ANÁLISE DA MICROESTRUTURA DE UM AÇO BIFÁSICO TRATADO POR TÊMPERA E PARTIÇÃO

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1 ANÁLISE DA MICROESTRUTURA DE UM AÇO BIFÁSICO TRATADO POR TÊMPERA E PARTIÇÃO J. R. Vitorino; R. L. B. Santos; R. N. Penha; M. L. N. Motta Melo; E. O. Corrêa UNIFEI Universidade Federal de Itajubá, IEM Instituto de Engenharia Mecânica Av. BPS, 1303 CEP , Bairro Pinheirinho, Itajubá-MG jarbasrvito@gmail.com RESUMO Grandes exigências do mercado siderúrgico, como durabilidade e desempenho por exemplo, tiveram como consequência o surgimento dos materiais de alto desempenho, dentre eles os aços avançados de alta resistência (AHSS). Para o desenvolvimento de projetos de fabricação mais adequados, bem como a melhora de parâmetros como otimização de tempo, redução de custos, melhor aplicabilidade, padronização de processos de fabricação entre outros torna-se crucial uma caracterização adequada e rigorosa desses materiais. Devido a tal importância, o objetivo deste trabalho consiste em identificar e quantificar microconstituintes como ferrita e martensita na microestrutura do aço DP980 submetido a tratamento térmico, por microscopia óptica, após ataque químico por nital (método heat-tinting e método convencional), além da verificação da eficiência de cada método utilizado. Palavras-Chave: têmpera e partição, aços avançados, heat-tinting, análise microestrutural. INTRODUÇÃO As grandes exigências do mercado demandam uma evolução constante dos materiais. Durabilidade, versatilidade, resistência e desempenho por exemplo, são parâmetros que desde 1990 devido à crise do petróleo são tratados de forma especial, 6922

2 e por consequência, surgem os aços avançados de alta resistência (Advanced High Strength Steels AHSS), que se sobressaem a outros materiais no que se refere a redução de custos e fácil processamento. Posteriormente os aços bifásicos surgem com a necessidade do contínuo melhoramento dos aços já existentes (1). O processo de têmpera nos aços consiste do aquecimento do material a uma temperatura específica da área austenítica, e posteriormente seu resfriamento rápido necessariamente abaixo da temperatura Ms, para obtenção da martensita (2). Com o objetivo de gerar microestruturas compostas por martensite e austenita retida, em 2003 foi introduzido o conceito do tratamento térmico por têmpera e partição (3-4). A estabilização da austenita retida é provocada pela partição do carbono, em que o carbono presente na martensita deve se difundir para a austenita, estabilizando-a. O aumento na quantidade de austenita retida, aliada à sua estabilização pode ser usada para a alteração de algumas propriedades mecânicas do material, como por exemplo a melhorar a resistência à fratura de aços de alta resistência e baixa liga (4). Atualmente parâmetros como otimização de tempo, aplicabilidade, redução de custos, padronização de processos de fabricação entre outros, também se tornaram cruciais e tornam a interdisciplinaridade essencial, e a engenharia de materiais um fator fundamental na área de pesquisa para o setor siderúrgico. Portanto, a caracterização adequada desses materiais, além de identificar microestruturas presentes, facilita a adequação dessas microestruturas conforme o objetivo desejado, como por exemplo, a minimização da perda de ductilidade sob maiores níveis de resistência mecânica (1-5). Baseado na importância da caracterização dos materiais de alto desempenho, e a compreensão de seu comportamento, utilizou-se neste trabalho ataques químicos corrosivos, e de fácil manuseio, o que permitiu a identificação da fase ferrítica e martensítica das demais fases por microscopia ótica. Para a identificação de precipitação de carbonetos, por exemplo, o que não é o objetivo deste trabalho, fazse necessária a utilização de outras técnicas como metalografia colorida ou mesmo a microscopia eletrônica de varredura (MEV). MATERIAIS E MÉTODOS O material como recebido foi laminado a frio, e, a partir deste, no Laboratório de Tecnologia Mecânica (LTM) da Universidade Federal de Itajubá, os corpos de 6923

