CARACTERIZAÇÃO ESTRUTURAL E MECÂNICA DE CHAPAS EXPANDIDAS CONFECCIONADAS A PARTIR DOS AÇOS ABNT1010, AISI304A E AISI439

Transcrição

1 CARACTERIZAÇÃO ESTRUTURAL E MECÂNICA DE CHAPAS EXPANDIDAS CONFECCIONADAS A PARTIR DOS AÇOS ABNT1010, AISI304A E AISI439 Victor Silva Menezes (1) Geraldo Lúcio de Faria (1) Leonardo Barbosa Godefroid (1) Paulo Sérgio Moreira (1) Joner Oliveira Alves (2) (1) Campus Universitário do Morro do Cruzeiro, Bauxita. Ouro Preto-MG, CEP: Universidade Federal de Ouro Preto Rede Temática de Engenharia de Materiais (2) APERAM South America RESUMO A produção de açúcar associada à crescente demanda de etanol pelo mercado nacional fez da indústria sucroenergética um dos principais segmentos da economia brasileira. Atualmente grande parte dos equipamentos deste setor, como de outros, é constituída por aço carbono comum, entretanto ele tem sofrido rigorosa ação de corrosão e desgaste durante sua utilização, levando à substituição de grande maioria dos equipamentos a cada safra. Uma alternativa em potencial é a substituição deste material por aços inoxidáveis. Este projeto consistiu em obter, caracterizar e testar mecanicamente amostras representativas de chapas expandidas do aço carbono ABNT 1010 e dos aços inoxidáveis ferrítico AISI 439 e o austenítico AISI 304A. Os materiais estudados foram estruturalmente caracterizados por meio de microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura. Corpos de provas para ensaios de tração e dobramento foram confeccionados e testados. Os perfis de dureza também foram determinados. Os resultados obtidos mostraram que as chapas expandidas confeccionadas a partir do aço AISI 304A suportaram maior intensidade de carga sob tração até a ruptura, seguido por um desempenho parecido entre os dois outros aços estudados. Os ensaios de dobramento mostraram que as chapas de aços inoxidáveis apresentaram maior resistência ao dobramento, apesar do surgimento de trincas e ruptura das chapas do aço AISI 304A. Pôde-se concluir que apesar das amostras do aço carbono ABNT 1010 apresentarem maiores espessuras, elas tiveram o pior desempenho com relação aos seus limites de resistência mecânica quando comparadas às amostras de aços inoxidáveis estudadas. Palavras-chave: Chapas Expandidas, Aços Inoxidáveis, Ensaios Mecânicos

2 1 INTRODUÇÃO Na indústria sucroenergética, historicamente tem-se observado um considerável crescimento da aplicação de chapas expandidas. Elas vêm substituindo as chapas convencionais pelo fato de possibilitarem, em razão de sua versatilidade e economia, a execução de diversos projetos e produtos. Com grande variedade de malhas que vão desde a microexpandida, utilizada para elementos filtrantes, até as mais pesadas, empregadas em pisos industriais, as chapas expandidas podem ser usadas em várias aplicações, entre elas, grades, portões, proteção de equipamentos, pisos, escadas entre outras (1,2,3). Atualmente, as chapas expandidas especificadas para aplicações mais robustas são, em sua grande maioria, fabricadas a partir de aços carbono como ABNT 1010 ou ABNT Entretanto, estudos vêm mostrando que, a médio e longo prazo, o número e os intervalos de tempos de paradas das usinas para manutenção e substituição das chapas expandidas fabricadas a partir dos aços carbono comuns têm tido grande peso sobre a relação custo/benefício da utilização destes materiais quando eles trabalham em ambientes agressivos (corrosão, temperaturas e pressões elevadas, oscilações mecânicas, entre outros) (3, 4, 5). Neste contexto, a classe dos aços inoxidáveis se apresenta como um potencial candidato para a substituição dos aços carbono em aplicações que envolvam a utilização de chapas expandidas de alta resistência mecânica em ambientes corrosivos (6, 7, 8). O presente trabalho teve como objetivo propor uma metodologia experimental que possibilitou comparar as características mecânicas e estruturais de chapas expandidas confeccionadas a partir dos aços inoxidáveis AISI 304A e AISI 439, ambas com espessura de 4,5mm, com as das chapas expandidas de aço carbono ABNT 1010 com espessura de 5,5mm. Como não existem normas estabelecidas para a realização de ensaios mecânicos em chapas expandidas e a diferença de espessura entre as mesmas tem uma forte influência comercial, não podendo ser desprezada, este trabalho tem um forte caráter de ineditismo no que diz respeito à metodologia experimental, assim como é um importante indicador sobre a possibilidade de substituição de materiais na fabricação de chapas expandidas. 5356

