidade dos aços baixo carbono está associada a grande quantidade de planos {111} paralelos à superfície da chapa, enquanto que a baixa estampabilidade está associada a grande repetição de planos {100} paralelos à superfície da chapa. O grau de redução que precede o recozimento influencia diretamente e fortemente a textura de recozimento ou de recristalização. Para baixas reduções aparece junto com a textura {111} // ND, a textura de Goss (011) <100>. Com o aumento do grau de encruamento, a textura de Goss é enfraquecida e a textura {111} // ND é fortalecida. Para reduções subsequentes muito altas antes do recozimento, aparecem componentes de textura indesejável <100>. Portanto, existe um grau de redução ótimo para cada aço destinado a estampagem, que varia para os aços acalmados ao alumínio entre 65 e 80% para as obtenções dos maiores valores de r m, conforme a Figura 11. Figura 11 - Valores de anisotropia normal em função do grau de encruamento anterior ao recozimento para três tipos de aços para estampagem distintos. Fonte: Filho, A. F. et al, 2001, p Lavigne et al (1981) mostraram que a quantidade de carbono, em solução sólida ou presente na cementita, influencia muito pouco as componentes de textura de deformação dos aços. Portanto, a textura varia com a porcentagem de redução a frio e recristalização.

26 26 À medida que o encruamento vai se intensificando, como mostra a Figura 12, é necessário um aumento da tensão para produzir o deslizamento, as linhas de discordâncias se interceptam umas às outras e se multiplicam, servindo como barreiras ao movimento de novas discordâncias. Quanto menor o tamanho de grão, maior é o encruamento e, portanto maior é a introdução de linhas de discordâncias na estrutura do aço, maior será a orientação e o estiramento do grão no sentido da deformação, que se torna cada vez mais dificultada, e menor é a diferença de dureza entre a periferia e o centro do grão, resultando em uma deformação mais homogênea do material. A redução total por laminação a frio direta geralmente varia entre 50 a 90%. (DIETER, 1981) Figura 12 Microestruturas de um aço SAE 1010 laminado a frio, de 10 a 90% de redução, mostrando o encruamento dos grãos à medida que se intensifica, sem operações de recozimento intermediário. As setas pretas indicam a sequência de laminação., adaptado de Aaronson, H., et al, 1985, p

27 27 O trabalho mecânico a frio, sob as condições descritas acima, resulta no aumento progressivo resistência ao escoamento, com diminuição também progressiva da ductilidade e tenacidade, que limita a quantidade de deformação longitudinal imposta ao material, conforme mostra a Figura 13. Já a dureza, apesar de também aumentar com o aumento do encruamento do material, não segue paralelamente ao aumento de resistência ao escoamento, ou seja, aumenta mais rapidamente nos primeiros 10% de redução e com menor intensidade para as reduções subsequentes. (G. AGGEN, et al, 1993) Figura 13 Gráfico da porcentagem de redução de espessura por laminação a frio para um aço baixo carbono, em função das propriedades mecânicas., adaptado de G. Aggen, et al, 1993, p O limite de deformação do material ocorre quando a resistência à deformação é máxima e a ductilidade é praticamente nula. A Figura 14 ilustra curvas tensão-deformação de um aço baixo carbono à medida que o encruamento se intensifica, notando-se claramente o desaparecimento do fenômeno de escoamento, após uma determinada redução de área. (CHIAVERINI, 1990).

28 28 Figura 14 Efeito sobre a curva tensão deformação em função do aumento do trabalho mecânico a frio de um aço baixo carbono, indicando o aumento da resistência mecânica e diminuição da ductilidade do material. Fonte: Chiaverini, 1990, p A Figura 15 mostra o efeito recíproco do encruamento sobre a ductilidade, de um aço baixo carbono, com aproximadamente 0,05%C. Figura 15 Influência do grau de encruamento na ductilidade, de um aço SAE 1005 laminado a frio. Fonte: Chiaverini, 1990, p. 169.