3 prova foram confeccionados com dimensões de 100 mm de comprimento e 1,25 mm de espessura para tratamento térmico e a análise microestrutural. Os tratamentos térmicos foram realizados com os corpos de prova imersos em banho de sais e utilizando-se fornos industriais. A Figura 1 apresenta a sequência de realização do tratamento térmico. Na primeira parte do tratamento ocorre a austenitização na temperatura de 860 C durante o período de 15 minutos, seguida da têmpera parcial com resfriamento rápido para a temperatura de 390 C onde é formada a martensita, imediatamente após esta etapa realiza-se a partição na temperatura de 430 C durante 5 segundos, em que o carbono presente na martensita deve se difundir para a austenita, estabilizando-a. Por fim ocorre o resfriamento a temperatura ambiente por imersão em água. Figura 1: Esquema da sequência de tratamento térmico Para as análises metalográficas seguiu-se para todos os corpos de prova os procedimentos de seccionamento, embutimento, lixamento e polimento. Para o seccionamento dos corpos de prova foi utilizado a máquina de corte a disco refrigerado da marca Discotom de modo a visualizar a sua seção transversal, e o embutimento foi realizado utilizando a máquina Arotec modelo pre30 com a seção 6924

4 transversal do corpo de prova voltada para cima. As análises microscópicas para os corpos de prova submetidos ao ataque químico pelo método heat-tinting foram realizadas utilizando o microscópio ótico da marca Olympus modelo BX41M-LED com aumento de 1000 vezes. Um dos corpos de prova conforme recebido (sem tratamento térmico), após o polimento foi submetido ao ataque químico convencional com o reagente Nital 4% por aproximadamente 3 segundos. O outro corpo de prova sem tratamento, foi submetido ao ataque químico com o reagente Nital 5% por aproximadamente 15 segundos e imediatamente colocado no forno pré-aquecido a 260 C, e ali mantido durante o período de 2,5 horas (método heat-tinting ). Após os procedimentos descritos, ambos os corpos de prova tiveram suas seções transversais analisadas no microscópio ótico. Os dois corpos de prova tratados termicamente, após seu polimento, foram submetidos cada um, a um respectivo ataque químico (convencional e heat-tinting ) seguindo os mesmos procedimentos descritos para os corpos de prova sem tratamento. Após o término dos procedimentos, ambos os corpos de prova também tiveram suas seções transversais analisadas no microscópio ótico. RESULTADOS E DISCUSSÃO No processamento de aços bifásicos, tanto em laminação a quente ou recozimento contínuo, é verificado um baixo teor de carbono. Estes aços são constituídos basicamente por uma matriz ferrítica e ilhas de martensita, resultado do processo de têmpera, com teores desprezíveis de austenita retida e bainita (1). A Figura 2 mostra a imagem de microscopia ótica da seção transversal, dos corpos de prova sem tratamento térmico submetidos aos ataques químicos de nital (método convencional e Heat-tinting. 4% por 3 segundos. Observa-se na Fig. 2 (a) que o aço conforme recebido possui estrutura laminada, o que justifica a orientação dos grãos. É possível também observar distintamente os dois principais microconstituintes do material: a matriz ferrítica (F) fase clara, e a martensita (M) fase mais escura. O método heat-tinting tem como característica a manutenção do material a uma temperatura de 260 C por um período de tempo de 2,5 horas. Fato é que, a dada temperatura o material sofre revenimento, e a fase martensita temperada passa a possuir características de martensita revenida. Na prática, as tensões residuais são 6925

