INFLUÊNCIA DA MICROESTRUTURA NA ANISOTROPIA DE CHAPAS METÁLICAS DE DIFERENTES AÇOS ESTRUTURAIS

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1 Projeto de Iniciação Científica INFLUÊNCIA DA MICROESTRUTURA NA ANISOTROPIA DE CHAPAS METÁLICAS DE DIFERENTES AÇOS ESTRUTURAIS Relatório Final Bolsista: Felipe Kulig Branco Departamento de Engenharia Mecânica - FEI rodrmagn@fei.edu.br

2 I.RESUMO Este trabalho estudou a influência de diferentes microestruturas de aços estruturais, ABNT 1070, Interstitial-Free, ARBL ferrítico-perlítico em duas condições, como recebido e com uma redução de área de dezenove por cento por laminação a frio, ARBL Dual-Phase em duas condições, como recebido e revenido por uma hora a 300 C e UNS S43000, na anisotropia plástica de chapas metálicas laminadas, caracterizando-se as propriedades mecânicas por meio de ensaios mecânicos de tração e características microestruturais obtidas através de análises metalográficas dos materiais estudados. Concluiu-se que diferenças microestruturais nas diversas seções dos aços afetam o comportamento mecânico do mesmo, podendo estes ser considerados anisotrópicos ou isotrópicos em função desta diferença. Não foi encontrada uma relação matemática entre características microestruturais e as propriedades mecânicas, limite de escoamento, limite de resistência e alongamento total apresentados para aços estruturais de diferentes constituições microestruturais, como os analisados, relação não encontrada também para os índices de anisotropia plástica. Portanto, não é possível estimar propriedades mecânicas tendo base em um conjunto de equações baseadas em características microestruturais. Palavras-chave: 1. Propriedades mecânicas 2. Aços estruturais 3. Anisotropia 4. Microestrutura 2

3 II. OBJETIVO O presente trabalho tem a finalidade de estudar a influência de diferentes microestruturas de aços estruturais na anisotropia plástica de chapas laminadas, caracterizando-se as propriedades monotônicas a tração e os índices de anisotropia de sete diferentes chapas, e relacionando-os às microestruturas analisadas por microscopia óptica. 3

4 III. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA III.1. AÇOS O aço é uma liga cujos principais elementos são o ferro e o carbono, mas sempre contendo elementos secundários, presentes devido aos processos de fabricação ou para fornecer alguma característica ao aço. O aço contém geralmente 0,008% até aproximadamente 2,0% de carbono, o valor de 0,008% corresponde à máxima solubilidade do carbono no ferro à temperatura ambiente e o valor de 2,0% depende da presença de elemento de liga no aço, portanto, para uma definição mais precisa pode-se classificar os aços quanto aos elementos de liga, os com certos elementos residuais resultantes do processo de fabricação, e os com adição de elemento de liga [1]. O ferro é um metal que se caracteriza por apresentar várias fases alotrópicas, representadas na figura 1. A temperatura ou ponto de fusão do ferro é 1538 C, abaixo dessa temperatura, o ferro cristaliza de acordo com um reticulado cúbico centrado e a forma alotrópica correspondente é chamada de delta (δ). Figura 1: Transformações alotrópicas do ferro puro [2] Essa forma persiste estável até que se alcance a temperatura de cerca de 1394 C, nesse instante, ocorre uma redisposição espontânea dos átomos e forma-se um novo reticulado, o cúbico de face centrada que corresponde à forma alotrópica do ferro chamada de gama (γ) ou austenita. Declinando mais a temperatura cerca de 912 C, ocorre nova transformação alotrópica, com novo rearranjo atômico, voltando o reticulado a readquirir a forma cúbica de corpo 4

5 centrado, essa forma alotrópica é chamada de alfa (α) ou ferrita. Abaixo de 912 C, não ocorre mais qualquer rearranjo atômico. Não surge nenhuma nova forma alotrópica. Entretanto, próximo de 768 C verifica-se uma outra transformação, o ferro começa a comportar-se ferromagneticamente. A cada transformação alotrópica corresponde um desprendimento de calor latente, como, aliás, ocorre quando o ferro líquido se solidifica. Assim, durante a solidificação e por ocasião das transformações alotrópicas, verificam-se mudanças de energia que causam descontinuidade nas curvas de resfriamento e aquecimento, que são traduzidas graficamente como uma parada a uma temperatura constante. Como essas paradas foram determinadas pelo francês LeChatelier em primeiro lugar a terminologia original continua sendo usada para indicá-las. A ocorrência de uma parada é indicada pela letra A, se a transformação ocorrer no resfriamento utiliza-se como índice a letra r, se ocorrer durante o aquecimento, o índice é a letra c. A rigor, os pontos A c e A r não coincidem exatamente, a não ser que as velocidades de resfriamento e aquecimento sejam extremamente ou lentas. Um fato importante é que a forma alotrópica γ do ferro tem capacidade de dissolver uma certa quantidade de carbono, ao passo que o mesmo não ocorre com a forma alotrópica α, que só pode manter em solução quantidades mínimas ou desprezíveis de carbono [1]. É imprescindível para o conhecimento dos aços o estudo do seu diagrama de equilíbrio, apresentado na figura 2. A combinação do ferro e carbono, em equilíbrio termodinâmico, dará origem a diferentes fases para as diversas temperaturas avaliadas. Este diagrama, mostrado na figura 2, indica que na temperatura ambiente os constituintes do sistema Fe-C seriam ferrita (α) e grafita. Na produção industrial do aço, entretanto, a solidificação e o resfriamento não têm velocidades baixas o suficiente para que o equilíbrio termodinâmico seja alcançado. Ocorre, então, a formação de uma fase metaestável, a cementita (carboneto de ferro) no lugar da grafita. Embora essa fase seja termodinamicamente metaestável, em termos de aplicações práticas ela é considerada estável, pois na temperatura ambiente a difusão do carbono no ferro é muito baixa, e a transformação de cementita em grafita é praticamente nula. Os constituintes que aparecem no diagrama da figura 2 são descritos a seguir: Austenita (γ): Nos aços comuns só é estável acima de 727 C, consta de uma solução sólida de carbono no ferro γ e apresenta uma estrutura de grãos poligonais irregulares, possui boa resistência mecânica e apreciável tenacidade e não é magnética. 5

