INFLUÊNCIA DO TEMPO DE TRANSFORMAÇÃO ISOTÉRMICA SOBRE AS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE UM AÇO API-5L-X80 MULTIFÁSICO

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1 INFLUÊNCIA DO TEMPO DE TRANSFORMAÇÃO ISOTÉRMICA SOBRE AS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE UM AÇO API-5L-X80 MULTIFÁSICO Marques, G.D.; Alves, L.G.R., Roza, J.E., Hashimoto, T.M., Pereira, M.S. Faculdade de Engenharia - Campus de Guaratinguetá UNESP Universidade Estadual Paulista Av. Ariberto Pereira da Cunha, CEP Guaratinguetá SP - Brasil Tel.: (0xx12) Fax.: (0xx12) marcelop@feg.unesp.br ABSTRACT In this study a API-5L-X80 steel was intercritically annealed at C for 30 minutes and then kept at C in a isothermal holding temperature for 30 seconds, 3 minutes, 10 minutes and 30 minutes, followed by water quenching to room temperature. The volumetric fraction of retained austenite had been analysed and quantified by metallographic analysis. The results indicate that mechanical properties of API-5L-X80 were affected by the volumetric fraction of retained austenite, mainly tensile strength and elongation. Furthermore the time of permanence in the isothermal holding temperature of three minutes allows the material to reach the best combination of tensile strength and ductility. RESUMO Um aço API-5L-X80 foi submetido a um recozimento intercrítico a uma temperatura de C seguido de manutenção na temperatura isotérmica de C por 30 segundos, 3 minutos, 10 minutos e 30 minutos. Através de análise metalográfica foi quantificada a fração volumétrica de austenita retida. Os resultados mostraram a influência da fração volumétrica de austenita retida sobre as propriedades mecânicas do aço API-5L-X80, especialmente a resistência à tração e alongamento. Conclui-se que um tempo de permanência na temperatura de transformação isotérmica de 3 minutos, permite ao material atingir a melhor relação resistência-ductilidade. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 36801

2 PALAVRAS-CHAVE Efeito TRIP, Aços Multifásicos, Austenita Retida, Bainita e Análise de Imagens. INTRODUÇÃO TEÓRICA Os aços bifásicos, cuja estrutura consiste basicamente de ferrita e martensita, vêm sendo usados em muitos componentes automotivos, tais como rodas, barras de proteção e pára-choques [1, 2]. Apesar da resistência à tração desses aços atingirem níveis entre 500 MPa e 1000 MPa, existe atualmente a necessidade da utilização de aços que aliem propriedades de alta resistência, boa conformabilidade e boa soldabilidade, o que vai além do que os aços bifásicos oferecem [1, 2, 3]. Na indústria automobilística, um aumento da resistência mecânica do aço significa redução no peso e conseqüente diminuição no consumo de combustível do veículo, enquanto na indústria de tubulações o aumento da tenacidade à fratura evita falhas catastróficas. Diante destas necessidades os aços trifásicos, constituídos de ferrita, bainita e austenita retida, começaram a ser aplicados. Esses aços também conseguem aliar boas propriedades de resistência mecânica e ductilidade [1, 2, 3]. Essa combinação, além de outros fatores, é dada pela austenita retida, que é predominantemente controlada pela composição química e pelo tratamento térmico ao qual o material foi submetido. Quando submetemos os aços trifásicos a um recozimento intercrítico, seguido de uma transformação isotérmica na zona de transformação bainítica, estes tendem a conter austenita retida, que pode chegar a 25 %, em volume. Com isso a resistência à tração ultrapassa a 1000 MPa e o alongamento chega a 30 %. Essas propriedades superiores são atribuídas ao efeito TRIP (Transformation-induced-plasticity) [4, 5]. O princípio dos aços TRIP, descoberto por Zackay et al [6], é a transformação, através de uma tensão induzida, de uma parte da austenita retida em martensita, resultando no aumento da resistência mecânica. A presença de austenita retida na microestrutura aumenta a tenacidade, visto que um efeito TRIP localizado ocorre na ponta de uma eventual trinca, causado pela CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 36802

