REDEMAT REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS

REDEMAT REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS UFOP CETEC UEMG U FO P - CETEC - U EM G Dissertação de Mestrado Efeito da fração de martensita na cinética de formação da austenita em um aço de baixo carbono Autor: Maximiano Maicon Batista Lopes Orientador: Prof. Dr. André Barros Cota

Fevereiro de 1 REDEMAT REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE M ATERIAIS UFOP CETEC UEMG UFOP - CETEC - UEM G Maximiano Maicon Batista Lopes Efeito da fração de martensita na cinética de formação da austenita em um aço de baixo carbono Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais da REDEMAT, como parte integrante dos requisitos para a obtenção do título de Mestre em Engenharia de Materiais. Área de concentração: Análise e Seleção de Materiais Orientador: Prof. Dr. André Barros Cota ii

Ouro Preto, 8 de fevereiro de 1 iii

AGRADECIMENTOS A Deus. Aos meus pais, Galdino e Vilany, irmãos e familiares por sempre me apoiarem. Ao meu orientador, Prof. Dr. André Barros Cota pela orientação, desde os tempos de iniciação científica, a dedicação e confiança que depositou em mim, pelos ensinamentos e pela amizade. Aos funcionários dos Laboratórios de Tratamentos Térmicos e de Microscopia do DEMET/UFOP pela ajuda, em especial ao Graciliano, Paulo e Sidnei. À Prof. Dra. Margareth Spangler pela colaboração. À REDEMAT pela oportunidade. Ao CNPq pelo fomento. À República Canaan (moradores e ex-alunos) pelas amizades, ensinamentos e apoio. Nesta casa somos mais que amigos, somos irmãos. iv

ÍNDICE AGRADECIMENTOS... LISTA DE FIGURAS... LISTA DE TABELAS... LISTA DE SÍMBOLOS... RESUMO... ABSTRACT... CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO... CAPÍTULO. OBJETIVOS....1. Objetivo Geral..... Objetivos Específicos... CAPÍTULO 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA... 3.1. Dilatometria... 3.1.1. Curva Dilatométrica no Resfriamento Contínuo... 3.1.. Curva Dilatométrica no Aquecimento Contínuo... 3.. Cinética de Transformação... 3.3. Formação da Perlita e Ferrita no Resfriamento Contínuo... 3.3.1. Efeito do Tamanho de Grão Austenítico... 3.3.. Efeito da Taxa de Resfriamento... 3.3.3. Efeito da Composição Química... 3.3.4. Diagrama da Transformação no Resfriamento Contínuo TRC... 3.4. Formação da Austenita no Aquecimento Contínuo... 3.4.1. Influência da Taxa de Aquecimento... 3.4.. Influência da Composição Química... 4.4.3. Influência da Microestrutura Inicial... 3.4.3.1. Ferrita e Perlita... 3.4.3.. Martensita... 3.4.3.3. Estruturas Esferoidizadas... 3.4.4. Diagrama da Transformação no Aquecimento Contínuo TAC... CAPÍTULO 4. MATERIAIS E MÉTODOS... 4.1. Material... 4.. Procedimento Experimental... 4..1. Processamento Térmico das Amostras... 4... Análise Microestrutural... 4..3. Ensaios Dilatométricos... 4.3. Cinética de Austenitização... CAPÍTULO 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO... 5.1. Fração de Martensita... 5.. Revenimento Martensítico... 5.. Dilatometria... 5..1. Determinação das Temperaturas Críticas de Formação da Austenita (Ac1 e Ac3)... 5... Determinação das Temperaturas de Revenimento (Tθ)... 5..3. Temperatura Ac1, Ac3 e Tθ em Função do Tempo... 5..4. Temperatura Ac1 e Ac3 em Função da Fração de Martensita Inicial... 5..5. Tempo de Transformação em Função da Taxa de Aquecimento... 5..6. Comparação entre a Microestrutura Constituída de Martensita e Bainita iii vi xvi xvii xix xx 1 3 3 3 4 4 4 5 6 8 8 11 13 15 16 16 18 3 4 5 7 7 8 8 8 9 31 3 3 37 37 38 41 45 49 5 v

e a Microestrutura Martensítica... 5..7. Fração de Austenita Formada em Função da Temperatura e do Tempo... 5.3. Cinética de Formação Austenítica... 5.3.1. Valores de k e n Constantes para Cada Fração de Martensita Inicial... 5.3.. Valores de K e n Constantes para Todas as Frações de Martensita 51 55 61 6 Inicial... 8 CAPÍTULO 6. CONCLUSÕES... 95 CAPÍTULO 7. REFRÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 97 vi

LISTA DE FIGURAS Figura 3.1. Curva dilatométrica correspondente à decomposição da austenita para um aço carbono-manganês obtida a partir da taxa de resfriamento de ºC.s -1 (adaptado) [15]... 5 Figura 3.. Curva dilatométrica da mudança de comprimento em função da temperatura e sua derivada correspondente, para taxa de aquecimento de ºC.s -1 de um aço baixo carbono com uma microestrutura inicial constituída de ferrita e perlita (adaptado)[7]... 6 Figura 3.3. Efeito do tamanho de grão austenítico na fração volumétrica das fases: ferrita (XF), martensita (XM) e bainita (XB)[9]... 9 Figura 3.4. Tamanho de grão ferrítico em função do tempo de reação para três temperaturas de austenitização: 9, 1 e 11 C[7]... 1 Figura 3.5. Efeito da temperatura de austenitização no tamanho de grão médio da austenita para um aço microligado com nióbio[7]... 11 Figura 3.6. Diagrama da temperatura em função do tempo para um aço-boro. A Austenita, B Bainita, F Ferrita, M Martensita e P Perlita[31]... 1 Figura 3.7. Efeito da temperatura e taxa de resfriamento sobre o tempo de transformação, para um aço microligado com Nb[3]... 13 Figura 3.8. Variação do (a) número de grãos ferríticos e do (b) tamanho do grão ferrítico com o tempo de transformação isotérmica de dois aços processados a 76 C[33]... 14 Figura 3.9. Diagrama TRC para um aço baixo carbono com microestrutura bainítica (HSLA) sujeito a múltipla etapas de deformação por torção e submetido ao resfriamento em várias taxas de resfriamento[4]... 16 Figura 3.1. Diagrama de transformação no aquecimento contínuo para várias taxas de aquecimento. As letras na figura significam: γ Austenita, α Ferrita e P Perlita[7]... 17 Figura 3.11. Fração volumétrica de austenita formada em função da temperatura, para as taxas de aquecimento,1 e C/s (adaptado)[7]... 18 Figura 3.1. Efeito do conteúdo de Nb nas temperaturas críticas Ac 1 e Ac3 (Adaptado) [46]... Figura 3.13. Efeito da taxa de aquecimento nos valores de T1 = ( Ac3 Ac1 ), T = ( Ac3 Af i ) e T3 = ( Af i Ac1 ) 1 [7]... Figura 3.14. Micrografias ópticas de aços IF com três tipos de microestruturas obtidas a partir de diferentes tratamentos térmicos: (a) AC, (b) SBQ, (c) IBQ[49]... vii