6 Figura 2: Diagrama de equilíbrio ferro-carbono [3] Ferrita (α): Forma-se por difusão, nucleando preferencialmente nos contornos de grão de austenita, com o aumento da taxa de resfriamento a ferrita passa a nuclear também no interior do grão austenítico, contendo em solução traços de carbono. Apresenta também uma estrutura de grãos poligonais irregulares, possui baixa dureza e baixa resistência atração, cerca de 280 MPa, mas excelente resistência ao choque e elevado alongamento. 6

7 Cementita (Fe 3 C): É um carboneto de ferro com estrutura ortorrômbica e de alta dureza, e a cementita é um dos constituintes de microestrutura eutetóide de extrema importância no estudo dos aços, a perlita. A cementita contém 6,67% de carbono, é muito dura e quebradiça e é responsável pela elevada dureza e resistência dos aços de alto carbono. Perlita: É uma mistura de 88% de ferrita e 12% de cementita, na forma de lâminas finas dispostas alternadamente. As propriedades mecânicas da perlita são, portanto, intermediárias entre as da ferrita e da cementita, dependendo, entretanto do tamanho das partículas de cementita. Sua resistência à tração é, em média, 750 MPa. A perlita não é uma fase, e sim uma mistura de duas fases que ocorrem sob a forma de lamelas paralelas. A proporção de perlita em um aço cresce de 0% para ferro até 100% para aço eutetóide (0,76% de carbono). A transformação da austenita em perlita contendo ferrita e cementita é típica de muitas reações no interior de sólidos, ou seja, começa nos contornos dos grãos e prossegue em direção ao seu centro. Num aço hipoeutetóide, com teor de carbono, portanto, inferior a 0,76%, o resultado do resfriamento lento é a formação de certa quantidade de ferrita, chamada primária ou proeutóide, até que a austenita remanescente se transforme em perlita. Assim a estrutura resultante contém quantidades de ferrita e perlita que podem ser previstas. O mesmo pode ser dito em relação à cementita se aço for hipereutetóide [1]. A cementita é muito mais dura, porém muito mais frágil que a ferrita, dessa forma, aumentando a fração de Fe 3 C em um aço obtém-se em um material mais duro e mais resistente, e com este aumento também haverá uma diminuição tanto na ductilidade como na tenacidade. A espessura da camada de cada fase, ferrita e cementita, na microestrutura também influenciam o comportamento mecânico do material. A perlita fina é mais dura e mais resistente de que a perlita grosseira. As razões para esse comportamento estão relacionadas com fenômenos que ocorrem nos contornos entre fases α-fe 3 C. Em primeiro lugar, existe um elevado grau de aderência entre as duas fases através do contorno, portanto, a fase cementita, forte e rígida, restringe severamente a deformação da fase ferrita, mais macia, nas regiões adjacentes ao contorno; dessa forma, pode-se dizer que a cementita reforça a perlita. O grau desse reforço é substancialmente maior na perlita fina, devido à maior área de contornos de fase por unidade de volume do material. Ademais, os contornos de fases sevem como barreiras ao movimento das discordâncias, da mesma maneira que os contornos de grão. Para a perlita fina existem mais contornos através dos quais uma discordância deve passar durante a deformação plástica. A perlita grosseira é mais dúctil do que a perlita fina, esse comportamento resulta da maior estricção à deformação plástica na perlita fina. O diagrama de equilíbrio, mostrado na figura 2, são para condições de esfriamento muito lento. A formação da ferrita e da cementita exige mudanças do reticulado cristalino do ferro, assim como o movimento dos átomos, por difusão, através da austenita sólida e tais modificações levam tempo. Em conseqüência, se for 7

8 aumentada à velocidade de esfriamento da austenita, ou seja, se o aço for esfriado mais rapidamente, não haverá tempo suficiente para uma completa movimentação atômica e as reações de transformação da austenita se modificam, podendo mesmo deixar de formarem-se os constituintes usuais, como a perlita, e surgem novos constituintes. Ao se atingir certa velocidade de resfriamento uma nova transformação acontece, dando origem a martensita. Martensita: A martensita é uma estrutura monofásica que não se encontra em equilíbrio, resultante de uma transformação sem difusão da austenita. A transformação martensítica ocorre quando a taxa de têmpera é rápida o suficiente para prevenir a difusão do carbono, já que qualquer difusão que porventura venha a ocorrer resultará na formação das fases ferrita e cementita. Na transformação um grande número de átomos experimenta movimentos cooperativos, no sentido de que existe apenas um pequeno deslocamento de cada átomo em relação aos seus vizinhos, isso ocorre de maneira tal que a austenita CFC experimenta uma transformação polimórfica em uma martensita tetragonal de corpo centrado (TCC). Duas microestruturas martensíticas muito diferentes são encontradas em ligas ferro-carbono: em ripas e lenticular. Para ligas que contêm menos do que cerca de 0,6% em peso de carbono, os grãos de martensita se formam como ripas, isto é, placas longas e finas, tais como as lâminas de uma folha de grama, lado a lado, alinhadas paralelamente umas as outras. Além disso, essas ripas estão agrupadas em entidades estruturais maiores, conhecidas por blocos. Os detalhes microestruturais desse tipo de martensita são muito finos para serem revelados através de microscopia ótica, e devem ser empregadas técnicas de micrografia eletrônica para tal. A martensita lenticular (ou em placas) é encontrada tipicamente em ligas ferro carbono que contêm concentrações de carbono superiores a aproximadamente 0,6% em peso. Com essa estrutura, os grãos de martensita adquirem uma aparência em formato de agulha, ou lenticular, ou em formato de placas. Esses dois tipos de martensita podem coexistir. Como a martensita não é uma fase em equilíbrio e ocorre sem difusão, ela não está representada no diagrama ferro-carbono, como a ferrita e a cementita. A transformação de austenita em martensita é representada no diagrama de transformação isotérmica, que é função da temperatura e o tempo de resfriamento, como se mostra na figura 3. O início da transformação martensítica é representado por uma linha horizontal chamada M s, as temperaturas nas quais essas linhas estão localizadas variam de acordo com a composição da liga, porém, de qualquer forma elas devem ser relativamente baixas, pois a difusão do carbono deve ser virtualmente inexistente. A natureza horizontal e linear dessas linhas indica que a transformação martensítica é independente do tempo, ela é uma função exclusivamente da temperatura para a qual a liga é resfriada rapidamente ou temperada. Uma transformação desse tipo é conhecida por transformação atérmica. Das várias microestruturas que podem ser produzidas para uma dada liga de aço, a martensita é a mais dura, a mais resistente e, além disso, a mais frágil; ela possui, na realidade, uma ductilidade desprezível. Em 8