5 aliviadas, ocorre também a redução de dureza/resistência mecânica que por consequência leva ao aumento da ductilidade/tenacidade, além de prevenir trincas (1). Esse processo pode ser acompanhado da transição de fase da austenita retida para martensita, juntamente com a perda parcial da orientação dos grãos conforme mostrada da Fig. 2 (b) para o corpo de prova sem tratamento térmico. Figura 2: Microscopia ótica da seção transversal dos corpos de prova sem tratamento térmico. (a) Método convencional; (b) Método Heat-tinting Na Figura 3 observa-se que os corpos de prova tratados termicamente tiveram um aumento de martensita juntamente com a desorientação total dos grãos. No caso do ataque químico convencional (Fig. 3 (a)) as regiões de tonalidades mais escura representam a martensita (M), e as regiões com tonalidades mais claras representam agora austenita retida (A). É possível observar também pequenos pontos isolados, principalmente na fase austenítica (clara) o que pode representar indícios da precipitação de carbonetos, fazendo-se necessária a análise de MEV para sua confirmação. Para o corpo de prova submetido ao ataque químico pelo método heat-tinting (Fig. 3 (b)) nitidamente há a predominância de regiões escuras, quando se comparado ao método convencional Fig. 3 (a). Essa alteração representa a transformação da austenita em martensita ou bainita após o tratamento térmico. A fase clara representa austenita retida e possivelmente resquícios de ferrita, o que somente poderá ser confirmada através da análise do MEV ou por difração de raio X. 6926

6 Figura 3: Microscopia ótica da seção transversal dos corpos de prova tratados termicamente. (a) Método convencional; (b) Método Heat-tinting CONCLUSÃO A análise microscópica se mostrou muito eficaz, permitindo a verificação da estrutura bifásica do material, bem como o aumento na concentração de martensita gradualmente após o tratamento térmico específico. Os grãos inicialmente orientados na direção de laminação, para o corpo de prova sem tratamento térmico, obtiveram orientação parcial dos grãos após o ataque químico pelo método heat-tinting. Porém, após o tratamento térmico os grãos perderam totalmente sua orientação. O método heat-tinting não se mostrou adequado para a caracterização do aço DP980, pois os corpos de prova submetidos a este ataque químico sofreram alterações ocasionadas pelo aumento da temperatura característica da aplicação do próprio método, uma vez que este método submete esses materiais a uma dada temperatura e por um determinado período de tempo que faz que com o mesmo sofra o processo de revenimento. AGRADECIMENTOS Agradecimentos a Durferrit pela doação dos sais utilizados na realização do tratamento térmico deste trabalho. 6927

7 REFERÊNCIAS 1. GORNI, A. A. Aços Avançados de Alta Resistência: microestrutura e propriedades mecânicas. Corte e Conformação de Metais, São Paulo, p , dezembro GRACIOSO, J. F. F. Efeito das condições de têmpera na microestrutura e propriedades mecânicas de um aço inoxidável martensítico fundido CA6NM f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, SPEER, J. G. MATLOCK, D. K. De COOMAN, B. SCHROTH,J.G. Carbon Partitioning into Austenite after Martensite Transformation. Acta Materialia. v. 51, n. 9, p , MARTINS, U. M. Estudo do comportamento mecânico de aços TRIP após tratamento de têmpera e partição f. Trabalho final de graduação (Bacharel em Engenharia Automotiva) - Universidade Federal de Santa Catarina, Joinville, MEDINA, H. V. Materiais Avançados: novos produtos e novos processos na indústria automobilística. Produção, Belo Horizonte, v. 8, n. 1, p , julho ANALYSIS OF THE MICROSTRUCTURE OF DUAL-PHASE STEEL TREATED BY QUENCH AND PARTITIONING ABSTRACT High demands of the steel Market, such as durability and performance for example, had as a consequence the emergence of high performance steels, among them the advanced high-strength steels (AHSS). The importance of a proper and rigorous characterization of these steels allows the control of parameters such as time optimization, cost reduction, better applicability, and standardization of manufacturing processes among others. Due to such importance, the objective of this paper consisting of identifying and quantifying microconstituents such as ferrite and 6928

8 martensite in the microstructure of the steel DP980 subjmitted to thermal treatment, by optical microscopy, after chemical etching by Nital (Heat-tinting and conventional methods), besides checking the efficiency of each method used. Key-words: quench and partitioning, advanced steels, heat-tinting, microstructural analysis 6929