ESTUDO MICROESTRUTURAL DALIGA Ti-6Al-4V APÓS ENSAIO DE FLUÊNCIA.

Transcrição

1 Anais do 15 O Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA XV ENCITA / 2009 Instituto Tecnológico de Aeronáutica São José dos Campos SP Brasil Outubro 19 a ESTUDO MICROESTRUTURAL DALIGA Ti-6Al-4V APÓS ENSAIO DE FLUÊNCIA. Ícaro Gonçalves de Melo ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Praça Marechal Eduardo Gomes 50 - Vila das Acácias CEP São José dos Campos SP Bolsista PIBIC-CNPq icarodemelo@gmail.com Danieli Aparecida Pereira Reis ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Bolsista Pós-Doutorado FAPESP danielireis@hotmail.com Carlos de Moura Neto ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Professor Associado I mneto@ita.br Resumo. A importância técnica do fenômeno de fluência tornou-se evidente a partir da metade do século XX sendo reconhecida como um dos maiores problemas da área industrial devido ao crescente nível de exigência das condições de operação empregadas em usinas de geração de energia instalações químicas e em componentes estruturais desenvolvidos junto às indústrias aeroespaciais. Estudos têm sido realizados independente de objetivos comerciais para o aprimoramento na obtenção de novas ligas e principalmente para a reavaliação de ligas comerciais já existentes por meio da aquisição de dados em condições de maior severidade. O objetivo deste projeto de trabalho de iniciação científica é a caracterização microestrutural da liga Ti-6Al-4V após ensaio de fluência. A liga selecionada (Ti-6Al-4V) após tratamento térmico para avaliação do tipo de microestrutura no material será submetida a ensaios de fluência ao ar em temperatura de 600º C na modalidade de carga constante a e 319 MPa. Os resultados de fluência apresentaram uma microestrutura mais grosseira nas estruturas de Widmanstätten e Martensita com a presença de grãos maiores e mais alongados e uma microestrutura mais fina com grãos menores na estrutura Bimodal. Palavras chave: Ti-6Al-4V; tratamento térmico fluência; caracterização microestrutural. 1. Introdução No estudo de materiais utilizados em indústrias de alta tecnologia tais como o setor aeronáutico e aeroespacial vem sendo necessário o compreendimento e desenvolvimento de ligas que se comportem adequadamente ao trabalho em temperaturas elevadas e ambientes agressivos. Pelo fato de apresentar tais características bem como boas condições de trabalhidade e usinabilidade a liga Ti-6Al-4V vem sendo amplamente utilizada. Faz-se necessário então o estudo de seu comportamento em condições de uso como por exemplo em turbinas aeronáuticas ambiente de elevada temperatura e de grande esforço tensional. temperaturas (Sakai T. Ohashi M. Chiba K. 1998) Sendo assim esse trabalho de iniciação científica tem como objetivos a caracterização microestrutural de liga Ti-6Al-4V com estrutura Widmanstätten após ensaio de fluência. O tratamento térmico da liga Ti-6Al-4V para a obtenção da estrutura de Widmanstätten consiste no encapsulamento a vácuo dos corpos-de-prova em tubos de quartzo com diâmetro interno de 21 mm colocados em um forno tubular Lindberg/blue-M modelo STF 54434C sob atmosfera de argônio. Para a obtenção da estrutura de Widmanstätten as amostras são submetidas à temperatura de 1050 C por 30 minutos com resfriamento ao forno até a temperatura de 700 C (6 C/min) mantendo-se esta temperatura por 1 hora seguida de resfriamento ao ar. Dessa forma pretende-se caracterizar a liga tratada termicamente com a estrutura de Widmanstätten e avaliar sua vida em fluência. 2. Revisão Bibliográfica 2.1. Fluência Fluência é a deformação lenta e contínua de um sólido com o tempo (ASTM 1996). Tal fenômeno pode ocorrer em todos sólidos cristalinos em condições diferenciadas de temperatura e tensão. O seu estudo é feito aplicando uma carga constante no corpo de prova e submetendo o mesmo a uma temperatura elevada geralmente entre 40% a

