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 DE UM AÇO COM DIFERENTES MICROESTRUTURAS BIFÁSICAS OBTIDAS A PARTIR DO AÇO LNE 380 VIA SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL E METALOGRAFIAS QUALITATIVA E QUANTITATIVA A. N. O. Dias, (1); G. F. Gomes, (1); M. R. Baldissera, (1); A. Y. Oshiro, (2); C. A. Rodrigues (1); G. C. Coelho, (3), A. S. Paula, (4); G. Rodrigues, (1). 1) UNIFEI/IEM Universidade Federal de Itajubá Instituto de Engenharia Mecânica. Avenida BPS, 1303, bairro Pinheirinho, CEP , Itajubá MG. aottoboni@yahoo.com.br 2) UniFOA Centro Universitário de Volta Redonda 3) USP/EEL Universidade de São Paulo Escola de Engenharia de Lorena 4) UFF/EEIMVR Universidade Federal Fluminense Escola de Engenharia Industrial Metalúrgica de Volta Redonda RESUMO O aço estudado neste trabalho faz parte de um conjunto de aços chamados bifásicos que apresentam características mecânicas de grande interesse à indústria automobilística. Portanto, neste trabalho, foram determinadas as frações volumétricas de ferrita e martensita de um aço bifásico, obtido a partir do aço tipo LNE 380, em função da temperatura de têmpera intercrítica via simulação computacional, com auxílio do software THERMOCALC. Estes resultados numéricos foram validados experimentalmente por meio de metalografias qualitativa e quantitativa. A simulação computacional foi realizada considerando um aço com 0,15%C e seus elementos de liga. A partir da região intercrítica, determinada pela simulação computacional, amostras do aço foram temperadas a partir de diferentes temperaturas, buscando uma microestrutura bifásica formada por diferentes frações volumétricas de ferrita e martensita. As amostras tratadas foram caracterizadas quanto às fases presentes, às suas frações volumétricas e quanto à distribuição destas fases. Pode-se concluir que os resultados obtidos experimentalmente estão de acordo com os determinados pela simulação computacional. Palavras-chave: Aços bifásicos, microestrutura, simulação computacional, metalografia. 415

2 1) INTRODUÇÃO Desde a fabricação do primeiro veículo, a indústria automobilística tem quase predominantemente utilizado aços como matéria prima na fabricação de veículos. Nos últimos, devido a várias questões como, por exemplo, a ambiental devido à poluição do ar causada pela emissão de gases nocivos à atmosfera, esta indústria vêm substituindo o aço por materiais mais leves e ainda resistentes como alumínio, compósitos e polímeros. Este processo de substituição das matérias primas de estruturas veiculares, que antes eram constituídas por aço e num segundo momento deram lugar a materiais mais leves, como os citados acima, fizeram com que a indústria siderúrgica assumisse o papel de pesquisar novos aços que pudessem agregar alta resistência mecânica, redução de peso, maior absorção de impacto, além de ductilidade. 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). Entretanto, sua aplicação na indústria automobilística praticamente se manteve inexistente até por volta do ano 2000 onde a predominância era a utilização do aço carbono, assim denominado Aço de Baixo Carbono (2,3). A denominação de 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 também bainita, austenita retida e perlita (2). Os aços bifásicos são produzidos através do tratamento térmico de têmpera no campo intercrítico, com encharque no campo ferrítico-austenítico do diagrama de fases, seguido de resfriamento controlado (4-5). No processo de resfriamento, é formada uma microestrutura ferrítica-martensítica devido a uma maior fração de austenita obtida no aquecimento e que se transformou em martensita durante o resfriamento. Outra menor fração é formada por pequenas quantidades fases como austenita retida, nitretos, boretos, entre outras que somadas podem chegar a aproximadamente 10-15% da fração volumétrica destas microestruturas. 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). 416

3 2) MATERIAIS E MÉTODOS 2.1) Obtenção do aço As chapas de aço foram produzidas por processo de laminação a quente seguido de resfriamento em água e segundo a composição química da Tab. 1. Tabela 1 Composição química do aço %C %Mn %Si %Nb %S %P %Al %Ni %Cr %N 0,154 1,386 1,405 0,034 0,011 0,022 0,022 0,008 0,018 0, ) Simulação computacional Utilizou-se o software de termodinâmica computacional THERMOCALC para determinar a faixa de temperatura para os tratamentos térmicos intercríticos e as frações volumétricas de ferrita e austenita em função da temperatura. As simulações consideraram os dados da composição do aço mostrados na Tabela ) Tratamentos térmicos intercríticos A partir dos resultados obtidos pela simulação computacional, as amostras do aço tipo LNE 380 foram temperadas a partir de diferentes temperaturas para produzir amostras com microestruturas bifásicas ferríticas-perlíticas e ferríticas-martensíticas com diferentes frações volumétricas de cada fase, como também amostras monofásicas constituídas exclusivamente pela fase martensita. As têmperas foram realizadas a partir de 680 C, 707 C, 787 C, 829 C, 850 C, 870 C, seguido de resfriamento em água. 2.4) Caracterização microestrutural Para a caracterização microestrutural e validação dos resultados obtidos pela simulação computacional, amostras do aço no estado como recebido e aquelas tratadas termicamente foram caracterizadas por metalografias qualitativa e quantitativa. A preparação das amostras, para as análises de microscopia óptica, foi realizada seguindo os procedimentos padrões de metalografia. Em seguida as amostras foram atacadas quimicamente utilizando soluções de Nital 2% e observadas em um microscópio óptico Carl Zeiss JENAVERT equipado com sistema digital de imagens. A metalografia quantitativa foi realizada com auxílio do software Image J. 417

