EFEITO DO GRÃO ULTRAFINO NO COMPORTAMENTO MECÂNICO DO AÇO Nb-Ti DE LAMINADO A MORNO

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1 EFEITO DO GRÃO ULTRAFINO NO COMPORTAMENTO MECÂNICO DO AÇO N-Ti DE LAMINADO A MORNO Resumo doi: /tmm Dynn Moreir Durte 1 Erick Rieiro de Fri 2 Éric Aprecid Silv Rieiro 3 Oscr Blncin 4 Dgoerto Brndão Sntos 5 Qundo deformdos plsticmente, os ços ixo crono microligdos presentm um interessnte comportmento. O longmento uniforme, por exemplo, ument com redução do tmnho de grão ferrítico, enqunto se reduz rzão elástic. O ojetivo deste trlho é compnhr evolução microestruturl o longo do processmento térmico e mecânico pr interpretr o desempenho mecânico de um ço microligdo ixo crono (0,11C-1,41Mn-0,028-N-0,012Ti) de grão ferrítico ultrfino, otido por meio de trtmentos térmicos de têmper, lminção morno e recozimentos intercrítico e sucrítico. Pr isso, verific-se evolução do tmnho de grão ferrítico e vli-se o comportmento mecânico por meio de testes de trção e impcto. A resistênci mecânic do ço recozido 550 C mostr um créscimo de 25%, comprd com o ço n condição de fornecimento. Pr o ço recozido 800 C, há umento n resistênci mecânic e n energi sorvid no ensio de impcto. Plvrs-chve: Grão ultrfino; Recozimento intercrítico; Lminção morno; Cementit. THE ULTRAFINE GRAIN SIZE EFFECT ON MECHANICAL BEHAVIOR OF A N-Ti STEEL PROCESSED BY WARM ROLLING Astrct The grin size refining is the unique mechnism cple of to increse oth mechnicl strength nd toughness. In this wy the refining of ferritic grin is very ttrctive processing. The steel with n ultr-fine ferritic grin structure shows the etter reltionship etween mechnicl strength, ductility nd toughness, while the low cron content enhnces good welding chrcteristics. The ojective of this work is to investigte the ehvior of work hrdening of micro lloyed low cron-mngnese (0.11C-1.41Mn-0.028N-0.012Ti) steel with ultr-fine ferritic grin structure produced through therml tretment, wrm rolling, followed y su nd intercriticl nneling. After quenching in ice rine, the smples ws processed y wrm rolling nd nneling. The mechnicl ehvior of the steel ws estimted using tensile nd impct tests. The mechnicl strength otined fter ll processing hve shown 15% incresing when compred with results from the steel in s hot rolling industril condition. Key words: Ultr-fine grin; Su criticl nneling; Wrm rolling; Cementite. 1 INTRODUÇÃO Um dos principis ojetivos no desenvolvimento de ços ixo crono é o refinmento de grão ferrítico, um vez que esse mecnismo confere o ço lt resistênci mecânic, lt tencidde, ix tempertur de trnsição e o soldilidde. (1) A dição de elementos microligntes, como N e Ti, torn possível o processmento termomecânico, o que permite melhor controle d microestrutur ustenític e ferrític. (1) 1 Alun de grdução em Engenhri Metlúrgic no Deprtmento de Engenhri Metlúrgic e de Mteriis d Escol de Engenhri d UFMG. R. Espírito Snto 35, Centro, Cep , Belo Horizonte MG, Brsil. dynn_md@hotmil.com 2 Aluno de grdução em Engenhri Metlúrgic no Deprtmento de Engenhri Metlúrgic e de Mteriis d Escol de Engenhri d UFMG. R. Espírito Snto 35, Centro, Cep , Belo Horizonte MG, Brsil. erickrfri@yhoo.com.r. 3 Alun de grdução em Engenhri Metlúrgic no Deprtmento de Engenhri Metlúrgic e de Mteriis d Escol de Engenhri d UFMG. R. Espírito Snto 35, Centro, Cep , Belo Horizonte MG, Brsil. ericsr@ol.com.r 4 Sócio d ABM - Professor Assocido do Deprtmento de Engenhri de Mteriis Deprtmento de Engenhri de Mteriis DEM, UFSCr. Rodovi Wshington Luís (SP-310), km 235, Cep , São Crlos SP, Brsil, lncin@power.ufscr.r 5 Sócio d ABM - Professor Assocido do Deprtmento de Engenhri Metlúrgic e de Mteriis d Escol de Engenhri d UFMG. R. Espírito Snto, 35, Centro, Cep , Belo Horizonte MG, Brsil. dsntos@demet.ufmg.r. 204 Tecnol. Metl. Mter., São Pulo, v. 5, n. 4, p , r.-jun. 2009

