AVALIAÇÃO DA TENACIDADE À FRATURA DO AÇO INOXIDÁVEL ISO EM FUNÇÃO DO TAMANHO MÉDIO DAS MICROCAVIDADES

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1 AVALIAÇÃO DA TENACIDADE À FRATURA DO AÇO INOXIDÁVEL ISO EM FUNÇÃO DO TAMANHO MÉDIO DAS MICROCAVIDADES Celso Riyoitsi Sokei 1, Ruís Camargo Tokimatsu 1, Daniel Ivan Martin Delforge 1, Vicente Afonso Ventrella 1, André Emiliano Paveloski Orozco 1, Itamar Ferreira 2 1 FEIS/UNESP, Ilha Solteira, SP, Brasil, 2 FEM/UNICAMP Passeio Jaú, 208, CEP , ILHA SOLTEIRA, SP, BRASIL celso@dem.feis.unesp.br RESUMO Este trabalho apresenta uma avaliação da tenacidade à fratura do aço inoxidável ISO em função do tamanho médio das microcavidades obtidos dos exames fractográficos de amostras de aço inoxidável fraturados pelo ensaio de Impacto em diversas temperaturas e tempos de envelhecimento. A variação de temperatura influencia na precipitação das partículas de segunda fase deste aço inoxidável austenítico de alto teor de nitrogênio que são utilizados na fabricação de implantes ortopédicos. Análise por espectroscopia de energia dispersiva (EDS) mostram que entre as partículas de segunda fase presentes estão as fases intermetálicas como a fase Z e a fase Chi. Observa-se que existe uma boa concordância nas curvas de tenacidade à fratura com a curvas de variações do tamanho médio destas microcavidades. Elas atuam como focos de fratura, interferindo na nucleação e na propagação de uma trinca. Palavras-chave: Tenacidade à Fratura, Fractografias, Fases intermetálicas e EDS. INTRODUÇÃO A tenacidade de um determinado material é uma medida da energia absorvida, antes e durante o processo de fratura. Um material é tenaz se ele 6053

2 absorve apreciável quantidade de energia. O dano que pode ocorrer em um componente, principalmente se houver a presença de um concentrador de tensão, vai depender basicamente da capacidade do material absorver deformações plásticas localizadas e provocar a formação de uma região deformada na ponta da trinca. Um arredondamento da ponta da trinca retarda a ocorrência de uma fratura catastrófica. Entretanto, qualquer efeito que afete a capacidade de deformação do material, afetará também as suas características de fratura (Hertzberg, 1996). A fratura pode ser definida como uma separação ou uma fragmentação de um corpo sólido em duas ou mais partes, sob a ação de uma tensão. Existem dois tipos de variáveis que influenciam o comportamento mecânico de metais e ligas metálicas: as variáveis metalúrgicas e as variáveis externas ao material (Ferreira, 1987). Entre as variáveis metalúrgicas podem ser citados o tamanho de grão e as partículas de segunda fase e essas são influenciadas pela quantidade, forma, distribuição e natureza dessas partículas(ferreira, 1987). A elevação da ductilidade, com o aumento do espaçamento entre partícula, é um assunto já bastante conhecido (Tokimatsu, 1995). Mais recentemente, foi também postulado que o mesmo efeito era observado na tenacidade à fratura. Vários estudos mostram que existe uma boa correlação entre o espaçamento entre partículas e a tenacidade à fratura (Tokimatsu, 1995). Argon et al., (1975) estudaram o papel do estado de tensões para nucleação de cavidades em partículas. Através de cálculos pelo método de elementos finitos, avaliaram os valores das tensões e deformações locais para nucleação de microcavidades. Constataram que a formação de microcavidades é controlada por uma tensão critica interfacial. Desenvolveram também um critério para tensão crítica interfacial, baseado em um modelo de discordâncias. Normalmente, assume-se que o CTODc é, aproximadamente, igual ao diâmetro das microcavidades (Shwalbe, 1977). Além disso, tem sido observado também que existe uma boa correlação entre o tamanho médio das cavidades e o espaçamento entre partículas ( ) (Schwalbe, 1977). Quando cresce, as microcavidades tendem a ser maiores. Por outro lado, com a redução de, as 6054

