Título do projeto: Mecanismos de aumento de resistência mecânica em aços de baia liga e alta resistência microligados ao Nb e Ti: efeito da adição de boro e das variáveis de processamento termomecânico. Área de Concentração/Linha de Pesquisa: Metalurgia Física. Possíveis orientadores: Berenice Mendonça Gonzalez. Justificativa/motivação para realização do projeto: A motivação do projeto é a elucidação e utilização dos mecanismos de aumento de resistência de aços microligados ao nióbio visando a otimização das propriedades mecânicas. O potencial de inovação é o desenvolvimento de um novo alloy design baseado na adição de boro e ajuste nos parâmetros de processamento termomecânico, a partir da determinação de seus efeitos na estrutura e propriedades do aço. Objetivos: Determinar a influência do boro nas características (Propriedades Mecânicas, Tenacidade, Dureza, Microestrutura e Temperatura de Recristalização) dos aços HSLA em diferentes condições de Resfriamento Laminar e de Escalas de Passe; Determinar a influência do boro na Temperatura Limite de Recristalização (RLT), Temperatura de Interrupção da Recristalização (RST), Temperatura de Recristalização (T nr ) e na Temperatura AR; Identificar o efeito da adição do boro nas microestruturas formadas após laminação e resfriamento controlado; Avaliar a influência da adição de boro e condições de laminação nas subestruturas de deslocações; Caracterizar a distribuição e a morfologia dos precipitados formados após solidificação e laminação do aço; Determinar as melhores configurações do processamento termomecânico visando à melhoria das propriedades dos aços microligados. Estratégia eperimental planejada para se alcançar os objetivos: Produção de corridas de placas (Aço microligado, com e sem adição de boro); Laminação eperimental das placas em mais de uma condição de processo; Retirada de amostras a partir das bobinas laminadas; Ensaios: Composição Química; Determinação de RLT, RST, T nr e AR; Propriedades Mecânicas; Tenacidade; Dureza; Microestrutura e Tamanho de Grão Austenítico e Ferrítico; Avaliação dos Precipitados formados. Referências bibliográficas consultadas: (1) DAVIS, J. R. Carbon and Alloy Steels. In: DAVIS, J. R. High-Strength Low-Alloy Steels. Alloying: Understanding the Basics. Ed. 01, Materials Park, Ohio, ASM International, December, 2001, vol. 01, 19-206; 1
(2) LU, Y. Effect of boron on microstructure and mechanical properties of low carbon micro-alloyed steels. McGill University, Department of Mining, Metals and Materials Engineering, June 2007, 114p. (Mestrado em Engenharia); () TAMEHIRO, H., MURATA, M., HABU, R. Optimum microalloying of niobium and boron in HSLA steel for thermomechanical processing. In: 110 th ISJI MEETING, October 1985, Niigata University, Niigata, The Iron and Steel Institute of Japan, 120-129; (4) LAN, L., QIU, C., ZHOU, P. Effect of boron addition on the microstructures and mechanical properties of thermomechanically processed and tempered low carbon bainitic steels. Acta Metallurgica Sinica (Shenyang, China). Vol.24, No.6, pp 47-486, December 2011; (5) GAO, Y., XUE, X., YANG, H. Influence of boron on initial austenite grain size and hot deformation behavior of boron microalloyed steels. Crystals (Open Access Crystallography Journal), Northeastern University (Shenyang, China), 5, 592-607, 2015; (6) PEREDA, B., LÓPEZ, B., RODRIGUEZ-IBABE, J.M. Increasing the nonrecrystalization temperature of Nb steels by Mo addition. In: INTERNATIONAL CONFERENCE ON MICROALLOYED STEEL, Warrendale, PA, AIST 2007, 151-159; (7) AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS INTERNATIONAL, 100 Barr Harbor Drive, PO Bo C700, West Conshohocken, PA 