INFLUÊNCIA DO CAMINHO DE AQUECIMENTO NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE UM AÇO 1020 TEMPERADO A PARTIR DE TEMPERATURAS INTERCRÍTICAS C.G. Guimarães, C.A.Siqueira, A. L. M. Costa* Faculdade de Engenharia de Materiais - FEMAT, Universidade Federal do Pará Folha 17, Quadra 04, Lote especial, Marabá, Pará CEP: 68505-080, *e-mail: almcosta@ufpa.br RESUMO Um dos objetivos da indústria metalúrgica é aumentar a aplicabilidade de aços baixo-carbono comuns a partir da melhoria de suas propriedades mecânicas. Neste trabalho foram realizados tratamentos de têmpera intercrítica em um aço 1020 variando-se a temperatura intercrítica e o caminho de aquecimento até esta temperatura a fim de se avaliar as transformações microestruturais e as propriedades mecânicas. As microestruturas resultantes apresentaram basicamente duas fases: ferrita e martensita, mas as morfologias e distribuição das fases foram completamente diferentes dependendo do caminho do tratamento térmico. As amostras que apresentaram maior resistência mecânica foram aquelas resfriadas desde o campo austenítico. Entretanto, a otimização das propriedades mecânicas foi obtida para temperatura intercrítica depois de aquecimento até 810 o C. Palavras-chave: aço 1020, têmpera intercrítica, propriedades mecânicas. INTRODUÇÃO Na década de 1950, H. Colpaert declarava [1]: Os aços temperados de dentro da zona crítica não apresentam grande interesse prático, porque a dureza atingida é menor e em geral irregular. Trinta anos depois do trabalho seminal de H. Colpaert, o interesse pelos aços obtidos por têmpera intercrítica foi renovado a partir da 8891
descoberta que a dispersão da fase martensita em uma matriz ferrítica pode gerar um material de alta resistência mecânica e boa ductilidade [2]. As propriedades mecânicas destes aços bifásicos (dual phase steels = ferrita + martensita) dependem da morfologia e distribuição das fases presentes, que por sua vez são determinadas pela temperatura, tempo e procedimento de homogeneização intercrítica e taxa de resfriamento na têmpera [3]. Apesar de não vislumbrar interesse prático para os aços bifásicos, H. Colpaert observou a necessidade de chamar atenção... (para) a importância do sentido em que a temperatura está variando. Quer dizer... é preciso saber se essa temperatura (intercrítica) foi atingida por aquecimento, ou por esfriamento de temperaturas acima da zona crítica. De fato, esta abordagem tem sido modernamente utilizada para se obter diferentes microestruturas e propriedades de aços bifásicos [3,4]. Neste artigo é apresentado um estudo sobre a influência do caminho do tratamento térmico de têmpera intercrítica na microestrutura e propriedades de um aço 1020 comercial. MATERIAIS E MÉTODOS Uma barra de aço 1020 comercial de seção quadrada 3/8 com microestrutura mostrada na figura 1 (ferrita + 15%perlita) foi cortada em vários pedaços de 12cm de comprimento. Estas amostras foram tratadas termicamente seguindo dois procedimentos como esquematicamente indicados na figura 2: a) Têmpera no Aquecimento (aquecimento até uma temperatura intercrítica T int, homogeneização por 30 minutos e têmpera em água); b) Têmpera no Resfriamento (aquecimento até 950 o C no campo austenítico, homogeneização por 30 minutos, resfriamento lento até T int, homogeneização por 30 min e têmpera em água). Após tratamento térmico as amostras foram cortadas em pedaços menores para análise microestrutural e avaliação de propriedades mecânicas. As microestruturas foram observadas por microscopia ótica após preparação metalográfica e ataque químico com reagente Nital. Foram realizados ensaios de tração em corpos de prova usinados com 4mm de diâmetro e 15mm de comprimento útil em uma máquina universal com célula de carga de 20kN. A energia de fratura no impacto foi medida em ensaio Charpy com corpos de prova de 50mm de 8892
comprimento. Foram utilizadas duas amostras de todos os materiais para cada ensaio. Figura 1. Microestrutura do material como recebido. Figura 2. Diagrama esquemático mostrando os caminhos de tratamentos térmicos realizados. RESULTADOS E DISCUSSÃO As microestruturas resultantes dos tratamentos térmicos são mostradas na figura 3. Todas as amostras apresentam duas fases bem distintas: ferrita (fase clara) e martensita (fase escura). Entretanto, a morfologia e o tamanho das fases são bem diferentes em relação ao caminho do tratamento térmico realizado. No caso das amostras obtidas por têmpera no aquecimento, a perlita localizada nos contornos de grãos ferríticos se transformou em austenita que posteriormente se transformou na martensita. Com o aumento da temperatura intercrítica a região austenítica aumentou dando origem a uma rede martensítica que envolveu os grãos ferríticos. No caso das amostras obtidas por têmpera no resfriamento, grãos ferríticos nuclearam e cresceram durante a homogeneização. Quanto menor a temperatura intercrítica, maior a quantidade de ferrita formada e maior o tamanho do grão 8893
ferrítico. As microestruturas finais consistem de grãos de ferrita e martensita homogeneamente distribuídos. Figura 3. Imagens de microscopia ótica mostrando as microestruturas dos materiais após tratamentos térmicos. Ataque: Nital. 8894
