Desenvolvimento de aços bifásicos laminados a frio da classe 980 MPa para aplicações em peças com requisitos de estiramento de flange

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1 Desenvolvimento de aços bifásicos laminados a frio da classe 980 MPa para aplicações em peças com requisitos de estiramento de flange Linha de Pesquisa: Metalurgia Física Justificativa/motivação para realização do projeto: Desenvolvimento de nova concepção de aço laminado a frio da classe 980 MPa de limite de resistência, alternativo ao aço bifásico de mesmo grau (Dual Phase ou DP980) atualmente produzido em escala industrial na empresa, que possua melhor capacidade de expansão de furo comparativamente. Tal desenvolvimento permitirá ampliar o uso desse grau em peças com maiores esforços de estiramento de flange durante sua aplicação. Esse projeto é de grande relevância tendo em vista a nacionalização desse tipo de produto e seu uso no mercado interno em componentes que aumentem a segurança do condutor em novos modelos automotivos. Objetivos: Desenvolver diferentes concepções para o grau DP980 laminado a frio, buscando microestruturas mais homogêneas e com menor diferença de dureza entre os constituintes tornando-o compatível às diferentes necessidades de aplicação, sobretudo o requisito de estiramento de flange (bordas); Avaliar por meio de ensaios mecânicos (tração, expansão de furos e dobramento) a adequação das propriedades mecânicas correlacionando-as às microestruturas desenvolvidas. Estratégia experimental planejada para se alcançar os objetivos: Testar uma nova composição química, alternativa à atualmente utilizada na fabricação do aço Dual Phase grau 980 na empresa, além de variar diferentes parâmetros das temperaturas do recozimento contínuo (encharque, resfriamento lento e resfriamento rápido) objetivando melhor capacidade de expansão de furos quando comparado ao projeto atual. Alterações baseadas em literatura recente para otimizar a microestrutura quanto à essa característica. Coletar amostras do aço proposto para o desenvolvimento após recozimento contínuo em escala industrial e caracterizar as variações nas microestruturas, relacionando-as aos diferentes parâmetros testados nos resultados de propriedades mecânicas, em ensaios a serem feitos no Centro de Pesquisa da empresa. Principais referências consultadas: FANG, X.; FAN, Z.; RALPH, B.; The relationships between tensile properties and hole expansion property of C-Mn steels. Journal of Materials Science 38, 2003, p FUJITA, N., NONAKA, T., TOMOKIYO, T. et al., "Development of Ultra-High Strength Steel Sheets with Tensile Strength of 980MPa". SAE Technical, Paper , ROCHA, R. O.; MELO, T. M. F; PERELOMA, E. V.; SANTOS, D. B.; Microstructural evolution at the initial stages of continuous annealing of cold rolled dual-phase steel. Materials Science and Engineering, A 391, 2005, p XINPING, C.; HAOMING, J.; ZHENXIANG, C.; CHANGWEI, L.; Hole expansion characteristics of ultra high strength steels. Procedia Engineering 81, 2014, p

2 1. Introdução O desenvolvimento de novos materiais para a indústria automobilística buscando veículos mais leves e mais econômicos proporcionou inúmeros estudos desde a crise do petróleo na década de 70. Além disso, esse setor se viu ameaçados pela incorporação de outros materiais na construção de veículos, como alumínio, polímeros, fibra de carbono. Atualmente, fatores ambientais como redução da emissão de poluentes e, sobretudo fatores de segurança veicular impulsionam o uso de novos aços (ROCHA, 2005). Na década de 90, foi constituído um consórcio entre os principais produtores mundiais de aço para um novo conceito de automóvel, denominado ULSAB (Ultra Light Steel Body). O principal objetivo era fabricar um carro leve, seguro e eficiente. Destaque para o uso de aços avançados de alta resistência (AHSS) com mecanismos de endurecimento por transformação