1. INTRODUÇÃO. Luiz Carlos Santos Angrisano 1 Andreia Bicalho Henriques 2 Idalmo Montenegro de Oliveira 3

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1 INFLUÊNCIA DO TRATAMENTO TERMOMECÂNICO ESPECIAL, TIPO AUFORMING, NAS TEMPERATURAS DE TRANSFORMAÇÃO E NA RECUPERAÇÃO DE FORMA DE LIGAS COM EFEITO MEMÓRIA À BASE DE FE-MN-SI Luiz Carlos Santos Angrisano 1 Andreia Bicalho Henriques 2 Idalmo Montenegro de Oliveira 3 RESUMO: Ligas com efeito memória de forma à base de Fe-Mn-Si têm sido estudadas devido ao seu baixo custo e excelente trabalhabilidade, quando comparados às ligas do sistema Ni-Ti e as ligas à base cobre. Com objetivo de melhorar a resistência à corrosão, tem sido adicionados Cr, Ni e Co, a esta liga, visando a obtenção de aços inoxidáveis com efeito memória de forma. Nesses sistemas de ligas, o efeito memória de forma, está relacionado com a reversão da fase martensítica ε(ηc) em γ(cfc), durante aquecimento. Neste trabalho buscou-se avaliar a influência de uma tratamento termomecânico especial, tipo Ausforming, nas temperaturas de transformação e na recuperação de forma em uma liga de composição nominal Fe-29%Mn-6%Si e duas outras ligas com composição otimizada: Fe-14%Mn-6%Si-9%Cr-5%Ni e Fe-8%Mn-6%Si-13%Cr-7%Ni- 11%Co (% peso), com efeito memória de forma. Os resultados obtidos mostraram que os tratamentos termomecânicos e de austenitização provocam marcantes modificações no comportamento da transformação γ ε e um aumento significativo na recuperação de forma alcançando até % em pré-deformações de até 3%. Palavras-chave: Transformação Martensítica, Efeito Memória de Forma, ligas Fe-Mn-Si. 1. INTRODUÇÃO No início da década de, foi observado que ligas do sistema Fe-Mn-Si apresentam EMF comparável ao das ligas à base de cobre. A partir desta observação, a empresa japonesa NKK iniciou estudos sobre adição de elementos de liga tais como Ni, Cr e Co às ligas Fe-Mn-Si, com o objetivo de desenvolver uma liga ferrosa com EMF que apresentasse elevada resistência à corrosão. Estes estudos deram origem a uma série de trabalhos de pesquisa que levaram ao desenvolvimento de duas classes de aços inoxidáveis com memória de forma : i)ligas Fe-Mn-Si-Cr-Ni, contendo de 7 a 15% de Cr, Ni<%, Mn<15% e Si<7% (% em peso) e ii) ligas Fe-Mn-Si-Cr-Ni-Co, de composição química semelhante, porém com teor de Cr variando em uma faixa mais estreita, de 13 a 15%, e contendo adição de até 15% de Co, garantindo uma resistência à corrosão ainda mais elevada. As faixas de composições apresentadas acima conferem a este tipo de liga características específicas, incluindo ampla faixa de temperaturas de transformação martensítica e reversa e boas propriedades mecânicas, comparáveis às dos aços inoxidáveis ABNT 4. Estas ligas parecem superar problemas associados às outras ligas com EMF, tendo como vantagens: i) alta resistência à corrosão, comparáveis aos aços inoxidáveis ABNT 4; ii) facilidade de processamento em escala industrial e iii) formabilidade superior comparada a outros tipos de LMF. O obstáculo no desenvolvimento e aplicação das ligas com memória de forma à base de Fe- Mn-Si é a limitação da deformação recuperável via EMF. Enquanto que nas ligas Ni-Ti deformações de até cerca de 8% são recuperadas em %, nas ligas Fe-Mn-Si, Fe-Mn-Si-Cr-Ni e Fe-Mn-Si-Cr-Ni-Co a recuperação total se dá apenas para deformações de até cerca de 2%. 1 Doutor em Engenharia Metalúrgica e de Minas 2 Doutor em Engenharia Metalúrgica e de Minas 3 Doutor em Engenharia Metalúrgica e de Minas