Os teores de martensita para todas as amostras sãos indicados na tabela 1 e relacionados na figura 4. De maneira geral, quanto maior a temperatura de têmpera, maior a quantidade de martensita, no entanto, o teor de martensita é muito maior para as amostras temperadas no resfriamento em alta temperatura. Isto ocorreu porque mesmo numa alta temperatura de 810 o C, nas amostras temperadas no aquecimento não houve tempo para dissociação completa da ferrita, enquanto nas amostras temperadas no resfriamento a ferrita cresceu até o tamanho previsto pelo diagrama de fases. A resistência mecânica das amostras aumentou significativamente (em torno de 90%) com os tratamentos térmicos realizados, enquanto o alongamento caiu quase à metade (ver tabela 1). Os maiores valores de tensão de escoamento foram obtidos para amostras temperadas no resfriamento, provavelmente devido aos maiores teores de martensita (figura 4). Por outro lado, as amostras temperadas no aquecimento apresentaram maior alongamento devido ao maior teor de ferrita. Entretanto, o alongamento aumentou com o teor de martensita para todas as amostras (ver figura 4), um dado que ainda está sob análise. Tabela 1. Porcentagem de martensita e propriedades mecânicas das amostras estudadas. material Quantidade de Martensita (%) Tensão de escoamento (MPa) Alongamento total (%) Energia de impacto (J) como recebido 329 27,4 112,0 AQ-T int 760 22,5 581 15,0 7,0 AQ-T int 780 26,0 620 15,8 15,5 AQ-T int 810 34,5 639 17,3 22,0 RE-T int 760 18,8 614 12,3 12,8 RE-T int 780 41,5 689 14,1 18,8 RE-T int 810 51,8 668 14,9 11,5 8895
60 aquecimento 25 Aquecimento quantidade de martensita (%) 50 40 30 20 10 resfriamento Energia de Impacto (J) 20 15 10 5 Resfriamento 0 740 760 780 800 820 temperatura de tempera intercrítica 0 740 760 780 800 820 temperatura de têmpera intercrítica 800 Aquecimento 20 Aquecimento tensão de escoamento (MPa) 750 700 650 600 550 Resfriamento Alongamento total (%) 18 16 14 12 Resfriamento 500 740 760 780 800 820 temperatura de têmpera intercrítica 10 740 760 780 800 820 temperatura de têmpera intercrítica Figura 4. Gráficos relacionando o teor de martensita e as propriedades mecânicas com a temperatura de têmpera dos tratamentos térmicos realizados. Como pode ser verificado na tabela 1, a tenacidade do material diminuiu bastante com os tratamentos térmicos, atingindo valores de energia de impacto na faixa de 10 a 20J. A figura 4 indica que, para as amostras temperadas no aquecimento, a energia de impacto aumentou com a elevação da temperatura de têmpera. Isto parece indicar que a rede de martensita formada a 810 o C no aquecimento gerou uma martensita com menor teor de carbono e, por isso, menos frágil. Além disso, a amostra aquecida até 760 o C apresenta uma martensita mais rica em carbono e de forma alongada, portanto mais suscetível à propagação de trincas nos contornos de grãos ferríticos. 8896
No caso das amostras temperadas no resfriamento, em altas temperaturas tem-se grande volume de martensita e, portanto, baixa tenacidade à fratura. Com a diminuição da temperatura o teor de martensita diminuiu aumentando a energia para fratura. Aqui também, parece que a martensita mais alongada e concentrada nos contornos de grãos pode ser responsável pela menor energia de fratura. A literatura especializada [3,4] tem indicado que a têmpera no aquecimento fornece um aço bifásico menos resistente, mas por outro lado mais dúctil e tenaz quando comparada com a têmpera no resfriamento. Neste trabalho foi verificado que, considerando todos os resultados em conjunto, o aço 1020 bifásico que apresentou as melhores propriedades mecânicas foi aquele obtido por têmpera no aquecimento a partir de 810 o C. Parece ainda que o tempo de homogeneização de 30 minutos foi adequado no sentido que não promoveu um crescimento acentuado da martensita, gerando uma microestrutura de grãos ferríticos envolvidos numa rede martensítica. A próxima etapa deste trabalho consistirá na análise de outras variáveis como os tamanhos de grão e a dureza de cada fase presente no material. CONCLUSÕES Diferentes microestruturas bifásicas foram obtidas variando-se a direção do tratamento térmico de têmpera intercrítica em aço 1020 comercial. Maior resistência mecânica foi obtida quando as amostras foram resfriadas desde o campo austenítico até a temperatura de têmpera. Entretanto, considerando todos os dados de resistência mecânica e energia de impacto, o material que apresentou melhores resultados foi obtido com a têmpera depois de aquecimento até 810 o C. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao programa PROINT-UFPA e ao CNPQ pelo financiamento. REFERÊNCIAS 1. Colpaert, H. Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns. São Paulo: Edgard Blücher Editora da USP, 1974. 8897
2. 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, v.391, p.296-304, 2005. 3. Bayram, A.; Uguz, A.; Ula, M. Effects of microstructure and notches on the mechanical properties of dual-phase steels, Materials Characterization, v.43, p.259-269, 1999. 4. Park, K.S.; Park, K,-T.;Lee, D.L.; Lee, C.S. Effect of heat treatment path on the cold formability of drawn dual-phase steels, Materials Science and Engineering A, v.449-451, p.1135 1138, 2007. INFLUENCE OF HEAT TREATMENT PATH ON THE MECHANICAL PROPERTIES OF 1020 DUAL-PHASE STEELS ABSTRACT In this work the effects of heat treatment path and intercritical temperature on the microstructure and properties of a 1020 dual-phase steel were analyzed. The final microstructures presented basically two phases: ferrite and martensite, but the phases morphologies and distributions were completely different as changing the direction of heat treatment from intercritical annealing to step quenching. The highest strength was obtained by step quenched samples. However, the optimized mechanical properties was verified to the sample treated by intercritical annealing in 810 o C. This result was attributed to the microstructure of ferrite grains surrounded by martensite net. Key-words: dual phase steels, heat treatment path, mechanical properties 8898