19428-2959. A1018/A1018M, Standard Specification for Steel, Sheet and Strip, Hot-Rolled, Carbon, Structural, High-Strength Low-Alloy, High-Strength Low-Alloy with Improved Formability, and Ultra-High Strength. United States, 2017; (8) NORDBERG, H., ARONSON B. Solubility of niobium carbide in austenite. In: Journal of the Iron and Steel Institute, 1968, 206, 126-1266; (9) AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS INTERNATIONAL, 100 Barr Harbor Drive, PO Bo C700, West Conshohocken, PA 19428-2959. A70, Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products. United States, 2017; (10) AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS INTERNATION, 100 Barr Harbor Drive, PO Bo C700, West Conshohocken, PA 19428-2959. E45, Standard Test Method for Analysis of Carbon and Low-Alloy Steel by Spark Atomic Emission Spectrometry. United States, 2017; (11) SCHIAVO, C. P. Estudo da solubilização do Nb em aços microligados durante o reaquecimento de placas. Escola de Engenharia da Universidade Federal de Minas Gerais, 2010, 149p. (Mestrado: Engenharia Metalúrgica e de Minas); (12) HOMSHER, C. N. Determination of the non-recrystallization temperature (T NR ) in multiple microalloyed steels. Colorado School of Mines, 201, 106p. (Mestrado: Engenharia Metalúrgica e de Minas). 1 Introdução Os aços ARBL, de Alta Resistência Mecânica e Baia Liga, também conhecidos como HSLA Steels (High-Strength Low-Alloy), ou microligados, são projetados para apresentar propriedades mecânicas superiores e/ou elevada resistência à corrosão atmosférica, se comparados aos aços carbono convencionais. A composição química de um aço HSLA 2
específico pode variar em função das diferentes espessuras e métodos de produção de forma a atender aos requisitos de propriedades mecânicas. Pequenas quantidades de cromo, níquel, molibdênio, cobre, nitrogênio, vanádio, nióbio, titânio e zircônio são utilizadas em várias combinações. Esses aços são divididos em seis categorias (1) : Aços resistentes à corrosão (Wheatering Steels): Esses aços contêm pequenas adições de elementos de liga tais como cobre, cromo, níquel e fósforo para aumentar a resistência à corrosão atmosférica e produzir endurecimento por solução sólida; Aços ferrítico-perlíticos microligados (Microalloyed ferrite-pearlite steels): Contêm adições bastante reduzidas de fortes formadores de carbonetos ou carbonitretos tais como nióbio, vanádio e/ou titânio para aumento de resistência por precipitação, refino de grão e controle da temperatura de transformação; Aços perlíticos como laminados (As-rolled pearlitic steels): Esses podem incluir aços carbono-manganês, mas podem possuir também pequenas adições de outros elementos de liga com o objetivo de acentuar a resistência mecânica, a tenacidade, a conformabilidade e a soldabilidade; Aços ferrítico-aciculares (Low Carbon Bainite): Tratam-se de aços com baios teores de carbono (0,05%) com ecelente combinação de elevados limites de escoamento (tão elevados quanto 690MPa), boa soldabilidade, conformabilidade e tenacidade; Aços Dual Phase: Possuem uma microestrutura constituída de martensita dispersa em uma matriz de ferrita e proporcionam boa combinação de ductilidade e elevado limite de resistência; Aços com controle de forma das inclusões (Inclusion-shape-controlled steels): São aços que proporcionam ductilidade e tenacidade ao longo da espessura melhoradas através de pequenas adições de cálcio, zircônio ou titânio, ou Terras Raras, tal que a forma das inclusões de sulfeto é alterada de formato alongado para glóbulos quase esféricos, dispersos e pequenos. As aplicações dos aços HSLA incluem tubulações de óleo e gás, veículos de carga e offroad, maquinário de