2 O processmento industril dos ços empregdos n indústri utomoilístic, n fricção de dutos, nvios e pltforms de explorção de petróleo confere um tmnho de grão ferrítico mínimo d ordem de 5 µm. (1-3) Existem váris rots de processmento pr se oter um estrutur ferrític de grão ultrfino (em torno de 2 µm) e, lém disso, váris quliddes de ço podem ser processds e trlhds. (4-10) A microestrutur ultrfin pode ser produzid em ços sumetidos trtmentos térmicos, qundo comindos com o trlho morno e recozimento intercrítico. (11,12) A lminção intercrític ou lminção morno de ços ixo crono e microligdos é efetivd temperturs em que um mteril deformdo compõe-se de ferrit ou de um mistur de ferrit e ustenit. A dição de um recozimento intercrítico o processmento lter situção d suestrutur remnescente d deformção n região ifásic, o que promove o refino do grão ferrítico e formção de um segundo constituinte, MA, com melhoris significtivs n resistênci, ductilidde e cpcidde de encrumento do mteril. (11) Trlhos recentes têm mostrdo que cominção de ferrit com cronetos dispersos conduz um umento de resistênci mecânic, mntendo-se ind um considerável ductilidde. (8-10) Assim, o ojetivo deste trlho é oter mtriz ferrític de grnulção ultrfin em ço N-Ti contendo como segundo constituinte mrtensit-ustenit, MA, ou cementit. Ess comprção é recentemente reltd n litertur. (12) No presente trlho fz-se um descrição d evolução d microestrutur desse ço e su correlção com o desempenho mecânico, principlmente resistênci mecânic e tencidde. 2 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL A composição químic do ço investigdo é dd n Tel 1. Inicilmente, s mostrs com dimensões de 16 x 40 x 50 mm form ustenitizds 900 C e temperds em slmour e gelo. Logo pós têmper, relizou-se o quecimento por 30 min 740 C pr lminá-ls 700 C, envolvendo três psses com 20% de redução em espessur cd. Após o último psse, s mostrs form resfrids o r. As temperturs crítics de trnsformção de fse desse ço form otids prtir de um trlho nteriormente pulicdo. (11) Tel 1. Composição químic do ço utilizdo (% peso) Elemento C Mn Si Al P S N Ti Teor 0,11 1,41 0,29 0,022 0,025 0,008 0,028 0,012 O recozimento intercrítico consistiu em quecer s mostrs em tempos vridos 550 C ou 800 C, seguido de resfrimento o r. Todo o processmento está esquemtizdo n Figur 1. (12) O tmnho de grão ferrítico foi vlido no nlisdor de imgens, de cordo com s norms ASTM E112 e E T( C) 900 C-30 min Ac C 740 C-30 min Ac C tempos(min): 5, 30, 60, 120 tempo (min) Figur 1. Processmentos térmico e mecânico plicdos o mteril investigdo. (12) A microestrutur ds mostrs foi crcterizd por microscopi óptic e eletrônic de vrredur. Os retivos usdos pr tque form Nitl 2% e LePer. (11,12) Por meio de microscopi óptic foi vlido o percentul dos constituintes MA (mrtensit e ustenit retid), cronetos e ferrit. Pr nálise d textur cristlográfic, foi utilizd microscopi de orientção d imgem (OIM) por EBSD. Após os ciclos térmicos, s mostrs form sumetids testes de trção tempertur miente um tx de deformção de 10 3 s 1. Os corpos de prov su-tmnho pr os testes de impcto Chrpy 20 C form usindos de cordo com norm ASTM A RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1 Recozimento Intercrítico e Sucrítico A Figur 2 (set) permite identificr tempertur de recristlizção pós o trlho morno em torno de 550 C. A evolução microestruturl do mteril em função do tempo de recozimento pode ser compnhd n Figur 3. Microdurez Vickers (HV) Após lminção morno Tempertur (ºC) Figur 2. Microdurez Vickers em função d tempertur de recozimento por s pr mostrs lminds morno e quecids em diferentes temperturs. Tecnol. Metl. Mter., São Pulo, v. 5, n. 4, p , r.-jun