Figura 3.15. Curvas dilatométricas para (a) AC, SBQ e IBQ medidos durante o aquecimento contínuo a 1 C/s[49]... Figura 3.16. Diagrama da temperatura em função do tempo de transformação (adaptado)[5]... 4 Figura 3.17. Ilustração esquemática do crescimento austenítico pela dissolução da cementita[53]... 5 Figura 3.18. Diagrama TAC para um aço inoxidável martensítico (X45Cr13) obtido a parti de várias taxas de aquecimento[54]... 6 Figura 4.1. Micrografias do aço na condição como recebido da indústria; a) micrografia óptica. Ataque: nital %; b) micrografia eletrônica de varredura. Ataque: nital 4%. A ferrita e a perlita são indicadas pelas letras α e P, respectivamente... 7 Figura 4.. Ciclo do tratamento térmico... 9 Figura 4.3. Geometria das amostras usadas nos ensaios dilatométricos... 3 Figura 4.4. Método de aplicação da regra da alavanca à curva dilatométrica que consiste em de terminar os valores de x e y para várias temperaturas entre Ac1 e Ac3... 31 Figura 5.1. Imagem da microestrutura obtida por microscopia óptica com aumento de 5X da amostra submetida à têmpera em temperatura de austenitização de 75 C. A microestrutura é composta de ferrita (fase clara) e martensita (fase escura)... 3 Figura 5.. Imagem da microestrutura obtida por microscopia óptica com aumento de 5X da amostra submetida à têmpera em temperatura de austenitização de 76 C. A microestrutura é composta de ferrita (fase clara) e martensita (fase escura)... 33 Figura 5.3. Imagem da microestrutura obtida por microscopia óptica com aumento de 5X da amostra submetida à têmpera em temperatura de austenitização de 77 C. A microestrutura é composta de ferrita (fase clara) e martensita (fase escura)... 33 Figura 5.4. Imagem da microestrutura obtida por microscopia óptica com aumento de 5X da amostra submetida à têmpera em temperatura de austenitização de 95 C. A microestrutura é composta de martensita e bainita.... 34 Figura 5.5. Imagem da microestrutura obtida por microscopia eletrônica de varredura da amostra constituída de martensita e uma pequena quantidade de bainita, atacada com nital % e aumento de 3X. M martensita e B bainita... 35 Figura 5.6. Imagem da microestrutura obtida por microscopia óptica com aumento de 5X da amostra submetida à têmpera em temperatura de austenitização de 11 C. A microestrutura é somente composta de martensita... 35 Figura 5.7. Imagem da microestrutura obtida por microscopia eletrônica de varredura com aumento de 1X da amostra com microestrutura martensítica... 36 Figura 5.8. Imagem da microestrutura obtida por microscopia eletrônica de varredura com aumento de 5X da amostra com microestrutura martensítica após o viii

revenimento em temperatura de 6ºC e mantida a esta temperatura por 9s... 37 Figura 5.9. Curva dilatométrica no aquecimento contínuo da amostra com microestrutura inicial contendo fração volumétrica martensita igual a,35 e taxa de aquecimento de,1ºc/s. A curva apresenta as temperaturas criticas de início e fim de formação da austenita (Ac1 e Ac3, respectivamente)... 39 Figura 5.1. Curva dilatométrica no aquecimento contínuo da amostra com microestrutura inicial contendo fração volumétrica martensita igual a,5 e taxa de aquecimento de ºC/s. A curva apresenta as temperaturas criticas de início e fim de formação da austenita (Ac1 e Ac3, respectivamente)... 39 Figura 5.11. Curva dilatométrica no aquecimento contínuo da amostra com microestrutura inicial contendo fração volumétrica martensita igual a,71 e taxa de aquecimento de 5,ºC/s. A curva apresenta as temperaturas criticas de início e fim de formação da austenita (Ac1 e Ac3, respectivamente)... 4 Figura 5.1. Curva dilatométrica no aquecimento contínuo da amostra com microestrutura inicial contendo martensita e com uma pequena quantidade de bainita e taxa de aquecimento de 13ºC/s. A curva apresenta as temperaturas criticas de início e fim de formação da austenita (Ac1 e Ac3, respectivamente)... 4 Figura 5.13. Curva dilatométrica no aquecimento contínuo da amostra com microestrutura martensítica e taxa de aquecimento de 13ºC/s. A curva apresenta as temperaturas criticas de início e fim de formação da austenita (Ac1 e Ac3, respectivamente)... 41 Figura 5.14. Curva dilatométrica no aquecimento contínuo da amostra com microestrutura inicial contendo fração volumétrica de martensita igual a,35 e taxa de aquecimento de,1ºc/s. A curva apresenta a temperatura critica de revenimento da martensita (Tθ)... 4 Figura 5.15. Curva dilatométrica no aquecimento contínuo da amostra com microestrutura inicial contendo fração volumétrica de martensita igual a,5 e taxa de aquecimento de C/s. A curva apresenta a temperatura critica de revenimento da martensita (Tθ)... 4 Figura 5.16. Curva dilatométrica no aquecimento contínuo da amostra com microestrutura inicial contendo fração volumétrica de martensita igual a,71 e taxa de aquecimento de 5, C/s. A curva apresenta a temperatura critica de revenimento da martensita (Tθ)... 43 Figura 5.17. Curva dilatométrica no aquecimento contínuo da amostra com microestrutura inicial contendo martensita e bainita e taxa de aquecimento de 13 C/s. ix

