EVOLUÇÃO MICROESTRUTURAL DURANTE PROCESSAMENTO TERMOMECÂNICO DE UM AÇO PERLÍTICO PARA FABRICAÇÃO DE FIO- MÁQUINA

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1 EVOLUÇÃO MICROESTRUTURAL DURANTE PROCESSAMENTO TERMOMECÂNICO DE UM AÇO PERLÍTICO PARA FABRICAÇÃO DE FIO- MÁQUINA A. C. R. Duarte 1, R. P. Siqueira 2, F. R. F. da Silva 3, M. Fontana 4, R. S. Mendes 5, J. F. C. Lins 6 anacarolinaribeiroduarte@hotmail.com Programa de Pós Graduação em Engenharia Metalúrgica Universidade Federal Fluminense, Volta Redonda RJ. RESUMO Este trabalho teve por objetivo avaliar sistematicamente as etapas do processamento termomecânico de um aço SAE 1070 comercial. O aço foi trefilado a seco por 12 passes consecutivos com reduções médias entre 15 e 21%. A deformação verdadeira acumulada ao final do 12º passe foi de 2,52. Em seguida o material foi recozido a 1000ºC por 5,10, 15, 20,25, 30,45, 60, 90 e 120 min. A caracterização microestrutural foi realizada com o auxílio da técnica de microscopia eletrônica de varredura e microscopia de força atômica. O material teve ainda seu comportamento mecânico avaliado por meio de ensaio de dureza Vickers. Os fios de aço apresentaram a estrutura curling após o processo de trefilação. Essa estrutura foi substituída por uma estrutura refinada quando o material foi submetido ao recozimento. O ensaio de dureza mostrou que, para restaurar as propriedades mecânicas do material, um recozimento entre 20 e 30 min seria suficiente. Palavras-chave: Trefilação, Aço SAE 1070, Recozimento, Caracterização Microestrutural. 1 INTRODUÇÃO A maioria dos produtos trefilados tem aplicação para produtos de baixo valor de mercado como o caso de arames, parafusos e telas, entretanto, existem aqueles que possuem maior valor agregado como é o caso do fio-máquina para aplicação em pneus. Este fato justifica o estudo dessa aplicação do processo de trefilação pois devido ao seu elevado valor comercial é necessário que o processo ocorra de forma a minimizar os defeitos de fabricação. O material utilizado na fabricação de fio-máquina, em grande parte dos casos, é o aço alto carbono com estrutura perlítica, pois apresenta elevada resistência ao desgaste e boa ductilidade, propriedades mecânicas que favorecem esse processo de conformação [2]. Essa característica pode ser atribuída à morfologia do composto lamelar ferrita-cementida onde o constituinte com elevada dureza é incorporado no constituinte dúctil [3]. Recentemente, muito esforço tem sido feito para melhorar a resistência à tração de fios de aço alto carbono, com um valor experimental máximo de 5.7 GPa 4643

