PRECIPITAÇÃO DE CARBONITRETOS EM AÇO MICROLIGADO COM ELEVADO TEOR DE TITÂNIO. Sandro da Silva Campos e Hans-Jürgen Kestenbach

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1 PRECIPITAÇÃO DE CARBONITRETOS EM AÇO MICROLIGADO COM ELEVADO TEOR DE TITÂNIO Sandro da Silva Campos e Hans-Jürgen Kestenbach Universidade Federal de São Carlos Departamento de Engenharia de Materiais Via Washington Luís, km 235 Caixa Postal 676, São Carlos SP CEP pssc@iris.ufscar.br Resumo A técnica de microscopia eletrônica de transmissão (MET) foi empregada para caracterizar a precipitação fina de carbonitretos em um aço microligado com elevado teor de titânio e processamento industrial de laminação para tiras a quente. Os resultados mostraram extensa formação de carbonitretos na austenita durante a laminação de acabamento e precipitação interfásica em alguns dos grãos analisados. Não foram encontradas novas partículas que poderiam ter nucleado na ferrita durante o bobinamento e o resfriamento lento da bobina. Ensaios mecânicos de tração e equações empíricas que relacionam a microestrutura de grãos, a composição química e a subestrutura de discordâncias com as propriedades mecânicas foram utilizadas para determinar a contribuição total de endurecimento por precipitação oferecida pelos carbonitretos ao limite de escoamento do aço. Neste caso, o valor de 185 MPa encontrado foi atribuído à precipitação na austenita durante os últimos estágios da laminação a quente e à precipitação interfásica. Palavras-chave: Aços microligados, Tiras a quente, Precipitação de carbonitretos, Endurecimento por precipitação. CARBONITRIDE PRECIPITATION IN A HIGH TITANIUM MICROALLOYED HOT STRIP STEEL Abstract Transmission electron microscopy (TEM) was used to characterize of fine carbonitride precipitation in a high titanium microalloyed hot strip steel. The results showed extensive precipitation in austenite during finish rolling and interphase precipitation was observed in some areas. No carbonitrides particles were found which could have nucleated in ferrite during the industrial coiling operation and slow cooling of coil. Tensile tests and wellestablished structure-property relationships were used to determine the precipitation hardening contribution of carbonitrides in the yield strength of steel. In this case, the 185 MPa encountered value was attributed to the austenite carbonitrides precipitation during finish rolling and to the interphase carbonitrides precipitation during austenite-to-ferrite transformation. Key words: Microalloyed steels, Hot strip rolling, Carbonitride precipitation, Precipitation hardening. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 28601

2 1 INTRODUÇÃO Durante o processamento termomecânico dos aços microligados, carbonitretos finos (tamanho < 10 nm) podem se formar na austenita no decorrer da laminação a quente, sobre a interface de transformação γ α (precipitação interfásica) e/ou na ferrita durante o resfriamento final do aço. Após o primeiro grande congresso internacional sobre o assunto, em 1975 (Microalloying 75), ficou praticamente estabelecido na literatura que estes modos de precipitação agem de maneira diferente sobre os principais mecanismos que controlam as propriedades mecânicas: a precipitação na austenita seria responsável pelo refino de grão ferrítico, enquanto que a precipitação na ferrita, pelo mecanismo de endurecimento por precipitação, especialmente no caso de aços com elevados teores Ti [1] e processamento de laminação para tiras a quente [2]. Devido ao tamanho muito pequeno e à baixa fração volumétrica dos carbonitretos, a observação direta de sua distribuição na matriz é bastante trabalhosa, exigindo o emprego de técnicas especiais por microscopia eletrônica de transmissão (MET) [3]. Por este motivo, boa parte das conclusões mais aceitas a respeito do assunto foram obtidas de maneira indireta, através de experimentos que envolviam tratamentos térmicos e ensaios mecânicos [2,4,5,6]. Apesar da importância atribuída à precipitação na ferrita, no entanto, não existe na literatura nenhum exemplo convincente que mostre a sua presença em aços processados termomecanicamente. Além disso, alguns estudos recentes realizados no MET indicaram a precipitação na austenita [7-11] e a precipitação interfásica [9-11] como possíveis fontes adicionais de endurecimento nestes aços. No presente trabalho, a técnica de microscopia eletrônica de transmissão (MET) foi empregada para observar e identificar a origem de carbonitretos finos encontrados num aço microligado comercial com elevado teor de Ti e processamento de laminação para tiras a quente. Do ponto de vista científico, os resultados podem conduzir a conclusões mais realísticas a respeito do verdadeiro papel da precipitação na austenita, na interface e na ferrita sobre o mecanismo de endurecimento por precipitação. 2 MATERIAIS E MÉTODOS O material investigado neste trabalho foi um aço microligado com elevado teor de Ti, extraído da região mais interna de uma bobina processada em regime industrial de laminação para tiras a quente. A composição química do aço e os principais parâmetros de CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 28602

