INFLUÊNCIA DA ENERGIA DE IMPACTO NA ENERGIA ABSORVIDA EM ENSAIO CHARPY DE AÇOS COM ESTRUTURA FERRITA-MARTENSITA.

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1 INFLUÊNCIA DA ENERGIA DE IMPACTO NA ENERGIA ABSORVIDA EM ENSAIO CHARPY DE AÇOS COM ESTRUTURA FERRITA-MARTENSITA. MAGNABOSCO, R. 1 BERGAMO, M. G. V. 2 RESUMO O presente trabalho teve como objetivo avaliar a influência da energia de impacto na energia absorvida em ensaios Charpy de aços com estrutura bifásica ferrita-martensita, considerados de alta resistência e baixa liga (ARBL). Para tanto, levantou-se a energia absorvida no ensaio de impacto Charpy do tipo A, utilizando corpos-de-prova de espessura reduzida (2,5 mm) em três diferentes temperaturas (22 C - no patamar de fratura dúctil, -114 C - próximo a temperatura de transição deste aço e -196 C - na região de fratura frágil por clivagem, temperaturas estas determinadas em trabalho prévio de um dos autores) utilizando-se energias iniciais de pêndulo de 300J e 150J, buscando verificar a reprodutibilidade de resultados no ensaio Charpy em função das variáveis de ensaio. Pode-se concluir que existe grande dispersão de resultados no ensaio de impacto Charpy com corpos-de-prova reduzidos, atingindo o desvio-padrão valores de até 20% com relação aos valores médios encontrados nos ensaios; no entanto, os desvios-padrão encontrados são inerentes à técnica de ensaio, não podendo ser relacionados à microestrutura do material em questão. ABSTRACT This work studied the impact energy influence in Charpy absorbed energy results found in dual-phase (ferrite-martensite) high strength low alloy steel. Using 300 J and 150 J of impact energy, the absorbed energy of 2.5 mm thick specimens was measured in three different temperatures (22 C or the upper shelf energy, -196 C or the lower shelf energy where cleavage fracture occurs and 114 C next to the ductile-to-brittle transition temperature, as a previous work from one of the authors have shown). It was concluded that there is large results dispersion (20% from the mean value), but it was only related to the technique used, and can not be related to the dual-phase steel microstruture. PALAVRAS-CHAVE: aços bifásicos; ensaio Charpy; ensaios mecânicos. 1 Mestre em engenharia, EPUSP/1996 Doutorando em engenharia, EPUSP/2000, Professor do Departamento de mecânica da FEI LabMat/FEI - São Bernardo do Campo - SP BRASIL - rodrmagn@cci.fei.br. 2 Aluno de graduação do curso de engenharia mecânica da FEI Bolsista PBIC/FCA. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 36601

2 INTRODUÇÃO A categoria de aços bifásicos ferrita-martensita de alta resistência e baixa liga (ARBL) apresenta microestrutura constituída por 80 a 90% de ferrita poligonal, e 10 a 20% de ilhas de martensita dispersas na matriz ferrítica, obtidas durante austenitização na zona intercrítica (campo de estabilidade de ferrita e austenita no diagrama de fases Fe-C), seguida de resfriamento rápido para transformação da austenita previamente formada em martensita [1]. Da predominância na microestrutura destas fases advém o termo bifásico; contudo, pequenas quantidades de outras fases ou microconstituintes (como bainita, austenita retida e perlita) podem estar presentes [2, 3]. O limite de resistência destes materiais, via de regra, atinge valores de 690 MPa, e o limite de escoamento típico é de 310 a 345 MPa. Por apresentarem baixo limite de escoamento e ainda comportamento contínuo no escoamento, podem ser conformados como os aços de baixa resistência; contudo, as peças produzidas apresentam elevada resistência mecânica devido ao seu elevado coeficiente de encruamento. Além disso, apresentam um alongamento total superior a qualquer outro aço ARBL de resistência similar [2], além de alongamento uniforme superior a 18% [3], possuindo portanto altos valores também de tenacidade. Os aços bifásicos tem na indústria automobilística seu maior potencial de uso, como reportam VLAD et alli [4] ; tal tendência de fato se concretizou, particularmente na fabricação de rodas estampadas [2,4-7]. Deve-se salientar no entanto que a formabilidade dos aços bifásicos não se manifesta apenas nos valores de alongamento obtidos nos ensaios de tração: o índice de anisotropia normal (r m ) e o coeficiente de encruamento (n) destes materiais demonstram a vocação destes materiais para a estampagem. O índice de anisotropia normal (variando de 1 a 1,4) demonstra a resistência à redução de espessura apresentada por estes materiais, enquanto que o alto coeficiente de encruamento (com valores de até 0,21) indica a capacidade de distribuição uniforme da deformação nas peças produzidas deste material [8]. No trabalho anteriormente citado [4], curvas limite de conformação (CLC ou FLC, formability limiting curves ) de aço bifásico e outro ARBL de mesma resistência são comparadas, e constata-se a melhor formabilidade dos aços bifásicos, já que as deformações necessárias para a ocorrência de ruptura nestes são maiores que as observadas no aço ARBL em questão. Em trabalho desenvolvido no LabMat/FEI [9], obteve-se para aço bifásico (0,11% C, 21% de fração volumétrica de austenita, limite de escoamento de 400 MPa, limite de resistência 700 MPa, alongamento total em 50 mm 22% - valores médios) índice de anisotropia normal médio variando entre 1,0 e 1,4, confirmando trabalhos anteriores, e índice de anisotropia planar igual a 0,18. A tenacidade do mesmo aço baixo-carbono com estrutura bifásica aqui em estudo CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 36602