2 [4]. Entretanto, muitos aspectos relacionados às propriedades dos fios de aço alto carbono ainda não estão claros, tais como, as alterações na microestrutura resultantes da trefilação, as propriedades de endurecimento características de aços perlíticos e o mecanismo de ocorrência de delaminação [5]. Neste trabalho, a evolução microestrutural deste aço durante um tratamento termomecânico será o objeto de estudo principal, sendo assim avaliado em detalhe. Este trabalho teve por objetivo avaliar sistematicamente as etapas do processamento termomecânico de um aço SAE 1070 comercial, analisando os efeitos da deformação plástica sofrida durante o processo de trefilação e acompanhando o processo de recristalização e recuperação ao longo do recozimento com o auxílio de técnicas de caracterização microestrutural. Para este propósito, as técnicas de microscopia eletrônica de varredura, microscopia de força atomica e microscopia óptica serão utilizadas para caracterizar o aço SAE O material terá ainda seu comportamento mecânico avaliado por meio de ensaio de dureza Vickers. 2 MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 O Material As amostras que foram utilizadas neste trabalho são provenientes de um material comercial fornecido por uma empresa. As amostras são do aço SAE 1070 sob a forma de fios de espessura que variam de 5,50 a 1,55 mm. O material de partida são fios com 5,50 mm de diâmetro que foram produzidos por meio de laminação a quente com resfriamento contínuo. As amostras do material trefilado foram fornecidas segundo as características apresentadas no item Tabela 1: Composição química do aço SAE 1070 (teores expressos em % em peso). S C Mn P Si Al Cr Cu Ni Mo N 0,010 0,712 0,489 0,007 0,225 0,003 0,016 0,009 0,006 0,005 0, Métodos Processamento Termomecânico As amostras de fios do aço SAE 1070 de espessura de 5,50 mm e foram trefiladas em 12 passes para atingir o diâmetro de 1,55 mm. A taxa de redução média variou de 15 a 22% por passe e a deformação verdadeira acumulada é de 2,52. Após o processo de trefilação, as amostras do aço foram recozidas em um forno tubular a 1000ºC durante os seguintes tempos: 5, 10, 15, 20, 25, 30, 45, 60, 90 e 120 minutos sem atmosfera e taxa de resfriamento controladas Caracterização Microestrutural As amostras foram embutidas em resina fenólica. Em seguida passaram pelas etapas de lixamento com as lixas de carbeto de silício de 320, 400, 600, 1000 e O polimento foi realizado com pasta de diamante com granulometria de 6, 3 e 1 µm. Para o polimento final a solução de Sílica Coloidal diluída em água foi utilizada. A microestrutura foi revelada através do ataque químico feito com a 4644

3 solução de Nital 1%. As amostram foram então, observadas no microscópio eletrônico de varredura EVO MA10 da Zeiss e no microscópio de força atômica EasyCan 2 Flex AFM. O espaçamento interlamelar e a espessura das lamelas de cementita foram medidos através do software Gwyddion 2.3 de análise de imagem Ensaios Mecânicos Para avaliação do comportamento mecânico do material, foi realizado o ensaio de dureza Vickers em um microdurômetro da Shimadzu modelo HVM-2T com a carga de 300gf durante 30s. 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1 Evolução Microestrutural O processamento termomecânico sofrido pelos fios de aço SAE 1070 altera consideravelmente sua microestrutura. A Figura1 apresenta o material nos três estágios desse processamento. A B C D Figura1: MEV. Aço SAE (A) Condição inicial seção transversal, (B) Trefilado com deformação de 2.52, seção longitudinal (C) Trefilado com deformação de 2.52, seção transversal, (D) Recozido a 1000ºC durante 5 min, seção transversal. O material na condição inicial ilustrado na Figura 1a apresenta a microestrutura predominantemente perlítica com a presença de ferrita pró-eutetóide. Essas características são compatíveis com o processo de laminação à quente ao qual o material foi submetido. Nota-se também, que as colônias apresentam 4645

4 diferentes orientações macroscópicas [80]. A estrutura perlítica quando deformada, não apresenta as mesmas características microestruturais nas seções longitudinal e transversal. Esse comportamento anisotrópico pode ser observado na Figura 1b e 1c. Na seção longitudinal as lamelas de cementita que inicialmente possuíam orientação aleatória tornaram-se progressivamente alinhadas com direção de trefilação à medida que a deformação foi aumentando. O grau de reorientação das lamelas de cementita depende do ângulo inicial entre a direção de trefilação e as lamelas, quanto maior o ângulo, maior a reorientação e as alterações microestruturais [83]. Na seção transversal é possível observar, que há a formação de uma estrutura comumente denominada de curling devido à fratura das lamelas de cementita e a torção das lamelas de ferrita [80,83]. A fragmentação da cementita durante a deformação é resultado da interação entre as discordâncias e os átomos de carbono [8]. A aparente contradição entre as duas seções é atribuída à diferença de deformação das colônias de perlita com orientações espaciais distintas e as deformações localizadas [6]. A Figura 1d apresenta o material recozido durante 5 min, é possível observar que a estrutura curling apresentada pelo material deformado, já não está mais presente. Isto indica que a transformação de fase e os fenômenos de restauração que atuam durante o recozimento são capazes de alterar consideravelmente a microestrutura do material logo nos primeiros minutos do tratamento térmico. A imagem também permite a visualização de grãos novos em virtude do fenômeno da recristalização. De acordo com o estudo de Storojeva [101], um aço perlítico submetido a elevada taxa de deformação, quando é recozido, o fenômeno da recuperação é dominante, consumindo maior parte da energia armazenada sob a forma de defeitos, reduzindo desta forma o potencial para nucleação e crescimento de novos grãos. 3.2 Recozimento O recozimento com diferentes durações permitiu identificar a presença de duas morfologias de ferrita, a ferrita de Widmanstatten secundária e a alotriomórfica. A Figura 2 apresenta essas duas morfologias. A B Figura 2: MEV. Seção transversal do aço SAE. (A) Ferrita alotriomórfica, recozimento a 1000ºC durante 45 min. (B) Ferrita de Widmanstatten secundária, recozimento a 1000ºC durante 30 min. 4646