3 processamento termomecânico empregados podem ser vistos nas Tabelas I e II, respectivamente. Tabela I - Composição química, % em peso. C Mn Si P S Al Nb Ti 0,11 1,54 0,28 0,026 0,007 0,01 0,04 0,10 Tabela II - Principais parâmetros de processamento termomecânico. T reaquecimento T início acabamento T final acabamento T bobinamento o C o C o C o C Espessura final, mm Taxa de resfriamento após a laminação a quente: 10 o C/s. Técnicas convencionais de preparação de amostras e métodos computacionais padrão foram empregados para observar e quantificar, via microscopia ótica, a microestrutura de grãos. Todas as outras análises - observação e identificação dos carbonitretos finos e determinação da densidade de discordâncias - foram realizadas no MET, a partir de lâminas finas preparadas por polimento eletrolítico (soluções 5 % de ácido perclórico em ácido acético glacial e acético-cromo, resfriadas até 10 o C). A tensão de aceleração empregada foi sempre 120 kv e para obtenção das condições adequadas de visibilidade dos carbonitretos foi utilizado um porta amostras especial que permite inclinação dupla ( double tilt ). A medida da densidade de discordâncias exige o conhecimento da espessura da amostra [12] que, neste caso, foi determinada através da contagem do número de franjas de espessura em contornos de grão [13]. Ensaios mecânicos de tração foram realizados em corpos de prova extraídos da direção transversal da chapa laminada (direção perpendicular à de laminação), com o objetivo de determinar a resistência mecânica final da bobina. 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO A figura 1 apresenta a microestrutura do aço após o processamento termomecânico. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 28603

4 20 µm Figura 1 Microestrutura do aço após o bobinamento industrial. Microscopia ótica, seção longitudinal, 500 X. Neste caso, pode-se observar claramente que ela foi constituída por grãos ferríticos poligonais heterogêneos, de tamanho médio 4,15 µm, e por uma pequena quantidade de perlita lamelar, com fração volumétrica em torno de 5 %. As figuras 2 e 3 mostram carbonitretos finos que se formaram no aço durante e após o processamento termomecânico. Figura 2 Carbonitretos finos nucleados em cima dos contornos de subgrão da austenita durante a laminação a quente. MET, campo escuro, X. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 28604

5 Figura 3 Distribuição característica de carbonitretos (fileiras paralelas) mostrando a precipitação interfásica. MET, campo claro, X Na figura 2, a origem das partículas foi determinada por difração de elétrons em área selecionada, comparando-se o relacionamento cristalográfico entre os carbonitretos e a matriz ferrítica [3]. Neste caso, o relacionamento aleatório mostrou que a precipitação ocorreu na austenita. Além disso, a distribuição das partículas indica nucleação em cima dos contornos de subgrão da austenita deformada e poligonizada, durante os últimos estágios da laminação a quente (acabamento) [14]. É interessante observar ainda que estes carbonitretos, com tamanho entre 4 e 10 nm, estiveram presentes em todos os grãos analisados, sugerindo, em princípio, que sua contribuição ao mecanismo de endurecimento por precipitação tenha sido significativa. A figura 3, por outro lado, apresenta um exemplo de carbonitretos que se formaram durante a transformação γ α (precipitação interfásica), após a laminação a quente. Neste caso, as partículas apareceram em sua distribuição mais característica: como fileiras paralelas e bem definidas de carbonitretos [15,16]. Foram medidos também alguns parâmetros quantitativos importantes desta distribuição, como o tamanho das partículas e a distância entre as fileiras de precipitados, cujos valores médios alcançaram 4,0 nm e 20 nm, CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 28605