3 2 MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Materiais Amostras representativas de chapas expandidas dos aços inoxidáveis AISI 439 e AISI 304A e do aço carbono ABNT 1010, cujas análises químicas são apresentadas na Tabela 1 foram selecionadas para a execução deste estudo. Tab. 1 - Composição química dos materiais utilizados (% em massa). Elementos C Mn Si P S Cr Ni Mo Al 439 0,014 0,1466 0,5897 0,0238 0, ,1096 0,2344 0,014 0, A 0,0445 1,1701 0,4317 0,031 0, ,1509 8,0266 0,0658 0, ,09 0,4721 0,0118 0,0147 0,0177 0,0136 0,0076 0,0018 0,0454 Elementos Cu Co V Nb Ti Sn W N 2 (PPM) B 439 0,0242 0,0229 0,036 0,1702 0,1946 0,0064 0, A 0,1046 0,1364 0,046 0,0039 0,0036 0,0047 0, ,0108 0,0013 0,0001 0,0015 0,0009 0,0032 0,0074 0,0002 A Figura 1 apresenta fotografias das amostras no estado de entrega. As chapas expandidas fabricadas a partir dos aços inoxidáveis tinham espessura de 4,5mm e as de aço carbono 5,5mm. (a) (b) (c) Fig. 1 - Fotografias das chapas expandidas nos seus estados de entrega (a) AISI439; (b) AISI 304A; (c) ABNT Procedimentos Experimentais Devido à geometria complexa das chapas expandidas e seu processo de fabricação complexo, foram analisadas duas regiões: hastes, região que apresenta a 5357

4 menor largura e maior comprimento dentro a tela, e os nós, regiões em que duas hastes se interceptam. As amostras foram embutidas a frio, e em seguida elas foram desbastadas e lixadas a úmido seguindo a sequência padrão de preparação metalográfica.após a etapa de lixamento, as amostras passaram por polimento metalográfico, inicialmente com suspensão aquosa de alumina de 1µm, seguido por um polimento com pasta de diamante de 0,25µm. As amostras polidas foram analisadas no microscópio óptico de luz refletida triocular Cx 31, da fabricante Olympus, com câmera de captura de vídeo e imagem acoplada do Laboratório de Microscopia Óptica e Tratamentos Térmicos do DEMET- UFOP. Com o objetivo de caracterizar mecanicamente as chapas expandidas, foram realizadas 10 medições de dureza Vickers para cada amostra, tanto nos nós quanto nas hastes. Utilizou-se um durômetro universal do fabricante Otto Wolpert-Werke do Laboratório de Ensaios Mecânicos do DEMET-UFOP. A carga utilizada foi de 30kgf e o tempo de aplicação de 30s. Como não existem normas para ensaios de tração em chapas expandidas, foi proposta uma metodologia para realização do ensaio nas amostras estudadas. O padrão consistiu na utilização de um total três corpos de prova para cada tipo de material. O padrão de corpo de prova utilizado é apresentado na Figura 2. Fig. 2 - Geometria padrão dos corpos de prova utilizados nos ensaios de tração. Os ensaios de tração foram realizados em uma máquina universal de ensaios da fabricante Time Group, com capacidade de 20 toneladas do Laboratório de metalurgia do IFMG-OP. Optou-se por registrar e trabalhar com gráficos do tipo força versus alongamento até a fratura da amostra e não com as curvas clássicas tensão versus deformação. 5358