A curva apresenta a temperatura critica de revenimento da martensita (Tθ)... 43 Figura 5.18. Curva dilatométrica no aquecimento contínuo da amostra com microestrutura martensítica e taxa de aquecimento de 13 C/s. A curva apresenta a temperatura critica de revenimento da martensita (Tθ)... 44 Figura 5.19. Temperaturas críticas Ac1, Ac3 e Tθ em função do tempo para a microestrutura inicial com fração de martensita igual a,35... 46 Figura 5.. Temperaturas críticas Ac1, Ac3 e Tθ em função do tempo para a microestrutura inicial com fração de martensita igual a,5... 46 Figura 5.1. Temperaturas críticas Ac1, Ac3 e Tθ em função do tempo para a microestrutura inicial com fração de martensita igual a,71... 47 Figura 5.. Temperaturas críticas Ac1, Ac3 e Tθ em função do tempo para a microestrutura inicial martensítica... 47 Figura 5.3. Temperaturas críticas Ac1, Ac3 e Tθ em função do tempo para a microestrutura inicial constituída de martensita e bainita... 48 Figura 5.4. Temperaturas críticas Ac1 e Ac3 em função da taxa de aquecimento para as microestruturas iniciais contendo frações de martensita de,35;,5;,71; microestrutura martensítica e da microestrutura constituída martensita e bainita... 49 Figura 5.5. Temperaturas críticas Ac1 e Ac3 em função da fração de martensita para as microestruturas iniciais contendo frações de martensita de,35;,5;,71; microestrutura martensítica e da microestrutura constituída martensita e bainita... 5 Figura 5.6. Tempo de transformação em função da taxa de aquecimento para todas as microestruturas iniciais... 51 Figura 5.7. Temperaturas críticas Ac1 e Ac3 em função da taxa de aquecimento para a microestrutura constituída de martensita e bainita e microestrutura martensítica... 5 Figura 5.8. Tempo de transformação em função da taxa de aquecimento para a microestrutura constituída de martensita e bainita e microestrutura martensítica... 5 Figura 5.9. Tempo de transformação em função da taxa de aquecimento para a microestrutura com fração volumétrica de martensita igual a,35, da microestrutura martensítica e para a microestrutura construída de ferrita e perlita... 53 Figuras 5.3. Diagrama esquemático ilustrado a formação da austenita a partir de uma microestrutura prévia constituída de ferrita e carbonetos (adaptado de Brooks[39])... 54 Figura 5.31. Fração volumétrica da austenita em função da temperatura para as taxas de aquecimento de,1; ; 5, e 13ºC/s. Microestrutura inicial com fração volumétrica de martensítica igual a,35... 56 x

Figura 5.3. Fração volumétrica da austenita em função da temperatura para as taxas de aquecimento de,1; ; 5, e 13ºC/s. Microestrutura inicial com fração volumétrica de martensítica igual a,5... 56 Figura 5.33. Fração volumétrica da austenita em função da temperatura para as taxas de aquecimento de,1; ; 5, e 13ºC/s. Microestrutura inicial com fração volumétrica de martensita igual a,71... 57 Figura 5.34. Fração volumétrica da austenita em função da temperatura para as taxas de aquecimento de,1; ; 5, e 13ºC/s. Microestrutura inicial constituída de martensita e bainita... 57 Figura 5.35. Fração volumétrica da austenita em função da temperatura para as taxas de aquecimento de,1; ; 5, e 13ºC/s. Microestrutura inicial martensítica... 58 Figura 5.36. Fração volumétrica da austenita em função do tempo para as taxas de aquecimento de,1; ; 5, e 13ºC/s. Microestrutura inicial com fração de martensita igual a,35... 58 Figura 5.37. Fração volumétrica da austenita em função do tempo para as taxas de aquecimento de,1; ; 5, e 13ºC/s. Microestrutura inicial com fração de martensita igual a,5... 59 Figura 5.38. Fração volumétrica da austenita em função do tempo para as taxas de aquecimento de,1; ; 5, e 13ºC/s. Microestrutura inicial com fração de martensita igual a,71... 59 Figura 5.39. Fração volumétrica da austenita em função do tempo para as taxas de aquecimento de,1; ; 5, e 13ºC/s. Microestrutura inicial contendo martensita e bainita... 6 Figura 5.4. Fração volumétrica da austenita em função do tempo para as taxas de aquecimento de,1; ; 5, e 13ºC/s. Microestrutura inicial martensítica... 6 Figura 5.41. Fração volumétrica de austenita em função do tempo usando a equação de JMAK para a taxa de aquecimento de,1ºc/s e a microestrutura inicial com fração de martensítica de,35... 63 Figura 5.4. Fração volumétrica de austenita em função do tempo usando a equação de JMAK para a taxa de aquecimento de ºC/s e a microestrutura inicial com fração de martensítica de,35... 64 Figura 5.43. Fração volumétrica de austenita em função do tempo usando a equação de JMAK para a taxa de aquecimento de 5,ºC/s e a microestrutura inicial com fração de martensítica de,35... 64 Figura 5.44. Fração volumétrica de austenita em função do tempo usando a equação de JMAK para a taxa de aquecimento de 13ºC/s e a microestrutura inicial com fração de martensítica de,35... 65 Figura 5.45. Fração volumétrica de austenita em função do tempo usando a equação xi

de JMAK para a taxa de aquecimento de,1ºc/s e a microestrutura inicial com fração de martensítica de,5... 66 Figura 5.46. Fração volumétrica de austenita em função do tempo usando a equação de JMAK para a taxa de aquecimento de ºC/s e a microestrutura inicial com fração de martensítica de,5... 66 Figura 5.47. Fração volumétrica de austenita em função do tempo usando a equação de JMAK para a taxa de aquecimento de 5,ºC/s e a microestrutura inicial com fração de martensítica de,5... 67 Figura 5.48. Fração volumétrica de austenita em função do tempo usando a equação de JMAK para a taxa de aquecimento de 13ºC/s e a microestrutura inicial com fração de martensítica de,5... 67 Figura 5.49. Fração volumétrica de austenita em função do tempo usando a equação de JMAK para a taxa de aquecimento de,1ºc/s e a microestrutura inicial com fração de martensítica de,71... 68 Figura 5.5. Fração volumétrica de austenita em função do tempo usando a equação de JMAK para a taxa de aquecimento de ºC/s e a microestrutura inicial com fração de martensítica de,71... 69 Figura 5.51. Fração volumétrica de austenita em função do tempo usando a equação de JMAK para a taxa de aquecimento de 5,ºC/s e a microestrutura inicial com fração de martensítica de,71... 69 Figura 5.5. Fração volumétrica de austenita em função do tempo usando a equação de JMAK para a taxa de aquecimento de 13ºC/s e a microestrutura inicial com fração de martensítica de,71... 7 Figura 5.53. Fração volumétrica de austenita em função do tempo usando a equação de JMAK para a taxa de aquecimento de,1ºc/s e a microestrutura inicial constituída martensita e bainita... 71 Figura 5.54. Fração volumétrica de austenita em função do tempo usando a equação de JMAK para a taxa de aquecimento de ºC/s e a microestrutura inicial constituída martensita e bainita... 71 Figura 5.55. Fração volumétrica de austenita em função do tempo usando a equação de JMAK para a taxa de aquecimento de 5,ºC/s e a microestrutura inicial constituída martensita e bainita... 7 Figura 5.56. Fração volumétrica de austenita em função do tempo usando a equação de JMAK para a taxa de aquecimento de 13ºC/s e a microestrutura inicial constituída martensita e bainita... 7 Figura 5.57. Fração volumétrica de austenita em função do tempo usando a equação de JMAK para a taxa de aquecimento de,1ºc/s e a microestrutura inicial xii