9 contraste com os aços perlíticos, acredita-se que a resistência e a dureza da martensita não estão relacionadas com a microestrutura, em vez disso, essas propriedades são atribuídas à eficiência dos átomos de carbono intersticiais em restringir o movimento das discordâncias, bem como ao número relativamente pequeno de sistemas de escorregamento para a estrutura TCC [4]. Figura 3: Diagrama de transformação isotérmica para o aço 1080 [3] A austenita é ligeiramente mais densa do que a martensita, portanto, durante a transformação de fases que tem lugar com o processo de têmpera, existe um aumento líquido no volume. Conseqüentemente, peças relativamente grandes que são temperadas rapidamente podem trincar como resultado das tensões internas, e isso se torna um problema, especialmente quando o teor de carbono é maior do que cerca de 0,5% em massa. Os tratamentos térmicos isotérmicos não são os mais práticos de serem conduzidos, pois uma liga deve ser resfriada rapidamente e mantida a uma temperatura elevada desde uma temperatura mais alta, acima da temperatura eutetóide. A maioria dos tratamentos térmicos para os aços envolve resfriamento contínuo de uma amostra até a temperatura ambiente. Um diagrama de transformação isotérmica (TTT) só é valido para condições de temperatura 9

10 constante, e tal diagrama deve ser modificado para transformações que ocorrem quando a temperatura está em constante mudança. Para uma situação de resfriamento contínuo, o tempo exigido para que uma reação tenha seu início e o seu término é retardado, desta forma as curvas isotérmicas são deslocadas para tempos mais longos e para temperaturas menores. Um gráfico contendo essas curvas modificadas, como na figura 4, para o início e o término da reação é conhecido por diagrama de transformação por resfriamento contínuo (TRC), mostrado na figura 5 e comparação a um TTT. Figura 4: Diagrama de transformação por resfriamento contínuo para o aço 4340 e a superposição de várias curvas de resfriamento [4] 10

11 Os diagramas de transformação isotérmica e por resfriamento contínuo, comparados na figura (5), podem ser descritos como diagramas de fases onde o parâmetro tempo é introduzido, estes diagramas são determinados experimentalmente para diferentes ligas. Estes diagramas são de grande importância, pois permitem prever a microestrutura após certo intervalo de tempo quando sujeitos a tratamentos térmicos a temperatura constante e por resfriamento contínuo [4]. Figura 5: Superposição dos diagramas de transformação TTT e TRC para uma liga de ferro-carbono com composição eutetóide [4] Bainita: Quando a temperatura da transformação é reduzida abaixo da formação da perlita fina, outros constituintes da transformação da austenita são encontrados a essas temperaturas mais baixas. Nessas ocorre à transformação bainítica, 11

12 dependendo da temperatura de transformação podendo ser chamada de superior ou inferior. A bainita superior é formada entre aproximadamente 300 a 540 C, e é notada como uma série de ripas paralelas ou agulhas de ferrita que se encontram separadas por alongadas partículas de cementita, esta estrutura mostra-se muito fina, e sua visualização só é possível com o auxílio do microscópio eletrônico. Entre 200 a 300 C existe a formação da bainita inferior, onde a ferrita apresentase na forma de placas finas e a cementita em partículas estreitas, em bastões ou lâminas muito finas. Observando-se o diagrama de transformação isotérmica notase que as transformações bainíticas e perlíticas são concorrentes, portanto se uma fração de uma determinada liga tenha se transformado em desses dois constituintes, a transformação no outro só é possível com o novo aquecimento e austenitização da liga [4]. III.2. AÇOS ESTRUTURAIS Entre os materiais de construção, o aço tem uma posição de relevo, pois combina resistência mecânica, trabalhabilidade, disponibilidade e baixo custo. Assim sendo é fácil compreender a importância e a extensão da aplicação dos aços em todos os campos da engenharia, nas estruturas, quer fixas, como de edifícios, ponte, quer as móveis, na indústria ferroviária, automobilística, naval, aeronáutica, etc. Para a maioria das aplicações consideradas, a importância da resistência mecânica é de certo modo relativamente pequena. Assim sendo, os aços-carbono comuns, simplesmente laminados, sem quaisquer tratamentos térmicos, são plenamente satisfatórios. Em outras aplicações, entretanto, exige-se uma relação resistência/peso mais satisfatória. É o caso da indústria de transportes, onde o equipamento utilizado, devido às condições próprias de serviço deve caracterizarse por peso relativamente baixo e alta resistência, por estar sujeito a esforços severos e choques repentinos, além da resistência à corrosão adequada. Nestas aplicações os aços indicados são os de baixo teor em liga, conhecidos como de alta resistência e baixo teor de liga (ARBL). A utilização dos aços ARBL tem como principais objetivos aumentar a resistência mecânica, permitindo um acréscimo substancial da carga unitária da estrutura ou tornado possível uma diminuição proporcional da seção; melhorar a resistência à corrosão; melhorar a resistência a resistência ao choque e o limite de fadiga e elevar a relação entre limite de escoamento para o limite de resistência à tração sem perda apreciável da ductilidade. Em qualquer dessas aplicações tira-se proveito não só da alta resistência mecânica, como igualmente da redução de peso, da maior resistência à corrosão e do custo de manutenção mais baixo, características essas que não se encontram em outros tipos de aços ou ligas metálicas, a um custo comparável [1, 3]. Características gerais dos aços estruturais usados para a realização deste trabalho: 12