de fase, sendo importantes na redução da espessura e consequente peso das estruturas, garantindo ainda melhorias quanto à segurança veicular. Dentre eles podem ser citados: DP (Dual Phase), TRIP (Transformation Induced Plasticity), CP (Complex Phase) e Martensíticos (PEREIRA, 2006). A figura 1 mostra as características mecânicas e metalúrgicas desses aços, além de suas aplicações nos componentes automotivos. FIGURA 1 - (a) Utilização de AHSS em componentes automotivos (ULSAB, 2001); (b) Aspectos metalúrgicos e mecânicos dos AHSS (adaptado de ULSAB, 2001) A figura 2 mostra esquematicamente a microestrutura típica de aços bifásicos (Dual Phase). Constituídos por matriz ferrítica e ilhas de martensita (segundo constituinte), são caracterizados por possuir um conjunto especial de propriedades, como ausência de patamar de escoamento, baixa razão elástica, alto coeficiente de encruamento inicial, boa combinação entre resistência e ductilidade, além de características de bake hardenability. Por essas razões, são bastante atrativos para aplicações na indústria automotiva (BARRADO, 2003). FIGURA 2 -Microestrutura aço Dual Phase: ferrita (F) e martensita (M) (MAZAHERI, 2015) Dependendo da quantidade de martensita no aço bifásico, podem ser obtidas diferentes classes de resistência. Sempre que essa aumenta, a ductilidade do aço diminui. Quando a ferrita predomina, o aço possuirá limite de escoamento (LE) baixo e ductilidade elevada ROCHA (2005). 2

3 Em geral, na produção de aços bifásicos laminados a frio, a microestrutura final na laminação a quente é ferrita-perlita (pode haver também presença de outros constituintes). Após a laminação a frio, é realizado o recozimento no campo intercrítico (entre Ac 1 e Ac 3 ) para nucleação e crescimento da austenita que será temperada em seguida. A morfologia desta fase depende, então, das variáveis de processo no recozimento intercrítico (ROCHA, 2005). Dependendo do ciclo térmico empregado, outros constituintes, tais como bainita, perlita e/ou austenita retida, podem estar presentes na microestrutura. A martensita e a bainita são os constituintes de maior dureza no aço, com 600HV (dureza Vickers) e 400HV, respectivamente, as quais promovem elevados níveis de resistência (REED-HILL, 2009). 1.1 Composição química Um aço com alta temperabilidade é aquele no qual a austenita apresenta grande capacidade de transformar-se em martensita, mesmo quando a velocidade de resfriamento é relativamente baixa. A composição química afeta a temperabilidade dos aços principalmente o teor de carbono, e a presença de elementos de liga. O tamanho de grão austenítico também tem influência. Todos esses fatores afetam a velocidade de nucleação da ferrita e carbonetos durante o resfriamento (REED-HILL, 2009). O molibdênio é o mais efetivo elemento de liga na promoção da temperabilidade, seguido de cromo, manganês, cobre, níquel e silício. Esses elementos provocam um atraso nas transformações perlítica e bainítica durante o resfriamento. O elemento de liga mais usado no aumento da temperabilidade é o manganês, por seu baixo custo. Ele é distribuído entre a ferrita e a austenita durante o recozimento intercrítico, promovendo, deste modo, um posterior ganho na temperabilidade (PICHLER, 1999). 1.2 Ciclo Térmico O estudo de PICHLER (1999) demonstra a influência dos parâmetros do ciclo de recozimento na microestrutura do aço bifásico e nas suas propriedades mecânicas. Fatores como temperatura de encharque, resfriamento rápido (temperatura de têmpera) e taxa de resfriamento são variáveis que podem ser modificadas no sentido de buscar um aço mais apropriado de acordo com a aplicação desejada. A figura 3 ilustra o ciclo térmico da linha de recozimento contínuo e que será utilizado no trabalho. A primeira região é chamada de aquecimento até a temperatura de encharque, nesta temperatura a microestrutura será uma mistura de