martensítica... 73 Figura 5.58. Fração volumétrica de austenita em função do tempo usando a equação de JMAK para a taxa de aquecimento de ºC/s e a microestrutura inicial martensítica... 74 Figura 5.59. Fração volumétrica de austenita em função do tempo usando a equação de JMAK para a taxa de aquecimento de 5,ºC/s e a microestrutura inicial martensítica... 74 Figura 5.6. Fração volumétrica de austenita em função do tempo usando a equação de JMAK para a taxa de aquecimento de 13ºC/s e a microestrutura inicial martensítica... 75 Figura 5.61. Energia de ativação aparente (Q) como uma função da taxa de aquecimento para a microestrutura inicial com fração de martensita de,35... 77 Figura 5.6. Energia de ativação aparente (Q) como uma função da taxa de aquecimento para a microestrutura inicial com fração de martensita de,5... 77 Figura 5.63. Energia de ativação aparente (Q) como uma função da taxa de aquecimento para a microestrutura inicial com fração de martensita de,71... 78 Figura 5.64. Energia de ativação aparente (Q) como uma função da taxa de aquecimento para a microestrutura inicial composta de martensita e bainita... 78 Figura 5.65. Energia de ativação aparente (Q) como uma função da taxa de aquecimento para a microestrutura inicial martensítica... 79 Figura 5.66. Fração volumétrica de austenita em função do tempo, usando as equações de JMAK para a taxa de aquecimento de,1ºc/s e microestrutura inicial com fração de martensita de,35... 81 Figura 5.67. Fração volumétrica de austenita em função do tempo, usando as equações de JMAK para a taxa de aquecimento de ºC/s e microestrutura inicial com fração de martensita de,35... 81 Figura 5.68. Fração volumétrica de austenita em função do tempo, usando as equações de JMAK para a taxa de aquecimento de 5,ºC/s e microestrutura inicial com fração de martensita de,35... 8 Figura 5.69. Fração volumétrica de austenita em função do tempo, usando as equações de JMAK para a taxa de aquecimento de 13ºC/s e microestrutura inicial com fração de martensita de,35... 8 Figura 5.7. Fração volumétrica de austenita em função do tempo, usando as equações de JMAK para a taxa de aquecimento de,1ºc/s e microestrutura inicial com fração de martensita de,5... 83 Figura 5.71. Fração volumétrica de austenita em função do tempo, usando as equações de JMAK para a taxa de aquecimento de ºC/s e microestrutura inicial xiii

com fração de martensita de,5... 83 Figura 5.7. Fração volumétrica de austenita em função do tempo, usando as equações de JMAK para a taxa de aquecimento de 5,ºC/s e microestrutura inicial com fração de martensita de,5... 84 Figura 5.73. Fração volumétrica de austenita em função do tempo, usando as equações de JMAK para a taxa de aquecimento de 13ºC/s e microestrutura inicial com fração de martensita de,5... 84 Figura 5.74. Fração volumétrica de austenita em função do tempo, usando as equações de JMAK para a taxa de aquecimento de,1ºc/s e microestrutura inicial com fração de martensita de,71... 85 Figura 5.75. Fração volumétrica de austenita em função do tempo, usando as equações de JMAK para a taxa de aquecimento de ºC/s e microestrutura inicial com fração de martensita de,71... 85 Figura 5.76. Fração volumétrica de austenita em função do tempo, usando as equações de JMAK para a taxa de aquecimento de 5,ºC/s e microestrutura inicial com fração de martensita de,71... 86 Figura 5.77. Fração volumétrica de austenita em função do tempo, usando as equações de JMAK para a taxa de aquecimento de 13ºC/s e microestrutura inicial com fração de martensita de,71... 86 Figura 5.78. Fração volumétrica de austenita em função do tempo, usando as equações de JMAK para a taxa de aquecimento de,1ºc/s e microestrutura inicial composta de martensita e bainita... 87 Figura 5.79. Fração volumétrica de austenita em função do tempo, usando as equações de JMAK para a taxa de aquecimento de ºC/s e microestrutura inicial composta de martensita e bainita... 87 Figura 5.8. Fração volumétrica de austenita em função do tempo, usando as equações de JMAK para a taxa de aquecimento de 5,ºC/s e microestrutura inicial composta de martensita e bainita... 88 Figura 5.81. Fração volumétrica de austenita em função do tempo, usando as equações de JMAK para a taxa de aquecimento de 13ºC/s e microestrutura inicial composta de martensita e bainita... 88 Figura 5.8. Fração volumétrica de austenita em função do tempo, usando as equações de JMAK para a taxa de aquecimento de,1ºc/s e microestrutura inicial martensítica... 89 Figura 5.83. Fração volumétrica de austenita em função do tempo, usando as equações de JMAK para a taxa de aquecimento de ºC/s e microestrutura inicial martensítica... 89 Figura 5.84. Fração volumétrica de austenita em função do tempo, usando as xiv

equações de JMAK para a taxa de aquecimento de 5,ºC/s e microestrutura inicial martensítica... 9 Figura 5.85. Fração volumétrica de austenita em função do tempo, usando as equações de JMAK para a taxa de aquecimento de 13ºC/s e microestrutura inicial martensítica... 9 Figuras 5.86. Energia de ativação aparente (Q) como uma função da taxa de aquecimento para todas as microestruturas iniciais... 9 Figura 5.87. Energia de ativação aparente (Q) como uma função da taxa de aquecimento: este trabalho e resultados de Almeida et al.[6]... 93 xv

LISTA DE TABELAS Tabela 4.1. Composição química (% em massa) do aço... Tabela 5.1. Frações volumétricas de martensita e ferrita após a têmpera... Tabela 5.. Valores médios de microdureza Vickers para as regiões claras e escuras... Tabela 5.3. Temperaturas críticas (Ac1, Ac3 e Tθ)... Tabela 5.4. Parâmetros K, Q e n da microestrutura inicial com fração de martensita 7 36 37 45 igual a,35... 61 Tabela 5.5. Parâmetros K, Q e n da microestrutura inicial com fração de martensita igual a,5.... 61 Tabela 5.6. Parâmetros K, Q e n da microestrutura inicial com fração de martensita igual a,71.... 61 Tabela 5.7. Parâmetros K, Q e n da microestrutura inicial constituída de martensita e bainita.... 6 Tabela 5.8. Parâmetros K, Q e n da microestrutura inicial martensítica... 6 Tabela 5.9. Energia de ativação aparente (Q) para as taxas de aquecimento de,1; ; 5, e 13ºC/s de todas as microestruturas iniciais... 76 Tabela 5.1. Parâmetros K, n, Q e Q1 do modelo da cinética de austenitização para a microestrutura inicial com fração de martensita de,35... 79 Tabela 5.11. Parâmetros K, n, Q e Q1 do modelo da cinética de austenitização para a microestrutura inicial com fração de martensita de,5... 79 Tabela 5.1. Parâmetros K, n, Q e Q1 do modelo da cinética de austenitização para a microestrutura inicial com fração de martensita de,71... 8 Tabela 5.13. Parâmetros K, n, Q e Q1 do modelo da cinética de austenitização para a microestrutura inicial composta de martensita e bainita... 8 Tabela 5.14. Parâmetros K, n, Q e Q1 do modelo da cinética de austenitização para a microestrutura inicial com fração de martensita de... 8 Tabela 5.15. Energia de ativação aparente (Q) para as taxas de aquecimento de,1; ; 5, e 13ºC/s de todas as microestruturas iniciais... 91 Tabelas 5.16. Parâmetros K, n, Q e Q1 do modelo da cinética de austenitização para todas as microestruturas iniciais... 9 xvi