13 ABNT 1070: Como este aço tem aproximadamente 0,7% em peso de carbono, é considerado um aço com alto teor de carbono, que possuem teores de carbono entre 0,60 e 1,4% em peso. São os mais duros, mais resistentes e, porém, os menos dúcteis dentre todos os aços carbono. Eles são quase sempre usados em uma condição endurecida e revenida e, como tais, são especialmente resistentes ao desgaste e à abrasão e capazes de suportar um fio de corte afiado, podem ser utilizados na fabricação de serras, folhas de tesoura, ferramentas de ferreiro e ferramentas para madeira [3]. A figura 6 mostra a microestrutura característica deste tipo de aço, aquecido até a formação da austenita e resfriado lentamente, resultando em uma estrutura de matriz perlítica. Figura 6: Aço alto teor de carbono (Fe-0,75C), aquecido por 24 horas a 1095 C e resfriado ao ar. Resfriamento lento da região austenítica produziu esta estrutura perlítica, ataque em picral 4%. 500x [5]. Aço bifásico (Dual-Phase): É uma nova classe dos aços alta resistência baixa liga (ARBL). Ele é caracterizado por limite de resistência de aproximadamente 550 MPa e por uma microestrutura consistindo por volta de 20% de partículas duras de martensita dispersada em uma matriz macia de ferrita como na figura 7. 13

14 Figura 7: Aço ARBL de microestrutura bifásica composta por ferrita (clara) e martensita (escura), ataque em nital 2% [17] O termo dual-phase se refere à predominância de duas fases na microestrutura. Contudo, pequenas quantidades de outros constituintes, como bainita, perlita, ou austenita retida, podem estar presentes também, como mostra a figura 8. Além de um alto limite de resistência, este aço apresenta limite de escoamento contínuo e uma grande ductilidade, expressa em seu alongamento total, maiores que outros aços ARBL de similar resistência. Figura 8: Aço dual-phase (0,11% C; 1,40% Mn; 0,58% Si; 0,12% Cr; 0,08% Mo), a estrutura consiste em ilhas de martensitas (escuro), pequenas malhas de perlita (preto), e austenita retida (branco, contorno) em uma matriz ferrítica, ataque em solução aquosa de 12% de Na 2 S 2 O x [5] Este tipo de aço começou a ser pesquisado por volta de 1970, e o intenso interesse nos dual-phase fez com que em 1975 e 76 o trabalho já estivesse terminado e os laboratórios da época empregaram grandes esforço para que meios de produção do dual-phase fossem criados para produzi-lo em larga 14

15 escala, pois foi previsto que na década de 80 fábricas automotivas iriam precisar de grande quantidade deste material, para produzir carros mais leves, para reduzir o consumo de combustível, já que a crise do petróleo também causou preocupação nesta época. Em geral, este aço contém menos do que 0,1% em peso de carbono, pois assim tem boa soldabilidade. Essa quantidade de carbono causa o aparecimento aproximadamente 20% da martensita na microestrutura depois do recozimento intercrítico e um rápido resfriamento. Manganês é adicionado em quantidades de 1 a 1.5% para garantir a temperabilidade, para que a martensita possa aparecer no rápido resfriamento. Cromo e molibdênio são adicionados em uma quantidade menor que 0,6%. Silício é adicionado para fornecer resistência, como solução sólida [3]. Aço Insterstitial-Free : Aços com muito baixo conteúdo intersticial apresentam uma grande plasticidade com uma baixa tensão de escoamento, grande alongamento, e boa estampabilidade profunda. Estes aços tendem a ter um alto r m, aproximadamente dois, que significa grande capacidade de se deformar quando estampado. A adição de nióbio sozinho ou em conjunto com titânio faz com que este fenômeno aconteça. Normalmente é disponível laminado a quente ou a frio. A produção deste aço requer grandes cuidados com os níveis de carbono e nitrogênio, que devem estar abaixo de 50 ppm. O aço interstitial-free tem grande importância na produção de peças estampadas. A figura 9 mostra uma microestrutura de um aço com 0,013% em peso de carbono [3]. Figura 9: Aço com 0,013% em peso de C, microestrutura constituída de grãos de ferrita, ataque em nital. 100x [5] Aços ferríticos-perlíticos: São uma categoria dos aços ARBL, que tem como característica a adição de elementos como nióbio e vanádio, para o aumento da resistência mecânica. Extensivas pesquisas durante a década de 60 sobre os efeitos de nióbio e vanádio nas propriedades de aços estruturais resultaram na descoberta de que pequenas quantidades destes elementos (<0,10% cada) 15

16 melhoravam a resistência mecânica dos aços carbono-manganês convencionais sem interferir no seu subseqüente processo. O conteúdo de carbono pode ser reduzido para aumentar a soldabilidade e a tenacidade, porque os efeitos do nióbio e do vanádio compensaram a perda de resistência causada pela diminuição do carbono. Estes aços podem também ter adição de elementos para aumentar a resistência à corrosão e para aumento da resistência por solução sólida. Estes aços apresentam uma alta tensão de resistência e escoamento e uma baixa temperatura de transição dúctil-frágil, conseguida pelo refinamento dos grãos. Pode-se observar uma microestrutura ferrítica-perlítica nas figuras 10 e 11. Figura 10: Microestrutura formada de ferrita (branco) e perlita (escuro), ataque utilizado nital com picral. 200x [5] Figura 11: Microestrutura formada de ferrita (branco) e perlita (escuro), ataque utilizado nital com picral. 500x [5] 16

17 Usualmente esses aços apresentam baixo teor de carbono (<0,10% C), isto faz com que se reduza a perlita na sua microestrutura, aumentando a tenacidade, ductilidade e a soldabilidade [3]. UNS S43000: É um aço inoxidável ferrítico, onde o cromo é o principal elemento de liga, contendo de 16 a 18% em peso deste elemento. A estrutura desse tipo de aço, à temperatura ambiente, com qualquer velocidade de resfriamento, é sempre ferrítica, como mostrada na figura 12, e esse tipo de aço inoxidável também é chamado de não endurecível por tratamentos térmicos. Figura 12: Tipo aço inoxidável 430 em tiras, recozido a 845 C e resfriado no ar, a estrutura consiste de grãos equiaxiais de ferrita e partículas de carbonetos de cromo dispersas aleatoriamente, atacado em reativo de vilella. 500x [5] Os aços inoxidáveis ferríticos estão sujeitos à fragilidade quando aquecidos em torno de 475 C ou resfriados lentamente através dessa temperatura; o fenômeno traduz-se por aumento de dureza e queda da ductilidade. O tipo 430 é o mais utilizado, devido sua grande resistência à ação de ácidos, sobretudo o nítrico e ácidos orgânicos e à ação da água do mar. Esse aço pode não ser inteiramente ferrítico, podendo por resfriamento rápido sofrer um ligeiro endurecimento, apresentando martensita, na figura 13 nota-se a presença desta fase. Entretanto, nesse aço como nos outros tipos desse grupo, o tratamento térmico usual é o recozimento para alívio de tensões e obtenção da máxima ductilidade. É empregado em equipamentos para indústria química, em equipamentos de restaurantes, cozinhas, adorno de automóveis, decorações arquitetônicas interiores e peças de fornos [1, 3]. 17