3 microcavidades tendem a ser menores porque o processo de crescimento é interrompido pelo choque prematuro das cavidades. A tenacidade tende a ser mais elevada quando somente partículas pequenas envolvidas estão envolvidas na nucleação das microcavidades. Por outro lado, se apenas partículas grandes estiverem envolvidas na nucleação de microcavidades, a tenacidade tende a ser baixa. Entretanto, se a nucleação de microcavidades resultar de uma população duplex de partículas (partículas grandes e pequenas), a tenacidade tende a ser mais baixa ainda, mais baixa inclusive quando apenas partículas grandes estão envolvidas. Isso porque, nos sistemas onde ocorre população duplex de partículas, a tenacidade é muito baixa porque o crescimento das microcavidades são, prematuramente, interrompidas pela formação de lâminas de cavidades (void sheet) (Tokimatsu, 1995). A teoria de Orowan-Ashby pode ser utilizada para explicar por que as partículas de segunda fase provocam um aumento na resistência mecânica nos materiais ( Meyers e Chawla, 1982). Observa-se que o endurecimento por precipitação aumenta com a diminuição do tamanho do precipitado e com aumento da fração volumétrica do precipitado. Mas, concomitantemente ao aumento da resistência do aço com precipitação, há como visto, uma diminuição da tenacidade à fratura. MATERIAIS E MÉTODOS O material utilizado como fonte de estudo é o aço inoxidável austenítico ISO , produzido experimentalmente pela Indústria Villares Metals S/A e fornecido pela Baumer Ortopedia S/A de Mogi Mirim SP, em forma de barras, laminadas à quente, de seção circular de 15,87 +/- 0,2mm de diâmetro, no estado solubilizado. O ensaio de impacto foi realizado numa máquina de ensaio de Impacto Charpy Heckert. O martelo pendular foi transformado numa célula de carga ou transdutor de força, porque transforma a natureza do sinal de entrada, isto é, de força para voltagem. Extensômetros elétricos de resistência, colados no martelo, são responsáveis por essa transformação do sinal, que é transmitido ao próximo elemento do sistema de medida, o condicionador e amplificador de sinais. 6055

4 Tenacidade - [Joules] 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais A caracterização microestrutural realizada no microscópio eletrônico de varredura (MEV - JEOL JXA 840A). RESULTADOS O aço inoxidável com matriz predominantemente austenítica, é composto pelo Fe-Cr-Ni, outras fases como carbonetos, fases intermetálicas, nitretos e sulfetos, podem estar presentes na microestrutura dos aços inoxidáveis austeníticos envelhecido a 873 K envelhecido a 973 K envelhecido a 1073 K envelhecido a 1173 K Tempo de envelhecimento [h] Figura 1. Tenacidade à Fratura em função da temperatura e do tempo de envelhecimento. Na Figura 1 são apresentados os resultados dos ensaios de tenacidade à fratura em função da temperatura e tempo de envelhecimento. Na Tabela 1 são apresentados os tamanhos médios das microcavidades da superfície de fratura. Tabela 1. Tamanho médio [ m] das microcavidades da superfície de fratura dos corpos de prova. Temperatura Tamanho médio das microcavidades ( m) Tempo 1hora Desvio padrão Tempo 4horas Desvio padrão Tempo 24horas Desvio padrão 873 K 5,40 3,0 5,30 3,0 5,17 3,0 973 K 5,35 2,3 4,50 2,8 3,45 2, K 3,70 2,5 3,61 2,5 2,38 1, K 5,50 3,2 5,80 3,3 4,07 2,5 Na análise fractográfica das amostras pela microscopia eletrônica de varredura (MEV) detectamos a presença do micromecanismo de fratura alveolar (dimples), como mostradas nas Figuras 2 a

5 2(a) 3(a) 2(b) Figura 2. Aço Inoxidável ISO envelhecido a 873 K em 4 e 24 h. 3(b) Figura 3. Aço Inoxidável ISO envelhecido a 973 K em 4 e 24h. 4(a) 5(a) 4(c) Figura 4. Aço Inoxidável ISO envelhecido a 1073 K em 4 e 24 h. 5(c) Figura 5. Aço Inoxidável ISO envelhecido a 1173 K em 4 e 24 h. As fractografias apresentadas para todas as condições, exibem a fratura alveolar com vazios nucleados em precipitados. 6057

6 (a) (b) (c) (d) Figura 6. Variação das dimensões das microcavidades e da tenacidade com a temperatura de envelhecimento a 873, 973, 1073 e 1173K do aço ISO , para o tempo de envelhecimento de 1, 4 e 24 horas. Observa-se pelas Figuras 6.(a) a 6(d) que existe uma tendência da curva da tenacidade e da curva da variação das dimensões da microcavidades terem o perfil semelhante, visto que a tenacidade diminui com a diminuição das microcavidades. Isso significa que quanto menor for a microcavidade menor é o tamanho dos precipitados e maior é quantidade desses precipitados, de forma a impedir que as microcavidades possam crescer, pois logo ela encontra uma outra microcavidade, impedindo que a matriz possa atuar no processo de fratura. Pelo EDS a composição em peso médio da fase Z é : 53,00%Nb 29,73%Cr 11,35%Fe, e a fase Chi tem composição média de: 61,36%Fe 23,15%Cr 9,38%Ni 2,24%Mo 3,25%Mn. 6058

