TTT VI Conferência Brasileira sobre Temas de Tratamento Térmico 17 a 20 de Junho de 2012, Atibaia, SP, Brasil

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1 CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL E AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE UM AÇO COM DIFERENTES MICROESTRUTURAS BIFÁSICAS OBTIDAS A PARTIR DO AÇO LNE 500 A. N. O. Dias, (1); M. R. Baldissera, (1); Rossi, E. C. (1); G. C. Coelho, (2), A. S. Paula, (3); G. Rodrigues, (1). 1) UNIFEI Universidade Federal de Itajubá Instituto de Engenharia Mecânica. Avenida BPS, 1303, bairro Pinheirinho, CEP , Itajubá MG. aottoboni@yahoo.com.br 2) USP/EEL Universidade de São Paulo Escola de Engenharia de Lorena 3) UFF/EEIMVR Universidade Federal Fluminense Escola de Engenharia Industrial Metalúrgica de Volta Redonda RESUMO Neste trabalho, foi realizada a caracterização microestrutural e a avaliação das propriedades mecânicas de um aço com diferentes microestruturas bifásicas, obtidas por têmperas em diferentes temperaturas, a partir de um aço ferríticoperlítico tipo LNE 500. A região intercrítica e as fases existentes em função da temperatura foram determinadas por meio da termodinâmica computacional, utilizando o software THERMOCALC. Com os resultados obtidos pela simulação computacional, amostras do aço foram temperadas a partir de diferentes temperaturas de forma a se obter microestruturas bifásicas formadas por ferrita e perlita, ferrita e martensita e também uma microestrutura monofásica constituída apenas por martensita. A caracterização microestrutural das amostras no estado como-recebido e aquelas temperadas a partir de diferentes temperaturas foi realizada por meio de metalografias qualitativa e quantitativa. A preparação das amostras seguiu os padrões convencionais de metalografia, como ataque químico com reagentes e análise em microscópio óptico. A determinação das frações volumétricas das fases identificadas foi realizada com o software Image J, que 333

2 proporcionou a identificação e quantificação das frações volumétricas das fases existentes. As propriedades mecânicas foram determinadas por meio de ensaios de tração uniaxial, que determinou parâmetros como tensão de escoamento, limite de resistência à tração e alongamento total. Palavras-chave: Aços bifásicos, microestrutura, simulação computacional, metalografia. 1) INTRODUÇÃO Em sua história, a indústria automobilística tem predominantemente utilizado o aço como matéria prima para fabricação de estruturas veiculares. Entretanto, o aço nesta indústria vem sendo substituído por materiais mais leves e resistentes, como alumínio, compósitos e polímeros, que apresentam vantagens em relação aos metais, como menor peso, maior resistência à corrosão, mas mantendo a resistência mecânica requerida em suas aplicações. Com este cenário cada vez mais ascendente, a indústria siderúrgica mostrou preocupação em reverter este quadro a seu favor e se empenhou na pesquisa sobre novos aços que possuam alta resistência, maior capacidade de absorção de impacto, boa conformabilidade com redução de peso. Dentre os aços em desenvolvimento, está o aço bifásico, que possui alta resistência mecânica, baixo limite de escoamento, alta ductilidade que resulta em conformabilidade similar aos aços de baixa resistência, e um alto expoente de encruamento que proporciona uma alta resistência após o processo de conformação (1-2). A denominação Aço Bifásico (Dual-Phase steel) tem sido atribuída aos aços compostos de uma mistura de partícula de martensita dispersas numa matriz ferrítica. Todavia, na prática, suas microestruturas são significativamente mais complexas, podendo conter bainita, austenita retida e perlita (3-5). A matriz ferrítica confere a boa ductilidade dos aços Bifásicos, ao passo que a martensita contribui para a alta resistência mecânica. As características microestruturais em conjunto e os fatores de processamento (temperatura, tempo, taxa de resfriamento) são as responsáveis pelas propriedades mecânicas (6-7). 334