29 29 A Tabela 3 mostra a comparação de propriedades mecânicas do aço SAE 1006 em função do tipo de laminação. Ocorre um aumento da resistência mecânica do material na laminação a frio com o aumento do encruamento, em comparação com a laminação a quente, mas há redução da ductilidade, que está representada pelo alongamento do corpo de prova em 50 mm. Tabela 3 Propriedades mecânicas do aço ABNT 1006 em função do tipo de laminação Valores mínimos estimados Aço ABNT Processo de laminação Limite de resistência (MPa) Limite de escoamento (MPa) Alongamento em 50 mm (%) Redução em área (%) Dureza (HB) 1006 A quente A frio , adaptado de Aggen, G. et al, 1993, p. 700 Muitos metais, principalmente os aços de baixo teor de carbono, apresentam uma transição de deformação elástica para a plástica localizada e heterogênea, que produz um escoamento descontínuo na curva tensão-deformação, após passar por um limite superior de escoamento. Nessa transição, surgem bandas de deformação em pontos de concentração de tensão, denominadas de bandas de Lüders, que se propagam ao longo do corpo-de-prova a medida que a carga aumenta, causando escoamento descontínuo antes da ocorrência de deformação plástica uniforme pelo material, como mostra a Figura 16. (DIETER, 1981). Figura 16 - Curva tensão-deformação, mostrando o aparecimento do escoamento descontínuo para um aço de baixo teor de carbono. Fonte: Dieter, 1981, p. 178.

30 30 Normalmente associado ao fenômeno de escoamento descontínuo ocorre o envelhecimento por deformação. A deformação a frio do aço promove seu aquecimento a baixas temperaturas causando o envelhecimento por deformação, o que leva ao aumento de resistência mecânica e diminuição de ductilidade. Após determinado tempo, o envelhecimento provoca o reaparecimento do escoamento descontínuo, devido à difusão dos átomos de carbono e nitrogênio do reticulado cristalino para as discordâncias, ancorando-as. Na prática, esses fenômenos devem ser controlados, para evitar o aparecimento de marcas de deformação (bandas de Lüders), prejudiciais à estampagem profunda. São eliminadas ou atenuadas por meio de um passe de encruamento superficial no laminador, ou através da adição de elementos de liga como alumínio, titânio, vanádio ou boro, que irão remover os intersticiais de solução sólida, formando precipitados. (DIETER, 1981) 2.4 Tratamento térmico de recozimento subcrítico Um dos principais tratamentos térmicos de recozimento, utilizados para aços de baixo carbono, é o recozimento subcrítico. Este tratamento não envolve a formação de austenita, pois é realizado logo abaixo da temperatura A1 do diagrama Fe-C, indicada na Figura 1, que varia de 650 C a 720 C de acordo com a composição química do aço, e serve para manutenção da microestrutura do material, após resfriamento a uma taxa controlada. Utilizando a composição química do aço, é possível calcular, através da equação 2, a temperatura crítica inferior no aquecimento de um aço hipoeutetóide, chamada de A c1, válida para aços de até aproximadamente 0,8%C, em função não somente do teor de carbono, mas de outros elementos que também influenciam e afetam esta temperatura. (ARAI, Tohru et al, 1991) Ac1( C) = (% Mn) (%Ni) (%Si) (%Cr)... (2) Desvio Padrão = ± 11.5 C (ARAI, Tohru et al, 1991, p. 104) Durante o aquecimento ocorre dissolução parcial da cementita, liberando carbono, que se difunde na matriz. Durante o tratamento (na temperatura de encharque) ocorrem processos termicamente ativados na microestrutura do metal, como recuperação de grãos anteriormente