construção, equipamentos industriais, equipamentos ferroviários, componentes automotivos, pontes, estruturas off-shore, torres de transmissão de energia elétrica e construção civil (1). O boro vem sendo utilizado como elemento de liga nesses aços desde os anos 70. O objetivo de sua adição é a melhoria das propriedades mecânicas do aço através da promoção da formação de bainita (2,,4). Evidenciou-se que o boro somente pode ser efetivo como elemento que aumenta a resistência mecânica quando é evitada a formação do BN (nitreto de boro) e/ou precipitados de Fe 2 (C,B) 6. Portanto, o boro é sempre adicionado em conjunto com outros elementos de liga, os quais são fortes formadores de nitretos ou carbonetos, tais como Ti e Nb. O boro remanescente em solução será capaz de segregar nos contornos de grão da austenita e ocupar os sítios de nucleação da ferrita, retardando assim a formação da ferrita e promovendo a formação da bainita (2,,4). Há, basicamente, duas razões para a forte supressão da formação da ferrita com um teor de boro em torno de 0,0010 a 0,000%: Em primeiro lugar, devido à baia massa atômica do boro se comparado ao ferro, 10ppm em peso de boro em soluto são equivalentes a 52ppm em peso de ferro. Assumindo que esse boro se concentre nos contornos de grão, foi estimado que eista, para um grão austenítico de tamanho igual a 0m, algo em torno de 4 bilhões de átomos de boro presentes para cada núcleo de ferrita. Há quatro mecanismos pelos quais se eplica como o boro retarda a nucleação da ferrita (2,,4) :
Redução na energia de contorno de grão da austenita; Redução na auto-difusividade do ferro; Redução no número de sítios de nucleação; Nucleação da ferrita nos carbonetos de boro de maior tamanho. O boro também aumenta a janela de processamento no processo de laminação TMCP (Thermo-Mechanical Control Process) através da elevação da temperatura de não recristalização (T nr ) e da redução da temperatura de início da transformação da austenita para ferrita (Ar ). Essa ampla janela de processamento permite maior fleibilidade no estágio de panquecamento, o qual leva a um maior refino microestrutural, melhorando, então, as propriedades mecânicas (2,,4). A migração do boro para os contornos de grão austeníticos afeta a energia de superfície dos respectivos contornos. Isso pode afetar o tamanho de grão austenítico e o comportamento durante a deformação a quente (5). Em geral, aços com elevado teor de boro apresentam maior tamanho de grão se comparados com aqueles com teor reduzido de boro. Embora muitas pesquisas reportem o efeito do boro na estampagem a quente, ductilidade a quente, transformação de fase, aumento de resistência e comportamento da segregação nos contornos, ainda é necessário determinar a influência do boro no tamanho de grão austenítico e no comportamento durante a deformação a quente (5). Uma vez que o boro aumenta a T nr do aço, tem-se que esse elemento químico acaba por atrasar a recristalização estática e dinâmica. Nesse projeto pretende-se determinar a influência do boro nas características mecânicas e estruturais dos aços HSLA com adição de Nb e Ti, em diferentes condições de processamento por TMCP em escala industrial. Essa influência será avaliada através da comparação com projeto de liga idêntico, sem a adição de boro. Pretende-se, também, determinar a temperatura RLT (Recrystallization Limit Temperature), teoricamente definida como a menor temperatura acima da qual a recristalização entre os passes é completa e a temperatura RST (Recrystallization Stop Temperature) definida como a mais alta temperatura na qual a recristalização é completamente ausente (6). Esse Projeto permitirá que sejam projetadas ligas com balanço ideal entre custos de produção e características desejadas, através da utilização de boro. A influência do boro na microestrutura e na formação dos precipitados antes e após a laminação das placas, bem como nas subestruturas de deslocações será avaliada em função dos parâmetros de processo de laminação utilizados. 