3 Atualmente, a maior parte dos aços Dual-Phase fornecidos à indústria automobilística apresentam em sua microestrutura uma quantidade de um segundo constituinte (martensita + bainita) acima de 20%, o que lhes confere um limite de resistência superior a 600 Mpa. Esses aços apresentam elevada resistência à fadiga e boa tenacidade, características essas que os tornam particularmente adequados para a utilização em peças de estrutura e de segurança, como longarinas, travessas e reforços (8-9). Com o surgimento dos aços bifásicos, este material se insere novamente em destaque na indústria automotiva, pois além de possuir as características descritas acima, também dispõe de um baixo limite de escoamento, alta ductilidade, ou seja, conformabilidade similar aos aços de baixa resistência e alto expoente de encruamento, que resulta em uma alta resistência após o processo de conformação. O potencial destes aços bifásicos frente aos aços em utilização atual na indústria, como o LNE 500, é enorme e se justifica quando são analisados fatores técnicos, financeiros e ambientais em suas aplicações veiculares. 2) MATERIAIS E MÉTODOS 2.1) Obtenção do aço O aço estudado foi doado pela CSN Companhia Siderúrgica Nacional, na forma de chapas laminadas a quente. Nesta condição o aço foi denominado como no estado de como-recebido e sua microestrutura é formada por ferrita e perlita. Tabela I Composição química do aço Obs.: Para os teores de Nb, Ti e V, o somatório deve ser no máximo de 0,20%. 2.2) Simulação computacional Considerando que os elementos de liga deslocam os campos de fase dentro do diagrama Fe-C, a região intercrítica para este aço foi determinada via simulação computacional. A faixa de temperatura para os tratamentos térmicos intercríticos, a fração volumétrica das fases em função da temperatura e os precipitados existentes foram determinadas por simulação computacional pelo software THERMOCALC. 335

4 2.3) Tratamentos térmicos intercríticos O aço que fora recebido por cortesia da CSN foi amostrado em pequenos pedaços cúbicos de aproximadamente 1,0 cm³ e então colocados em um forno da marca EDG modelo 3000/ 3P-S para serem temperados a partir de diferentes temperaturas. Com os resultados obtidos pela simulação computacional, definiramse as temperaturas para os tratamentos térmicos de têmpera. As amostras do aço LNE 500 no estado recebido foram temperadas partir de 680 C, 698 C, 780 C, 820 C, 842 C e 860 C. Deve-se salientar que a temperatura de 680 C está abaixo da zona intercrítica, que a temperatura de 860 C está acima desta região e as demais estão dentro da região intercrítica. A têmpera foi realizada por meio de resfriamento rápido em um recipiente contendo água e gelo. 2.4) Caracterização microestrutural A caracterização microestrutural das amostras temperadas a partir de diferentes temperaturas e das amostras no estado como-recebido fora realizada por meio de metalografia qualitativa, utilizando microscopia óptica e quantitativa com auxílio do software Image J. Para as análises via metalografia, as amostras foram embutidas, lixadas e polidas, seguindo os procedimentos convencionais de metalografia. Após a preparação metalográfica as amostras foram atacadas quimicamente com Nital a 2% e observadas em um microscópio óptico Carl Zeiss JENAVERT com câmera digital acoplada e software para a análise de imagens. 2.5) Ensaios de tração Os ensaios foram realizados nos aços na condição de como recebido e também naqueles temperados a partir de diferentes temperaturas, conforme norma ABNT/NBR 6892:2002, que possibilitou determinar propriedades como tensão de escoamento, limite de resistência à tração e alongamento total. 3) RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1) Simulação Computacional Os resultados obtidos pela simulação computacional mostraram que a faixa de temperatura para os tratamentos térmicos intercríticos, para o aço LNE 500, está 336