LISTA DE SÍMBOLOS AC IBQ Aquecimento até temperatura de 98 C por 1 minutos e resfriado ao ar. Aquecimento até temperatura de 98 C por 1 minutos e resfriado em água e gelo γ B θ K N G Q n N G α fγ M P SBQ contendo 1% de NaCl. Austenita. Bainita. Cementita. Constante da equação de Avrami para uma temperatura determinada. Energia de ativação para a nucleação. Energia de ativação para o crescimento. Energia de ativação. Expoente da equação de Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov. Fator pré-exponencial Fator pré-exponencial Ferrita. Fração volumétrica de austenita. Martensita. Perlita. Resfriamento em banho de sal a 6 C e mantido a essa temperatura por 3 Txa G N Txr Ar1 Ac3 Ar3 Ac1 Afi Bi Mi minutos. Taxa de aquecimento. Taxa de crescimento. Taxa de nucleação. Taxa de resfriamento. Temperatura de fim da decomposição da austenita no resfriamento contínuo. Temperatura de fim de formação da austenita no aquecimento contínuo. Temperatura de início da decomposição da austenita no resfriamento contínuo. Temperatura de início de formação da austenita no aquecimento contínuo. Temperatura de início da transformação da ferrita proeutetóide em austenita. Temperatura de transformação bainítica. Temperatura de transformação martensítica. Acc Temperatura final da dissolução de carbonetos na austenita formada após a Ach temperatura Ac3 no aquecimento contínuo. Temperatura que ocorre homogeneização da difusão dos átomos de carbono na TAC TRC austenita. Transformação no aquecimento contínuo. Transformação no resfriamento contínuo. xvii

RESUMO Este trabalho apresenta um estudo sobre o efeito da fração volumétrica de martensita presente na microestrutura inicial e das várias taxas de aquecimento (,1; ; 5, e 13ºC/s) na cinética de formação da austenita no aquecimento contínuo; por meio do modelo clássico Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) e da análise dilatométrica para um aço baixo carbono. A microestrutura prévia para a formação da austenita era constituída de: ferrita + martensita (com frações volumétricas de,35;,5;,71); martensita com uma pequena quantidade de bainita; martensita. Os resultados mostram que o aumento na taxa de aquecimento aumenta as temperaturas críticas (Ac1, Ac3 e Tθ), e que a taxa de aquecimento exerce uma influência maior sobre Ac3. Verificou-se que, para taxas de aquecimento maiores que oc/s, a microestrutura inicial não afetou o intervalo de tempo de formação austenita. Para a taxa de aquecimento de,1ºc/s, o intervalo de tempo de formação austenítica foi maior para a microestrutura prévia martensítica, menor para a microestrutura prévia constituída de ferrita e perlita e intermediário para a microestrutura prévia constituída de ferrita e martensita. Devido ao revenimento da martensita no processo de austenitização, a influência da fração volumétrica desta fase na microestrutura inicial sobre as temperaturas críticas não foi significativa. No estudo da cinética de formação da austenita realizado por meio da equação Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK), verificou-se que existe uma relação logarítmica-linear entre a energia de ativação aparente e a taxa de aquecimento para todas as microestruturas analisadas. O aumento da taxa de aquecimento de,1 para 13ºC/s provoca uma redução da energia de ativação de 145,3 para 91,6 kj/mol. O parâmetro n do modelo de JMAK encontrado neste trabalho foi de 1,4, o que indica que a nucleação austenítica ocorre preferencialmente nas interfaces entre os grãos ferríticos e os finos de carbonetos da martensita revenida. xviii

ABSTRACT This work presents a study of the effect of the martensite volume fraction present in the initial microstructure and the various heating rates (.1, 1., 5. and 13 C/s) on the kinetics of austenite formation in continuous heating, through the classic Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) model and dilatometry analysis, for a low carbon steel. The microstructure prior to the austenite formation consisted of: ferrite + martensite (with volume fractions of.35,.5, and.71), martensite with a small amount of bainita and martensite. The results show that a increase in heating rate increases the critical temperatures (Ac1, Ac3 and Tθ), and that the heating rate exerts a greater influence on Ac3. It was verified that for heating rates higher than 1. C/s, the prior microstructure did not affect the time interval of austenite formation. For the heating rate of.1 C/s, the time interval of austenite formation was higher for the prior martensitic microstructure, lower for the prior ferrite and pearlite microstructure and intermediate for the initial ferrite and martensite microstructure. Due to the tempering of martensite in the process of austenitization, the influence of volume fraction of this phase in the initial microstructure on the critical temperatures was not significant. In the study of the kinetics of austenite formation carried out through the Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) equation, it was verified that there is a log-linear relationship between the apparent activation energy and the heating rate for all examined microstructures. Increasing the heating rate from.1 to 13 C/s causes a reduction of the activation energy from 145.3 to 91.6 kj/mol. The parameter n of the JMAK model found in this study was 1.4, which indicates that the austenite nucleation occurs mainly at the interface between the ferritic grains and fine carbides of tempered martensite. xix

CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO As transformações de fases que ocorrem nos aços de baixo carbono, ou seja, hipoeutetóides, submetidos a um aquecimento contínuo ocorre quando a temperatura Ac 1 é atingida. Nesta temperatura inicia a formação da estrutura cúbica de face centrada, que só finaliza no momento que atinge-se a temperatura Ac3[1,]. Esta estrutura cristalina é chamada de austenita e muitos tratamentos térmicos, termomecânicos e termoquímicos são processados neste campo de fase. Neste sentido, o estudo dos processos físicos que governam a formação da austenita é de grande importância para o conhecimento científico, bem como para o setor industrial. Basicamente, a cinética de formação da austenita é influenciada pela composição química, taxa de aquecimento e microestrutura inicial. A caracterização qualitativa e quantitativa da microestrutura inicial é essencial no estudo destas transformações de fases, pois as fases e constituintes presentes ditam a cinética de transformação para uma dada composição química e taxa de aquecimento[1,3,4]. A austenita pode ser formada a partir de várias microestruturas iniciais contendo ferrita, martensita, perlita, cementita esferoidizada ou bainita ou a mistura destas[,5]. Trabalhos recentes[6,7] mostram o estudo da cinética de austenitização para um aço com microestrutura inicial constituída de ferrita e perlita por meio do uso da análise dilatométrica. Observaram que a formação da austenita ocorre em duas etapas: a) dissolução da perlita, que se inicia na temperatura Ac1 e termina na temperatura Afi, e b) a transformação da ferrita em austenita que ocorre no intervalo das temperaturas Afi e Ac3, sendo esse processo controlado principalmente pela segunda etapa de formação austenítica. Para o estudo da cinética de formação da austenita ou ferrita, a análise dilatométrica tem sido uma das técnicas mais utilizadas. A dilatometria permite o monitoramento da evolução da transformação em termos da mudança dimensional ocorrida na amostra durante o tratamento térmico, o que possibilita a obtenção das temperaturas críticas de início e fim da transformação, além de estabelecer uma relação entre a fração volumétrica da fase transformada, a temperatura, as composições das fases e os dados dilatométricos[1,4,8]. 1