7 DISCUSSÃO E CONCLUSÃO Analisando as superfícies de fratura dos corpos de provas, nas diversas condições simuladas, observa-se o micromecanismo de fratura alveolar. As microcavidades (dimples) sempre têm forma irregular devido ao fato de os microvazios acontecerem de forma aleatória, porém, a forma que aparecem ao microscópio depende do sistema de tensões que estava atuando durante sua formação e do ângulo de observação no microscópio, tendo neste caso a formação de dimples equiaxiais pois as tensões atuantes são predominantemente de tração. Relacionando com a energia absorvida no ensaio Charpy, nota-se um aumento progressivo do tamanho das microcavidades (dimples) e um decréscimo da energia absorvida, partindo da condição envelhecida a 873 K por 1h tendo como ponto de máximo a condição de envelhecimento a 1073 K por 24h, onde nesta condição o tamanho médio das microcavidades (dimples) é de 2,38 m e a energia absorvida em torno de 30 Joules. As fractografias, apresentadas para todas as condições, exibem a fratura alveolar com vazios nucleados em precipitados ou inclusões intermetálicas. As partículas arredondadas tendem a sofrer decoesão com a matriz, mantendo-se inteiras, enquanto que as partículas aciculares apresentam-se fragmentadas. O tamanho dos alvéolos é, geralmente, grande para amostras que apresentaram altos valores de tenacidade. O material tratado em 800 C, por 24 horas, apresentou uma distribuição mais refinada de alvéolos do que as demais condições analisadas, o que sugere uma distribuição mais próxima de partículas de precipitados. REFERÊNCIAS ARGON, A.S. & IM, J. Separation of second phase particles in spheroidized 1045 steel, Cu-0,6Pct Cr alloy, and maraging steel in plastic straining. Metall. Trans. A, v.6a, p , April FERREIRA I., Tenacidade à fratura, em condições elasto-plásticas, das ligas de alumínio de alta resistência do tipo Al-6Zn-2Mg-xCu. Campinas: Faculdade de Engenharia Mecânica. Universidade Estadual de Campinas; 1987, 195p. Tese (Doutorado). 6059

8 HERTZBERG, R.W. Deformation and fracture mechanics of engineering materials. 4.ed. New York: John Wiley & Sons, 786 p., INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION, Geneva. ISO ; Implants for surgery Metallic materials. Part 9: Wrought high nitrogen stainless steel. Geneva, 7 p., MEYERS, M. A., CHAWLA, K. K. Fratura e tenacidade à fratura. In:. Princípios de metalurgia mecânica. São Paulo: Edgard Blücher, p SCHWALBE, K.H. On the influence of microstructure on crack propagation mechanisms and fracture toughness of metallic materials. Engineering Fracture Mechanics, v.9, p , TOKIMATSU, R. Influência de Parâmetros Microestruturais e Procedimentos de Ensaio, no Comportamento Mecânico de um Aço de Ultra-Alta Resistência e Baixa Liga. Campinas: Faculdade de Engenharia Mecânica. Universidade Estadual de Campinas; 1995, 440p. Tese (Doutorado). EVALUATION OF THE FRACTURE TOUGHNESS OF THE ISO STAINLESS STEEL IN FUNCTION OF THE MEDIUM SIZE OF MICROCAVITIES ABSTRACT This work presents an evaluation of the fracture thoughness of the ISO stainless steel in function of the medium size of the microcavities obtained from fractography exams of samples of fractured stainles steel by Impact test in several temperatures and times of aging. The influences of temperature variation in the precipitation of second phase particles of this austenitic stainless steel of high nitrogen that are used in the orthopedical implant production. Analysis for energy of dispersive spectroscopy (EDS) show that between the particles of second phase presents they are the intermetalics phases as the Z phase and the Chi phase. It is observed that a good agreement exists in the curves of fracture toughness with the curve of variations of the medium size of these microcavities, because the particles of second phase perform an important role in the fracture process. They act as fracture focuses, interfering in the nucleation and crack propagation. Key-words: Fracture toughness, Fractography, Intermetallics phases and EDS. 6060