2 Este trabalho tem como objetivo avaliar a influência de um tratamento termomecânico especial, tipo ausforming, nas temperaturas de transformação e na recuperação de forma destes três tipos de ligas. 2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL As ligas utilizadas neste trabalho foram fundidas no IPT-SP (Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo) em forno de indução a vácuo, sob atmosfera inerte de argônio. Os lingotes obtidos foram cortados em pastilhas de 6xx15mm 3, submetidas a um tratamento térmico de 1 C por 1h para as ligas com adição de Cr e Ni e Cr, Ni e Co, e de C por 1h para a liga Fe- Mn-Si, nestas temperaturas as ligas não sofrem liquação e fratura durante a laminação do material. Após solubilização, as ligas foram laminadas a C e ao final da laminação resfriadas em água. As ligas com adição de Cr e Ni e Cr, Ni e Co foram laminadas em oito passes de laminação com redução de espessura de aproximadamente % em cada passe, enquanto que as amostras da liga Fe-Mn-Si sofreram 17 passes de laminação, com redução de espessura em cada passe de aproximadamente 5,3%. A espessura final das chapas das três ligas obtidas nesta etapa foi de 2,mm. Visando a obtenção de maiores deformações recuperáveis via EMF, foram realizados ensaios de quantificação deste efeito por tração longitudinal à temperatura ambiente, em amostras processadas de maneira especial: as tiras laminadas para 2,mm de espessura foram aquecidas a C e laminadas à quente em três passes consecutivos, sem aquecimento, com temperatura final de laminação em torno de 6 C em seguida aquecidas no forno a C, laminadas à quente em três passes consecutivos, sem aquecimento, outra vez, repetindo-se esta seqüência até espessura final de,6mm. Após a laminação, as amostras medindo 6x2x,25mm 3 foram recozidas a C por minutos e resfriadas em água. Ressalta-se que, de acordo com a literatura (Kajiwara, 1999 e Miyazaki e Otsuka, 1989) este tipo de tratamento térmico possibilita a formação de uma microestrutura, constituída de finas variantes de martensita ε intercaladas com a matriz austenítica γ. Após austenitização, uma estrutura de deslocações forma-se nos locais onde existia a estrutura intercalada de martensita ε e austenita. Está estrutura de deslocações em forma de pinça, seria responsável pelo aumento da percentagem de recuperação de forma por facilitar a maclação da martensita ε durante a aplicação de tensão. Dentro do comprimento útil de mm, as amostras foram subdivididas em marcações de 12,5mm. Em seguida, submetidas a ensaios de tração na máquina de teste universal marca INSTRON modelo 5581, equipada com uma câmara para controle de temperatura de ensaios entre 6 e 2ºC e extensômetros. As amostras sofreram deformações de 1, 3, 5 e % em temperatura ambiente com uma taxa de deformação de 1,x -3 s -1. Posteriormente foram cortadas com disco adiamantado em baixa velocidade com resfriamento em água, visando não reverter a martensita ε induzida por deformação. Em seguida foram aquecidas em temperaturas de 2,, 6 e C com tempo de permanência no forno de min. O resfriamento foi feito ao ar, evitando possíveis mudanças de linearidade na superfície das amostras devido às tensões provocadas durante a têmpera em água. Por fim, as dimensões das amostras foram medidas em um projetor de perfis. A fração da deformação recuperável foi determinada pela seguinte expressão: L 2 L 1 %Rec = x L 2 L (eq. 1) onde L 2 é o comprimento de referência medido na amostra deformada, L 1 é o comprimento de referência medido após aquecimento e L é o comprimento de referência da amostra antes da deformação.

3 Os ensaios para determinação das temperaturas de transformação martensítica e reversa foram realizados em amostras de 12mm de comprimento, cortada das amostras de espessura de,6mm, em um dilatômetro de têmpera modelo LK 2 da Adamel Lhomargy. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO A influência da deformação por tração nas temperaturas de transformação reversa das três ligas foi determinada por dilatometria. As amostras deformadas foram aquecidas da temperatura ambiente até ºC e em seguida resfriadas até a temperatura do nitrogênio líquido para a formação de martensita térmica. As temperaturas M S, M F, A S e A F pelo desvio da linearidade e os resultados obtidos estão apresentados nas Tabelas 1 a 3. Tabela 1 Temperaturas de transformação reversa e de formação da martensita térmica para a liga Fe-Mn-Si. Deformação (%) A S ( C) A F ( C) M S ( C) M F ( C) Tabela 2 Temperaturas de transformação reversa e de formação da martensita térmica para a liga 9Cr. Defeformação (%) A S ( C) A F ( C) M S ( C) M F ( C) Tabela 3 Temperaturas de transformação reversa e de formação da martensita térmica para a liga 13CrCo. Defeformação (%) A S ( C) A F ( C) M S ( C) M F ( C) Observa-se, nesses resultados que a temperatura de início da transformação reversa, A S, da martensita ε induzida por deformação em tração sofre um decréscimo, enquanto há uma clara tendência de aumento da temperatura final de transformação reversa, A F, com a deformação. Resultados semelhantes foram observados por Wang e Zhao (1992) em uma liga Fe-Mn-Si-Ni-Co e atribuídos à deformação plástica da martensita ε. Segundo Andrade et al. (1999), este fenômeno é o resultado da geração de deslocações e falhas de empilhamento que impedem o movimento das deslocações parciais na interface de transformação, tornando a martensita ε menos estável e fazendo com que o início da transformação reversa ocorra em temperaturas mais baixas. Ao mesmo tempo a reversão completa requer temperaturas mais elevadas devido à dificuldade de movimento das interfaces ε/γ. Assim, com o aumento da deformação observa-se um intervalo maior para que a transformação reversa ocorra (A S A F ). Este comportamento reflete a ocorrência de estabilização da martensita ε com a deformação, que é desfavorável à aplicação das ligas em dispositivos sensores-atuadores, que necessitam de elevada estabilidade do EMF. Com relação às temperaturas de formação da martensita térmica, observa-se que as temperaturas de transformação martensítica, (M S e M F ), permanecem aproximadamente constantes.