2 Originalidade/Inovação Este Projeto tem os seguintes aspectos originais e de inovação: Determinação da influência do boro na estrutura e propriedades de aços microligados ao nióbio; Uso de condições variadas de processo de laminação TMCP, Processo Termo-Mecânico Controlado, visando validar os parâmetros determinados na simulação em equipamento Gleeble. Materiais e Métodos O aço a ser utilizado nesse Projeto será um HSLA produzido conforme a norma técnica A1018M, Standard Specification for Steel, Sheet and Strip, Hot-Rolled, Carbon, Structural, High-Strength Low-Alloy, High-Strength Low-Alloy with Improved Formability, and Ultra-High Strength (7). Esse aço terá adições de Nb, Ti e B e será produzido nas instalações da Gerdau S/A em Ouro, Minas Gerais. Também será produzido um aço 4
similar, o qual atende às mesmas normas técnicas, porém sem a adição de boro e titânio. As composições químicas de ambos os aços são apresentados na tabela 1. Tabela 1: Composições Químicas (%) dos aços a serem utilizados nesse Projeto. Aço C Mn Si P S Cu Cr Ni Ti Alt V Ca Mo N2 Nb B Ti/N A1011/A1018 M com Boro A1011/A1018 M sem Boro Mín. 0,06 1,15 0,16 0,021 0,020 0,0020 0,05 0,0010,50 Vis. 0,08 1,25 0,18 0,018 0,006 0,029 0,05 0,000 0,040 0,0018 Má. 0,10 1,5 0,24 0,018 0,008 0,05 0,07 0,1 0,06 0,050 0,01 0,0050 0,0 0,006 0,050 0,0025 Mín. 0,06 1,15 0,16 0,020 0,0020 0,05 0,00 Vis. 0,08 1,25 0,18 0,018 0,006 0,05 0,000 0,040 Má. 0,10 1,5 0,24 0,018 0,008 0,05 0,07 0,1 0,008 0,050 0,01 0,0050 0,0 0,006 0,050 0,0005 A rota integrada de produção (Refino em diante) inclui: Convertedor, Desgaseificador a Vácuo, Lingotamento Contínuo de Placas (S-VAI) e, por fim, Laminador Steckel (S-VAI) + Resfriamento Laminar (S-VAI). Prevê-se a produção de ao menos duas corridas, uma de cada aço, sendo que cada corrida gera em torno de 14 placas, dependendo das dimensões escolhidas para a. A disponibilidade de placas permitirá o teste de mais de uma condição de processo de laminação (Reduções diferenciadas no último passe de desbaste, A e B) e de resfriamento laminar (Taas de resfriamento diferenciadas, A e B). Pretende-se laminar bobinas de 9,50X1.500mm (Espessura X Largura). O planejamento de laminação das bobinas será conforme a tabela 2: Tabela 2: Planejamento de processo de Laminação por aço, Nb+Ti+B e Nb. Aço n placas Escala de Passes, espessura = 9,50mm Resfriamento Laminar Temperatura de Desenfornamento, C (9) TA +/-20, C TB +/-20, C A (Redução no último passe de Desbaste 40% A (Taa de Resfriamento Alta) A1011/A1018M com Boro A1011/A1018M sem Boro A (Redução no último passe de Desbaste 40% B (Escala Padrão) B (Escala Padrão) A (Redução no último passe de Desbaste 40% A (Redução no último passe de Desbaste 40% B (Escala Padrão) B (Escala Padrão) B (Taa de Resfriamento Baia) A (Taa de Resfriamento Alta) B (Taa de Resfriamento Baia) A (Taa de Resfriamento Alta) B (Taa de Resfriamento Baia) A (Taa de Resfriamento Alta) B (Taa de Resfriamento Baia) A ser definido (após Ensaio 2 (Tabela ) A ser definido (após Ensaio 2 (Tabela ) O uso de três placas para cada configuração de processo deve-se ao fato da variabilidade encontrada em função do ajuste do modelo matemático utilizado para atendimento às variáveis de processo especificadas. Busca-se, assim, minimizar o erro entre o e o. As amostras serão retiradas das bobinas que melhor atenderem aos parâmetros planejados de processo, ou seja, que apresentem o menor erro. Utilizou-se a equação de solubilidade de NbC proposta por Nordberg (8) para cálculo da temperatura de desenfornamento. As Temperaturas de Acabamento, TA, e mento, TB, serão escolhidas após a determinação de RLT, RST, T nr e Ar (Ensaio 2, na Gleeble, vide tabela ). 5
