A INFLUÊNCIA DE DIFERENTES MICROESTRUTURAS NA TENACIDADE À FRATURA E NA DUREZA DE UM AÇO LNE 380 TEMPERADO EM DIFERENTES TEMPERATURAS

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1 A INFLUÊNCIA DE DIFERENTES MICROESTRUTURAS NA TENACIDADE À FRATURA E NA DUREZA DE UM AÇO LNE 380 TEMPERADO EM DIFERENTES TEMPERATURAS A. N. O. Dias, (1); M. R. Baldissera, (1); A. Y. Oshiro, (2); G. C. Coelho, (3), A. S. Paula, (4); G. Rodrigues, (1). 1) UNIFEI/IEM - Universidade Federal de Itajubá - Instituto de Engenharia Mecânica. Avenida BPS, 1303, bairro Pinheirinho, CEP , Itajubá MG. aottoboni@yahoo.com.br 2) UniFOA Centro Universitário de Volta Redonda 3) USP/EEL Universidade de São Paulo Escola de Engenharia de Lorena 4) UFF/EEIMVR Universidade Federal Fluminense Escola de Engenharia Industrial Metalúrgica de Volta Redonda RESUMO Os aços bifásicos apresentam propriedades mecânicas que os tornam importantes na produção de estruturas veiculares mais leves. Estas propriedades estão diretamente relacionadas à sua microestrutura. Este trabalho analisou a evolução das propriedades mecânicas de um aço bifásico obtido a partir do aço tipo LNE 380 em função das frações volumétricas de ferrita e martensita. A determinação da região intercrítica e das frações volumétricas de ferrita e martensita foi realizada via simulação computacional. A partir dos resultados obtidos pela simulação computacional, foram feitas têmperas em diferentes temperaturas para produzir amostras com microestruturas bifásicas ferríticas-perlíticas, ferríticas-martensíticas e também monofásicas constituídas apenas por martensita. A caracterização foi realizada por microscopia óptica quanto à fração volumétrica e a distribuição das fases presentes. As propriedades mecânicas foram determinadas por ensaios, dureza e impacto. Concluiu-se que as frações volumétricas de ferrita e martensita 344

2 calculadas experimentalmente estão de acordo com a simulação computacional e que a variação destas frações afeta significativamente a dureza deste aço, mas não afeta significativamente os resultados de tenacidade à fratura. Palavras-chave: Aços bifásicos, microestrutura, simulação computacional, propriedades mecânicas. 1) INTRODUÇÃO A indústria automobilística necessita cada vez mais de aços com alta resistência e boa conformabilidade, capazes de aliar maior resistência mecânica, capacidade de absorver impacto e redução de peso. A necessidade das indústrias automobilísticas tem impulsionado as indústrias siderúrgicas a desenvolverem novos aços com alta resistência e boa conformabilidade, capazes de aliar alta resistência mecânica, redução de peso e maior capacidade de absorção de impacto (1). Dentre os aços em desenvolvimento, está o aço bifásico, que possui alta resistência mecânica, baixo limite de escoamento, alta ductilidade, que resulta em conformabilidade similar aos aços de baixa resistência, e um alto expoente de encruamento que proporciona alta resistência após o processo de conformação (2). A denominação de Aço Bifásico (Dual-Phase steel) tem sido atribuída aos aços compostos de uma mistura de partícula de martensita dispersas numa matriz ferrítica. Todavia, na prática suas microestruturas são significativamente mais complexas, podendo conter também bainita, austenita retida e perlita (3). A transformação martensítica ocorre a partir de um resfriamento rápido (têmpera) até uma temperatura relativamente baixa (próxima à temperatura ambiente), onde não ocorre difusão. Os movimentos atômicos ocorrem de forma coordenada e cooperativa, que envolvem distâncias pequenas e menores que os parâmetros de reticulado (4). Da mesma forma, os aços bifásicos são produzidos através do tratamento térmico de têmpera no campo intercrítico, com encharque no campo ferrítico-austenítico do diagrama de fases, seguido de resfriamento controlado (4-5). A matriz ferrítica confere a boa ductilidade aos aços Bifásicos, ao passo que a martensita contribui para a alta resistência mecânica. As características microestruturais em conjunto e os fatores de processamento (temperatura, tempo, taxa de resfriamento) são as responsáveis pelas propriedades mecânicas (3-6). 345