5 Temperatura o C TTT VI Conferência Brasileira sobre Temas de Tratamento Térmico entre 680 C e 855 C e as frações volumétricas de ferrita e austenita no campo intercrítico variam de acordo com o gráfico mostrado na Figura ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Frações volumétricas (%) Figura 1: Frações volumétricas de ferrita e austenita em função da temperatura de têmpera ( ferrita; austenita). 3.2) Metalografia qualitativa e quantitativa A Figura 2 mostra as imagens obtidas por microscopia óptica das amostras no estado como recebido e também daquelas temperadas a partir de diferentes temperaturas. Estas amostras foram atacadas quimicamente com nital 2% e, desta forma, as regiões claras são referentes à fase ferrita e as regiões escuras referentes à perlita e martensita. Deve-se destacar que na microestrutura das amostras temperadas intercriticamente, além das fases ferrita e martensita, provavelmente há uma fração volumétrica significativa de bainita, entretanto esta não ficou evidenciada nestas amostras. 337

6 a) b) c) d) e) f) g) Figura 2 Micrografias do aço em diferentes condições. (a) estado como recebido, (b) 680 C, (c) 698 C, (d) 780 C, (e) 820 C, (f) 842 C e (g) 860 C. Ataque químico com Nital 2% e aumento de 200x. 338

7 Por meio destas imagens pode-se concluir que o aço no estado como recebido é formado pelas fases ferrita e perlita (Fig. 2a). A figura 2b mostra a imagem do aço tratado a 680 C, nesta imagem nota-se uma pequena mudança na morfologia das fases ferrita e perlita com relação àquela no estado como recebido. As imagens mostradas nas figuras 2c, 2d, 2e, 2f e 2g mostram que nestas condições a microestrutura do aço é formada pelas fases ferrita e martensita. Pode-se observar claramente o aumento da fração volumétrica da fase martensita com o aumento da temperatura de têmpera e, consequentemente, a diminuição da fase ferrita. A variação das frações volumétricas de ferrita e martensita em função da temperatura foi determinada pelo software Image J e são mostradas na tabela II, juntamente com as frações volumétricas determinadas via simulação computacional. Esta tabela mostra os valores das frações volumétricas das fases ferrita e austenita, calculadas pela simulação computacional, e das fases ferrita e martensita, calculadas pela técnica de metalografia quantitativa. Comparando-se estes resultados e considerando que toda a austenita se transforma em martensita no processo de têmpera, podemos concluir que os resultados experimentais estão de acordo com aqueles obtidos pela simulação computacional. Tabela II Frações volumétricas de ferrita, austenita e martensita, obtidas por simulação computacional e experimentalmente por metalografia quantitativa. Temperatura de Têmpera (ºC) Simulação computacional Frações volumétricas (%) Metalografia quantitativa (±13%) Ferrita Austenita Ferrita Martensita 680* *A temperatura de 680 C, está abaixo da zona intercrítica. 339

8 Tensão (MPa) TTT VI Conferência Brasileira sobre Temas de Tratamento Térmico 3.3) Propriedades Mecânicas 3.3.1) Ensaios de tração uniaxial O gráfico da Figura 3 mostra a curva tensão x deformação de engenharia para os corpos de prova no estado como recebido e aqueles temperados a partir de 820 C e 860 C, por simulação computacional e metalografia. Por meio deste gráfico pode-se observar, quando comparamos o aço no estado como recebido com aquele temperado a partir de 820 C e 860 C, nota-se uma diminuição nos valores da tensão de escoamento e um aumento significativo nos valores do limite de resistência à tração sem perda significativa da ductilidade. Observa-se também que o aço no estado como recebido apresenta tensão de escoamento definida, ao contrário daqueles temperados onde a tensão de escoamento não é definida, característica dos aços bifásicos. Pela caracterização microestrutural, o aço temperado a 820 o C possui microestrutura formada por ferrita e martensita e aquele temperado a partir de 860 o C é formado exclusivamente pela fase martensita. Sabe-se que a microestrutura dos aços bifásicos pode conter frações volumétricas significativas de bainita, além das fases ferrita e martensita, o que pode estar melhorando a ductilidade do aço, principalmente na condição onde o aço deveria ser formado exclusivamente pela fase martensita. Para uma avaliação mais precisa, estes resultados são mostrados também na tabela III Deformação (%) Figura 3 Curvas tensão x deformação de engenharia para o aço LNE 500 no estado como-recebido (1), temperado a partir de 820 o C (2) e 860 o C (3). 340