4 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 380, está 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 1. Figura 1 Frações volumétricas de ferrita e austenita em função da temperatura, LNE 380 ( - 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 daquelas temperadas a partir de diferentes temperaturas. As amostras foram atacadas quimicamente com nital 2%. Desta forma as regiões claras são referentes à fase ferrita e as regiões escuras referentes às fases perlita e martensita. Por meio das imagens pode-se observar que na condição de como-recebido e quando temperado a partir de 680 o C (Figs. 2a e 2b, respectivamente) o aço é formado pelas fases ferrita e perlita. 418

5 Figura 2 Micrografias do aço LNE 380 em diferentes condições. (a) no estado comorecebido, (b) a (G) temperado a partir de 680 C, 707 C, 787 C, 829 C, 850 C, 870 C, respectivamente. Ataque nital 2%. 419

6 O aço temperado a partir de 707 o C (Fig.2c), 787 C (Fig.2d), 829 C (Fig.2e ), 850 C(Fig.2f) possui microestruturas formadas pelas fases ferrita e martensita. Entretanto, nota-se que com o aumento da temperatura de têmpera há um aumento significativo na fração volumétrica de martensita. A Figura 2g mostra a imagem do aço temperado a partir de 870 o C. Nesta condição o aço é formado exclusivamente pela fase martensita. Por meio da Figura 2 pode-se observar que em todas as condições obteve-se uma microestrutura bastante refinada e de difícil interpretação. A identificação e a quantificação das fases em cada microestrutura foram realizadas por meio de um conjunto de imagens com ampliações entre 100x e 1000x. A Figura 3 apresenta a amostra temperada a partir de 789 o C, com ampliações de 500x (Fig. 3a) e 1000x (Fig 3b). Deve-se salientar que este procedimento foi realizado para todas as amostras. Estas imagens mostram claramente que o aço nesta condição é formado pelas fases ferrita ( regiões claras) e martensita (regiões escuras). Figura 3 Aço LNE 380 temperado a partir de 789oC, com ampliações de 500X (a) e 1000X (b). Ataque nital 2%. A tabela 2 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. Para esta análise, é considerado que, durante a têmpera, toda a austenita se transforma em martensita e os resultados experimentais estão de acordo com aqueles obtidos pela simulação numérica. 420

7 Tabela 2 Frações volumétricas de ferrita, austenita e martensita, obtidas por simulação computacional e experimentalmente por metalografia quantitativa. Temperatura de Frações volumétricas (%) Têmpera (ºC) Simulação computacional Metalografia quantitativa (±10%) Ferrita Austenita Ferrita Martensita Considerando que normalmente, amostras temperadas apresentam em sua microestrutra a fases austenita retida, esta verificação foi realizada utilizando ataque químico com metabissulfito de sódio. A Figura 4 mostra a micrografia do aço temperado a 870 o C. Nesta pode obsevar a presença de uma pequena quantidade de austenita retida (pontos claros) em uma matriz de martensita (região escura) Figura 4 Aço LNE 380 temperado a partir de 870 o C. Ataque metabissulfito de sódio. 421

8 .4) CONCLUSÕES Conclui-se 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 microestruturas bifásicas ferrita+martensita com diferentes frações volumétricas destas fases e microestrutura exclusivamente formada pela fase martensita. Observou que juntamente com a martensita sempre há a presença da austenita retida em pequenas quantidades. Normalmente nestas condições observa-se a presença da bainita, mas neste trabalho esta fase não foi observada, provavelmente por falta do ataque químico correto, pois nestas condições ela se confunde com a martensita. 5) AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a CSN Companhia Siderúrgica Nacional pela doação do material estudado e pela utilização do laboratório de ensaios mecânicos. 6) REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ZIA-EBRAHIMI, F.; MATLOCK, D. K.; KRAUSS, G.. On ductile crack initiation in notched bend specimens. Scripta Metallurgica-Pergamon Press, USA, v. 16, 1982, p RASHID, M.S.. GM 980X - Potential applications and review. International Automotive Engineering Congress and Exposition. S.A.E. Technical Publication no Detroit, Feb-Mar 1977, p TUMULURU, M. D.. Resistance Spot Welding of Coated High-Strength Dual- Phase steels. Welding Journal, USA, Ago. 2006, 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 United States. Patent Application Publication. Hoydick, D.P.. Method for production of dual phase sheet steel. USA n. US 2004/ A1, May 27, 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: 422

9 acesso em: 10 de agosto de MICROSTRUCTURAL CHARACTERIZATION OF A STEEL WITH DIFFERENT BIPHASIC MICROSTRUTURES OBTAINED FROM LNE 380 STEEL VIA COMPUTER SIMULATION AND QUALITATIVE AND QUANTITATIVE METALLOGRAPHYS ABSTRACT The steel work is experienced in this part of a so-called two-phase steels which have the mechanical characteristics of great interest to the automotive industry. Therefore, this research was to establish the volume fraction of ferrite and martensite as a function of the intercritical annealing temperature via computer simulation, using the software Thermocalc. These numerical results were validated experimentally by means of metalografias qualitative and quantitative. The computer simulation was performed assuming a 0.15% C steel and its alloying elements. From the intercritical region, determined by computer simulation, the samples were tempered steel from different temperatures, seeking a twophase microstructure consisting of different volume fractions of ferrite and martensite. The treated samples were characterized by crystalline phases, their volume fractions and the distribution of these phases. It can be concluded that the experimental results are in agreement with those determined by computer simulation. KEY-WORDS: Dual phase steels, microstructure, computer simulation, metallography. 423