21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais 09 a 13 de Novembro de 2014, Cuiabá, MT, Brasil

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1 ENSAIO DE TORÇÃO A QUENTE ISOTÉRMICO COM DUAS DEFORMAÇÕES EM AÇO ESTRUTURAL M. V. Barcelos 1, M. L. P. Machado 1, M. A. Barcelos 1, A. O. Galon 1,J. Brunoro 1, W.T, Mota 1, L. X.C. Lima 2 Avenida Vitória, Jucutuquara, Vitória-ES. mvalinhos@ifes.edu.br Instituto Federal de Ciência e Tecnologia do Espírito Santo RESUMO Devido à necessidade de maior controle das propriedades metalúrgicas e microestruturais durante a laminação de aços e de reduzir custos operacionais, como amostragem, é cada vez mais necessário pesquisas dos processos de fabricação e conformação dos aços para otimizar a produtividade e melhorar as propriedades do material produzido. Um método eficiente que apresenta baixo custo é o ensaio de torção a quente, que consiste em uma técnica experimental capaz de reproduzir as condições de conformação a quente. Os ensaios de torção a quente podem ser realizados em diferentes ciclos. Neste trabalho foi realizado ciclos de ensaios com duas deformações com o objetivo de determinar o parâmetro de amaciamento. Verificou-se que parâmetro de amaciamento teve aumento proporcional ao intervalo entre passes para deformações abaixo da deformação crítica. Já para deformações acima da deformação crítica o parâmetro calculado foi de 100%. Palavras-chave: laminação, máquina de torção, ensaio de torção. INTRODUÇÃO O ensaio de torção permite o estudo dos mecanismos de amaciamento ou encruamento que operam durante o processo de conformação mecânica. Realizado a altas temperaturas tem grande importância para área de estudo da metalurgia, pois pelo fato do corpo de prova não estar sujeito ao empescoçamento como na tração, torna-se possível levar o ensaio até grandes deformações antes que a amostra seja rompida. Neste caso, com somente um ensaio é possível simular o processo de conformação à quente, obtendo, por exemplo, a microestrutura final que só seria determinada por uma planta de laminação piloto (1-3). A modelagem das curvas tensão versus deformação é essencial para melhorar o processo de conformação dos metais quando produzidos a altas temperaturas (4). 5494

2 Nestes ensaios pode-se controlar a temperatura do ensaio, a deformação aplicada, a taxa de deformação e o tempo entre os passes. Assim é possível se reproduzir os processos de pré-aquecimento, esquemas de deformação e taxas de resfriamento próximas às do processamento de laminação industrial (5). Através da leitura do torque e do ângulo dados pela máquina de torção, tornase possível calcular a tensão equivalente e a deformação equivalente. A tensão equivalente varia ao longo do raio da amostra. Na superfície pode ser calculada através da equação A (6,7) : eq 3..(3 m n) 3 2 r (A) Onde eq, e r são respectivamente a tensão equivalente, o torque e o raio da amostra (6). Considerando que o valor de m e n embora variem com a deformação são respectivamente como simplificação m=0,17 e n=0,13 (6). A deformação equivalente é calculada a partir do ângulo de rotação medido (6,7) : r. eq (B) 3. L Sendo eq,, r e L são respectivamente a deformação equivalente, ângulo de torção, o raio e o comprimento da amostra. MATERIAIS E MÉTODOS Para o presente trabalho foi utilizado três aços diferentes conforme composição mostrada na tabela 1. Tabela 1 - Composição química do aço estudado Faixa C Mn Si P S Cu Cr Ni Sn Mo Nb Min 0,10 0,60 0,15 0,02 Máx 0,16 1,10 0,35 0,04 0,05 0,25 0,2 0,25 0,07 0,05 0,04 Foram realizados 6 ensaios, neles os corpos de provas eram aquecidos a 1200ºC a uma taxa de 2ºC/s, e deixados nessa temperatura por 3 minutos, para homogeneizar a temperatura do material, em seguida, tinham suas temperaturas 5495