31 31 encruados durante a laminação a frio, recristalização da matriz deformada, com posterior crescimento dos grãos e esferoidização de carbonetos, em tempos mais longos ou temperaturas mais altas. 1 (TOHRU ARAI, et al, 1991) Geralmente o recozimento em temperaturas mais baixas de materiais levemente encruados causa apenas recuperação e pequena ou nenhuma modificação da textura. A recuperação acentuada desempenha um papel importante de restauração de propriedades. É um fenômeno que engloba vários processos termicamente ativados que reduzem a energia armazenada no metal durante a deformação a frio, pela redução e rearranjo dos defeitos aglomerados ou puntiformes existentes, aniquilamento de discordâncias de sinais opostos ou rearranjo destas formando sub-contornos. Não envolve a migração de contornos de alto ângulo, portanto o grão deformado retém sua textura. (PADILHA, 1996) Em temperaturas mais altas, causa frequentemente recristalização, que pode ou não gerar uma orientação cristalográfica preferencial (textura), completamente diferente daquela gerada pela deformação. O material encruado é o estado de partida para o processo de recristalização, que é definido como a eliminação de discordâncias por migração de contornos de alto ângulo, pré-existentes na microestrutura encruada ou formados durante o recozimento. As heterogeneidades de deformação são regiões que contêm grande quantidade de defeitos cristalinos e distorções no reticulado e são locais preferenciais para a ocorrência da nucleação da recristalização. A ductilidade original do material é totalmente restaurada pelo aquecimento acima de certa temperatura especificada para cada tipo de aço, formando-se novos grãos com baixa densidade de discordâncias, que crescem continuamente até que a estrutura toda esteja recristalizada. (FILHO, A. F. et al, 2001) A microestrutura resultante é equiaxial, muito embora possa ser retida ou mesmo desenvolvida uma textura cristalográfica. Dentre as variáveis que influenciam este processo destacam-se a temperatura e tempo de tratamento térmico de recozimento subcrítico do material. A temperatura depende de cada material, pois mesmo pequenos teores de elementos de liga podem retardar substancialmente a formação de novos grãos, elevando a temperatura de recristalização. A Figura 17 mostra a diferença de microestruturas entre os fenômenos de recuperação e recristalização. (AARONSON H., et al, 1985) 1 Encharque é a permanência do material na mesma temperatura durante um determinado intervalo de tempo, estipulado para cada ciclo.

32 32 Figura 17 - Comparação de microestruturas com recozimento subcrítico posterior a laminação a frio, mostrando a recuperação e recristalização dos grãos de ferrita, para um aço SAE 1010., adaptado de Aaronson, H., et al, 1985, p. 307 O único caso em que a presença de soluto ou impurezas acelera a recristalização é quando elas estão presentes na forma de partículas grosseiras espaçadas entre si, antes da deformação e recozimento. Dispersões finas de precipitados presentes antes da deformação ou precipitação durante a recuperação ou recristalização atrasam a recristalização. (FILHO, A. F. et al, 2001) De um modo geral, materiais com grãos mais finos tendem a apresentar uma estrutura de deformação mais homogênea e, consequentemente, uma distribuição mais homogênea do potencial termodinâmico para recristalização. Do contrário, materiais com estrutura de grãos grosseiros apresentam heterogeneidades de deformação e maior densidade de defeitos cristalinos, exibindo maiores diferenças de orientação dos grãos e influindo decisivamente nos processos de recuperação e recristalização, uma vez que elevadas diferenças de orientação associadas a estas heterogeneidades favorecem a nucleação de novos grãos na recristalização. (FILHO, A. F. et al, 2001) O recozimento em temperaturas mais altas e após baixos graus de encruamento, pode levar ao fenômeno de crescimento normal ou anormal de grãos. O crescimento normal ou contínuo de grão ocorre gradualmente e resulta em um aumento do diâmetro médio dos grãos, não ocorrendo mudanças significativas na textura, mas sim um fortalecimento desta. Por outro lado, no crescimento anormal de grãos, também chamado de recristalização secundária, apenas alguns contornos de grão migram de maneira heterogênea e crescem muito mais rapidamente do que a média dos grãos normais, modificando significativamente a textura. Tal fenômeno pode se desenvolver tanto em uma matriz uniforme quanto em uma matriz em que já estejam presentes grãos grandes. Vale ressaltar que a aplicação de pequenas ou médias