2 Anais do XV ENCITA 2009 ITA Outubro % da temperatura de fusão. São tomadas então medidas periódicas de deformação de forma a se observar a taxa de deformação em função da carga ou tensão. (Meyers M. A. Chawla K. K. 1982). São observadas três fases durante o processo. A fluência primária que consiste em uma resposta inicial à carga aplicada e caracteriza-se por uma taxa de fluência decrescente. A fluência secundária que é caracterizada por ter uma taxa constante de deformação e por ser uma fase mais longa que as demais fases. A fluência terciária fase em que ocorre um aumento rápido na taxa de fluência seguida posteriormente da deformação (Reis D.A.P.; 2005). Temperatura e nível de tensão são fatores importantes no estudo e que influenciam no comportamento de fluência sendo que o aumento de cada um desses fatores acarreta no aumento da deformação instantânea inicial aumento na taxa de fluência em regime estacionário e diminuição de tempo de falha (ASTM 1996). Devido aos crescentes níveis de exigência em que as ligas metálicas vem sendo submetidas em condições de operação o estudo do fenômeno de fluência acabou sendo reconhecido como um dos maiores desafios da área industrial desde o fim da primeira metade do século XX (ASTM 1996; Seco F. J. Irrisari A. M. 2001). Pela impraticabilidade das reais condições de operação dos componentes em muitas das situações de estudo se faz necessário a extrapolação de resultados em condições aproximadas às ideais. (Reis D. A. P.; Silva C. R. M.; Nono M. C. A.; Barboza M. J. R.; Piorino F.; Perez E. A. C ; Pitt F. Ramulu 2004). Sendo no caso especifico dos metais extremamente necessário o conhecimento dos micromecanismos que controlam os processo de fluência para a elaboração de equações constitutivas e consequentemente a extrapolação de dados (Barsoum M. 1997). A presença de imperfeições cristalinas nos matérias metálicos influencia diretamente o comportamento em altas temperaturas pelo relacionamento de tais imperfeições com os fenômenos de difusão. Quanto maior a temperatura maior a capacidade de movimentação entre discordâncias e maior é a chance de serem ativados outros mecanismos de deformação. Dessa forma condições ambientais podem exercer forte influência no comportamento de ligas A liga Ti-6Al-4V As ligas de titânio apresentam uma união de características tais como alta resistência baixa massa específica boa resistência à corrosão bem como estabilidade metalúrgica. Assim sua utilização em componentes estruturais a serem submetidos a altas temperaturas é extremamente interessante. Tais ligas principalmente a liga Ti-6Al-4V são então de extrema importância industrial e tecnológica pela grande quantidade de oportunidades de utilização das mesmas tais como em motores e palhetas de turbinas (Norris G. 1994; Evans R. W. 1993). Devido ao fato de agregar a uma determinada estrutura características como resistência e baixa massa específica tem sido freqüente a sua utilização em motores aeronáuticos. Sendo assim o movimento rotacional dos motores provoca altas tensões de deformação nas estruturas submetidas à altas temperaturas. Sendo dessa forma importante o estudo da fluência da liga quando submetidas a condições extremas de temperatura e pressão. De acordo com o tipo de tratamento térmico submetido e da composição as ligas de titânio podem apresentar as diferentes configurações de estrutura cristalina α β ou mista α/β. Além disso o titânio e suas ligas podem reagir com diferentes elementos intersticiais tais como hidrogênio oxigênio e nitrogênio e com outros elementos formando soluções sólidas e compostos de ligação covalente ou iônica. Sendo assim de acordo com as mudanças de fases e microestruturas diferentes combinações de propriedades das ligas de titânio podem ser adequadas de acordo com a aplicação requerida (Callister 2000) A estrutura Widmanstätten No caso especifico desse trabalho a estrutura cristalina a ser estudada é a estrutura de Widmanstätten. O tratamento térmico necessário para se obter semelhante estrutura foi realizado nas instalações do Departamento de Engenharia de Materiais da Escola de Engenharia de Lorena EEL-USP. Tal tratamento térmico foi feito com intuito de diminuir a sensibilidade da liga à oxidação. A estrutura de Widmanstätten possui menores valores de tamanho médio de grão o que ocasiona uma maior resistência à oxidação já que quanto maior for o tamanho do grão menor será a energia de ativação de seu contorno (Callister 2000). Tal diferença no tamanho de grão pode ser observada nas imagens abaixo.