As amostras serão retiradas na ponta eterna e interna das bobinas, após completo resfriamento. Em função de variações encontradas no processo de Laminação Steckel e no resfriamento laminar é possível que descartes na bobina ocorram até que a amostragem seja realizada em posição onde os parâmetros planejados de Processo TMCP tenham sido atendidos. A caracterização das bobinas será realizada com os seguintes equipamentos: Propriedades Mecânicas: Os Limites de Escoamento e de Resistência e o Alongamento serão medidos através de Ensaio de Tração nas amostras obtidas. Os Corpos de Prova obtidos serão retirados na posição padrão nas bobinas (1/4 da Largura, Longitudinais ao sentido de laminação) e preparadas conforme a norma A70, Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products (9), sendo de seção retangular. A máquina de ensaios a ser utilizada será a Shimadzu, modelo UH-F00KNI, com capacidade de 00KN; Composição Química: Será analisada através de Espectrômetro de Emissão Ótica, ARL, modelo 4460. Os procedimentos serão realizados conforme a norma E45, Standard Test Method for Analysis of Carbon and Low-Alloy Steel by Spark Atomic Emission Spectrometry (10) ; Tenacidade: A Curva de Transição será obtida através de Ensaio Charpy, realizado em passos de -20C, iniciando da T. Ambiente, até a determinação da transição dúctil-frágil. Será caracterizada também a superfície de fratura. O Corpo de Prova será o do tipo Sub Size, cujas dimensões são iguais a 7,50 e 10,00mm. De cada amostra de bobina serão obtidos conjuntos de 4 Corpos de Prova para cada temperatura de ensaio. A preparação seguirá as instruções da norma A70 (9). A máquina de ensaios que será a Zwick Roell, modelo RKP750, com capacidade de 750J; Dureza: A dureza Brinnel será determinada para cada uma das amostras, conforme norma A70 (9). Para cada amostra serão realizadas dez medições. Os ensaios serão realizados em um Durômetro da marca Wilson BH000, capacidade de.000kg; Microestrutura: A microestrutura, bem como o Tamanho de Grão Ferrítico, será avaliada em corpos de prova, mostrando a seção longitudinal, sentido de laminação. Os corpos de prova serão cortados, liados, polidos e atacados com reagente adequado à estrutura. Imagens das microestruturas, obtidas via Microscópio Óptico, serão registradas com equipamento fotográfico (Digital). Adicionalmente caracterizações micro-estruturais através de MEV (Microscópio Eletrônico de Varredura) poderão ser realizadas visando maior detalhamento da estrutura bainítica a qual se espera encontrar no aço com adição de boro. O MEV a ser utilizado é da marca FEI, modelo Quanta 400 MK2; Temperatura Limite de Recristalização (RLT), Temperatura de Interrupção da Recristalização (RST), Temperatura de Recristalização (T nr ) e Temperatura AR: Estas serão determinadas na Gleeble 500 System. A amostra a ser utilizada será proveniente de esboço de laminação, obtida após etapa de desbaste, submetida a processo de Austenitização e Têmpera em Óleo, visando completa solubilização dos precipitados para melhor simulação na Gleeble. As dimensões dos Corpos de Prova serão aquelas definidas em padrões operacionais do equipamento. Os ciclos térmicos a serem utilizados serão baseados em referências bibliográficas (11,12). Caracterização dos Precipitados formados e Subestrutura de Deslocações: A distribuição e morfologia dos precipitados formados nas fases de solidificação e após a laminação, bem como a subestrutura de deslocações para as variadas condições de processo de laminação serão avaliados via Microscópio Eletrônico de Transmissão. Pretende-se usar equipamento do Centro de Microscopia da UFMG. 6