3 Pela enorme importância dos aços bifásicos, este trabalho objetiva determinar as frações volumétricas de ferrita e martensita em função da temperatura de têmpera e avaliar a influência das frações volumétricas destas fases nas propriedades mecânicas (dureza e tenacidade à fratura) de um aço bifásico obtido a partir do aço tipo LNE 380, utilizado hoje na produção de estruturas e longarinas de caminhões. 2) MATERIAIS E MÉTODOS 2.1) Obtenção do aço As chapas de aço foram produzidas por processo de laminação a quente seguido de resfriamento em água e segundo a composição química da Tabela I. Tabela I Composição química do aço %C %Mn %Si %Nb %S %P %Al %Ni %Cr %N 0,154 1,386 1,405 0,034 0,011 0,022 0,022 0,008 0,018 0, ) Simulação computacional Por meio da termodinâmica computacional, utilizando o software THERMOCALC, determinou-se a faixa de temperatura para os tratamentos térmicos intercríticos e as frações volumétricas de ferrita e austenita em função da temperatura. As simulações consideraram os dados da composição do aço mostrados na Tabela I, inclusive os seus elementos de liga. 2.3) Tratamentos térmicos intercríticos A partir dos resultados obtidos pela simulação computacional, as amostras do aço tipo LNE 380 foram temperadas a partir de diferentes temperaturas com o objetivo de produzir amostras com microestruturas bifásicas ferríticas-perlíticas e ferríticas-martensíticas, com diferentes frações volumétricas de cada fase, e também amostras monofásicas constituídas exclusivamente pela fase martensita. Para isso têmperas foram realizadas a partir de 680 C, 707 C, 787 C, 829 C, 850 C, 870 C, seguido de resfriamento em água. 346

4 2.4) Caracterização microestrutural Para a caracterização microestrutural e validação dos resultados obtidos pela simulação computacional, amostras do aço no estado como recebido e aquelas tratadas termicamente foram caracterizadas por metalografias qualitativa e quantitativa. A preparação das amostras, para as análises de microscopia óptica, foi realizada seguindo os procedimentos padrões de metalografia. Em seguida as amostras foram atacadas quimicamente utilizando soluções de Nital 2% e observadas em um microscópio óptico Carl Zeiss JENAVERT equipado com sistema digital de imagens. A metalografia quantitativa foi realizada com auxílio do software Image J. 2.5) Ensaios de Dureza No ensaio de dureza, foram feitas seis medidas para cada uma das temperaturas já descritas acima, como também naquela no estado como-recebido. As medidas de durezas foram feitas na escala Rockwell B, no estado como recebido, e Rockwell C, para as demais amostras tratadas. Os ensaios foram realizados utilizando um microdurômetro MICROHARDNESS TESTOR HV-1000 DIGIMESS. 2.6) Ensaios de Impacto Os ensaios de impacto Charpy foram realizados a fim de determinar a influência da fração volumétrica de ferrita e martensita na tenacidade à fratura do bifásico com diferentes microestruturas. Os ensaios foram realizados em na temperatura ambiente, que no momento das medidas estava em 20 C. 3) RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1) Simulação Computacional Os resultados obtidos pela simulação computacional mostraram que a faixa de temperatura para os tratamentos térmicos intercríticos, para o aço LNE 380, está entre 680 C e 855 C e as frações volumétricas de ferrita e austenita no campo intercrítico variam de acordo com o gráfico mostrado na Figura