Esta cinética de transformação de fases pode ser predita pelo modelo clássico Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK), que fornece relação entre a fração volumétrica da fase formada, o tempo e a temperatura de transformação [9-11]. A partir do modelo clássico JMAK e de dados dilatométricos é possível obter um padrão que descreva a austenitização, pois uma teoria quantitativa sobre a nucleação e crescimento da austenita é de grande interesse para alcançar um comportamento mecânico superior nas ligas ferrosas. Do ponto de vista tecnológico, a pesquisa científica voltada para o desenvolvimento de modelos termodinâmicos e cinéticos de transformações de fase tende a ajudar na redução do tempo e do custo de desenvolvimento de ligas de ferro, mantendo o aço como um material estrutural com grande aplicabilidade. No entanto, nenhum trabalho é encontrado na literatura que trate da cinética de formação da austenita pela decomposição da martensita. Neste sentido, o presente trabalho se justifica pela relevância do tema abordado, ou seja, o estudo da cinética de formação da austenita em aços de baixo carbono a partir de microestruturas que contêm martensita, por meio da utilização das curvas dilatométricas obtidas no aquecimento contínuo a várias taxas de aquecimento.

CAPÍTULO. OBJETIVOS Objetivo Geral Estudar a cinética de formação da austenita em um aço de baixo carbono no aquecimento contínuo como determinado pela análise dilatométrica, corrigindo-se os efeitos da superposição das dilatações térmicas das fases presentes durante a transformação, bem como o efeito da fração volumétrica de martensita na microestrutura inicial e das várias taxas de aquecimento utilizadas. Objetivos Específicos 1. Analisar a influência da fração volumétrica de martensita sobre as temperaturas de início e fim de formação da austenita.. Determinar a fração de austenita formada a partir de microestruturas contendo diferentes frações volumétricas de martensita, utilizando as curvas dilatométricas obtidas no aquecimento contínuo, para várias taxas de aquecimento, e a regra da alavanca. 3. Estudar a cinética de formação da austenita, utilizando o modelo de JMAK. 4. Correlacionar à energia de ativação aparente para a formação da austenita com a taxa de aquecimento e com a fração volumétrica de martensita na microestrutura inicial. 3

CAPÍTULO 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3.1. Dilatometria A dilatometria é a técnica mais usada para o estudo da transformação de fase em ligas ferrosas. Essas transformações estão associadas à variação de volume devido à mudança do parâmetro de rede da estrutura cristalina[1,7,8,1]. Esta técnica permite o monitoramento em tempo real da evolução das transformações de fases, estabelecendo uma relação entre as frações volumétricas da fase transformada, a temperatura, composição química das fases e os dados dilatométricos. Além disto, as curvas dilatométricas são usadas para a determinação das temperaturas críticas de transformação de fase nos aços, tanto no aquecimento quanto no resfriamento contínuo[1,4,8]. 3.1.1. Curva Dilatométrica no Resfriamento Contínuo A decomposição da austenita no resfriamento contínuo para um aço de baixo carbono inicia a partir da temperatura de Ar3 e finaliza na temperatura Ar1 com formação de ferrita e perlita em baixas taxas de resfriamento. Para altas taxas de resfriamentos a microestrutura final formada a partir de um aço hipoeutetóide pode constituir-se de martensita e/ou bainita [13,14]. A figura 3.1 representa a curva dilatométrica L L = f (T ) de um aço carbono-manganês (,%C, 1,1% Mn e,3% Si) no resfriamento contínuo. As temperaturas de início e fim da decomposição não isotérmica da austenita estão representas no gráfico[15]. 4

Figura 3.1. Curva dilatométrica correspondente à decomposição da austenita para um aço carbono-manganês obtida a partir da taxa de resfriamento de ºC.s-1 (adaptado)[15]. 3.1.. Curva Dilatométrica no Aquecimento Contínuo No aquecimento contínuo de um aço hipoeutetóide, a formação da austenita tem início na temperatura Ac1 e término na temperatura Ac3. A figura 3. mostra uma curva dilatométrica que fornece a relação entre a mudança relativa do comprimento e a temperatura ( L L = f (T )), de um aço de baixo carbono (,15%C, 1,4%Mn,,37%Si,,5Al,,31Nb,,3P,,9S e,4n) com microestrutura inicial constituída de ferrita e perlita durante o aquecimento contínuo[7]. A temperatura de transformação Ac1 é definida como a temperatura em que, pela primeira vez, a expansão térmica linear desvia da linearidade. Esse comportamento é causado pela contração do volume devido à formação da austenita que provoca uma inversão da expansão normal do aço resultante do aumento de temperatura. A temperatura Ac 3 é definida como a temperatura na qual a curva dilatométrica volta a ter um comportamento linear e o material retorna a uma expansão térmica constante [1,6,7]. A partir da curva da mudança relativa de comprimento em função da temperatura L L = f (T ) pode ser obtida a curva da derivada correspondente (d ( L L ) dt = f (T )) 5

, como ilustrado na figura 3.. A curva (d ( L L ) dt = f (T )) permite a determinação precisa das temperaturas críticas de início e fim da formação austenítica[7]. 16 o Txa= C/s Ac3 Ac1,8 1,6-1,4 o L/L(µm) 1 d( L)/dT(µm C ) 14 8, 6, 4 -, -,4 4 5 6 7 8 9 -,6 1 o T( C) Figura 3.. Curva dilatométrica da mudança de comprimento em função da temperatura e sua derivada correspondente, para taxa de aquecimento de ºC.s-1 de um aço baixo carbono com uma microestrutura inicial constituída de ferrita e perlita (adaptado)[7]. 3.. Cinética de Transformação A mudança de fase inicia-se com a nucleação de pequenas partículas de uma nova fase dispersas na fase antiga. Estas pequenas partículas iniciam o crescimento até que a mudança de fase se complete. Uma forma teórica de obter a taxa de nucleação (N) da nova fase é apresentada na equação 3.1 sendo esta uma função de tipo Arrhenius[16-18]. Q N = N exp N KT (3.1) onde, QN é a energia de ativação para a nucleação K é a constante de Boltzmann e N é um fator pré-exponencial. 6