Em resumo: Tabela : Planejamento dos ensaios a serem realizados. Sequência de ensaios 1 2 Análise Amostra Equipamento Local Parâmetros Objetivo Composição Química Determinação de RLT, RST, T nr e AR Propriedades Mecânicas 4 Tenacidade 5 Dureza Aço Líquido Espectrômetro de Emissão Ótica, ARL, modelo 4460 Esboço Gleeble 500 Shimadzu, modelo UH- F00KNI Zwick Roell, modelo RKP750 Wilson BH000 Laboratório da Aciaria, Ouro, MG. Laboratório de P&D Gerdau Aços Especiais Piratiní, Charqueadas-RS Laboratório de Planos, Ouro, MG Laboratório de Planos, Ouro, MG Laboratório de Planos, Ouro, MG %C, %Mn, %Si, %P, %S, %Cu, %Cr, %Ni, %Ti, %Al, %V, %Ca, %Mo, %N, %Nb, %B RLT, RST, T nr, AR, C LE (MPa), LR (MPa), A (%) Energia absorvida, J, à em passos de -20 C até a transição dúctio frágil, iniciando-se da T. Ambiente. Dureza Brinnel, HB Determinar a composição química das amostras, amostra de lingotamento Determinar RLT, RST, T nr e AR dos Projetos de Liga Determinar as propriedades mecânicas das bobinas laminadas Determinar a curva de transição dos Projetos de Liga Determinar a dureza dos Projetos de Liga A1018M com boro A1018M sem boro Escala de Passes, espessura = 9,50mm resfriamento laminar - - - - Condições A e B Condições A e B 6 Microestrutura e Tamanho de Grão Austenítico e Ferrítico Microscópio Óptico e Microscópio Eletrônico de Laboratório de Planos, Varredura, Ouro, MG MEV (FEI, modelo Quanta 400 MK2) Estrutura, % de Fases e TG Ferrítico (mm e número ) Determinar as características microestruturais dos Projetos de Liga e avaliar sua influência nas características físicas dos Projetos de Liga 7 8 Placa Microscópio Precipitados Lingotada Eletrônico de formados, C-Nbe Transmissão, Ti-B MET Subestrutura de dislocações Microscópio Eletrônico de Transmissão, MET Centro de Microscopia da UFMG, Belo Horizonte, MG Centro de Microscopia da UFMG, Belo Horizonte, MG Distribuição e Morfologia dos precipitados formados nas fases de solidificação e após o reaquecimento Aspecto das estruturas formadas Determinar a distribuição e a Morfologia dos precipitados formados e avaliar sua influência nas microestruturas formadas Avaliar a influência do Boro e parâmetros de processo de laminação na subestrutura de dislocações - - - - 4 Infraestrutura e Recursos Necessários As corridas das composições químicas, cujas amostras serão obtidas a partir das s de Laminador Steckel serão produzidas na Gerdau S/A, usina de Ouro, MG. Os corpos de prova, que serão elaborados a partir dessas amostras, também serão confeccionados nesse Laboratório. Os ensaios planejados serão realizados no Laboratório da empresa, em Ouro, MG e Charqueadas, RS, bem como no Centro de Microscopia da UFMG. 7
5 Cronograma do Projeto Tabela 4: Cronograma do Projeto. Atividades: Projeto Doutorado Revisão Bibliográfica Planejamento das condições de processo de Lingotamento e Laminação Produção das Corridas na Aciaria Análise Química Amostragem em amostras de solidificação (Placas) Laminação das Placas de sacrifício para determinação de RLT, RST, Tnr e AR Determinação de RLT, RST, T nr e AR Laminação Steckel das Placas Amostragem das s, Laminador Acabador Ensaios de Propriedades Mecânicas Ensaios de Tenacidade Ensaios de Dureza Ensaios de Microestrutura e TG Ferrítico Análise dos precipitados formados Análise dos resultados Elaboração da Tese Defesa da Tese Local Gerdau, Charqueadas UFMG - UFMG Etapa crítica? 2017 2018 2019 4 5 6 1 2 4 5 6 1 2 4 8