3 baixadas a uma taxa de 1ºC/s até 1050ºC, temperatura acima da temperatura de não recristalização (Tnr), que é de 960ºC (8) para o material estudado, e então eram ensaiados. Nos testes utilizou-se uma taxa de deformação de 0,3s -1 em intervalos de passes de 1, 5 e 40 segundos. Ao término da segunda deformação o corpo de prova foi resfriado rapidamente com gás CO 2 e água. Em três ensaios foram utilizaram deformação de 0,2 e nos outros três utilizou-se deformação de 1,2, abaixo e acima da deformação crítica respectivamente (8). O objetivo foi observar a influência da recristalização estática, nos ensaios com deformação abaixo da crítica, e da recristalização dinâmica e metadinâmica, nos ensaios com deformação acima da crítica. Depois que os ensaios eram realizados, obtinha-se as curvas de torque x ângulo de rotação através de um computador conectado a maquina de torção, que permitia a aquisição dos dados e controle do processo de torção, de posse dos dados obtidos da curva de torque x ângulo de rotação, eram utilizadas as equações A e B, para gerar o gráfico de tensão x deformação, com esse gráfico conseguia-se os valores de: σd (tensão na primeira interrupção do teste), σ0 (tensão de início de escoamento plástico na primeira deformação) e σr (tensão na segunda deformação), como mostra na Figura 1 e calculava-se o parâmetro de amaciamento PA (%) do material utilizando a equação C (9). Figura 1 - Curvas de escoamento plástico obtidas em ensaio com duas deformações (9). D r 100 (C) PA(%) x D 0 Foi feita a metalografia da região deformada com objetivo de observar o grão austenitico. A microestrutura foi avaliada por meio de um microscópio ótico modelo Leica DMLM, com câmara modelo Leica DFC295 e analisador de imagem LAS V4.1 do Laboratório de Ensaios Mecânicos da ArcelorMittal Tubarão. 5496

4 As amostras foram lixadas com lixas de 120, 220, 320, 400, 600, 800 e 1200 mesh, polidas utilizando pasta de diamante com granulometria de 3 µm e 1µm e atacas com solução de ácido pícrico (2g) e cloreto de ferro (2g) em água destilada (100ml). O ataque consistiu em se recobrir a superfície da amostra polida com uma película de detergente neutro e esfregar um chumaço de algodão embebido no reagente químico por 1 minuto. RESULTADOS E DISCUSSÃO Para os ensaios com deformação abaixo da crítica foram obtidos as seguintes curvas mostradas nas Figuras: 2, 3 e 4. Figura 2 - Ensaios isotérmicos com duas deformações realizados a 1050ºC, com deformação 0,2 e tempo entre passes de 1s. Figura 3 - Ensaios isotérmicos com duas deformações realizados a 1050ºC, com deformação 0,2 e tempo entre passes de 5s. Figura 4 - Ensaios isotérmicos com duas deformações realizados a 1050ºC, com deformação 0,2 e tempo entre passes de 40s. Comparando a Figura 3 com a Figura 2 é possível notar que com o aumento do intervalo entre passes a σr, tensão de recarregamento, diminui consideravelmente em relação a σ0, tensão do inicio do escoamento plástico na primeira deformação, isso deve-se não só a recristalização estática, que ocorreu nos dois ensaios, mas também a recuperação que foi mais intensa no ensaio da Figura 3 devido ao maior intervalo de tempo que permitiu uma maior restauração do material após a deformação a quente. 5497

5 Para os ensaios com deformação acima da crítica foram obtidos as seguintes curvas mostradas nas Figuras: 5, 6 e 7. Figura 5 - Ensaios isotérmicos com duas deformações realizados a 1050ºC, com deformação 1,2 e tempo entre passes de 1s. Figura 6 - Ensaios isotérmicos com duas deformações realizados a 1050ºC, com deformação 1,2 e tempo entre passes de 5s. Figura 7 - Ensaios isotérmicos com duas deformações realizados a 1050ºC, com deformação 1,2 e tempo entre passes de 40s. Ao analisarmos o resultado da Figura 4, notamos que não houve muita variação da tensão de recarregamento, logo concluímos que para intervalos entre passes maiores que 5 segundos pouco se afeta o processo de recuperação do material. Para os ensaios com deformação de 0,2 era esperado que o material sofre-se apenas recristalização estática, pela aplicação de uma deformação abaixo da crítica do material, que é 0,49 (8) ; e para os ensaios feitos com deformação de 1,2 mostrados nas Figuras: 5, 6 e 7, pelo ensaio ter sido realizado com deformação acima da crítica era esperado que esse material sofre-se recristalização dinâmica, oque de fato ocorreu e pode ser confirmado pelo formato observado nas figuras abaixo que fazem o formato de uma deformação dinâmica, semelhante ao descrito na literatura. Observa-se nas Figuras: 5, 6 e 7, que para todos os tempos entre passes a tensão de recarregamento apresentou pequenas variações. 5498