Uma vez que a nucleação tenha iniciado os núcleos da nova fase tenderá a crescer. No caso da formação austenítica, esse crescimento se dá pela difusão do carbono na austenita formada[19-]. A taxa de crescimento (G) pode ser obtida a partir da equação 3.[16-18]. Q G = G exp G KT (3.) onde, QG é a energia de ativação para o crescimento, K é a constante de Boltzmann e G é um fator pré-exponencial. As mudanças de fases podem ocorrer tanto no aquecimento quanto no resfriamento contínuo envolvendo processos de nucleação e crescimento. Estas transformações de fases são descritas pelo modelo Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) que fornece uma maneira eficaz de se descrever a cinética de transformação de fase[9-11]. O modelo clássico JMAK é dado por: f = 1 exp( Kt n ) (3.3) onde, f(t) é a fração volumétrica da fase formada após o tempo t, n é o expoente de Avrami que varia entre e 4, (dependendo do crescimento espacial e das condições de nucleação) e, espera-se, que o expoente se mantenha constante durante toda transformação de fase[3,4]. Nas condições onde a taxa de nucleação é elevada (maior que a taxa de crescimento) e a taxa de crescimento constante e isotrópica, os valores de n podem variar de 1 a 3 dependendo do local preferencial para nucleação. Quando n =1, os sítios de nucleação são contornos de grãos, para n= são pontos tríplices e para n=3 os sítios de nucleação preferencial são os pontos [5,6]. O fator K é uma função da temperatura e representa a influência da taxa de aquecimento sobre as taxas de nucleação e crescimento, e é dado pela equação de Arrhenius: Q K = K exp RT (3.4) onde, K é o coeficiente pré-exponencial e Q é a energia de ativação aparente para a transformação de fase que incorpora toda entalpias de ativação de todos os processos atômicos que constituem a transformação de fase global. Nas condições não isotérmicas existe 7

uma relação que correlaciona a energia de ativação com a taxa de aquecimento [4], e é dada por: Q = Q + Q1 ln ( Txa ) (3.5) onde, Q é a energia de ativação aparente, Q e Q1 são constantes e Txa é a taxa de aquecimento em K.s-1. 3.3. Formação de Perlita e Ferrita no Resfriamento Contínuo Para um aço hipoeutetóide submetido a um lento resfriamento contínuo, a decomposição da austenita ocorre em duas etapas: formação da ferrita proeutetóide e formação da perlita. Na primeira etapa, a decomposição da austenita é governada pela difusão do carbono na fase austenítica. Isto se deve a solubilidade do carbono na fase ferrita ser menor que da fase austenita, deste modo, o carbono concentra-se na fase γ conforme a transformação evolui com a formação de ferrita proeutetóide. O enriquecimento da fase γ pelo carbono inicia na interface da transformação durante a formação da nova fase que leva a uma concentração limite de carbono. A partir deste ponto inicia a segunda parte da transformação em que ocorre a formação da perlita pela decomposição da fase γ enriquecida de carbono[7]. A perlita formada é constituída de uma mistura lamelar de ferrita eutetóide e cementita (Fe3C)[1,8]. A transformação de fase do aço no resfriamento contínuo que ocorre com a decomposição da austenita é influenciada pelo tamanho de grão austenítico, taxa de resfriamento e composição química do aço[1,3,4]. 3.3.1. Efeito do Tamanho de Grão Austenítico O aumento do tamanho de grão austenítico desloca o início da transformação da ferrita e perlita para temperaturas mais baixas. Este fato está relacionado com a redução da área do contorno de grão austenítico na qual a ferrita preferencialmente nucleia, diminuindo a taxa de nucleação[7,9]. A figura 3.3 mostra o efeito do tamanho de grão austenítico na fração volumétrica dos microconstituintes ferrita, martensita e bainita (XF, XM e XB, respectivamente) a uma taxa de resfriamento de 5 C/s. Conforme cresce o tamanho de grão 8

austenítico, diminui a fração volumétrica de ferrita e bainita e aumenta fração de martensita[9]. Figura 3.3. Efeito do tamanho de grão austenítico na fração volumétrica das fases: ferrita (XF), martensita (XM) e bainita (XB)[9]. A figura 3.4 mostra o efeito do tempo de transformação, para três temperaturas de austenitização: 9, 1 e 11 C, no tamanho de grão da ferrita de um aço com composição química (% em massa) de,15%c, 1,4%Mn,,37%Si,,5Al,,31Nb,,3P,,9S e,4n. Observa-se nesta figura que o tamanho de grão ferrítico é maior para um aço tratado a uma temperatura de austenitização mais elevada [7]. O aumento desta temperatura favorece o crescimento do tamanho de grão austenítico, reduzindo deste modo a área de superfície para a nucleação e quantidade de núcleos de ferrita formados, possibilitando o crescimento do grão ferrítico. O efeito é mais intensificado para a temperatura de 11 C, pois os precipitados de Nb que impedia o crescimento de grão austenítico encontram-se dissolvidos[7,3]. 9

Figura 3.4. Tamanho de grão ferrítico em função do tempo de reação para três temperaturas de austenitização: 9, 1 e 11 C[7]. Os carbonetos e nitretos precipitados na estrutura afetam o tamanho de grão austenítico. Em baixas temperaturas de austenitização as grandes quantidades de carbonetos e nitretos que se encontram não dissolvidos no aço formam uma barreira física que impede o crescimento do grão austenítico. A figura 3.5 mostra o efeito da temperatura de austenitização no crescimento de grão γ de um aço microligado com nióbio. Em altas temperaturas, a dissolução dos carbonetos e nitretos na austenita é maior e os grãos têm maior liberdade de crescer[7]. A temperatura crítica Ar3 também é afetada pelo tamanho de grão austenítico. Cota et al. [3] mostraram que o aumento do tamanho de grão austenítico provoca uma redução na taxa de nucleação da ferrita, acarretando a necessidade de aumentar a força motriz termodinâmica para nucleação, o que implica na diminuição da temperatura Ar3. 1

Figura 3.5. Efeito da temperatura de austenitização no tamanho de grão médio da austenita para um aço microligado com nióbio[7]. 3.3.. Efeito da Taxa de Resfriamento A taxa de resfriamento também tem forte influência na microestrutura final formada após a decomposição da austenita. Para taxas de resfriamento altas, não há tempo suficiente para que o carbono dissolvido na austenita precipite, deste modo, ocorre à formação da bainita e/ou martensita (tetraédrica de corpo centrado). A figura 3.6 apresenta a influência da taxa de resfriamento sobre a microestrutura final formada para um aço microligado com boro (aço-boro) com composição química em % de massa de (,-,5)C, (,-,5)Si, (-1,3)Mn, (-,15)S, (,15-,5)Cr e (,15-,5)B. Para a taxa de resfriamento acima de aproximadamente 3 C/s a austenita decompõe-se em martensita. Em taxas de resfriamento entre,5 e 3 C/s há formação de bainita e martensita e a taxas menores que,5 C/s a austenita transforma-se em ferrita e perlita[31]. 11