33 33 reduções a frio, antes do recozimento, na faixa de 5 a 30% de redução de espessura, pode ocasionar o aparecimento de grãos enormes após o recozimento, ou seja, a textura de recozimento ou de recristalização depende fortemente do grau de redução a frio que precede o recozimento. Portanto, existe um grau de redução ótimo para cada aço para estampagem, situado entre 65 e 80% para aços acalmados ao alumínio. (FILHO, A. F. et al, 2001) A Figura 18 ilustra esquematicamente a diferença na distribuição de tamanho de grão, quando ocorre crescimento de grão normal e anormal, respectivamente. Figura 18 - Distribuições de tamanho de grão durante o crescimento de grão normal e anormal, em função da frequência de grãos de um determinado diâmetro e do tempo de recozimento t. Fonte: Filho, A. F. et al, 2001, p O recozimento subcrítico também acentua a diminuição da dureza do material à medida que se aproxima da temperatura crítica, facilitando o posterior trabalho mecânico a frio, como mostra a Figura 19. A taxa de resfriamento possui pouca influência na microestrutura e propriedades mecânicas do aço baixo carbono, quando resfriado a partir da temperatura de recozimento subcrítico. Porém resfriamentos muito bruscos devem ser evitados, para eliminar a possibilidade do aparecimento de tensões residuais no material. (ARAI, Tohru et al, 1991)

34 34 Figura 19 Efeito da temperatura de recozimento na dureza, para um aço baixo carbono, recozido a 1h. Fonte: ARAI, Tohru et al, 1991, p Quanto à estrutura obtida após recozimento subcrítico, a Figura 20 ilustra a comparação entre microestruturas características de um aço SAE 1008, laminado e recozido. Na Figura 20 a tem-se matriz ferrítica deformada a frio com colônias de perlita alongadas na direção de laminação, com ausência de tratamento térmico de recozimento posterior. Na Figura 20 b tem-se ferrita poligonal, típica de recozimento subcrítico após laminação a frio, com a cementita da perlita esferoidizada na direção preferencial de laminação. (G. AGGEN, et al, 1990) Figura 20 Microestrutura de um aço 0.08C-1.5Mn-0.21Si. a) laminado a frio com 50% de encruamento b) 50% de encruamento a frio e recozido a 700 C por 20min, com cementita esferoidizada., adaptado de Aggen, G. et al, 1993, p. 312

35 35 O aço SAE 1008 acima apresenta resistência mecânica e dureza superiores ao aço SAE 1006 em estudo, por conta de o primeiro possuir maior teor de carbono e consequentemente formar maior quantidade de perlita e/ou cementita; no entanto, menores ductilidades, tenacidade e alongamento podem ser alcançados com esse aço. Como neste trabalho os ciclos de recozimento empregados no material em estudo são todos do tipo subcrítico, apenas esta modalidade de recozimento será discutida Fornos de recozimento da Mangels Os fornos de recozimento da Mangels Industrial S.A., como o mostrado na Figura 21, são do tipo sino, a gás de alta convecção e utilizam 100% de hidrogênio (H 2 ) como atmosfera de tratamento térmico de recozimento da carga. Figura 21 Forno de recozimento tipo sino de alta convecção da Mangels Industrial S.A. Antes da colocação do forno, uma campânula de proteção é fixada sobre a carga, responsável pelo isolamento da atmosfera, impedindo a entrada de oxigênio e de umidade em contato com o material e evitando sua oxidação. Possui superfície corrugada, como mostra a Figura 22, para aumentar a área de contato com a água de resfriamento e obter melhor rendimento de extração de calor da carga, sem comprometer o material.

