INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA INTERCRÍTICA NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E TRIBOLÓGICAS DE UM AÇO 0,2%C-1,5%Mn-1,35%Si MUTICONSTITUÍDO COM EFEITO TRIP

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1 INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA INTERCRÍTICA NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E TRIBOLÓGICAS DE UM AÇO 0,2%C-1,5%Mn-1,35%Si MUTICONSTITUÍDO COM EFEITO TRIP M. H. A. Gomes 1 ; A. G. Vieira 1 ; F. A. R. Campos 2, I. P. Pinheiro 1 Av. Amazonas 5253, Nova Suiça, BeloHorizonte, MG, CEP marlos_gomes@hotmail.com 1 Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais Campus I/Belo Horizonte 2 Universidade Federal de Uberlândia Campus Santa Mônica RESUMO O trabalho teve como objetivo avaliar a influência da temperatura intercrítica nas propriedades mecânicas e tribológicas de um aço 0,2%C-1,50%Mn-1,35%Si multiconstituído com efeito TRIP, e avaliar os resultados com os de amostras com estrutura obtida por têmpera seguida de revenimento. As temperaturas intercríticas estudadas foram 760ºC, 800ºC e 900 C. Avaliou-se o comportamento mecânico por meio de ensaios de tração e de microdureza. As micrografias obtidas por MEV mostram que a estrutura das amostras é composta por ferrita, bainita e constituinte MA (Martensita/Austenita Retida). A microestrutura obtida para a temperatura de 900 C apresenta uma matriz bainítica com a menor quantidade de ferrita e a maior quantidade do constituinte MA. Amostras com essa estrutura apresentaram maiores valores de resistência mecânica e ao desgaste, sendo que a resistência ao desgaste foi superior à das amostras temperadas e revenidas. Palavras-chave: aços TRIP, desgaste abrasivo, austêmpera, microestrutura multiconstituída, austenita retida. INTRODUÇÃO Abrasão é um mecanismo de desgaste observado quando uma superfície dura e rugosa de um objeto desliza sobre outra mais macia tenra e plana. Este 4594

2 mecanismo é um problema dispendioso para vários setores da indústria, tais como automotiva, transporte, mineração, agricultura etc. Resistência à abrasão não é uma propriedade intrínseca de materiais, mas a resposta de um sistema tribológico que depende das condições de ensaio ou aplicação. Este fenômeno é muito complexo, uma vez que pode ser relacionado a vários parâmetros. Usualmente, afirma-se que a resistência à abrasão de um material é proporcional à sua dureza. Entretanto, muitas pesquisas mostram que esta relação não é sempre detectada (1). Uma redução do tamanho de grão ou um aumento do teor de carbono causam uma diminuição da perda de peso por desgaste do aço. A microestrutura também interfere na resistência ao desgaste. Embora existam controvérsias sobre o papel da austenita retida na resistência ao desgaste, uma microestrutura de ripas de martensita com filmes de austenita retida entre as ripas e carbetos finos dispersos no interior das ripas apresenta excelente resistência ao desgaste abrasivo (2). O objetivo deste trabalho foi avaliar a interferência da temperatura intercrítica do tratamento térmico composto por recozimento intercrítico seguido de austêmpera interrompida nas propriedades mecânicas e tribológicas de um aço TRIP. As microestruturas obtidas são compostas por ferrita, bainita e MA (Martensita/Austenita retida). As propriedades mecânicas encontradas foram comparadas com as de amostras com estrutura composta por martensita revenida. MATERIAIS E MÉTODOS O material estudado foi um aço TRIP 0,2%C-1,50%Mn-1,35%Si laminado a quente. A partir de uma chapa com 1,5 mm de espessura foram cortadas amostras com 210 mm de comprimento e 140 mm de largura para serem submetidas aos tratamentos térmicos. Para obter estruturas multiconstituídas foi utilizado o tratamento térmico de dois estágios (3). As temperaturas intercríticas estudadas foram 760º, 800ºC e 900ºC. As amostras foram recozidas por 10 minutos, seguido de resfriamento rápido para a temperatura de transformação bainítica de 400ºC. Para se conseguir tal resfriamento foi utilizado um banho de chumbo. Após 5 minutos de transformação bainítica, as amostras foram resfriadas em água para conseguir uma estrutura composta por ferrita, bainita e constituinte MA (Martensita/Austenita Retida). Para obter a estrutura martensita revenida, as amostras foram recozidas a 900ºC por 10 minutos, seguido 4595