3 também foi objeto de pesquisas anteriores no LabMat/FEI [10], indicando temperatura de transição dúctil-frágil (TTDF) em torno de 110 C, e energia absorvida no ensaio Charpy com corpos-de-prova de espessura reduzida (2,5 mm) de 20 J no patamar superior, 1 J no patamar inferior, e 10,5 J na região da TTDF. Sun et alli [11] estudaram o efeito das ilhas de martensita no fechamento de trincas de fadiga de alto ciclo se propagando na matriz ferrítica de aços bifásicos. O estudo mostrou que o fenômeno de fechamento torna-se mais intenso à medida que aumenta a fração volumétrica de martensita. Tal fato se deve à resistência oferecida pelas ilhas de martensita à propagação de trincas, levando a constantes desvios na direção de propagação destas; esta propagação em zigue-zague provoca o efeito de fechamento de trincas, aumentando a vida sob fadiga. Este efeito benéfico, no entanto, não se observa nos casos de fadiga de baixo ciclo, onde o aumento da fração volumétrica de martensita causa a diminuição da vida do material [20]. Com o intuito de avaliar a influência da energia de impacto na energia absorvida em ensaios Charpy de aço com estrutura bifásica ferrita-martensita levantou-se a energia absorvida no ensaio de impacto Charpy do tipo A, utilizando corpos-de-prova de espessura reduzida (2,5 mm) em três diferentes temperaturas (22 C - no patamar de fratura dúctil, -114 C - próximo a temperatura de transição deste aço e -196 C - na região de fratura frágil por clivagem, temperaturas estas determinadas em trabalho prévio de um dos autores [10] ) utilizando-se energias iniciais de pêndulo de 300J e 150J, buscando verificar a reprodutibilidade de resultados no ensaio Charpy em função das variáveis de ensaio. MATERIAIS E MÉTODOS Corpos-de-prova impacto de aço ARBL de procedência nacional, cuja composição química encontra-se na Tabela I, foram retirados de chapas orientados paralelamente ao sentido de laminação das chapas. Análise metalográfica do material após ataque com Nital 2% indica a presença de ferrita poligonal e ilhas de martensita (Figura 1), e estudo de estereologia quantitativa assistido pelo sistema QW500 Leica mostra 21% de fração volumétrica de martensita. A mesma análise, conduzida sob superfície polida, indica a presença de 0,32% de inclusões, distribuídas entre óxido-globular e sulfeto (Figura 2). Ensaios de impacto Charpy do tipo A foram conduzidos, nos corpos-de-prova de espessura reduzida (2,55±0,03 mm, com desvio do centro do entalhe com relação ao centro do corpo-deprova inferior a 0,35 mm, num valor médio de posição do entalhe de 27,58 mm), com o intuito de se caracterizar os patamares de fratura dúctil (a 20 C), fratura frágil por clivagem (a -196 C) e transição dúctil-frágil (a -110 C). Foram realizados, em cada temperatura, vinte CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 36603

4 ensaios, sendo dez deles com energia inicial do pêndulo 300 J e os dez restantes com 150 J de energia inicial, visando verificar como as variáveis de ensaio Charpy afetam os resultados obtidos. Tabela I: composição química do material em estudo. Elemento (%) C Si Mn Al P S 0,11 0,30 1,11 0,038 0,017 0,014 Figura 1: microestrutura do material em estudo. Ferrita (clara) e martensita (escura). Ataque: Nital 2%. Figura 2: inclusões do material em estudo, do tipo óxido globular e sulfeto (alongadas). Superfície sem ataque. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 36604