36 36 Figura 22 Campânulas de proteção de atmosfera, utilizadas nos fornos de recozimento da Mangels. O hidrogênio molecular, utilizado como atmosfera do forno, reduz o óxido de ferro da superfície e é extremamente eficiente na limpeza e remoção de impurezas da superfície do metal. É extremamente leve, o que proporciona melhor rendimento térmico e como consequência, menor tempo de recozimento. O efeito da descarbonetação causada pelo hidrogênio no aço depende da temperatura do forno e é desprezível quando o tratamento é realizado abaixo de 705 C. Depende também do teor de umidade na atmosfera, do tempo que a carga permanece na temperatura de tratamento e, obviamente, do teor de carbono existente no aço, considerando-se que para teores muito baixos esse fenômeno torna-se menos provável. Os fornos trabalham com até 90 toneladas de carga na forma de bobinas de aço empilhadas e isoladas, com a atmosfera descrita acima. O gráfico da Figura 23 indica as temperaturas e potência elétrica em função do tempo de recozimento subcrítico da carga. A curva verde indica a pressão do recirculador da base. A curva vermelha indica a temperatura em pontos quentes, ou seja, na parte superior do forno que concentra maior quantidade de calor. A curva azul indica a temperatura da carga em pontos frios, ou seja, na parte inferior do forno. A curva tracejada indica a temperatura efetiva do forno medida pelos termopares. É necessário certo tempo até estabilizar a temperatura entre forno, pontos quentes e pontos frios, para recozimento da carga na temperatura real do ciclo térmico. 2 2 Recirculador da base é um ventilador de alta potência e possui a função de recircular o(s) gás(es) da atmosfera do forno, promovendo alta convecção de calor do diâmetro interno para o diâmetro externo das bobinas e homogeneizando a temperatura no interior da campânula de proteção.

37 37 Figura 23 - Forno a gás de alta convecção com atmosfera de 100% H 2. O rendimento é aproximadamente 80%. Fonte: Mangels Industrial S.A, O resfriamento é realizado por meio de uma campânula de resfriamento rápido (à água), conforme mostra a Figura 24, colocada sobre a campânula de proteção após completar o encharque, o que reduz muito o tempo da carga no interior do forno, aumentando seu rendimento. Figura 24 - Campânula de resfriamento rápido, colocada sobre a campânula de proteção da carga.

38 38 3 MATERIAL E MÉTODOS Partindo-se do material de bitola inicial 5 mm e largura de 65 mm, fornecido pela empresa Mangels Industrial S.A unidade aços, 5 rolos de um aço ABNT 1006 foram relaminados a frio no laminador 13 da empresa, mostrado na Figura 25, em diferentes graus de encruamento e em cilindro 6C2 de acabamento fosco. Figura 25 - Laminador 13 da Mangels, utilizado para relaminação do material em estudo. Cada metade de rolo passou por diferentes condições de encruamento, sendo estas na faixa de 0 a 80% e passes de laminação de 1 a 8, respectivamente, como mostra a Tabela 4. Tabela 4: Porcentagens de redução de espessura e plano de passes originados no processo de laminação. ROLOS METADE % ESPESSURA ESPESSURA QUANTIDADE REDUÇÃO INICIAL (mm) FINAL (mm) DE PASSES R1 1 MP 5,00 5, ,00 4,75 1 R ,75 4, ,50 4,00 2 R ,00 3, ,50 3,00 4 R ,00 2, ,50 2,00 6 R ,00 1, ,50 1,00 8