18 Figura 13: Tipo aço inoxidável 430, a estrutura na seção longitudinal apresenta riscos de martensita (escuro) e ferrita (branco), tem dureza aproximada de 235 HV. 100x [5] III.3. ENSAIO DE TRAÇÃO COVENCIONAL III.3.1. Curva tensão-deformação de engenharia O teste de tração de engenharia é amplamente usado para a obtenção de informações básicas sobre a resistência de materiais, e como um teste de controle de especificações. Num teste de tração um corpo-de-prova é submetido a uma força trativa uniaxial continuamente crescente enquanto são feitas observações simultâneas do alongamento do corpo-de-prova. Uma curva de engenharia tensão-deformação, como a mostrada na figura 14, é construída a partir de médias da carga e do alongamento. A tensão usada nessa curva é a tensão normal média no corpo-de-prova. Ela é obtida dividindo-se a carga pela área inicial da seção reta do corpo-de-prova, como mostra a equação (1). P S = (1) A 0 18

19 Figura 14: Exemplo de curva tensão-deformação convencional A deformação usada para a curva de engenharia é a deformação linear média, que é obtida pela divisão do alongamento do comprimento útil do corpo-de-prova, δ, pelo seu comprimento original. e L L L 0 = δ = = (2) L0 L L0 A forma e a magnitude de uma curva tensão-deformação de um metal dependerá de sua composição, tratamento térmico, história anterior da deformação plástica, da taxa de deformação, temperatura e estado de tensões impostas durante o teste. Os parâmetros que são usados para descrever a curva tensão-deformação de um metal são: resistência à tração, tensão limite de escoamento, alongamento total e redução de área. Os dois primeiros são parâmetros de resistência, e os dois últimos são uma indicação de ductilidade [6]. Resistência à tração (S LR ): a resistência à tração, ou tensão máxima (ultimate tensile strength UTS), é a carga máxima dividida pela área da seção reta transversal inicial do corpo-de-prova. S P máx A 0 LR = (3) Após ser atingida a carga máxima, entra-se na fase de ruptura do material, caracterizado pelo fenômeno da estricção, que é uma diminuição localizada da seção transversal do corpo-de-prova [6]. 19

20 Limite de escoamento (S LE ): O limite de escoamento é a tensão necessária para produzir uma pequena quantidade específica de deformação plástica, ou seja, a intersecção da curva tensão-deformação com uma linha paralela à porção elástica da curva, deslocada de uma deformação específica. Este deslocamento é normalmente especificado como uma deformação de 0,2% (e=0,002) S LE P deformação= 0,002 = (4) A 0 Muitos metais, particularmente os aços de baixo carbono, apresentam um tipo de transição localizada heterogênea, da deformação elástica para a plástica, produzindo um escoamento descontínuo na curva tensão-deformação. Em vez de ter uma curva de escoamento com uma transição gradual do comportamento elástico para o plástico, como na figura 14, metal com escoamento descontínuo tem uma curva de escoamento similar à figura 15. A carga na qual a redução é brusca define o limite superior de escoamento e a carga constante define o limite inferior de escoamento, e o alongamento no qual ocorre a carga constante é chamado alongamento do limite de escoamento descontínuo. A deformação que se verifica durante todo o escoamento descontínuo é heterogênea. No limite superior de escoamento, uma banda discreta do material deformado, muitas vezes visível a olho nu, aparece em um concentrador de tensões tal como um filete, e coincidentemente, com a formação da banda a carga cai para o limite inferior de escoamento. Essas bandas são chamadas de bandas de Lüders e quando várias destas bandas são formadas, a curva de escoamento no alongamento do escoamento descontínuo é irregular, e cada perturbação da curva corresponde à formação de uma nova banda. Depois da propagação das bandas de deformação por todo o comprimento da seção útil do corpo-de-prova, o escoamento crescerá com a deformação da maneira usual e isso determina o fim do escoamento descontínuo [7]. 20

21 Figura 15: Curva tensão-deformação indicando o limite de escoamento descontínuo [7] Medidas de ductilidade: As medidas convencionais de ductilidade que são obtidas do teste de tração são as deformação de engenharia na fratura (e f ), normalmente chamada de alongamento total, e a redução de área na fratura. Ambas as propriedades são obtidas depois da fratura juntando-se as partes e tomando-se medidas de L f e A f [1]. e f L f L = (5) L 0 0 A0 Af RA% = x100 (6) A 0 Módulo de elasticidade (E): A inclinação da região linear inicial da curva tensãodeformação é o módulo de elasticidade, ou módulo de Young. O módulo de elasticidade é uma medida de rigidez do material. Quanto maior é o módulo de elasticidade, menor é a deformação elástica resultante da aplicação de uma determinada carga. O módulo de elasticidade em metais é determinado pelas forças de ligação entre os átomos, e já que estas forças não podem variar sem que ocorram mudanças básicas na natureza do material, o módulo de elasticidade é uma das propriedades mecânicas mais insensíveis à microestrutura do material [6, 4]. Resiliência: É a capacidade de um material armazenar energia quando deformado elasticamente e liberá-la quando descarregado, e a propriedade associada é o 21