3 Anais do XV ENCITA 2009 ITA Outubro Figura 1 Micrografia da Ti-6Al-4V como recebida. Figura 2 Micrografia da Ti-6Al-4V com estrutura de Widmanstätten Figura 3 Ampliação da Micrografia da Ti-6Al-4V com estrutura de Widmanstätten. Quanto maior a difusão do oxigênio na estrutura da liga maior será sua dureza. Dessa forma uma maneira de se avaliar o grau de oxidação de uma liga é medindo-se sua dureza (Pitt F.; Ramulu M.; 2004). Na tabela abaixo temse valores de dureza da liga recebida sem tratamento térmico bem como da liga tratada termicamente estudada por Reis (Reis D.A.P.; Moura Neto C.; Silva M. M.; Piorino Neto F.; CBECIMAT 2005). Os valores demonstram que a liga de estrutura Widmanstätten possui portanto uma menor oxidação ou seja ela resiste mais à corrosão. Tabela 1 Microdurezas da liga Ti-6Al-4V Estrutura Microdureza (HV) Como recebida 3622 ± 54 Widmanstätten 3254 ± 64

4 Anais do XV ENCITA 2009 ITA Outubro Materiais e Métodos 3.1. O Forno Foram utilizados nos ensaios fornos da marca MAYES pertencentes ao Instituto Tecnológico de Aeronáutica. Utilizou-se o software Antares desenvolvido pela BSW Tecnologia Indústria e Comércio Ltda para a coleta de dados referentes aos alongamentos dos corpos de prova e suas respectivas temperaturas. Para a obtenção das medidas de alongamento foi utilizado um transdutor do tipo LVDT Schlumberger D 650 com tensão de saída de 5318 m V/V/mm e para o controle de temperatura foi um termopar tipo Cromel Alumel AWG24. Utilizou-se um termopar próximo ao corpo de prova de forma a se coletar os sinais de temperatura que eram então coletados pelo software Anteres que armazenava simultaneamente os dados referentes à temperatura e alongamento. O sinal de saída do LVDT era então enviado a uma unidade de processamento desenvolvida pela BSW Tecnologia Indústria e Comércio Ltda de forma a se converter os sinais em medidas de alongamento em períodos de tempo pré determinados pelo operadore alimentava o software Antares. Para a alimentação do software foi utilizada uma curva de calibração obtida por um calibrador de extensômetros de alta resolução Instron modelo para um transdutor do tipo LVDT Schlumberger D 650 com especificação de 5318 mv/v/mm à temperatura de aproximadamente 35ºC. Figura 4 Representação esquemático dos fornos de fluência utilizados 3.2. Os Corpos de Prova. Os corpos de prova foram confeccionados pela Fautec Ferramentaria Automação e Usinagem Ltda de acordo com as especificações sistemas de garras e extensômetros disponíveis a partir de barras cilíndricas da liga de titânio adquiridas junto à Empresa Multialloy Eng. Mat. Ltda. As barras foram forjadas e recozidas a 190 C durante 6 horas e resfriadas ao ar. A caracterização quanto à composição química dos principais elementos que compõem as barras cilíndricas realizada com barras similares em 2005 forneceu os seguintes resultados (em percentual de massa): A seguir temos uma figura ilustrativa do corpo de prova Ti = 8916 % Al = 661% V = 423%

5 Anais do XV ENCITA 2009 ITA Outubro Figura 5 Corpo de Prova de Ti-6Al-4V Após os ensaios os corpos de prova foram cortados transversal e longitunalmente e as amostras embutidas em uma embutidora de prensagem à quente modelo PRE-30 da marca Arotec e também lixadas em uma lixadeira da marca Panambra com lixas a base de SiC na seqüência e 600 Mesh. Após o lixamento as amostras foram polidas em uma politriz com pano para polimento modelo OP-CHEM da marca STRUERS diâmetro 200mm e utilizando-se uma solução de polimento a base de sílica coloidal e H 2 O 2. O ataque químico foi realizado por imersão das amostras no reagente Kroll (5ml de HNO 3 3ml de HF e 100ml de água destilada) por aproximadamente 20 segundos. Foi utilizado microscópio ótico Leica modelo DMRXP. 4. Resultados 4.1. Curvas de Fluência Figura 6. Embutidora de prensagem à quente modelo PRE-30 da marca Arotec. Seguem abaixo as curvas de fluência obtidas nos ensaios e com a utilização do software Antares Widmanstätten 600 C 125MPa deformação [mm/mm] tempo [h] Figura 7 - Curva de fluência para o ensaio realizado a 600º C e 125 MPa 010 Widmanstätten 600ºC 250 MPa Deformação [mm/mm] Tempo [h] Figura 8 - Curva de fluência para o ensaio realizado a 600º C e 250 MPa