39 39 Foram cortadas 5 amostras de 1 m da matéria prima (espessura de 5 mm) e 8 amostras de 1 m de cada redução de espessura através da máquina de recorte RT 45 da empresa, conforme esquematizado na Figura m 65 mm 5 mm Figura 26 Esquema de retirada da amostra. Uma das amostras da matéria-prima foi separada para ensaio de composição química do material em estudo, através do espectrômetro Spectromax de absorção atômica e emissão óptica por fonte de arco elétrico, para determinação do teor dos seguintes elementos químicos: C, Mn, S e Al. A Figura 27 mostra o equipamento utilizado para este ensaio. Figura 27 - Espectrômetro Spectromax do Instituto de Pesquisas e Estudos Industriais (IPEI), utilizado para análise de composição química do material em estudo. Posteriormente montou-se 4 conjuntos iguais, contendo 1 amostra de cada porcentagem de redução, que foram colocados na parte superior da pilha de bobinas, e cada um deles foi submetido a diferentes condições de temperatura e tempo de tratamento térmico de recozimento subcrítico. O forno utilizado na empresa Mangels Industrial S.A. está

40 40 ilustrado na Figura 21. Os ciclos de recozimento utilizados, com temperaturas e tempos de tratamento distintos estão mostrados na Tabela 5. Tabela 5: Ciclos de recozimento utilizados na empresa Mangels para tratamento das amostras. CLASSIFICAÇÃO DOS CICLOS TÉRMICOS DE RECOZIMENTO SEM COALESCIMENTO TEMPERATURA DO CICLO ( C) TEMPO DE ENCHARQUE (h) F G H-I J Para caracterização das propriedades mecânicas foram realizados ensaios de tração, dureza Vickers e embutimento Erichsen. Para os ensaios de tração, foram retiradas 3 amostras da matéria-prima e de cada redução, após laminação e após cada um dos tratamentos térmicos, de dimensões 250 mm de comprimento por 19 mm de largura. Os corpos de provas foram usinados conforme a Figura 28, no Centro Universitário da FEI. Figura 28 - Esquema e dimensões do corpo de prova usinado para ensaio de tração. Fonte: Vitor Corassini, O ensaio de tração foi realizado no Centro Universitário da FEI, com intuito de obter as propriedades mecânicas principais do material em estudo, como limite de resistência a tração, limite de escoamento e ductilidade (alongamento total), através do equipamento Material Test System - MTS mostrado na Figura 29, conforme a norma ABNT NBR 6673 [4].

41 41 Figura 29 Equipamento MTS do Centro Universitário da FEI, utilizado para os ensaios de tração do material em estudo. Para os ensaios de dureza Vickers com carga de 5 kgf foram retiradas pequenas amostras da matéria-prima e de cada redução, após a laminação e após cada ciclo térmico. As medições foram realizadas na empresa Mangels, através do durômetro Fsclerometer mostrado na Figura 30, conforme a norma ABNT NBR NM 188-1/2 [5]. Figura 30 - Durômetro Fsclerometer da Mangels, utilizado para os ensaios de dureza Vickers com carga de 5 kgf. Para os ensaios de embutimento Erichsen foram retirados corpos de prova com dimensões de 450 mm de comprimento por 65 mm de largura, da matéria-prima e de cada

42 42 redução após cada ciclo térmico, para 3 estampagens cada, realizados através do equipamento mostrado na Figura 31, disponível no Centro Universitário da FEI. O ensaio de embutimento Erichsen é realizado conforme a norma ABNT NBR 5902 [6], com o intuito de verificar a profundidade com que um punção penetra na chapa metálica com velocidade constante e carga crescente, obtendo resultados que indicam as condições de estampabilidade do material. Figura 31 - Equipamento do Centro Universitário da FEI utilizado para os ensaios de embutimento Erichsen do material em estudo. Para caracterização metalográfica, realizada no Centro Universitário da FEI, cortou-se pequenas amostras na direção longitudinal através da cut-off, da matéria-prima e de cada redução (após a laminação e após os ciclos térmicos), as quais foram embutidas em baquelite através do equipamento mostrado na Figura 32.