4 Dois aspectos podem ser ressaltados em relação ao comportamento das temperaturas de transformação reversa. O primeiro é em relação às faixas de temperaturas, onde observa-se, das tabelas 1, 2 e 3, que as três ligas estão com as temperaturas finais de transformação reversa (A F ) na faixa de 22 à 3 C. Com relação à temperatura M S, em uma análise qualitativa, a liga FeMnSi possui apenas o Mn como redutor e a liga 9Cr tem, além do Mn, o Cr e o Ni, por isto, a liga FeMnSi tem M s mais elevado que a liga 9Cr. Já a liga 13CrCo possui um M S mais baixo que as outras duas ligas, devido, possivelmente, ao aumento no teor de Cr em 4%. O outro aspecto é com relação às temperaturas de reversão da martensita ε induzida termicamente, conforme pode ser visto na tabela 4. Todas as três ligas apresentaram temperaturas A S constantes com o aumento da deformação, entretanto, as temperaturas A F têm comportamentos diferenciados nas três ligas: as ligas FeMnSi e 13CrCo apresentam aumento de cerca de 2% destas temperaturas com o aumento da deformação e a liga 9Cr apresenta um pequeno decréscimo, menor que 5%, em A F com aumento da deformação. Estes resultados refletem a estabilização da martensita ε térmica com a deformação e a diferença no comportamento da liga 9Cr pode ser atribuída à composição química: baixos teores de Mn em relação a liga FeMnSi e de Cr em relação a liga 13CrCo. Tabela 4 Temperaturas de transformações reversa da martensita ε induzida termicamente nas ligas FeMnSi, 9Cr e 13CrCo. Deformação (%) FeMnSi 9Cr 13CrCo A s ( C) A F ( C) A S ( C) A F ( C) A S ( C) A F ( C) Ressalta-se que, a comparação entre os resultados das temperaturas de transformação reversa das martensitas ε induzidas mecanicamente e termicamente, apresentados nas tabelas 1 à 3 e 4, respectivamente, mostra não haver relação entre estes valores em função da deformação. Na quantificação do EMF por tração, tiras das ligas FeMnSi, 9Cr e 13CrCo, processadas da forma descrita anteriormente, foram laminadas para se obter amostras medindo 1x15x,6mm 3 que, em seguida, foram recozidas a C por minutos e resfriadas ao ar. As figuras 1, 2 e 3 apresentam as variações da deformação recuperável com a temperatura e com a pré-deformação para as ligas FeMnSi, 9Cr e 13CrCo, respectivamente. Como pode ser observado nestas figuras, a pré-deformação por tração proporcionou maiores deformações recuperáveis do que na quantificação do EMF por dobramento feito para efeito de comparação. Isto porque na deformação por tração as variantes da martensita ε tendem a crescer paralela ao sentido da tração, resultando em uma martensita mais orientada que a obtida nos ensaios por dobramento. Outro aspecto a ser observado é que a liga 9Cr mostrou deformações recuperáveis com uma determinada pré-deformação em função da temperatura superiores as ligas FeMnSi e 13CrCo. % de deformação recuperável em pré-deformações de 1 e 3% contra 98% na liga FeMnSi em 1% de pré-deformação e % em 1% de pré-deformação e, aproximadamente, 97% em 3% para a liga 13CrCo. Este fato pode ser atribuído à influência dos elementos de liga na EFE. Isto é, a liga FeMnSi possui uma alta EFE por não possuir elementos de liga, a 9Cr possui uma EFE mais baixa devido a presença do Cr e do Ni e a liga 13CrCo possui uma EFE intermediária devido a adição de 11% de Co que, possivelmente, neste teor, teve efeito contrário ao relatado por Xu et al. (22),