3 de têmpera em água. Depois, foram revenidas a 200ºC por 120 minutos, seguido de resfriamento ao ar até a temperatura ambiente. Realizou-se análise microestrutural a partir de microscopia eletrônica de varredura (MEV). As amostras foram atacadas com nital 3,0%. A dureza das amostras foram medidas por microdureza Vickers (carga de 50 gramas). As propriedades mecânicas foram medidas por ensaios de tração feitos em uma máquina EMIC DL30000N. Com o auxílio de um extensômetro foram registradas as curvas de tensão convencional x deformação convencional, e através delas, foram determinados o limite de escoamento, o limite de resistência a tração, o alongamento uniforme e o alongamento total. Os ensaios de microabrasão foram realizados em um equipamento Calowear com esfera de 24,4 mm de diâmetro e meio abrasivo de SiO 2. A velocidade de deslizamento foi de 75 rpm com carga de aproximadamente 0,316 N. Os tempos de teste foram de 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18 e 20 minutos. RESULTADOS E DISCUSSÕES A Figura 1 apresenta as micrografias de MEV das estruturas de amostras do material como recebido (MCR), recozidas nas temperaturas intercríticas de 760 C, 800 C e 900 C, e da amostra temperada e revenida. A ferrita (α) consiste nas regiões escuras, as partículas de austenita retida/martensita (MA) são as regiões claras, e a bainita (B) apresenta-se na cor cinza em regiões adjacentes às de MA (4). Pode-se observar que a estrutura do material como recebido (Fig. 1(a)) é mais fina do que as das amostras recozidas a 760ºC (Fig. 1(b)) e 800ºC (Fig. 1(c)), além disso, apresenta uma quantidade maior do constituinte MA. A maior quantidade de ferrita é observada para a amostra recozida na temperatura intercrítica de 760ºC. Já o recozimento intercrítico à 900ºC produz uma matriz bainítica com a maior quantidade do constituinte MA. Durante o recozimento intercrítico forma-se uma maior quantidade de austenita, consequentemente com menor teor de carbono. Durante a austêmpera a 400ºC, essa austenita se transforma rapidamente em bainita, e no resfriamento para a temperatura ambiente, parte da austenita não transformada se transforma em martensita, de modo que a quantidade de austenita retida seja pequena. 4596

4 (a) (b) (c) (d) Figura 1 Micrografias de microscopia eletrônica de varredura: a) material como recebido (MCR); b) amostra recozida na temperatura intercrítica de 760 C, c) 800 C, d) 900 C. Aumento de 1000x. Para as três temperaturas estudadas as partículas de MA são alongadas e estão situadas entre os grãos de ferrita e a bainita, uma vez que a transformação bainítica foi interrompida (5). Pode-se perceber partículas de MA com morfologia de blocos no interior de grãos de ferrita. Austenita retida com morfologia de blocos possui baixo teor de carbono comparada com a de filmes finos (6), e desta forma, sob deformação transforma-se em martensita mais facilmente, prejudicando o ganho de ductilidade, porém aumenta a resistência mecânica. A austenita retida com morfologia de filme, rica em carbono e localizada entre as ripas de ferrita bainítica, apresenta maior estabilidade mecânica, assim se transforma em martensita nas fases finais da deformação, proporcionando um ganho de ductilidade. 4597

5 A Tabela 1 mostra os resultados encontrados para as propriedades mecânicas das cinco estruturas estudadas e a fração volumétrica do constituinte MA das amostras multiconstiuídas medida pelo método de contagem de pontos com o auxílio de uma malha de 100 pontos. Pode-se notar que elevando a temperatura intercrítica observa-se um aumento da resistência mecânica e uma redução da ductilidade. As amostras recozidas intercriticamente a 800ºC apresentam a mesma ductilidade do material como recebido (MRC), porém apresenta um limite de resistência à tração maior. Tabela 1 Valores obtidos pelos ensaios de tração. Condições Limite de Limite de Fração Alongamento Alongamento Escoamento Resistência à Volumétrica Uniforme (%) Total (%) (MPa) Tração (MPa) de M.A. (%) MCR 25 ± 1 32 ± ± ± 14 9 ± C 19 ± 1 24 ± ± ± 2 8 ± C 23 ± 1 31 ± ± ± 7 10 ± C 8 ± 1 13 ± ± ± ± 5 TR 3 ± 1 8 ± ± ± 18 A Figura 2 apresenta as curvas tensão convencional x deformação convencional para as cinco estruturas estudadas. Observa-se que a amostra temperada e revenida (TR) apresenta maiores valores para os limites de escoamento e de resistência à tração, entretanto baixa ductilidade (alongamento uniforme). Comparando os resultados das amostras multiconstituídas, a amostra recozida a 900 C apresenta maior limite de resistência à tração, entretanto possui menor alongamento total que as demais. Ou seja, sua resistência mecânica e sua ductilidade são uma média dos valores encontrados para as do material como recebido (MCR) e a amostra temperada e revenida (TR). Como discutido anteriormente, esse resultado pode ser relacionado à microestrutura que esta condição exibiu: filmes de austenita retida com alto teor de carbono por entre grãos de ferrita bainítica. A amostra recozida a 800 C e material como recebido (MCR) apresentam valores próximos de alongamento uniforme, 23% ± 2 e 25% ±