5 A ferrita alotriomórfica foi observada com mais frequência no centro do fio enquanto que, a ferrita de Widmanstatten secundária aparece predominantemente na extremidade. Isso ocorre devido à diferença da taxa de resfriamento ao longo do diâmetro do fio. A ferrita alotriomórfica se forma sob taxas de resfriamento mais lentas, a temperaturas abaixo do ponto de equilíbrio entre os campos austenítico e austenítico + ferrítico. Já a ferrita de Widmanstatten tem sua formação favorecida por taxas de resfriamento elevadas, a temperaturas próximas deste ponto de equilíbrio [115]. A Figura 2b permite observar o crescimento da ferrita de Widmanstatten a partir da ferrita alotriomórfica, nota-se que a presença de agulhas e placas não é uniforme ao longo da extensão da ferrita alotriomórfica, assim como sua morfologia. Segundo Ohmori [116], as agulhas com espessura maior são formadas nos primeiros estágios da transformação de fase, enquanto que as mais finas são formadas no final, uma vez que o processo de formação dessas agulhas envolve difusão. O espaçamento interlamelar que representa a distância entre lamelas de cementitas adjacentes [118] e a espessura média das lamelas de cementita, são dois parâmetros amplamente utilizados para correlacionar a microestrutura do material com as propriedades mecânicas e com etapas de deformação e tratamento térmico. Figura 3: MFA. Seção Transversal do aço SAE Material de partida (A). Recozido a 1000 ºC por: 20 min (B), 30 min (C) e 45 min (D). Gráfico da Média da Espessura das Lamelas de Cementita e do Espaçamento Interlamelar para o aço SAE 1070 na condição inicial (MP) e para diversos tempos de recozimento. O gráfico da Figura 3 permite acompanhar a tendência de redução de ambos os parâmetros conforme visualizado nas micrografias. Segundo o trabalho de Wu [119], o espaçamento interlamelar de um aço perlítico recozido e em seguida resfriado, é inversamente proporcional à taxa de resfriamento. A redução do espaçamento interlamelar com o aumento da taxa de resfriamento ocorre em virtude da redução de tempo que o material tem para se transformar de austenita para 4647