6 Anais do XV ENCITA 2009 ITA Outubro Widmanstätten 600ºC 319 MPa Deformação [mm/mm] tempo [h] 6.2. Análise Microestrutural Figura 9 - Curva de fluência para o ensaio realizado a 600º C e 319 MPa. Após a verificação das curvas de deformação vs. tempo foi feita uma anlise microscópica microestrutural das amostras obtidas. Seguem abaixo imagens comparativas da liga Ti-6Al-4V Widmanstätten antes e após o ensaio de fluência realizado a 600ºC e 319 MPa são apresentadas nas Figuras 10 e 11. É possível observar que a liga após sofrer ação do fenômeno de fluência passa a possuir menor tamanho de grão que a liga antes do ensaio. Tal diminuição de tamanho de grão é responsável pela fragilização do material. Isso ocorre pois quanto menor o tamanho do grão menor é a energia de ativação em seu contorno. Figura 10 Liga Ti-6Al-4V Widmanstätten antes do ensaio de fluência 5. Conclusões Figura 11 - Liga Ti-6Al-4V Widmanstätten após o ensaio de fluência a 600ºC e 319 MPa Este trabalho proporcionou ao autor uma oportunidade de desenvolver um espírito crítico em estudos bibliográficos do tema em questão e assuntos correlatos. No caso em análise foram verificados os aspectos teóricos envolvidos em ensaios de fluência bem como de ligas metálicas em especial ligas de titânio. Foi obtida também uma maior compreensão dos métodos e procedimentos da pesquisa científica bem como a evidenciação de sua importância no desenvolvimento científico e industrial do país.

7 Anais do XV ENCITA 2009 ITA Outubro As amostras foram preparadas segundo os padrões de metalografia e caracterizadas através de microscopia ótica. Foi possível então fazer uma análise a respeito da atuação do fenômeno de fluência e sua conseqüência na fragilização do metal. Observa-se que o tamanho médio dos grãos na estrutura se tornou menor após a atuação do fenômeno de fluência. Um menor tamanho de grão provoca uma menor resistência da liga à oxidação e uma conseqüente fragilização do metal. Ocorreu portanto uma fragilização da liga após ser submetida a condições de temperatura e esforços elevados. Tais condições são as mesmas em que a liga é utilizada no meio industrial o que permite dizer que o estudo da liga Ti- 6Al-4V após ensaio de fluência se faz não somente justificada como necessária. 6. Agradecimentos À meus pais pelo apoio incondicional ao longo de minha vida. Ao Prof. Dr. Carlos de Moura Neto pela confiança depositada em mim na realização desse trabalho. À Prof. Dra. Danieli Aparecida Pereira Reis pela orientação e apoio. A CNPq pelo incentivo à realização do projeto Referências American Society for Testing and Materials 1996 Surface Engineering v.5 Philadelphia. Barsoum M Fundamentals of Ceramics. Mat. Sci. and Eng. Series pp Callister W. D. Jr. Materials Science and Engineering: an introduction 5. ed John Wiley & Sons New York. Evans R. W.; Wilshire B Introduction to Creep. London: The Institute of Materials pp. 115 Norris G Feeling the Heat. Metal Bulletin Monthly v. 386 pp Reis D. A. P Efeito do Recobrimento Cerâmico e da Atmosfera de Ensaio na Fluência de Liga Metálica Refratária de Titânio Tese de Doutorado do Curso de Pós-Graduação em Engenharia e Tecnologia Espaciais / Ciência e Tecnologia de Materiais e Sensores INPE. Reis D. A. P.; Silva C. R. M.; Nono M. C. A.; Barboza M.J. R.; Piorino F.; Perez E. A. C.2005 Effect of Environment on the Creep Behavior of the Ti-6Al-4V Alloy. Materials Science and Engineering A v.399 p Seco F. J.; Irissari A. M Creep failure mechanisms of a Ti-6Al-4V thick plate. Fatigue Fract. Eng. Mater. Struc. Vol. 24 pp