5 Os ensaios de dobramento foram realizados em uma máquina universal de ensaios com capacidade de 10 toneladas, da fabricante Kratos, do Laboratório de Ensaios Mecânicos do DEMET-UFOP. Adaptou-se um dispositivo à máquina que permitiu à realização do dobramento a 90º, conforme ilustra a Figura 3. Fig. 3 - Montagem do ensaio de dobramento. O padrão também estabeleceu o local onde o punção exerceria o esforço de dobramento. Após alguns testes foi estabelecido que o ponta do punção deveria imprimir um esforço sobre uma secção que possuísse apenas hastes e não nós. Após o dobramento a 90, as amostras foram inspecionadas e analisadas quanto à presença ou não de defeitos, assim como os defeitos foram caracterizados. As amostras dobradas de 90 foram então dobradas a 180 (dobramento sobre si próprio). As amostras foram novamente inspecionadas em relação à presença ou não de defeitos superficiais. 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1. Caracterização Estrutural As microestruturas das seções transversais dos aços estudados estão apresentadas na Figura 4. Neste artigo, optou-se por apresentar apenas a seção transversal, pois foi nela que se observaram os efeitos da deformação plástica decorrente do processo de fabricação das chapas sobre a morfologia dos grãos. O aço ABNT 1010 com grãos pouco alongados, quando comparado aos aços inoxidáveis, indica uma estrutura menos encruada, apresentando tamanho de grão médio entre 20μm e 35μm. Já o aço AISI 304A (austenítico) com tamanho de grão 5359

6 entre 15μm e 30μm. Tanto na haste quanto no nó, apresenta no sentido superficial, maclas e linhas de deformação, assim como nos sentidos longitudinal e transversal bandas de deslizamento, além de revelar uma estrutura bastante encruada. O aço AISI 439 apresentou tamanho de grão entre 70μm e 150μm, valor elevado quando comparado aos dois outros estudados. Fig. 4 - Microestruturas das seções transversais das hastes e dos nós dos aços estudados Caracterização Mecânica A Figura 5 apresenta os resultados dos ensaios de dureza. Pode-se observar que as durezas das hastes, independente do aço, são maiores quando comparados aos seus respectivos nós. Isto confirma o efeito de esforços heterogêneos no processo de fabricação das chapas expandidas. 5360

7 Fig. 5 - Gráfico das durezas dos aços estudados. Comparando-se os aços, verifica-se que os aços inoxidáveis AISI 304A e AISI 439 possuem durezas superiores ao do aço carbono, sendo a do AISI 304 a maior em função da combinação de sua microestrutura austenítica, efeitos de encruamento e dos elementos de ligas. O comparativo das curvas médias de tração é apresentado pela Figura 6, assim como a Figura 7 apresenta a estricção média. Quanto ao desempenho das chapas confeccionadas pelos diferentes materiais, observou que as chapas de aço inoxidável AISI 304A suportaram maiores cargas antes da ruptura. O desempenho das chapas de aço inoxidável AISI 439 foi um pouco inferior ao AISI 304A no que diz respeito à resistência mecânica, porém elas apresentaram maior alongamento. As chapas de aço carbono ABNT 1010 apresentaram os menores limites de resistência mecânica, porém as maiores estricções. Fig. 6 - Comparativo das médias das curvas de tração das amostras das diferentes chapas. Fig. 7 - Estricção média e desvio padrão associado dos diferentes materiais. 5361