ferrita e austenita. Após o encharque há o resfriamento lento e enriquecimento da fração de austenita com teor de carbono mais elevado, elevando a temperabilidade da austenita para a próxima etapa. Em seguida ocorre o resfriamento rápido, ou têmpera, evitando a formação de perlita. Dependendo da taxa de resfriamento e temperatura de início e fim dessa última etapa ocorrerão diferentes frações volumétricas de segundo constituinte. FIGURA 3 Esquema do ciclo utilizado no recozimento contínuo (Arquivo interno empresa) A temperatura de encharque ganha maior influência com o aumento do grau de resistência nos aços bifásicos. No trabalho de PICHLER (1999) verificou-se que quando comparados 3

4 graus DP500 e DP600 as variações de limite de escoamento (LE) e de resistência (LR) são mais pronunciadas para DP600, principalmente em altas temperaturas de encharque. Ao aumentar o tempo de encharque, aumenta-se também o volume de martensita (MAZAHERI, 2015). No mesmo trabalho de PICHLER (1999), observa-se a variação do LE e LR em função da temperatura de início de resfriamento rápido (temperatura de têmpera): quanto maior a temperatura de início maiores os valores de LE e LR. Esta elevação pode ser explicada em função da maior fração volumétrica de martensita. A taxa de resfriamento no resfriamento rápido também tem influência: quanto menor a taxa maior a proporção de bainita e perlita em substituição à martensita (PICHLER, 2000). No estudo de BARRADO (2003) para o aço DP980 é observado que o LE é influenciado principalmente pela temperatura de encharque, e o LR pelas temperaturas de encharque e superenvelhecimento, o que motiva os ciclos propostos para teste no presente projeto. 1.3 Aplicação de aços bifásicos da classe 980 MPa de limite de resistência O uso de materiais com limite de resistência entre 980 MPa e 1180 MPa é limitado à peças como lâminas de para-choques ou vigas de portas, em função da maior dificuldade de conformação. Dessa forma, existe a real necessidade de produzir variações dessa classe de aço com características adequadas a outras aplicações, como a capacidade de expansão de furos. A figura 4 mostra relações entre microestrutura e expansão de furos (FUJITA, 2007). FIGURA 4 Relação da microestrutura do aço bifásico e expansão de furos (FUJITA, 2007) A propriedade de expansão de furos é também chamada de estiramento de flanges. Mede a porcentagem de expansão até o momento que a trinca ocorre no ensaio (FANG, 2003). É medida através de um punção introduzido em um furo de 10 mm de diâmetro, conforme equação 1 (figura 5). Quanto maior o valor da razão (λ), melhor para a aplicação que necessita desse requisito (PAUL, 2014). FIGURA 5 Esquema do ensaio de expansão de furos (PAUL, 2014) Normalmente o alongamento e a razão de expansão de furo tornam-se piores com o aumento da resistência. Uma efetiva maneira de suprimir tais degradações é controlar a microestrutura. O recozimento contínuo é peça chave nesse processo. (FUJITA, 2007). Visando alto alongamento, a mistura de ferrita e martensita é muito efetiva. Para obter excelente capacidade de expansão de furos, a microestrutura homogeneizada é necessária. Os 4

5 contornos entre fases macia e dura podem ser frágeis e iniciarem microtrincas ou vazios. É necessário reduzir a diferença de dureza entre as fases. Ao reduzir carbono e adicionar silício, leva-se ao decréscimo da formação de carbonetos grosseiros que pioram a capacidade de expansão de furos. Para obter uma microestrutura mais homogênea é necessário recozimento em alta temperatura para austenitização e resfriamento rápido suficiente para pouca nucleação de ferrita, resultando em abundância de bainita, tornando uma microestrutura praticamente bainítica. O trabalho de FUJITA (2007) apresenta algumas dessas características na tabela I. Também deve-se reduzir enxofre e controlar inclusões (adicionar cálcio) (FANG, 2003). TABELA I Microestruturas e propriedades mecânicas para cada tipo de aço bifásico da classe de 980 MPa de resistência (FUJITA, 2007). O presente trabalho visa desenvolver aços bifásicos da classes de 980 MPa com foco em aplicações com requisito de expansão de furos através de adequações em composição química do aço do mesmo grau atualmente produzido na empresa e variações de ciclo de recozimento. 