6 respectivamente. Comparando-se estes valores com outros resultados publicados na literatura para aços experimentais [17], poder-se-ia concluir, em princípio, que a contribuição da precipitação interfásica ao limite de escoamento do aço foi extremamente alta, em torno de 600 MPa. Porém, como estas partículas foram encontradas em apenas alguns dos grãos analisados, sua contribuição efetiva certamente foi bem menor do que este valor [10]. Outro parâmetro microestrutural importante obtido através do MET foi a densidade de discordâncias, figura 4, cujo valor médio, calculado à partir de observações em 3 áreas finas diferentes, foi de 4,5 x 10 9 cm -2. Figura 4 Exemplo de uma distribuição típica de discordâncias encontrada no aço após o bobinamento industrial. MET, campo claro, X. Este último resultado pode ser empregado para determinar a contribuição total de endurecimento por precipitação oferecida pelos carbonitretos ao limite de escoamento do aço, σ prec. [7,18]: σ = σ σ σ ( I ) prec real calc disc onde σ real é o limite de escoamento real do aço, σ calc é um limite de escoamento teórico, calculado através de equações empíricas que levam em conta apenas o efeito do tamanho de grão e da composição química e σ dic é a parcela de contribuição oferecida pelas discordâncias. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 28606

7 O limite de escoamento real foi obtido através dos ensaios de tração. Para o cálculo do limite de escoamento teórico foi empregada a equação de Pickering [19], válida para aços com teores de carbono inferiores a 0,2 % em peso: σ [ MPa] = 15,4(3,5 + 2,1%Mn + 5,4%Si + 23%N + 1,13d 2 ) (II) calc f 1 onde %Mn e %Si são as porcentagens em peso de Manganês e Silício, respectivamente, Tabela I, %N f é a porcentagem de nitrogênio livre (considerada desprezível neste caso devido ao elevado teor de Ti e à grande quantidade de carbonitretos eutéticos presentes), e d é o diâmetro médio de grão ferrítico, em milímetros. A contribuição das discordâncias, σ disc, por sua vez, foi determinada através da tradicional equação de Keh [20] que, para aços microligados, pode ser expressa quantitativamente como [10,18]: σ 4 disc 10 [ MPa] = 9,0 ρ (III) onde ρ é a densidade de discordâncias, em cm -2. A Tabela III sumariza os resultados obtidos e mostra uma contribuição de endurecimento por precipitação, σ prec, bem mais alta do que o valor de 100 MPa tradicionalmente encontrado em tiras a quente comerciais. Tabela III Contribuições ao limite de escoamento do aço conforme os diferentes mecanismos de endurecimento, em MPa. σ real (ensaios de tração) σ calc (equação II) σ disc (equação III) σ prec (equação I) Conforme a literatura, este resultado poderia ser justificado por uma maior formação de carbonitretos semicoerentes na ferrita durante o bobinamento e o resfriamento lento da bobina, motivada pela maior quantidade de Ti [1]. Isto aumentaria significativamente o efeito de endurecimento por precipitação [1,2,4,18]. No entanto, tais partículas não foram encontradas no aço em estudo, reforçando argumentos recentes de que a precipitação na ferrita, na verdade, não ocorre em tiras a quente comerciais [7,8]. Neste caso, os únicos CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 28607

8 modos de precipitação observados foram na austenita e na interface, o que permite concluir, em primeiro lugar, que eles foram os verdadeiros responsáveis pelo endurecimento detectado e, em segundo lugar, que um aumento na quantidade de um ou de ambos estes modos de precipitação, promovido por um maior teor de Ti, provocou o maior efeito de endurecimento por precipitação. É interessante destacar finalmente que as respostas para estas questões são de grande importância para se controlar, na prática, as propriedades mecânicas finais de aços microligados processados termomecanicamente. A eficiência da precipitação interfásica, por exemplo, depende grandemente da temperatura de transformação γ α, uma vez que este é o fator que determina o tamanho dos precipitados, a distância entre as fileiras de carbonitretos e, conseqüentemente, a fração volumétrica da distribuição [17]. A temperatura de transformação γ α, por sua vez, diminui com o teor de carbono, manganês, silício e nióbio do aço e com a taxa de resfriamento após a laminação a quente. Por outro lado, a precipitação na austenita depende de uma série de parâmetros que são controlados durante a laminação a quente, como taxa de deformação e temperaturas de início e final de acabamento. Portanto, os resultados apresentados neste trabalho, em essência, qualitativos, são apenas o início de um grandioso projeto que tem como objetivo principal determinar, de maneira quantitativa, os verdadeiros potenciais de endurecimento que podem ser proporcionados pela precipitação na austenita e, principalmente, pela precipitação interfásica, em aços microligados comerciais processados em regime de laminação para tiras a quente. 4 CONCLUSÕES Os resultados de observações diretas no MET da precipitação fina de carbonitretos em um aço microligado com elevado teor de Ti e processamento industrial de laminação para tiras a quente indicaram que: - Não houve precipitação adicional de carbonitretos na ferrita durante o bobinamento e o resfriamento lento da bobina; - O endurecimento por precipitação observado, de aproximadamente 185 MPa, foi provocado pela precipitação na austenita durante os estágios finais da laminação a quente e pela precipitação interfásica; CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 28608