5 Figura 1 Frações volumétricas de ferrita e austenita em função da temperatura, LNE 380 ( - ferrita; - austenita). 3.2) Metalografia qualitativa e quantitativa A Figura 2 mostra as imagens obtidas por microscopia óptica das amostras no estado como-recebido e daquelas temperadas a partir de diferentes temperaturas. As amostras foram atacadas quimicamente com nital 2%. Desta forma as regiões claras são referentes à fase ferrita e as regiões escuras referentes às fases perlita e martensita. Por meio das imagens pode-se observar que na condição de comorecebido e quando temperado a partir de 680 o C (Figs. 2a e 2b, respectivamente) o aço é formado pelas fases ferrita e perlita. O aço temperado a partir de 707 o C (Fig.2c), 787 C (Fig.2d), 829 C (Fig.2e ), 850 C(Fig.2f) possui microestruturas formadas pelas fases ferrita e martensita. Entretanto, nota-se que com o aumento da temperatura de têmpera há um aumento significativo na fração volumétrica de martensita. A Figura 2g mostra a imagem do aço temperado a partir de 870 o C. Notase que nesta condição o aço é formado exclusivamente pela fase martensita. 348

6 a) b) c) d) e) f) g) Figura 2 Micrografias do aço LNE 380 em diferentes condições. (a) no estado como-recebido, (b) a (G) temperado a partir de 680 C, 707 C, 787 C, 829 C, 850 C, 870 C, respectivamente. Ataque nital 2%. A tabela II mostra os valores das frações volumétricas das fases ferrita e austenita calculadas pela simulação computacional e das fases ferrita e martensita calculadas pela técnica de metalografia quantitativa. Considerando-se que toda a austenita se transforma em martensita no processo de têmpera pode-se concluir que os resultados experimentais estão de acordo com aqueles obtidos pela simulação numérica. 349

7 Tabela II Frações volumétricas de ferrita, austenita e martensita, obtidas por simulação computacional e experimentalmente por metalografia quantitativa. Temperatura de Frações volumétricas (%) Têmpera (ºC) Simulação computacional Metalografia quantitativa (±10%) Ferrita Austenita Ferrita Martensita 680* *A temperatura de 680 C, está abaixo da zona intercrítica. 3.3) Propriedades Mecânicas 3.3.1) Ensaios de Dureza A tabela III mostra os dados obtidos a partir dos ensaios de dureza das amostras temperadas a partir de 680 C, 707 C, 787 C, 829 C, 850 C, 870 C. Os resultados das medidas de dureza mostraram que o aumento da fração volumétrica da fase martensita contribui para o aumento da dureza do aço. Se analisadas as durezas das amostras nas temperaturas de 680 C, 707 C, 787 C e 829 C, pode-se observar um crescimento praticamente linear da dureza do aço a partir do valor de 13,67 HRC, a 680 C, até o valor de 23,33 HRC, a 829 C. A partir daí, quando a presença da fase martensítica é dominante, há um incremento mais acentuado na dureza do aço LNE 380 chegando a 29,83 HRC, a 870 C. Ademais, observa-se que há uma diferença significativa entre as várias têmperas: têmperas mais altas elevaram as durezas. Isto significa que os valores chegaram a mais que dobrar quando comparados aos resultados das amostras tratadas em 680 C e 870 C, ou seja, a presença de martensita nas amostras foi determinante para o aumento da dureza do aço. 350

8 Tabela III Ensaios de microdureza em amostras temperadas do aço LNE 380 (Amostras no estado como recebido medidas em HR B e tratadas em HR C ) AMOSTRA MÉDIA das 6 medidas COMO- RECEBIDO A 680 A 707 A 787 A 829 A 850 A , , , , , , , ) Ensaios de Impacto A tabela IV mostra os resultados dos ensaios de impacto do tipo Charpy do material em estudo regidos pela norma ASTM E-23. Os resultados obtidos por meio dos ensaios de impacto mostraram que as diferentes microestruturas não alteraram significativamente a tenacidade à fratura deste aço, mesmo quando comparado ao estado como recebido. Quando se comparam os resultados dos ensaios de impacto dos corpos de prova no estado como recebido com aqueles temperados a partir de 707 C, 787 C e 829 C, todos com microestrutura ferrítica-martensítica, pode-se observar que há uma pequena diferença na energia absorvida. A média dos resultados dos corpos de prova no estado como recebido foi de 88,9 J enquanto nas demais temperaturas citadas a média foi próxima de 96,5 J. Entretanto, as amostras temperadas a partir de 850 C e 870 C, apresentaram resultados melhores. A média dos valores ficou próxima de 107,5 J. 351