3 Pr o mteril que foi lmindo morno, com um deformção rel máxim de 0,67, quntidde de energi cumuld durnte o encrumento foi insuficiente pr que, ns temperturs de 550 C ou 800 C, ocorresse recristlizção complet e homogêne d ferrit. A prte encrud, onde o cúmulo de energi é mis pronuncido, recristliz-se primeiro. Assim, pr tempos curtos, ocorre um recristlizção não homogêne, (11-13) (Figurs 3 e 3c). Pr o recozimento 550 C, tem-se o revenimento do constituinte MA, resultnte ind d lminção morno intercrític (Figur 3), trnsformndo-se em ferrit e cementit. Ess cementit colesce com o umento do tempo e se concentr nos contornos de grãos ferríticos (Figur 3). À medid que o tempo de recozimento ument, recristlizção ocorre em mior intensidde e de form mis homogêne, pr, posteriormente, ocorrer o crescimento de grão (Figurs 3c e 3d). 20 m 20 m Figur 4. Microgrfis óptics de mostrs lminds morno e recozids ) 550 C e ) 800 C. Tempo de enchrque de 120 min. Atque com retivo LePer. 3.2 Microtexturs Cristlográfics Otids Durnte Deformção Morno e Recozimento susequente 15 kv x2, m Demet/UFMG c 15 kv x2, m Demet/UFMG d Pr nálise de microtextur, form usds três mostrs ns condições seguintes: resfrimento o r pós lminção morno, recozid 550 C por 5 min e 800 C por 1 min. Os resultdos form otidos pel técnic de EBSD (Figurs 5 e 6). A Figur 5 revel grãos miores longdos pós recuperção estátic d ferrit, grãos em menores recristlizdos e presenç de um segundo constituinte. Pr tempertur de 550 C, o constituinte é cementit; pr o recozimento 800 C, é o MA. (11,12) Por su vez, Figur 6 confirm formção d suestrutur no mteril deformdo e recozido por curtos períodos. 15 kv x2, m Demet/UFMG 15 kv x2, m Demet/UFMG Figur 3. Amostrs recozids durnte 5 min e 120 min,) 550 C e c,d) 800 C. Atque com Nitl 2%. Análise por MEV. Mtriz ferrític com ilhs do constituinte MA. Detlhes dos sugrãos de ferrit em c). As microgrfis presentds n Figur 4 referem-se às mesms mostrs d Figur 3, tcds com o retivo LePer, onde se sepr, pel tonlidde clr, o constituinte MA dos demis. O constituinte escuro é formdo por glomerdos de Fe 3 C, enqunto ferrit prece n tonlidde cinz. A frção volumétric de MA 800 C ument à medid que o tempo de recozimento ument, e ess é responsável pelo menor limite de escomento como é descrito dinte. Isso pode ser explicdo pel mior homogeneizção d ustenit, que se enriquece de crono e mngnês levndo um umento de su temperilidde. (13) Est se trnsform em MA no resfrimento susequente o r. Contudo, pós o recozimento 800 C o percentul do constituinte MA em gerl é ixo, pois pesr de hver um mior homogeneizção d ustenit, est tem tempo suficiente pr se trnsformr em ferrit e cronetos no resfrimento (Figur 3d) m = 100 steps IPF[001] 5.00 m = 100 steps IPF[001] 7.00 m = 100 steps IPF[001] c Gry scle mp type: <none> Color coded mp type: d Inverse pole figure [001] Iron lf Boundries: <none> Figur 5. Mps de orientção dos grãos pr o ço pós: ) lminção morno e resfrimento o r (ε = 0,66); ) recozimento 550 C por 5 min; c) 800 C por 1 min; e d) triângulo respectivo com código de cores definindo orientção de cd grão. Seção correspondente à espessur d chp. Os grãos menores correspondem o segundo constituinte, MA ou Fe 3 C. 206 Tecnol. Metl. Mter., São Pulo, v. 5, n. 4, p , r.-jun. 2009