5 aumentando a EFE. O que justifica, também, a baixa temperatura M S desta liga em relação às outras duas. b) a) Deformação recuperável (%) % 3% 5% % 2 C C 6 C C Temperatura ( C) Pré-deformação (%) Figura 1 Quantificação do EMF da liga FeMnSi, sendo: a) deformação recuperável em função da temperatura e b) deformação recuperável em função da pré-deformação, por tração em tratamento termomecânico especial com resfriamento em água. b) a) % 3% 5% % C C 6 C C Temperatura ( C) Pré-deformação (%) Figura 2 Quantificação do EMF da liga 9Cr, sendo: a) deformação recuperável em função da temperatura e b) deformação recuperável em função da pré-deformação, por tração em tratamento termomecânico especial com resfriamento em água.

6 b) a) % 3% 5% % 2 C C 6 C C Temperatura ( ) Pré-deformação (%) Figura 3 Quantificação do EMF da liga 13CrCo, sendo: a) deformação recuperável em função da temperatura e b) deformação recuperável em função da pré-deformação, por tração em tratamento termomecânico especial com resfriamento em água. Pela análise apresentada acima pode-se conclui que a seqüência crescente de energia EFE das ligas possivelmente pode ser FeMnSi, 9Cr e 13CrCo, que justifica os resultados obtidos quanto ao EMF. Outro fato a ser observado é que a liga FeMnSi obteve uma baixa deformação recuperável, < %, em todas as analises realizadas. De acordo com Maki (1998), Sato et al. (1984), Yang et al. (1992a) e Otsuka et al. (19), se a temperatura T N se encontra acima de M S, o EMF pode ser prejudicado, assim possivelmente a liga FeMnSi tem uma temperatura T N superior a M S. Com relação às ligas 9Cr e 13CrCo o EMF possivelmente foi otimizado devido à adição de elementos de liga que diminuem a temperatura T N, de acordo com o que foi relatado por Jim e Hsu, (1999), Hsu e Zuyao (1999), Wu e Hsu (2), Chem et al. (1999) e Xuejun et al. (2). A figura 4 mostra uma comparação da deformação recuperável versus pré-deformação, em temperatura ambiente, para as três liga com temperatura de recozimento de 6 C. Desta figua nota-se que a liga 9Cr exibe melhor EMF seguida pela 13CrCo e FeMnSi. Esta seqüência indica, possivelmente, haver um decréscimo nas EFE entre as três ligas. Isto é, ligas com menor EFE possuem maior EMF.

7 CrCo 9Cr FeMnSi Pré-deformação (%) Figura 4 Deformação recuperável em função da pré-deformação por tração em temperatura ambiente e recozimento a 6 C para as liga FeMnSi, 9Cr e 13CrCo. 4. CONCLUSÕES As ligas 9Cr e 13CrCo apresentaram propriedades mecânicas bem semelhantes e superiores as da liga FeMnSi, entretanto as três ligas são promissoras em aplicações com anéis para juntas de tubos devido ao seus altos limites de escoamento e de resistência. A recuperação de forma foi maior nas amostras pré-deformadas por tração do que nas submetidas a dobramento. Este fato está relacionado com a formação de placas de martensita ε paralelas ao eixo de tração produzindo uma orientação preferencial e facilitando a transformação reversa. A recuperação de forma por tração via tratamento termomecânico especial foi mais efetivo e obteve % de recuperação de forma em até 3% de pré-deformação. Este excelente resultado é atribuído além da formação de placas de martensita ε paralelas ao eixo de tração a presença de uma estrutura de deslocações em forma de pinça que facilita a maclação da martensita ε durante a aplicação de tensão. 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANDRADE, M.S., OSTHUES, R.M., ARRUDA, G.J., The Influence of Thermal Cycling on the Transition Temperature of a FeMnSi Shape Memory Alloy. Materials Science & Engineering A, v , p CHEM, S., CHUNG, C.Y., YAN, C., HSU, T.Y., Effect of f.c.c. Antiferromagnetism on Martensitic Transformation in FeMnSi based Alloys. Materials Science & Engineering A., n.246, p HSU, T.Y., ZUYAO, X., Martensitic Transformation in FeMnSi Based Alloys. Materials Science & Engineering A., v , p JIM, X.J., HSU, T.Y., Thermodynamic Calculations of Antiferromagnetism on fcc (γ) hcp(ε) Martensitic Transformation in Fe-Mn-Si Shape Memory Alloys. Materials Chemical Physics, v.61, n.2, p

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