6 perlita + ferrita através do mecanismo de difusão, desta forma, o rápido resfriamento a que as amostras foram submetidas é responsável pelo refinamento da microestrutura. A tendência de redução da espessura das lamelas com o aumento do tempo de recozimento também pode ser atribuída a descarbonetação sofrida durante o recozimento, uma vez que o crescimento das lamelas de perlita é controlado pelo volume de carbono que difunde da austenita para a perlita como mostra o estudo em [120]. 3.3 Propriedades Mecânicas O gráfico Dureza x Tempo de Recozimento da Figura 4 permite observar que a dureza diminui drasticamente logo no início do tratamento térmico e a tendência de queda se mantém até os tempos de recozimento mais prolongados, entretanto observa-se que há uma tendência de estabilidade entre os tempos de 90 e 120 min. A dureza do material de partida ilustrada no gráfico, indica que a dureza do aço após a trefilação só foi restaurada com um tempo de recozimento entre 20 e 25 min. Estudos mostram que o material deformado é mais sensível ao amolecimento durante o recozimento comparado com materiais não deformados [121]. Esse fato ocorre, pois a redução gradativa da dureza em função do tempo de recozimento está relacionada diretamente com os fenômenos de que ocorrem durante a recuperação. O rearranjo e a aniquilação das discordâncias presentes na fase ferrita são os principais mecanismos que promovem esse amolecimento. As condições do recozimento estabelecidas neste trabalho promoveram o refinamento da microestrutura acompanhado pela redução da dureza, o gráfico da Figura 4b ilustra este comportamento. Foram plotados os valores de dureza em função do espaçamento interlamelar para os seguintes tempos de recozimento: 5, 10, 15, 20, 25, 30, 45 e 60 min. Observa-se uma tendência linear entre a dureza e a raiz quadrada inversa do espaçamento interlamelar, desta forma o material se enquadra na relação de Hall-Petch. Segundo Maalekian [16] e seus colaboradores, as propriedades mecânicas de um aço perlítico podem ser relacionadas com diversos parâmetros microestruturais, entretanto o espaçamento interlamelar é o mais efetivo. A B Figura4: (A) Gráficos da dureza fios de aço SAE 1070 em relação ao tempo de recozimento. (B) Gráfico da dureza Vickers em função da raiz quadrada inversa do espaçamento interlamelar. 4648

7 CONCLUSÕES A caracterização microestrutural permitiu avaliar as alterações na microestrutura durante as etapas do processamento. Foi observado uma anisotropia entre as seções longitudinal e transversal do material deformado. O recozimento promoveu a restauração da microestrutura logo nos primeiros minutos. As ferritas de Widmanstatten secundária e alotriomorfica foram observadas no material e sua presença é controlada pela taxa de resfriamento. O ensaio de dureza mostrou que, para restaurar as propriedades mecânicas do material, um recozimento entre 20 e 30 min seria suficiente. A relação entre a dureza e o espaçamento interlamelar se adequa a relação de Hall-Petch. AGRADECIMENTOS À Capes e ao CNPQ pelo auxílio financeiro concedido. REFERÊNCIAS [1] DOUGHERTY, J.D. et al. Fatigue Crack Propagation and Closure Behavior of Modified 1070 Steel: Experimental Results. Engineering Fracture Mechanics. p , [2] LAMPMAN, S. Materials selection and design. ASM International, v.20, [3] OCHIAI, M., NISHIDA, S., OHBA, H., KAWATA, H., Application of hypereutectoid steel for development of high strength steel wire. Tetsu-to-Hagane; p , 1993 [4] TARUI T., MORUYAMA N., TAKAHASHI J., NISHIDA S., TASHIRO H. Microstructure control and strengthening of high-carbon steel wires. Nippon Steel Tech Rep p.56 61, [5] ZHANG, X. et al. Hierarchical structures in cold-drawn pearlitic steel wire. Acta Materialia, v.61, pp , [6] ZHANG, X. et al. Microstructure and strengthening mechanisms in cold-drawn pearlite steel wire. Acta Materialia, v.59, pp , [7] LANGUILLAUME, J., et al, Evolution of the tensile strength in heavily cold drawn and annealed pearlitic steel wires, Materials Letters, v. 33, pp , [8] LANGFORD, G. Deformation of pearlite. Metallurgical Transactions A, v. 8, n. 6, p , [9] STOROJEVA, L. et al. Development of microstructure and texture of medium carbon steel during heavy warm deformation. Acta Materialia, v.52, p , [10] FERRACINI, E. G. Formação de Grãos Ferríticos Ultrafinos através de Transformação de Fase Induzida por Deformação p. ( Dissertação de Mestrado em Engenharia de Materiais) Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, SP. [11] OHMORI, Y. et al. Morphology of Bainite and Widmanstatten Ferrite. Metallurgical and Materials Transactions A, v.25a, p ,

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