3 deformação que a mesma produz. O fenômeno TRIP produz aços com alta resistência sem grandes perdas na conformabilidade [7]. Recentes estudos sobre os aços TRIP estão ligados aos benefícios da ferrita proeutetoide, da microestrutura bainítica e ao controle da microestrutura através dos tratamentos térmicos e termomecânicos, com o objetivo de obter uma microestrutura com tamanho, distribuição, quantidade e morfologia que resultem em melhoria das propriedades mecânicas [8]. A ferrita proeutetóide é a primeira fase a se formar durante a transformação que ocorre no processo de resfriamento de um aço hipoeutetóide [8]. A ferrita formada rejeita carbono para a austenita não transformada, e com isso o teor de carbono da austenita aumenta à medida que a fração volumétrica de ferrita também aumenta. Esse aumento do teor de carbono da austenita, pode chegar a um valor suficiente para saturar e estabilizar a austenita. Consequentemente a fração volumétrica da ferrita afeta diretamente a fração volumétrica final da austenita retida [8]. Alem disso, no diagrama tempo-temperatura-transformação dos aços, existe uma larga faixa de temperatura em que não há formação de perlita ou martensita. Esta estrutura intermediária é denominada bainita [9]. A bainita foi encontrada pela primeira vez por Davenport & Edgar Bain, durante seus estudos de decomposição isotérmica da austenita [10]. A bainita também pode ser formada em altas taxas de resfriamento contínuo para impedir a formação de perlita, sem no entanto formar martensita [9, 10]. Este trabalho tem como objetivo principal avaliar a influência do tempo de permanência do material na temperatura isotérmica, e consequentemente na fração volumétrica da fase austenita retida, sobre as propriedades mecânicas do aço API-5L-X80 multifásico, microligado ao Boro, quando submetido a um recozimento intercrítico a uma temperatura de C, seguido de manutenção na temperatura de transformação isotérmica a C, por 30 segundos, 3 minutos, 10 minutos e 30 minutos. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 36803

4 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS O material utilizado nesse trabalho foi o API-5L-X80 microligado ao Boro, produzido pela USIMINAS, e fornecido pela CONFAB TUBOS. Sua composição química é mostrado na Tabela 1. TABELA 1 - Composição química do aço API-5L-X80 microligado ao boro. Composição Química (% em massa) %C %B x10 2 x10 4 %Al x10 3 %Ti %S x10 3 x10 3 %Mn x10 2 %Cu x10 2 %Nb %V %P x10 2 x10 2 x10 3 %Cr x10 2 %Ni x10 2 %Mo x10 2 %N x10 4 %Si x O tratamento térmico foi composto de um recozimento, em um forno resistivo, até a temperatura intercrítica de C, onde a fase ferrítica coexiste com a fase austenítica. O material foi mantido nessa temperatura por 30 minutos. Posteriormente os CDP'S foram resfriados, sob alta taxa de resfriamento, até a temperatura isotérmica de C, mantido nessa temperatura em um forno de banho de sal por 30 segundos, 3 minutos, 10 minutos e 30 minutos, e finalmente resfriado em água, agitada a 25 0 C, gerando assim 4 condições de processamento térmico, como mostrado na Figura 1. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 36804

5 FIGURA 1 - Esquema do tratamento térmico. Os ensaios mecânicos foram realizados no Laboratório de Ensaios Mecânicos do Departamento de Materiais e Tecnologia. O equipamento utilizado foi uma máquina EMIC 1000, instrumentada através do Software National Instruments Lab VIEW, utilizado para aquisição dos dados. Os principais parâmetros analisados foram a resistência à tração, o limite de escoamento e a ductilidade. Para análise metalográfica foram realizados testes com os reagentes LePera, Nital e Metabissulfito de Sódio. Optamos então por um ataque com uma solução a base de Metabissulfito de Sódio, pois este realça a austenita retida, que então pode ser quantificada através de microscopia óptica aliada as técnicas de análise de imagens. A microscopia eletrônica de varredura foi feita em um microscópio modelo LEO-ZEISS 438-VP. Neste caso foi realizada uma análise da superfície de fratura, após o ensaio de tração. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 36805