9 Tabela IV Ensaios de impacto do tipo Charpy do aço LNE 380 (J) CP Como Recebido 680 C 707 C 787 C 829 C 850 C 870 C ,5 106,5 75,5 104, ,8 2 85,5 92, , ,5 3 90, ,2 112, ,8 90,2 72,2 100,8 109,5 110 Média 89,5 94,5 99,7 76,5 95,5 107,2 107,7 4) CONCLUSÕES Pode-se concluir que os resultados obtidos pela simulação numérica estão de acordo com aqueles obtidos experimentalmente por metalografia quantitativa. Os tratamentos térmicos de têmpera em diferentes temperaturas produziram amostras com diferentes microestruturas. Por meio dos ensaios de dureza pode-se observar que o aumento da fração volumétrica de martensita foi determinante para o aumento na dureza do aço. Os ensaios de impacto mostraram que não houve uma variação significativa na tenacidade à fratura entre as amostras temperadas a partir de diferentes temperaturas e com diferentes microestruturas. Esta variação na tenacidade não foi significativa mesmo quando se compara os resultados das amostras temperadas com aquela no estado como recebido, o que se relaciona ao baixo teor de carbono no aço e a presença dos elementos de liga. 5) AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a CSN Companhia Siderúrgica Nacional pela doação do material estudado e pela utilização do laboratório de ensaios mecânicos. 6) REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. WOLFF, M. A.. Soldabilidade dos aços bifásicos 600 e 800 via processamento de soldagem a pontos média frequência corrente contínua (MFDC) e corrente alternada (AC) p. Dissertação de Mestrado. Universidade Federal de Uberlândia. 352

10 2. ZIA-EBRAHIMI, F.; MATLOCK, D. K.; KRAUSS, G.. On ductile crack initiation in notched bend specimens. Scripta Metallurgica-Pergamon Press, USA, v. 16, 1982, p RASHID, M.S.. GM 980X - Potential applications and review. International Automotive Engineering Congress and Exposition. S.A.E. Technical Publication no Detroit, Feb-Mar CALLISTER JR, W.D.. Ciência e Engenharia de Materiais - Uma Introdução. 7. ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos Editora, 2007, p. 239, ISBN United States. Patent Application Publication. Hoydick, D.P.. Method for production of dual phase sheet steel. USA n. US 2004/ A1, May 27, ERDOGAN, M. Effect of austenite dispersion on phase transformation in dual phase steel. Scripta Materialia. V. 48, n. 5, p , Disponível em: acesso em: 10 de agosto de THE INFLUENCE OF DIFFERENT MICROSTRUCTURE TO FRACTURE TOUGHNESS AND HARDNESS OF A TEMPERED STEEL LNE 380 AT DIFFERENT TEMPERATURES ABSTRACT The Dual Phase steels exhibit mechanical properties that make them important in the production of vehicle structures lighter. These properties are directly related to its microstructure. This study analyzed the evolution of mechanical properties of Dual Phase steel obtained from the LNE 380 type steel according to the volume fractions of ferrite and martensite. The determination of the intercritical region and the volume fractions of ferrite and martensite was performed via computer simulation. After the results were made tempers of different temperatures to produce samples two-phase ferritic-pearlitic microstructure, ferritic-martensitic single-phase and also consisting solely of martensite. The characterization was performed by optical microscopy and the volume fraction and distribution of phases. The mechanical properties were determined by uniaxial tensile tests, hardness and impact. It was concluded that the volume fraction of ferrite and martensite calculated experimentally agree with the 353

11 simulation and that the variation of these fractions significantly affects its mechanical properties. Key-works: Dual-phase steels, Microstructure, Computer Simulation, Mechanical properties 354