4 8.00 m = 100 steps Boundry levels: 2 16 IQ m = 100 steps Boundry levels: 1 16 IQ Comportmento Mecânico c 7.00 m = 100 steps Boundry levels: 2 16 IQ Figur 6. Mps de relção de orientção otidos por OIM pr: ) o ço pós lminção morno; ) recozimento 550 C por 5 min; e c) recozimento 800 C por 1 min. Os contornos de cor vermelh correspondem à orientção entre 1 e 15 ; em preto, orientção mior que 15. Verific-se que grnde prte d estrutur present contornos de ixo ângulo em tods s condições de processmento. N Figur 7, são descritos o tmnho de grão ferrítico e energi sorvid no ensio de impcto Chrpy em função do tempo de recozimento. As proprieddes de trção em função do tempo de recozimento estão plotds n Figur 8. Pr o recozimento 550 C, resistênci mecânic e tencidde diminuem com o tempo. Isso se deve à recuperção e recristlizção d ferrit e o colescimento dos cronetos, reduzindo su eficiênci no ncormento no movimento ds deslocções. (8,9,13) Pr o recozimento 800 C, ocorre tmém redução d resistênci mecânic, porém com umento d ductilidde (Figur 8), e, consequentemente, d tencidde. Limite de escomento ou de resistênci (MP) Alongmento totl (%) LE - 550ºC LR - 550ºC LE - 800ºC LR - 800ºC ºC 800ºC Tmnho de grão ferrítico ( m) Energi sorvid (J) 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, ºC 800ºC Figur 7. Vrição do tmnho de grão ferrítico e energi sorvid no ensio de impcto Chrpy em função do tempo de recozimento pr 550 C ou 800 C. Figur 8. Vrição ds proprieddes mecânics em função do tempo de recozimento pr s temperturs de 550 C e 800 C. As mostrs, de um modo gerl, presentrm um specto dúctil (Figur 9). Ns fotos com mior mplição, podem-se oservr prtículs de cementit no interior ds microcviddes, que, por su vez, nuclerm-se em torno dests. Um dos spectos oservdos n Figur 9 é presenç de delminções n superfície ds frturs. De cordo com Song, Ponge e Re, (9) o fenômeno d delminção não tem influênci diret n velocidde de propgção d trinc durnte o processo de frtur dúctil do corpo de prov. Entretnto, presenç de delminções lev um redução n tempertur de trnsição dúctil-frágil em mostrs Chrpy de ços de grnulção ultrfin devido um decréscimo n trixilidde do estdo de tensões. (9,15) A delminção em corpos de prov Chrpy tem sido reltd por vários pesquisdores. (9,10,15) A quntidde de delminções tende umentr com redução do tmnho de grão e com o ixmento d tempertur de teste. Tecnol. Metl. Mter., São Pulo, v. 5, n. 4, p , r.-jun

5 estrutur constituíd de ferrit e prtículs de cementit linhds pode fcilitr ertur de trincs n direção trnsversl d chp lmind e n direção d lminção o longo d espessur. 4 CONCLUSÕES 15 kv x20 5 m Demet/UFMG 15 kv x20 1mm Demet/UFMG c 15 kv x mm Demet/UFMG 15 kv x m Demet/UFMG Figur 9. Frctogrfis otids no MEV ilustrndo s superfícies d frtur dos corpos-de-prov Chrpy de mostrs recozids durnte,c) s 550 C e,d) 800 C. Superfícies contendo sulcos, como s oservds n Figur 9, são decorrentes de delminções e sugerem lgum tipo de decoesão entre contornos de grãos longdos. Contornos de grão de lto ângulo podem fvorecer propgção de trincs, especilmente qundo grndes prtículs de cementit estão loclizds o longo desses contornos. (9,10,15) Além disso, micro- d O tmnho médio de grão ferrítico pós o recozimento 550 C e 800 C, situou-se entre 1,3 µm e 3,5 µm, pr os tempos de 5 min e 120 min, respectivmente. A suestrutur resultnte do processmento térmico e mecânico é responsável pel lt tx de nucleção