6 RESULTADOS ANÁLISE METALOGRÁFICA As amostras metalográficas do aço API-5L-X80, após atacadas com a solução de Metabissulfito de Sódio, foram analisadas com um aumento de 400x, em um microscópio EPIPHOT, interligado a um software de análise de imagens. Os resultados da fração volumétrica de austenita retida em função do tempo de manutenção na temperatura isotérmica de C são apresentadas na Figura 2. Teor de autenita retida vs. transfromação isotérmica Teor de autenita retida [%] 6,2 7,55 6,64 6,39 6, Tempo de transformação isotérmica [s] FIGURA 2 Gráfico da evolução do teor de austenita retida em função do tempo de transformação isotérmica. A fração volumétrica de austenita retida apresentou um valor máximo de 7,55% para um tempo de 3 minutos de manutenção na temperatura isotérmica. A austenita retida mostrou-se mais estável, quando o aço API-5L-X80 foi mantido na zona de transformação bainítica por mais de 10 minutos, provavelmente em conseqüência do aumento do teor de carbono na austenita retida. A fração volumétrica dessa fase tendeu a estabilizar em um valor de 6,28%. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 36806

7 ENSAIOS MECÂNICOS A evolução de resistência à tração do aço API-5L-X80, em função do tempo de manutenção na temperatura isotérmica, é mostrada na Figura 3. Resitência à tração [MPa] Resistênica à tração vs. transfromação isotérmica Tempo de transformação isotérmica [s] 648 FIGURA 3 - Gráfico da evolução da resistência à tração em função do tempo de transformação isotérmica. Como citado no item Análise Metalográfica a maior fração volumétrica de austenita retida para o material analisado foi obtida para um tempo de transformação isotérmica de 3 minutos, e a partir deste instante, a austenita retida tende a estabilizar. Pode-se dizer que esta estabilidade da austenita seja suficiente para evitar a transformação martensítica durante o resfriamento em água, subsequente à transformação isotérmica, mas não o suficiente para evitar o efeito TRIP, que ocorre devido à energia de deformação durante o ensaio de tração. Portanto, dentro das condições de processamento térmico realizadas, pode se afirmar que, maiores frações volumétricas de austenita retida atribuíram uma maior resistência à tração ao aço API-5L-X80, inclusive com ganhos em alongamento de acordo com a Figura 4, que mostra a evolução do alongamento em função do tempo de transformação isotérmica. O valor máximo do alongamento também foi CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 36807

8 alcançado para um tempo de transformação de 3 minutos, condição onde foram alcançados o maior teor de austenita retida e a maior resistência à tração. 20,0% Alongamento vs. transfromação isotérmica Alongamento [%] 19,0% 18,0% 17,0% 19,4% 18,0% 18,2% 17,0% Tempo de transformação isotérmica [s] FIGURA 4 - Gráfico da evolução do alongamento em função do tempo de transformação isotérmica. Para o limite de escoamento os resultados seguiram a mesma tendência. A Figura 5 mostra que o maior valor de limite de escoamento foi atingido pela condição 3 minutos de transformação isotérmica, com uma subsequente estabilização a um valor de 370 MPa. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 36808

9 Limite de escoamento [MPa] Limite de escoamento vs. transfromação isotérmica Tempo de transformação isotérmica [s] 371 FIGURA 5 - Gráfico da evolução do limite de escoamento em função do tempo de transformação isotérmica. MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA FIGURA 6 Fractografia realizada por microscopia eletrônica de varredura com um aumento de 2000 vezes. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 36809