9 - Um aumento no teor de Ti pode provocar um aumento na quantidade de precipitação na austenita e/ou na interface e, consequentemente, uma maior contribuição de endurecimento por precipitação. AGRADECIMENTOS À Cosipa pelo fornecimento do aço microligado e à FAPESP pelo financiamento do projeto (processo n o 99/ ) e pela bolsa de estudos concedida a S. S. Campos (processo n o 98/ ). REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] ABRAHAM, J. K. e VANDER AREND, P. J., em Microalloying 75, Union Carbide Corp., New York, p. 261 (1977). [2] MEYER, L., HEISTERKAMP, F. e MUESCHENBORN, W., em Microalloying 75 Union Carbide Corp., New York, p. 153 (1977). [3] DAVENPORT, A. T., BROSSARD, L. C. e MINER, R. E., Journal of Metals, 27, p.21 (1975). [4] MEYER, L., STRASSBURGER, C. e SCHNEIDER, C., em HSLA Steels: Metallurgy and Applications, American Society for Metals, Metals Park, Ohio, p. 29 (1986). [5] GRAY, J. M. em Heat Treatment 73, The Metals Society, London, p. 19 (1974). [6] REPAS, P. E., em HSLA Steels: Metallurgy and Aplications, ASM International, Beijing, China, p. 933 (1985). [7] ITMAN, A., CARDOSO, K. R. e KESTENBACH, H.-J., Mater. Sci. Technol., 13, p.49 (1997). [8] KESTENBACH, H.-J., Mater. Sci. Technol., 13, p.731 (1997). [9] CAMPOS, S. S.; MORALES, E. V. e KESTENBACH, H.-J., Anais do 53 o Congresso Anual da ABM, Belo Horizonte, MG (1998). [10] CAMPOS, S. S. e KESTENBACH, H.-J., Anais do 13 o Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência de Materiais, Curitiba, PR (1998). [11] CAMPOS, S. S.; MORALES, E. V. e KESTENBACH, H.-J. Comunicação enviada para publicação em Metallurgical and Materials Transactions, fevereiro [12] KEH, A. S. e WEISMANN, S., em THOMAS, G. & WASHBURN, J. - Electron microscopy and strength of crystals, New York, Interscience, p.254 (1963). [13] HIRSCH, P. B. et al., em Electron microscopy of thin crystals, New York, Plenum Press, p.195 (1967). [14] MANGONON JR., P. L. e HEITMANN, W. E., em Microalloying 75, Union Carbide Corp., New York, p. 59 (1977). [15] GRAY, J. M. e YEO, R. B. G., Trans. ASM Quaterly, 61, p.255 (1968). [16] HONEYCOMBE, R. W. K., Met. Sci., 14, p.201 (1980). [17] FREEMAN, S. e HONEYCOMBE, R. W. K., Met. Sci., 11, p.59 (1977). [18] THILLOU, V.; HUA, M.; GARCIA, C. I.; PERDRIX, C. e DeARDO, A. J., em Proceedings of International Conference on Microalloying in Steels, Trans Tech Publications, Espanha, p. 311 (1998). CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 28609

10 [19] PICKERING, F. B. - Physical metallurgy and the design of steels, London, Applied Science Publishers, Materials Science Series (1978). [20] KEH, A. S. - Direct observations of imperfections in crystals, London, Ed. J. B. Newkirk and J. H. Wernick, p.213 (1962). CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 28610