6 Para quantificar a fração de amaciamento entre deformações foi feita a Tabela 2 calculando o parâmetro de amaciamento como descrito na equação (C), mostrando a variação do amaciamento para diferentes intervalos entre passes. Tabela 2 - Parâmetro de amaciamento PA (%) calculado para as curvas de escoamento plástico nos ensaios de deformação isotérmicos com duas deformações de 0,2 e 1,2. Deformação 0,2 1,2 Tempo entre passes (s) Amaciamento (%) 1 45, , De acordo com o resultado obtido nota-se para deformação de 0,2 o aumento gradativo do amaciamento que o material sofre com o aumento do intervalo entre passes e que com tempo entre passes de 40 segundos o material se recristaliza totalmente. Já para deformações de 1,2 podemos notar que mesmo em pequenos intervalos entre passes o material se recristalizou totalmente, isso é explicado pelo fato de que como a deformação utilizada no ensaio é maior que a deformação crítica para início da recristalização dinâmica para essa temperatura, pode-se inferir que a recristalização se inicia no primeiro passe dinamicamente e no intervalo entre passes tem-se a recristalização metadinâmica agindo também na restauração do material. Desse modo fica evidente como a recristalização metadinâmica causa um grande amaciamento do material e que a deformação tem um efeito significativo na restauração do material, para uma mesma temperatura de deformação. Na figura 8 é possível observar a metalografia observada na região deformada para cada ensaio. 5499

7 A B C D E F Figura 8 Metalografia da região deformada para cada ensaio. (A) Def. 0,2 e 1s, (B) Def. 0,2 e 5s, (C) Def. 0,2 e 40s, (D) Def. 1,2 e 1s, (E) Def. 1,2 e 5s, (F) Def. 1,2 e 40s As metalografias se mostraram coerentes com o parâmetro de amaciamento calculado para cada ensaio. CONCLUSÕES O parâmetro de amaciamento teve aumento proporcional ao intervalo entre passes para deformações abaixo da deformação crítica. Já para deformações acima da deformação crítica o parâmetro calculado foi de 100%. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1 JORGE Jr, A. M.; BALANCIN, O. Ensaio de torção: Um método para o estudo da trabalhabilidade a quente dos materiais metálicos. REM, Ouro Preto, v. 46, n. 1/3, p , jan-set BARBOSA, R. A. N. M.; BORATTO, F. J. M.; SANTOS, D. B. Fundamentos da laminação controlada. Belo Horizonte: UFMG, cap.1, 2, 8 e 9, p DIETER, E. G., Metalurgia Mecânica. 2. Ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan S.A, cap.10, p JORGE Jr, A. M.; BALANCIN, O.; REGONE, W. Effects of competing hardening and softening mechanics on the flow stress curve modeling of ultra-low carbon steel at high temperature. Jornal of Materials Processing Technology, v.142, , mar

8 5 BORATO, F.;YUE, S.; JONAS, J.J.; LAWRENCE, T. Projeto de esquemas de laminação controlada através de ensaio de torção computadorizado. COLAM-ABM, São Paulo, Brasil, SICILIANO Jr, F. Mathematical modeling of the hot strip Rolling of Nb microalloed steels. Montreal, Canada: Ph.D Thesis, McGill University, PADILHA, A. F.; SICILIANO Jr, F. Encruamento, recristalização, crescimento de grão e textura. 3ª Edição. São Paulo: ABM, cap.10, p BARCELOS, M. V.; VIEIRA, E. A.; OLIVEIRA, N. J. L. ; MACHADO, M. L. P. Análise do comportamento mecânico de um aço estrutural através de ensaios de torção. REM: R. Esc. Minas, Ouro Preto, 66(3), , jul. set ANDRADE. H.; AKBEN. M.G.; JONAS.J.J. Effect of molybdenun, niobium, and vanadium on static recovery and recrystalization and on solute strengthening in microalloyed steels. Metallurgical Transaction. A., v. 14, p , ANALYSIS THE BEHAVIOUR OF MICROSTRUCTURAL STEEL BY HOT TORSION TEST WITH TWO STRAINS ABSTRACT Due to the need for greater control of metallurgical properties and microstructure during the rolling mill of steels and reducing operational costs such as sampling, it is increasingly necessary studies about manufacturing processes and conformation of steels to optimize productivity and improve the properties of the material produced. An efficient method that has low cost is the hot torsion test, which consists of an experimental technique able to reproduce the conditions of hot rolling. The hot torsion tests can be performed in different cycles. In this study, tests were performed in continuous deformation with two torsion. Key-words: Rolling mill; structural steel, torsion test. 5501