6 A Figura 3 apresenta os resultados de microdureza e de microabrasão para as estruturas produzidas. A proporcionalidade entre dureza e resistência ao desgaste também não foi observada (1). O aço temperado e revenido (TR), que possui maior dureza, apresentou também maior coeficiente de desgaste. A estrutura composta por martensita revenida com partículas de carbonetos precipitadas apresentam aumento do coeficiente de desgaste ao se elevar a carga do processo (7). 760 Figura 2 Curvas tensão convencional x deformação convencional para amostras recozidas intercriticamente a 760 C, 800 C e 900 C; material como recebido (MCR); e temperada e revenida (TR). Figura 3 Resultados de microdureza Vickers (a) e coeficiente de desgaste (b) para as cinco estruturas estudadas. 4599

7 À medida que a carga é aumentada, as partículas de carboneto são extraídas da matriz, portanto incapazes de resistir à ação de partículas abrasivas. Observa-se que um aumento da temperatura intercrítica causa um aumento da resistência ao desgaste. O aumento da temperatura diminuiu a quantidade de ferrita e aumento a quantidade de bainita e de MA na microestrutura. CONLUSÕES Os melhores resultados de ductilidade, avaliado pelo alongamento total, foram encontrados para a amostra recozida a 800º e do material como recebido (laminado a quente). Assim, para aplicações que exigem boa combinação de resistência mecânica e ductilidade, a temperatura intercrítica de 800 C se mostrou mais adequada. A microestrutura multiconstituída gerada pelo recozimento intercrítico a 900 C exibe melhor combinação entre propriedade mecânica e resistência ao desgaste, avaliada pelos testes de microabrasão. Sua microestrutura composta por uma matriz bainítica com pequenas quantidades de ferrita e constituinte MA apresentou resistência ao desgaste superior à da estrutura temperada e revenida. AGRADECIMENTOS Gostaríamos de agradecer a Universidade Federal de Uberlândia (UFU) através do Prof. Dr. Washington Martins da Silva Jr. pela disponibilidade do Laboratório de Tribologia e Materiais para a realização dos ensaios de microabrasão. Fazemos um agradecimento especial ao Dr. Túlio Magno Füzessy. Ao CEFET/MG (Departamento de Engenharia de Materiais) pela disponibilidade de laboratórios. REFERÊNCIAS BILIOGRÁFICAS 1. XU, X. et al. Design of low hardness abrasion resistant steels. Wear, v. 301, p.89-93, XU, P. et al. Microstructure control and wear resistance of grain boundary allotriomorphic ferrite/granular bainite duplex steel. Materials Science & Engineering A, v. 385, p.65-73,

8 3. MATSUMARA, O.; SAKUMA, Y.; TAKECHI, H. Retained austenite in 0,4C-Si- 1,2Mn steel sheet intercritically heated and austempered. ISIJ International, v.32, n.9, p , CHIANG, J. et al. Effect of microstructure on retained austenite stability and work hardening of TRIP steels. Materials Science and Engineering A, v. 528, p , BHADESHIA, H. K. D. H. Martensite and bainite in steels: transformation mechanism & mechanical properties. Journal de Physique, v. 4, p , SEOL, J. B. et al. Atomic scale effects of alloying, partitioning, solute drag and austempering on the mechanical properties of high-carbon bainitic-austenitic TRIP steels. Acta Materialia, v. 60, p , COLAÇO, R.; VILAR, R. On the influence of retained austenite in the abrasive wear behavior of a laser surface melted tool steel. Wear, v. 258, p , Intercritical temperature influence on mechanical and tribological properties of the steel 0,2%C-1,5%Mn-1,35%Si assisted by the TRIP effect ABSTRACT The paper aim was analize the austempering intercritical temperature interference on the mechanical and tribological properties and study the results from austempering and quenching followed by tempering. The steel had the following composition 0,2%C-1,50%Mn-1,35%Si. The austenitization temperatures on austempering were 760, 800 and 900 C. The mechanical properties were evaluated by microhardness Vickers and tensile tests. The abrasive wear was studied by a microabrasometer. As the temperature is increased the ferrite grain dimensions was decreased. The 900 C temperature generated elongated austenite grains dispersed into bainitic ferrite laths, the rest of the temperatures produced equiaxed grains (retained austenite surrounding ferrite grains). According to austempered samples: the sample austenitizated by 900 C exhibited the highest strength and wear resistance; the 800 C temperature showed a more ductile material; the 760 C generated a low wear resistance steel. Keywords: TRIP steels, abrasive wear, austempering, multi phase microstructure, retained austenite. 4601