2. Materiais e Métodos Para o presente projeto de pesquisa são consideradas alterações na composição química do DP980 vigente, conforme tabela II. Tais mudanças (reduzir C e S, adicionar outras ligas) buscam uma microestrutura mais homogênea e compatível ao requisito de expansão de furos. TABELA II Composições químicas dos aços DP980 experimental e atual (% em peso). Com relação aos ciclos, pretende-se avaliar diferentes combinações entre temperaturas de encharque (780, 800, 820 ºC), resfriamento lento (650, 710 C) e resfriamento rápido (260, 310, 350 C) em escala industrial. Haverá coleta de amostras das bobinas laminadas a frio e recozidas para caracterizar as suas microestruturas e propriedades mecânicas. Serão realizados ensaios de tração à temperatura ambiente, dobramento, expansão de furos. A caracterização microestrutural será por microscopia ótica (Zeiss Axio Imager M2M) e eletrônica de varredura (Zeiss Evo 50). Haverá medição das frações volumétricas e contagem dos constituintes. 3. Infraestrutura e Recursos Necessários Toda a infraestrutura e recursos necessários à execução do estudo proposto serão disponibilizados internamente pela empresa. Os ensaios serão realizados no seu Centro de Pesquisa, a partir de amostras do aço em escala industrial relativo ao desenvolvimento. Estas serão coletadas nos extremos de bobinas (topo e/ou base) após recozimento contínuo. 4. Cronograma de Execução Pretende-se cumprir o cronograma como exposto a seguir: 5

6 5. Referências Bibliográficas BARRADO, F. S.; MELO, T. M. F.; CÂNDIDO, L. C. GODEFROID, L. B.; Efeito de parâmetros do recozimento contínuo nas propriedades mecânicas em tração de aço dual phase. 40º Seminário de Laminação da ABM, Vitória, ES, outubro de FANG, X.; FAN, Z.; RALPH, B.; The relationships between tensile properties and hole expansion property of C-Mn steels. Journal of Materials Science 38, 2003, p FUJITA, N., NONAKA, T., TOMOKIYO, T. et al., "Development of Ultra-High Strength Steel Sheets with Tensile Strength of 980MPa". SAE Technical, Paper , MASAHERI, Y.; KERMANPUR, A.; NAJAFIZADEH, A.; Nanoindentation study of ferrite-martensite dual phase steels developed by a new thermomechanical processing. Materials Science & Engineering A 639, 2015, p PAUL, S. K.; MONIDEEPA, M.; SAURABH, K.; CHANDRA, S.; Prediction of hole expansion ratio for automotive grade steel. Comp. Materials Science 89, 2014, p PEREIRA, M. S.; ABDALLA, A. J.; MEI, P. R.; HASHIMOTO, T. M.; Desenvolvimento de Aços Bifásicos, Multifásicos e IF em consonância com o Projeto ULSAB-AVC. 17º Cong. Brasileiro de Eng. e Ciência dos Materiais, Foz do Iguaçu, PR, 2006, p PICHLER, A.; TRAINT, S.; ARNOLDNER, G. et al; Phase Transformation During Annealing of Cold-Rolled Dual Phase Steel Sheet, 42 nd MWSP, I.S.I., v.38, 2000, p PICHLER, A; HRIBERNIG, G.; TRAGL, E. et al; Aspects of the production of dual phase and multiphase steel strips, 41 st MWSP, Iron Steel Institute, v. 37, 1999, p REED-HILL, R.E.; Physical Metallurgy Principles. 4th edition, 2009, p ROCHA, R. O.; MELO, T. M. F; PERELOMA, E. V.; SANTOS, D. B.; Microstructural evolution at the initial stages of continuous annealing of cold rolled dual-phase steel. Materials Science and Engineering, A 391, 2005, p ULSAB-AVC CONSORTIUM; Technical Transfer Dispatch # 6. ULSAB-AVC Body Structure Materials, Appendix III, XINPING, C.; HAOMING, J.; ZHENXIANG, C.; CHANGWEI, L.; Hole expansion characteristics of ultra high strength steels. Procedia Engineering 81, 2014, p