22 módulo de resiliência, U r, que representa energia de deformação por unidade de volume exigida para tensionar um material desde um estado com ausência de carga até sua tensão limite de escoamento. Supondo uma região elástica linear, até o limite se escoamento, tem-se: 1 U R = S LE. ele (7) 2 onde e LE é a deformação no momento do escoamento [4]. As unidades de resiliência são o produto das unidades de cada um dos eixos do gráfico tensão-deformação. Para unidades SI, esta unidade é joules por metro cúbico (J/m 3, que é equivalente a Pa). Se for incorporada a equação de Hooke na equação acima tem-se: U R S 2 e = (8) 2. E Tenacidade: A tenacidade de um material é sua capacidade para absorver energia na região plástica. Pode-se observar a tenacidade como a área total sob a curva tensão-deformação. Essa área é uma indicação da quantidade de trabalho por unidade de volume que deve ser realizado no material até a sua fratura. III.4. CURVA TENSÃO-DEFORMAÇÃO VERDADEIRA As propriedades mecânicas mais comuns definidas anteriormente são usadas para avaliar e especificar as propriedades dos metais. Entretanto, os resultados obtidos são valores sujeitos a erros, porque são baseados na seção inicial do corpo-de-prova, dimensões estas que se alteram à medida que o ensaio prossegue. Entretanto, na zona elástica, principalmente para os metais dúcteis, onde a deformação é pequena, esses valores podem ainda ser considerados. Assim, a curva convencional tensão-deformação não fornece uma indicação precisa das características de deformação do metal, principalmente nos metais dúcteis, onde ocorre ainda a estricção que instabiliza completamente a distribuição das deformações pelo estado triplo de tensões que se estabelece na região estrita [6]. III.4.1 Tensão e deformação verdadeiras A tensão verdadeira é definida como o quociente entre a carga em qualquer instante e a área da seção transversal do corpo-de-prova no mesmo instante, A i, isto é: 22

23 P σ = (9) A i A deformação verdadeira é baseada na mudança do comprimento com relação na mudança do comprimento com relação ao comprimento base de medida instantâneo, em vez do comprimento inicial de medida. Assim sendo, com a aplicação de uma carga, P i, o comprimento inicial passa de L 0 para L i. Aumentando a carga em P, aumenta o comprimento em dl. A deformação verdadeira será então igual a dl i / L i e para o caso de um aumento da carga de 0 a P e do comprimento inicial indo desde L 0 até L, a deformação verdadeira, ε, fica dl L i L ε = = [ln Li ] L0 (10) L L i 0 ε (11) = ln L L III.4.2. Correlação entre tensões e deformações verdadeiras e convencionais 0 Sendo L L L0 L e = = = 1 (12), ou L L L 0 0 Tem-se substituindo (13) em (11): L 1+ e = (13) L 0 ε = ln( 1+ e) (14) Já a correlação entre as tensões verdadeira e convencional pode ser determinada da seguinte maneira: P A σ = P = x 0 (15) A A i 0 A i Como o volume do material permanece aproximadamente constante na região plástica, tem-se que: 23

24 A L A L o o = i (16), ou A A 0 i L L = (17) 0 Substituindo (17) em (13) e o resultado em (15) conclui-se que: σ = S ( 1 + e) (18) Observa-se que a tensão verdadeira é maior que a tensão convencional, mesmo porque, a área da seção transversal após a aplicação de uma carga na zona plástica diminui [7], como mostra a figura 16. Figura 16: Comparação entre as curvas tensão-deformação convencional e verdadeira III.4.3 Relação matemática entre a tensão e a deformação verdadeiras A curva verdadeira tensão-deformação plástica (ε p ) de materiais metálicos pode ser aproximadamente representada pela equação de Hollomon: σ H. ε p n = (19) 24

25 onde H e n são constantes para cada material, denominados respectivamente por coeficiente de resistência e expoente de encruamento. O valor do coeficiente de encruamento pode ser numericamente estimado como a deformação verdadeira uniforme apresentada pelo material. n = ε u (20) A equação de Hollomon só pode ser válida do começo do escoamento plástico até a carga máxima, na qual o corpo-de-prova inicia a formação do pescoço, a deformação plástica não-uniforme. sendo ε p σ = ε E = ε ε e (21) Com a equação (19) pode-se escrever: 1 n ε p = σ (22) H Assim, define-se a relação de Ramberg-Osgood: 1 n σ σ ε = ε e + ε p = + (23) E H Um estudo verificou a influência da microestrutura no expoente de encruamento em aços Interstitial-Free, utilizando vários tamanhos de grão para comparação, propondo uma relação empírica (24), entre, n e d, onde n é o expoente de encruamento e d é o tamanho de grão em milímetros. 5 = 10 + d n (24) 1 2 A comparação entre o valor n obtido experimentalmente através de ensaios e o obtido com a relação empírica (24) confirmou a influência da microestrutura no expoente de encruamento, pois a proximidade das comparações foi satisfatória [13]. 25

26 Embora H e n sejam consideradas como constantes, elas podem variar conforme o tratamento a que o material foi submetido previamente, isto é, para um mesmo material, os valores de H e n podem ser variados, dependo da sua microestrutura. O coeficiente de resistência H mede a tensão real quando ε p = 1,0, tendo, portanto, as dimensões de tensão. Seu valor fornece uma indicação do nível de resistência do material. O valor de n, porém, é considerado como uma característica de grande importância, pois ele fornece a medida da capacidade ou habilidade do material poder distribuir a deformação uniformemente, principalmente para o estudo de aços para estampagem. Em outras palavras, n mede a capacidade de encruamento do material. Quanto maior for o n de um material mais íngreme será a curva do mesmo e mais uniforme a distribuição das deformações na presença de um gradiente de tensões, e em conseqüência, para materiais com valores baixos de n a curva será mais horizontal. Pela equação (19) verifica-se que n é uma grandeza adimensional [6, 7]. III.5. ANISOTROPIA Quando as propriedades de uma substância são independentes da direção em que ela é medida, ela é chamada de isotrópica, assim deve-se esperar que um material isotrópico tenha as mesmas propriedades físicas e mecânicas em todas as direções. As propriedades físicas e mecânicas dos cristais dependem em geral fortemente da direção cristalográfica na qual são medidas, a dependência das propriedades com a direção é chamada de anisotropia. Idealmente uma amostra cristalina poderá ser considerada com isotrópica se seus cristais estiverem orientados ao acaso, pois então, sob o ponto de vista macroscópico a anisotropia dos cristais se compensará mutuamente [6, 8]. Os materiais policristalinos são constituídos de pequenos cristais, denominados grãos, os quais são separados uns dos outros por fronteiras denominadas contornos de grão. A grande maioria dos materiais policristalinos existentes tem grãos com tamanho médio na faixa de 10 µm a 1 mm. Os metais trabalhados apresentam tamanhos de grão em uma faixa ainda mais estreita: 10 a 100 µm. Portanto, as peças e componentes policristalinos são constituídos de um número enorme de grãos. Cada grão em um agregado policristalino tem orientação cristalográfica diferente da dos seus vizinhos, isto quer dizer que os planos e as direções cristalinas têm orientação especial diferente de grão para grão, e as diferenças de orientação são habitualmente da ordem de dezenas de graus. Consideradas de modo global, as orientações de todos os grãos podem estar concentradas, em maior ou menor escala, ao redor de alguma ou de algumas orientações particulares. Nesta última condição, o agregado policristalino apresenta orientação preferencial ou textura cristalográfica. A textura pode ser genericamente definida como uma condição na qual a distribuição de orientações dos grãos de um policristal não é aleatória. É importante destacar que a textura não se refere à forma dos grãos, mas sim à forma como a rede cristalina desses grãos é arranjada especialmente. A 26