10 A microscopia eletrônica de varredura mostrou que o aço API-5L-X80, quando submetido a um recozimento intercrítico seguido de uma transformação isotérmica na zona de transformação bainítica, possui uma microestrutura constituída por fases duras e frágeis, como a martensita, e por fases dúcteis, como a ferrita. O aspecto da fratura do material analisado é do tipo mista, como pode ser visto na Figura 6, e é composta por facetas de clivagem, modo característico de fratura frágil, e principalmente por microvazios (dimples), modo característico de fratura dúctil. CONCLUSÕES A partir da análise de todos os resultados, pode-se obter as seguintes conclusões: - A condição de processamento térmico com permanência na temperatura isotérmica por 3 minutos, apresentou a maior fração volumétrica de austenita retida (7,55%). Nesta situação as propriedades mecânicas, como resistência à tração, alongamento e limite de escoamento foram superiores as outras condições. Portanto pode ser estabelecida uma relação direta entre propriedades mecânicas e fração volumétrica de austenita retida, o que é um comportamento típico de aços TRIP. - Com o aumento do tempo de permanência na zona de transformação bainítica, 10 minutos e 30 minutos, a resistência à tração tendeu a estabilizar a um valor aproximadamente de 645 MPa. - A fratura identificada pela microscopia eletrônica de varredura foi do tipo mista, ou seja, regiões com fratura do tipo dúctil (dimples) e regiões com fraturas do tipo frágil (facetas de clivagem). Esse tipo de fratura é comum em aços multifásicos já que as fases presentes apresentam níveis de resistência mecânica diferentes. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 36810

11 AGRADECIMENTOS Ao CNPq pelo apoio financeiro, ao Departamento de Materiais e Tecnologia da Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá UNESP, por oferecer suas instalações a disposição durante todo o período de realização do trabalho, e ao DEMAR / Lorena, pela realização da microscopia eletrônica de varredura. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. - W. C. JEONG, D. K. MATLOCK AND G. KRAUSS, Observation of Deformation and Transformation Behaviour of Retained Austenite in a 0,14C-1,2Si-1,5Mn Steel with Ferrite- Bainite-Austenite Structure. Materials Science and Engineering, A165, p (1993) W. C. JEONG, D. K. MATLOCK AND G. KRAUSS, Effects of Tensile-Testing Temperature on Deformation and Transformation Behaviour of Retained Austenite in a 0,14C- 1,2Si-1,5Mn Steel with Ferrite-Bainite-Austenite Structure. Materials Science and Engineering, A165, p (1993) A. ZAREI-HANZAKI, S.YUE, Ferrite Formation Characteristics in Si-Mn TRIP Steels. ISIJ International, Vol. 37, No. 6, p (1997) Y. SAKUMA, D. K. MATLOCK, AND G.KRAUSS., Intercritically Annealed and Isothermally Transformed 0,15 Pct C Steels Containing 1.2 Pct Si-1.5 Pct Mn and 4 Pct Ni: Part I. Transformation, Microstructure, and Room-Temperature Mechanical Properties. Metallurgical Transactions, Vol. 23, April (1992) I. SAMAKDAR, E. GIRAULT, B. VERLINDEN, E. AERNOUDT Y J. VANUMBEECK. Transformations During Intercritical Annealing of a TRIP-assisted Steel. ISIJ International, Vol. 38, No. 9, p (1998) E.S. DAVEMPORT and E.C. BAIN, Trans. AIME, p (1930). CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 36811

12 7. - A. BASUKI AND E. AERNOULD, Influence of rolling of TRIP Steel in the Intercritical Region on the Stability of Retained Austenite. Journal of Materials Processing Technology, p (1999) Y. SAKUMA, O. MATSUMURA, AND H. TAKECHI, Mechanical Properties and Retained Austenite in Intercritically Heat-Treated Bainite-Transformed Steel and Their Variation with Si and Mn Additions. Metallurgical Transactions, Vol. 22A. February (1991) L. J. HABRAKEN AND M. ECONOMOPOULOS. Bainitic Microestructures in Low- Carbon Alloy Steels and Their Mechanical Properties. Transformation and Hardenability in Steels, MI, p (1967) Y. OHMORI, H. OHTANI, T.KUNITAKE, The Bainite in Low Carbon Low Alloy High Strength Steels, Research Article Transactions ISIJ, Vol. 11. (1997). CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 36812