8 A Figura 8 apresenta a curva de ângulo de dobramento em função da carga aplicada. A Figura 9 corresponde à derivação de primeira ordem da curva apresentada na Figura 8. Observa-se que houve diferença entre as cargas de escoamento para cada aço estudado. O aço AISI 304A apresentou maior resistência ao dobramento, tendo sua carga de estabilização de 717kgf, o aço AISI 439 estabilizou-se com 510kgf e, o menos resistente, o aço ABNT 1010 com 379kgf. Após os ensaios de dobramento a 90 o e 180º pôde-se observar que, em ambos, os aços ABNT 1010 e AISI 439 não apresentaram trincas superficiais, enquanto o AISI 304A sim. Fig. 8 - Curvas médias do carregamento versus angulação nas amostras de diferentes chapas. Fig. 9 - Derivação das curvas médias do carregamento versus angulação nas amostras de diferentes chapas. 4 CONCLUSÕES A metodologia experimental proposta para caracterização estrutural e mecânica de chapas expandidas foi eficiente para os objetivos propostos neste trabalho. As estruturas de todas as amostras são influenciadas pelo processo de expansão, de modo que foram observados grãos deformados e encruados predominantemente nas hastes, e em menor proporção nos nós. Pôde-se concluir que apesar das chapas expandidas fabricadas em aço ABNT 1010 possuírem maior espessura que as demais testadas, os seus limites de resistência mecânica avaliados foram inferiores aos das chapas confeccionadas de aços inoxidáveis ferrítico e austenício estudados. 5362

9 5 AGRADECIMENTOS À Empresa APERAM South America por ter gentilmente cedido material para realização deste trabalho. 6 REFERÊNCIAS 1 LABIAPARI, W. S.; CARVALHO J. A. N.; ANDRADE, J. R.; ALCÂNTRA C. M.; SCHMALZ, R. C.; MELLO J. D. B. Consolidação de Um Novo Produto: P410d Para Usinas Sucroalcooleiras. Núcleo Inox. n. 30 p FARIA, G. L.; ALVES, J. O.; GODEFROID, L. B.; Chapas expandidas em aço inoxidável ferrítico. Revista do Aço. v.9. p SOARES, H. G; FARIA, G. L; GODEFROID, L. B; MOREIRA, P. S; ALVES, J. O. Caracterização Estrutural e Mecânica de Chapas Expandidas Confeccionadas a Partir de Aços Ferríticos. In: 69 Congresso Internacional da ABM, 2014, São Paulo. 69 Congresso da ABM. São Paulo: ABM, v CARBÓ, H. M. Aço Inoxidável Desenvolvimento e Aplicação. ACESITA, CARBÓ, H. M. Aços Inoxidáveis: Aplicações e Especificações. ARCELORMITTAL INOX, Carvalho, J. A. N. Aços Inox - Características e propriedades de uso. Seminário Inox ACESITA. 7 BELEJCHAK, P. Machining Stainless Steel, Advanced Materials & Process. v GENTIL, V. Corrosão. Livros Técnicos e Científicos, Rio de Janeiro, 5ºed. 360p STRUCTURAL AND MECHANICAL CHARACTERIZATION OF EXTENDED SHEETS MANUFACTURED OF ABNT1010, AISI304A AND AISI439 STEELS ABSTRACT The sugar and ethanol production related to these products consummation growth made the sugarcane industry one of the most important in the Brazil economy System. Nowadays, in this kind of industry, the most part of sheets applied to the machine manufacture are made of carbon steel. However, these machines have been under continuously corrosion and wear action and their substitution are necessary in each off season. A potential alternative is the replacement of carbon steel by stainless steel sheets. In this work, sheets made of ABNT1010, AISI 439 and AISI304A steels were structural and mechanical characterized. The structural characterization was performed with optical and scanning electron microcopies. Representative specimens were tested in tensile, bending and hardness tests. The obtained results showed that expanded sheets manufactured of AISI304A steel have the highest mechanical strength. The bending tests showed that stainless steel sheets have the highest yield strength. However they presented cracks during their plastic strain. It was possible to conclude that ABNT1010 sheets, with the highest thickness, presented the worst mechanical behavior compared to the stainless sheets. 5363

10 Key-words: Extended Sheets, Stainless Steels, Mechanical Tests. 5364