5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS E DISCUSSÃO Os resultados do ensaio de impacto Charpy do tipo A com corpos-de-prova reduzidos encontram-se resumidos na Tabela II e nas Figuras 3 e 4. Nota-se que os resultados são condizentes com os já obtidos em trabalho anterior [10], indicando que 110 C é uma temperatura próxima a temperatura de transição dúctil-frágil (TTDF) deste aço, uma vez que a energia absorvida nesta temperatura é próxima ao ponto médio entre os patamares superior e inferior de energia. Tabela II: energia absorvida média (x m ) na fratura do aço ARBL em estudo e desvio-padrão (σ) em função da temperatura de ensaio e da energia inicial (Ei) do pêndulo. Temperatura ( C) Energia absorvida (J) e respectivo desvio-padrão para Ei = 150 J Ei = 300 J x m σ x m σ Figura 3: Energia absorvida pelos corpos-de-prova no ensaio Charpy do tipo A em função da temperatura de ensaio e da energia inicial do pêndulo. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 36605

6 Figura 4: quociente entre desvio-padrão e energia absorvida pelos corpos-de-prova no ensaio Charpy do tipo A em função da temperatura de ensaio e da energia inicial do pêndulo. É possível notar também a grande semelhança de resultados entre os ensaios conduzidos com 150J de energia inicial e os de 300J, quando se utilizam corpos-de-prova de espessura reduzida (2,5 mm), uma vez que os valores médios de energia em qualquer temperatura, em ambos os casos, tem valores equivalentes (Figura 3). No entanto, é interessante notar a grande dispersão de resultados, mostrada pela relação entre o desvio-padrão dos ensaios e seus respectivos valores médios (Figura 4): o desvio-padrão, como no caso dos ensaios conduzidos a 110 C e 300 J de energia inicial, chega a valer 20% do valor médio, indicando o grande intervalo de medidas em dez ensaios, como aqui mostrados. Não é possível, contudo, relacionar a grande variação nos valores encontrados durante os ensaios Charpy com as variações dimensionais dos corpos-de-prova, avaliados pelo desviopadrão da espessura (0,03 mm em 2,55 mm de espessura média, ou desvio de 1,2%) e do centro do entalhe (0,35 mm em 27,58 mm, ou desvio de 1,3%), uma vez que os desvios encontrados nas dimensões são muito menores que os encontrados nos ensaios. Além disso, em alguns ensaios (por exemplo nos conduzidos a 196 C com energia inicial de 300 J e nos CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 36606

7 conduzidos a 22 C com energia inicial de 150J) o desvio do valor médio não atinge 11%: se a variação dimensional afetasse o resultado do ensaio, o erro estaria presente em todas as amostras, e não em casos particulares como os que ocorrem. Do mesmo modo, pode-se afirmar que a energia inicial do pêndulo, em ensaios com corposde-prova de 2,5 mm de espessura, não afeta o erro da medida do valor médio da energia absorvida (Figuras 3 e 4). Como as amostras apresentam estrutura refinada e homogênea (Figura 1), com baixa fração volumétrica de inclusões (0,32 %) finamente dispersas na matriz metálica, também é possível afirmar que as variações nos resultados de impacto são decorrência da própria técnica, e não de heterogeneidades microestruturais, praticamente ausentes neste material. CONCLUSÕES O estudo aqui apresentado permite concluir que: Existe grande dispersão de resultados nos resultados de impacto Charpy com corpos-deprova reduzidos, atingindo o desvio-padrão valores de até 20% com relação aos valores médios encontrados nos ensaios. Os desvios-padrão encontrados são inerentes à técnica de ensaio de impacto Charpy, não podendo ser relacionados à microestrutura do material em questão. AGRADECIMENTOS A Fundação de Ciências Aplicadas, pelo suporte financeiro a este trabalho, e à equipe de técnicos do LabMat/FEI, Antonio M. Miron, Hamilton O. Silva, Marcos O. Gentil, Romildo de Freitas e Sandro A. A. Gimenez, pelo apoio nas atividades experimentais realizadas. BIBLIOGRAFIA 1. High-strength structural and high-strength low-alloy steels. IN: METALS Handbook 10. ed. Metals Park : ASM, v. 1: Properties and selection: irons, steels and highperformance alloys p SPEICH, G. R. Dual-phase steels. IN: METALS Handbook 10. ed. Metals Park : ASM, v. 1: Properties and selection: irons, steels and high-performance alloys p SPEICH, G. R. Physical metallurgy of dual-phase steels. IN: KOT, R. A. BRAMFITT, B. L. (ed) Fundamentals of dual-phase steels. Proceedings, AIME/ASM 1981 p CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 36607

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