d ferrit, que possiilit otenção d grnulção ultrfin. Os resultdos otidos permitem projetr um lig com resistênci à trção mis lt, próxim de 660 MP pr 5 min de recozimento, ou 600 MP pr 120 min. O mteril recozido 800 C present um melhor lnço resistênci-tencidde, mostrndo um notável longmento e presentndo cpcidde de encrumento d ordem de dus vezes superior à presentd pelo mteril recozido 550 C. A microestrutur e textur cristlográfics fortemente nisotrópics cusrm um qued n tencidde, tnto pr s mostrs recozids 550 C qunto 800 C, i.e., comprtivmente o mteril originl. REFERÊNCIAS 1 TANAKA, T. The four stges of the thermomechnicl processing in HSLA steels. In: INTERNATIONAL CONFE- RENCE ON HIGH STRENGTH LOW ALLOY STEELS, 1984, Wollongong, Austrli. Proceedings Austrli: Austrlsin Institute of Metls, p HORVATH, D.C.; FEKETE, J.R. Opportunities nd chllenges for incresed usge of dvnced strength steels in utomotive pplictions. In: INTERNATIONAL CONFERENCE ON ADVANCED HIGH STRENGTH SHEET STEELS FOR AUTOMOTIVE APPLICATIONS, 2004, Winter Prk, Colordo. Wrrendde, PA: AIST, p DeARDO, A.J. New chllenges in the thermomechnicl processing of HSLA steels. Mterils Science Forum, v , p , VALIEV, R.Z.; KORZNIKOV, V.A.; MULYUKOV. R.R. Structure nd properties of ultr-fine-grined mterils produced y severe plstic deformtion. Mterils Science Engineering A, v. 168, n. 2, p , RINTARO, U.; TSUJIB, N.; MINAMINOB, Y.; KOIZUMI, Y. Effect of rolling reduction on ultrfine grined structure nd mechnicl properties of low-cron steel thermomechniclly processed from mrtensite strting structure. Science & Technology-Advnced Mterils, v. 5, n. 1-2, p , Jn.-Mr SAITO, Y.; UTSUNOMIYA, H.; TSUJI, N.; SAKAI, T. Novel ultr-high strining process for ulk mterils-development of the ccumultive roll-onding (ARB) process. Act Mterili, v. 47, n. 2, p , NAGAI, K. Ultrfine-grined ferrite with dispersed cementite prticles. Journl of Mterils Processing Technology, v. 117, n. 3, p , Nov OHMORI, A.; TORIZUKA, S.; NAGAI, K. Strin-hrdening due to dispersed cementite for low cron ultrfinegrined steels. ISIJ Interntionl, v. 44, n. 6, p , SONG, R.; PONGE, D.; RAABE, D. Mechnicl properties of n ultrfine grined C-Mn steel processed y wrm deformtion nd nneling. Act Mterili, v. 53, n. 18, p , Tecnol. Metl. Mter., São Pulo, v. 5, n. 4, p , r.-jun. 2009

6 10 SONG, R.; PONGE, D.; RAABE, D.; KASPAR, R. Microstructure nd crystllogrphic texture of n ultrfine grined C-Mn steel nd their evolution during wrm deformtion nd nneling. Act Mterili, v. 53, n. 3, p , SANTOS, D.B.; BRUZUSZEK, R.K.; RODRIGUES, P.C.M.; PERELOMA, E.V. Formtion of ultr-fine ferrite microstructure in wrm rolled nd nneled C-Mn steel. Mterils Science nd Engineering A, v. 346, n. 1-2, p , SILVA, H.R.; LOURENÇO, G.G.; BRAGA, L.H.R.; RODRIGUES, P.C.M.; SANTOS, D.B. Encrumento e tencidde do ço N-Ti de grão ultrfino. In: CONGRESSO ANUAL DA ABM, 62, 2007, Vitóri-ES. Anis São Pulo: ABM, CD-ROM. p HUMPHREYS, F.J.; HATHERLY, M. Recrystlliztion nd relted nneling phenomen. UK: Pergmon, HAWKINS, D.N.; SHUTTLEWORTH, A.A. The effect of wrm rolling on the structure nd properties of low-cron steel. Journl of Mechnicl Working Technology, v. 2, n. 4, p , Fe KIMURA, Y.; INOUE, T.; YIN, F.; TSUZAKI, K. Inverse temperture dependence of toughness in ultrfine grinstructure steel. Science, v. 320, n. 5879, p , My Receido em: 27/11/2008 Aprovdo em: 20/04/2009 Proveniente de: SEMINÁRIO DE LAMINAÇÃO PROCESSOS E PRODUTOS LAMINADOS, 45., 2008, Porto de Glinhs, BA. São Pulo: ABM, Tecnol. Metl. Mter., São Pulo, v. 5, n. 4, p , r.-jun