27 orientação preferencial pode ser introduzida por diversos modos e a deformação plástica é uma delas [9]. Como a maioria dos metais policristalinos possui uma orientação preferencial, eles tendem a ser anisotrópicos e a intensidade dessa anisotropia dependendo do grau de alinhamento dos cristais. Dois tipos gerais de anisotropia são observados nos metais [6] : Anisotropia cristalográfica: que é o resultado da orientação preferencial dos grãos produzida por uma deformação plástica no material. A tensão limite de escoamento e a resistência mecânica numa escala menor são as propriedades mais afetadas. Esse tipo de anisotropia é mais freqüente em metais não-ferrosos, particularmente quando eles são severamente deformados na forma de chapas finas. Uma manifestação da anisotropia cristalográfica é a formação de orelhas ou deformação não uniforme em transformação por estampagem profunda e também resultar na deformação elíptica de um corpo-de-prova. Fibramento mecânico: é causado devido ao alinhamento preferencial de descontinuidades estruturais como inclusões, vazios, segregações e outras fases na direção de trabalho da deformação plástica. Este tipo de anisotropia é importante em peças forjadas ou placas grossas. Índices de anisotropia: Comumente testes de tração em chapas são realizados em três diferentes orientações, longitudinal (denominada 0 ), transversal (90 ) e 45 da direção de trabalho. Um valor útil para se avaliar a anisotropia é o índice de anisotropia normal r, que é definido pela relação entre a deformação real na largura, especificado w, dividida pela deformação real na espessura, t, no corpo-de-prova durante o ensaio verdadeiro, descrita na equação (25), sendo deformações uniformes, ou seja, ocorrendo antes do limite de resistência. r = ε ε w = t ln( w ) wo ln( t ) t 0 (25) As marcações de medida da largura, geometria do corpo-de-prova e a tensão axial podem afetar o valor do índice de anisotropia normal r para alguns materiais [14]. Verifica-se que r é um valor adimensional. Como a medida da espessura pode ocasionar erros grandes, pode-se substituir a expressão (25) pela expressão seguinte, válida devido à consideração do volume constante durante toda a deformação plástica. 27

28 r = ln( w ) w0 l ln( 0w0 ) lw (26) Um valor alto de r significa que a chapa oferece grande resistência a se deformar plasticamente na direção da espessura. Como a maioria das chapas laminadas apresentam variação das propriedades elásticas e plásticas com a orientação no plano da chapa, é comum se expressar esta anisotropia média, ou normal, por: r = r + 2. r r90 4 o 45 + m (27) Este valor está relacionado com o desempenho do material na estampagem, e o ideal é que o material possua um alto valor de r m, o que significa que não haverá grande redução da espessura. Para chapas de aço o valor de r m varia de 1 a 2, sendo que o limite teórico para materiais CCC seria 3 [6]. A variação dos valores de r, determinados em corpos-de-prova situados num mesmo plano de um metal trabalhado, porém retirados em diferentes posições, é chamada anisotropia planar, expressada na equação (28): r = r 2. r45 ο r (28) Se r apresenta um alto valor tem-se uma diferença grande entre os índices de anisotropia nas direções consideradas, o que não é ideal em um processo de conformação mecânica, pois isto levaria à ocorrência de orelhas indesejadas na peça estampada. Para um material isotrópico, os valores de r m e r são 1 e 0 respectivamente [7, 10]. Com a determinação destes índices pode-se avaliar quão anisotrópico é um determinado material, e o estudo da anisotropia tem grande importância para a conformação plástica, como a estampagem e o forjamento, pois pode-se prever alguns comportamentos indesejados dos materiais metálicos quando sujeitos a deformação plástica severa estudando a anisotropia dos mesmos. 28

29 IV. MATERIAIS E MÉTODOS IV.1. MATERIAIS Os materiais utilizados no presente trabalho foram os seguintes aços estruturais: ABNT 1070, aço inoxidável ferrítico UNS S43000, aço de estampagem Interstitial- Free, aço de Alta Resistência e Baixa Liga (ARBL) de estrutura ferrítica-perlítica em duas condições (como fornecido e com 19% de redução de área por laminação a frio) e ARBL de estrutura ferrítica-martensítica ( Dual-Phase ) também em duas condições (como fornecido e alívio de tensões por 1 hora a 300 C, todos fornecidos como chapas. A composição química dos materiais acima relacionados usados para a confecção dos corpos-de-prova são apresentadas na Tabela I, junto da espessura nominal das chapas. Tabela I: Composição química dos materiais ensaiados e espessura nominal das chapas % em massa do elemento MATERIAL C Si S Mn P Cr Ni Al ABNT 1070 espessura nominal das chapas (mm) 0,67 0,22 0,003 0,69 0, ,043 3,0 UNS S ,05 0, , ,1 0, ,0 Interstitial- Free 0,02 0, , ,7 ARBL ferríticoperlítico ARBL Dual- Phase 0,11 0,12 0,015 1,10 0, ,041 3,1 0,11 0,30 0,014 1,11 0, ,038 3,1 29