9 Tabela III Propriedades mecânicas obtidas pelos ensaios de tração uniaxial Condição Tensão de Limite de Limite de Alongamento escoamento resistência à ruptura (MPa) (%) (MPa) tração (MPa) Como-recebido ,1 Temperado a partir de 820 o C 430* ,8 Temperado a partir de 860 o C 462* ,6 * - Valores calculados a 0,2% 4) CONCLUSÕES Pode-se concluir que os resultados obtidos pela simulação numérica estão de acordo com aqueles obtidos experimentalmente por metalografia quantitativa. Os tratamentos térmicos de têmpera em diferentes temperaturas produziram amostras com diferentes microestruturas. A mudança da microestrutura ferrítica-perlítica para uma microestrutura ferrítica-martensítica ou para uma microestrutura exclusivamente martensítica diminuiu a tensão de escoamento e aumentou significativamente a resistência mecânica do aço sem perda significativa da ductilidade. 5) AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a CSN Companhia Siderúrgica Nacional pela doação do material estudado. 6) REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. WOLFF, M.A.. Soldabilidade dos aços bifásicos 600 e 800 via processamento de soldagem a pontos média freqüência corrente contínua (MFDC) e corrente alternada (AC) p. Dissertação de Mestrado. Universidade Federal de Uberlândia, Minas Gerais. 341

10 2. ZIA-EBRAHIMI, F.; MATLOCK, D. K.; KRAUSS, G. On ductile crack initiation in notched bend specimens. Scripta Metallurgica, v. 16, n. 8, p , Disponível em: acesso em 05 de julho de RASHID, M.S.. GM 980X - Potential applications and review. International Automotive Engineering Congress and Exposition. S.A.E. Technical Papers Detroit, USA, Feb-Mar 1977, p TUMULURU, M. D.. Resistance Spot Welding of Coated High-Strength Dual- Phase steels. Welding Journal, Miami, USA, p , CALLISTER JR, W.D.. Ciência e Engenharia de Materiais - Uma Introdução. 7. ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos Editora, 2007, p. 239, ISBN RASHID, M.S.. In Davenport at, editor. Formable HSLA and dual-phase steels. New York,: AIME; p.1-24, ERDOGAN, M. Effect of austenite dispersion on phase transformation in dual phase steel. Scripta Materialia. V. 48, n. 5, p , Disponível em: acesso em: 10 de agosto de J. Y. Koo, M. J. Young, G. Thomas, Metallurgical Transactions, 11A (1980), MINTO, T. A. et al. Caracterização microestrutural de um aço avançado complexsteel. UNESP. MICROSTRUCTURAL CHARACTERIZATION AND EVALUATION OF MECHANICAL PROPERTIES OF STEEL WITH A DIFFERENT MICROSTRUTURES BIPHASIC OBTAINED FROM STEEL LNE 500 ABSTRACT In This work was carried out microstructural characterization and evaluation of mechanical properties of a steel with different microstructures phases, obtained by tempers at different temperatures, from a ferritic-pearlitic type LNE 500. The region intercritical and the phases existing in function of temperature were determined by computation thermodynamic, using the Thermocalc software. The results obtained by the software, the samples of steel were tempered from different temperatures to 342

11 obtain two-phase microstructure consisting of ferrite and pearlite, ferrite and martensite microstructure and also a single phase consisting only martensite. The microstructural caracterization of the samples in the as-tempered state and those received from different temperatures was performed by qualitative and quantitative metallography. Sample preparation followed the standards of conventional metallography, as etching reagents and analysis by an optical microscope. The determination of volume fractions of the identified phases was performed with the software "Image J" who gave the identification and quantification of the fractions volume of the phases existing. The mechanical properties were determined by uniaxial tensile tests, which determined parameters such as yield stress, maximum tensile strength and total elongation. Keywords: Dual phase steels, microstructure, computer simulation, metallography. 343

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