43 43 Figura 32 Equipamento Allied Techpress 2 utilizado para embutimento em baquelite, dos corpos de prova utilizados para metalografia. As amostras embutidas foram lixadas com as lixas #220, #320, #400 e #600 e panos de polimento com abrasivo de diamante de 6µm, 3µm e 1µm através do equipamento Struers Abramin, mostrado na Figura 33. Figura 33 - Equipamento Struers Abramin do Centro Universitário da FEI, utilizado para preparação metalográfica das amostras.. Foram posteriormente atacadas quimicamente com Nital 2% (98% de álcool etílico absoluto e 2% de ácido nítrico). As microestruturas foram obtidas através microscópio óptico Olympus, conforme mostra a Figura 34, com aumento de 100, 200 e 500X.

44 44 Figura 34 - Microscópico óptico Olympus. Também foram realizadas medidas do tamanho de grão da matéria-prima inicial e de cada redução para todas as amostras recozidas, através do programa Analysis, usando-se o método do intercepto médio de grãos. As medidas foram obtidas conforme a norma ASTM E112, e posteriormente convertidas para diâmetro médio planar, em micrometros, com objetivo de melhor conhecimento da ordem de grandeza. 4 RESULTADOS EXPERIMENTAIS E DISCUSSÃO

45 45 6 abaixo. A composição química obtida para o aço ABNT 1006 em estudo é mostrada na Tabela Número ABNT Tabela 6 - Composição química real da matéria-prima proveniente de usina. Composição química (% peso) Elementos Principais Elementos Residuais C Mn S Al Cr Ni Cu Mo ,044 0,27 0,013 0,058 0,016 0,039 0,036 0,004 Fonte: Instituto de Pesquisas e Estudos Industriais (IPEI), Nota: Dados trabalhados pelo autor. Ao comparar as porcentagens dos elementos químicos, obtidos através da análise química, com os valores especificados na Tabela 1 pela norma ABNT NBR 5007 para esse aço, observa-se que o carbono presente no aço está praticamente na mínima concentração, contribuindo para diminuição do limite de resistência mecânica, aumento de tenacidade e consequentemente maior formabilidade para este aço. Os demais elementos de liga, principais e residuais estão dentro da faixa especificada para esse aço e somados, não ultrapassam o teor máximo de 1%, contribuindo para melhor formabilidade na estampagem. Quanto ao enxofre, abaixo do teor máximo de 0,035%, contribui para que o material apresente baixa probabilidade de formação de sulfetos, prejudiciais às propriedades mecânicas e responsáveis pela nucleação de trincas. O alumínio, em adições como a obtida neste aço, atua como controlador do crescimento de grãos e auxilia no desenvolvimento do arranjo preferencial destes. Ao comparar os teores dos elementos com as especificações de composição química, típicas para estampagem, conforme a Tabela 2, observa-se que os teores de carbono e enxofre estão praticamente dentro dos valores especificados e, portanto propício para ser submetido a um processo de estampagem extra-profunda. Porém, o teor de manganês está um pouco acima do especificado, contribuindo para o aumento da dureza e resistência mecânica ao se dissolver na ferrita, assim como o alumínio, que também a endurece consideravelmente. A Figura 35 mostra a microestrutura original da matéria-prima proveniente da usina.

46 46 Figura 35 - Microestrutura do aço ABNT 1006 com Al sem Si, proveniente da usina. Nital 2%, 500X. A microestrutura da matéria-prima apresenta grãos finos de ferrita com pouca perlita presente preferencialmente em contorno de grão. Para conhecer o tamanho dos grãos de ferrita deste aço, com a estrutura original proveniente de usina, foi obtida a distribuição de tamanhos conforme mostra a Figura 36. Figura 36 - Distribuição de tamanhos de grão da matéria-prima proveniente da usina. O gráfico acima mostra que o tamanho de grão médio é de aproximadamente 7,5 ASTM, que resulta num diâmetro médio planar de aproximadamente 21 µm, conferindo ao