30 IV.2. MÉTODOS A partir dos aços estruturais relatados no item anterior, foram confeccionados e preparados três corpos-de-prova retangulares em chapas de cada material para a realização do ensaio de tração de cada uma das orientações de 0, 45 e 90 em relação à direção de laminação previamente conhecida. As propriedades mecânicas, limites de escoamento e resistência, módulo de elasticidade, alongamentos total e uniforme, coeficiente de resistência e expoente de encruamento, de cada uma das orientações foram obtidas pelo ensaio de tração, conduzido segundo a ASTM E 8M-04 [11], mantendo-se uma taxa de deformação constante de 0,35%/min nos primeiros 4% de deformação e com auxílio de um extensômetro para a medição da deformação nesta etapa; após os 4% de deformação retira-se o extensômetro e a velocidade de deslocamento é ajustada para 10mm/min, constante até a ruptura do material. O comprimento inicial útil dos corpos-de-prova aponta 50 mm. Com os dados obtidos dos ensaios de tração acima relatados pode-se construir a curva verdadeira de tensão-deformação de cada material e determinar seus respectivos expoentes de encruamento e os coeficientes de resistência. A ASTM E [12] solicita pelo menos 5 pontos da curva tensão-deformação na região plástica uniforme para o cálculo do n e H, e essa condição foi respeitada, e com uma margem superior, já que esta etapa foi calculada por uma curva de tendência de todos os dados obtidos. A seguir, ensaios de tração são realizados em mais três corpos-de-prova, semelhantes aos anteriores, dos materiais relatados para a obtenção dos dados necessários para o estudo da anisotropia. As medidas do comprimento, espessura e a largura iniciais em conjunto com as medidas após o ensaio permitem os cálculos dos índices de anisotropia utilizando as equações (23), (24) e (25), sendo que os corpos-de-prova sofreram 8% de alongamento para a obtenção das medidas. O estudo metalográfico foi realizado, com três amostras, seção longitudinal, transversal e do plano da chapa de cada aço estudado, devidamente polida e preparada para a obtenção das micrografias. A metalografia quantitativa, conduzida sobre a mesma superfície polida, mostrou a fração volumétrica de ferrita de cada amostra, análise assistida pelo sistema Q500/W Leica. O tamanho de grão foi obtido pelo método do intercepto médio, conduzido segundo a ASTM E [15]. Para a metalografia quantitativa oitenta campos de cada amostra foram utilizados para a formação da base de dados dos resultados. 30

31 V. RESULTADOS EXPERIMENTAIS Os resultados experimentais foram obtidos dos ensaios de tração e da metalografia realizados. V.1. RESULTADOS OBTIDOS DOS ENSAIOS DE TRAÇÃO Nas figuras 17 a 23, constata-se as curvas tensão deformação convencionais dos materiais estudados, nas três orientações pré-estabelecidas, obtidas nos ensaios de tração, sendo que a curva na cor azul representa a orientação de 0, vermelha a de 45 e a amarela 90 em relação à direção de laminação. Figura 17: Curvas convencionais tensão-deformação do o aço ABNT 1070, orientações de 0, 45 e 90 31

32 Figura 18: Curvas convencionais tensão-deformação do o aço UNS S43000, orientações de 0, 45 e 90 Figura 19: Curvas convencionais tensão-deformação do o aço ARBL ferríticoperlítico, orientações de 0, 45 e 90 Observando-se a figura 17, nota-se que as curvas tensão-deformação do aço ABNT 1070 nas três orientações estão praticamente sobrepostas, indicando próximas propriedades mecânicas e conseqüentemente a insensibilidade em 32

33 relação à textura dos corpos-de-prova, podendo ser considerado, até este ponto, um material isotrópico. O mesmo não acontece com os aços UNS S43000 e o ARBL ferrítico-perlítico, figuras 18 e 19, que apresentam diferenças entre suas propriedades mecânicas em relação à orientação dos corpos-de-prova, sendo que para o aço inoxidável o maior limite de resistência e escoamento aparecem na curva de orientação 45 e para o ARBL ferrítico-perlítico o mesmo acontece na curva tensão-deformação de 90 em relação com a direção de laminação, em sua curva percebe-se também o fenômeno do limite de escoamento descontínuo, podendo-se ser mensurado o limite de escoamento superior e inferior. Figura 20: Curvas convencionais tensão-deformação do o aço ARBL ferríticoperlítico encruado, orientações de 0, 45 e 90 Comparando-se as curvas do aço ARBL ferrítico-perlítico encruado, figura 20, com a do ARBL ferrítico-perlítico, figura 19, comprova-se a condição da deformação plástica inicial no material inicialmente denominado encruado, pois se verifica que a ductilidade é drasticamente inferior, os limites de resistência e de escoamento indicam valores superiores, e o fenômeno do limite de escoamento descontínuo não existe mais nas curvas do material encruado. Observando-se as curvas do aço ARBL ferrítico-perlítico encruado nota-se que após atingir o limite de escoamento o material logo atinge a região de deformação plástica não-uniforme, mostrando assim uma baixa capacidade de deformação plástica, também apresentando grande sensibilidade à orientação dos corpos-de-prova. As curvas tensão-deformação do aço Interstitial-Free, figura 21, apresentam uma considerável ductilidade e um razoável limite de resistência. Apresenta uma maior 33

34 ductilidade na orientação de 45, e um maior limite de resistência e escoamento na orientação de 0 em relação à direção de laminação. Pode-se comparar os resultados obtidos nos ensaios dos materiais ARBL Dual- Phase, figura 22, com o ARBL Dual-Phase revenido, figura 23. Após o tratamento térmico este aço sofreu alterações em suas curvas tensão-deformação, é observado o aparecimento do limite de escoamento descontínuo no aço revenido, isto quer dizer que a temperatura afetou o comportamento mecânico do material. E ambos os materiais Dual-Phase não apresentam grande sensibilidade à orientação dos corpos-de-prova. Figura 21: Curvas convencionais tensão-deformação do o aço Interstitial-Free, orientações de 0, 45 e 90 34

35 Figura 22: Curvas convencionais tensão-deformação do o aço ARBL Dual- Phase, orientações de 0, 45 e 90 Figura 23: Curvas convencionais tensão-deformação do o aço ARBL Dual-Phase revenido, orientações de 0, 45 e 90 Percebe-se que em todas as curvas, nos 4% de deformação existe uma oscilação, ela se deve pela retirada do extensômetro e do aumento de velocidade de 35