Figura 3.6. Diagrama da temperatura em função do tempo para um aço-boro. A Austenita, B Bainita, F Ferrita, M Martensita e P Perlita[31]. A taxa de resfriamento também afeta o tempo de transformação da austenita. A figura 3.7 mostra tanto o efeito da taxa de resfriamento quanto da temperatura de austenitização no tempo de transformação da austenita em ferrita de um aço com composição química (% em massa) de,15%c, 1,4%Mn,,37%Si,,5Al,,31Nb,,3P,,9S e,4n. Este tempo é reduzido quando a taxa de resfriamento aumenta, o que torna o processo de formação ferrítica mais rápida. Além disto, o gráfico revelou que no aço tratado em temperaturas de austenitização mais elevadas a formação completa da ferrita é retardada e isto se deve a redução área de superfície para a nucleação dos grãos ferríticos provocada pelo aumento do tamanho de grão austenítico. Tal efeito é evidenciado para a taxa de resfriamento (txr) de -,1 C/s[3]. 1

35 o txr= -,3 C/s 3 τ (s) 15 15 1 75 o txr= -,1 C/s 5 9 1 11 o T ( C) Figura 3.7. Efeito da temperatura e taxa de resfriamento sobre o tempo de transformação, para um aço microligado com Nb[3]. 3.3.3. Efeito da Composição Química Alguns elementos de liga podem influenciar na formação da ferrita, afetando as propriedades mecânicas dos aços. Esses elementos se encontram dissolvidos na matriz austenítica e após o resfriamento eles combinam com C e/ou N e precipitam na forma de carbonetos, ou nitretos ou carbonitretos[3,33]. O efeito do Nb sobre o número de grãos ferríticos por unidade de volume (N A) e o tamanho do grão ferrítico como uma função do tempo de transformação isotérmica de dois aços processados a 76 C pode ser observado na figura 3.8. Estes aços são de baixo carbono, contendo manganês, sendo que um tem,4% de Nb em massa (aço Fe-C-Mn-Nb) e outro aço não contém Nb (aço Fe-C-Mn). Durante o tempo de transformação na temperatura de 76 C, no intervalo de 3 a 6s, o valor de N A aumentou consideravelmente, o que indica que a nucleação é o processo predominante. Entretanto, a partir de 6 s ouve uma diminuição significativa do valor de NA devido à coalescência dos grãos ferríticos nucleados e que levou no aumento do tamanho de grão ferrítico[33]. 13

No intervalo de 3 a 3s o valor de N A do aço Fe-C-Mn permaneceu maior que o aço Fe-C-Mn-Nb e isso se deve ao retardo na formação da ferrita devido ao efeito de arraste do soluto gerado pelo Nb dissolvido[3,33]. Após 3s inicia a diminuição dos valores de NA para os aços. Entretanto, o valor de NA do aço Fe-C-Mn-Nb tornou-se ligeiramente maior que o valor para aço Fe-C-Mn devido a precipitação de partículas carbonitretos de Nb [Nb(C,N)] que impedem o movimento dos contornos de grão, acarretando, consequentemente, em um valor de tamanho de grão ferrítico menor do que para o aço sem presença de Nb. No entanto, nesta temperatura de tratamento térmico, 76 C, as partículas de Nb(C,N) com 3nm não pode inibir o crescimento de grão ferrítico de forma eficiente, sendo bem próximos os tamanhos de grão para os dois aços[33]. 14

Figura 3.8. Variação do (a) número de grãos ferríticos e do (b) tamanho do grão ferrítico com o tempo de transformação isotérmica de dois aços processados a 76 C[33]. O efeito dos elementos de liga Mo, Ti e V no aço é o mesmo do Nb na transformação de fase austenita em ferrita. Eles reduzem a cinética de crescimento da fase ferrítica devido ao efeito de arraste de soluto. Deste modo, a adição de Nb, Ti ou V suprime ou retarda a formação da ferrita e perlita e promove também a formação preferencial de bainita [33-36]. Além disso, o elemento V reduz as temperaturas críticas Ar3 e Ar1[34,37]. O manganês é outro elemento de liga que influência na microestrutura e na cinética de formação da fase ferrítica em aços. O carbono é eliminado da ferrita durante a transformação da austenita em ferrita por precipitação. Quando se adiciona Mn na estrutura, ele impede a formação desses precipitados, atrasando o crescimento do grão ferrítico[38]. 3.3.4. Diagrama de Transformação no Resfriamento Contínuo TRC As curvas dos diagramas de transformação no resfriamento contínuo (TRC) têm formato de um C devido à dependência das taxas de nucleação e crescimento dos produtos formados. Com a diminuição da temperatura, essas taxas crescem por causa do aumento da diferença da energia livre de Gibbs entre os produtos formados e a austenita, o que aumenta a força motriz termodinâmica para transformação. Todavia, em temperaturas muito baixas, o aumento dessa força motriz é compensado com a diminuição da mobilidade atômica, deste modo, a taxa de nucleação e crescimento passa por um valor máximo em uma temperatura intermediária[39]. Por meio de curvas dilatométricas ou por análise térmica diferencial pode-se determinar as temperaturas críticas Ar1, Ar3, Bi (temperatura de transformação bainítica) e Mi (temperatura de transformação martensítica) para cada taxa de resfriamento. A superposição dos perfis térmicos de resfriamento com as temperaturas críticas permite obter o diagrama TRC [1]. A figura 3.9 mostra um exemplo de um diagrama TRC de um aço de baixo carbono com microestrutura bainítica (ARBL alta resistência e baixa liga), com composição química em % de massa de,8c, 1,7Mn,,5Si,,1P,,S,,9Al,,33Nb,,58V,,17 Ni,,4B,,6Ti e,48n, inicialmente deformado por torção e resfriado até a temperatura 15

ambiente em várias taxas de resfriamento, bem como os valores de microdureza Vickers. A determinação das temperaturas críticas foi por meio de análise térmica diferencial[4]. 9 8 Ferrita Ferrite 7 o T ( C) 6 Bainite Bainita 5 MM i S 4 3 311 35 338 13 8 6.3 VH 46 33 3 o ( C/s) 1 1 1 1 1 51. 4 1. 1 Tempo Time(s) (s) Figura 3.9. Diagrama TRC para um aço baixo carbono com microestrutura bainítica (HSLA) sujeito a múltipla etapas de deformação por torção e submetido ao resfriamento em várias taxas de resfriamento[4]. 3.4. Formação da Austenita no Aquecimento Contínuo Quando o aço é submetido a um aquecimento gera uma expansão linear do volume devido ao aumento da vibração dos átomos, contudo, em temperaturas altas (acima da temperatura Ac 1) inicia a transformação de fase e o aumento volumétrico torna-se não linear. Essa nova fase formada é chamada de austenita e tem estrutura cúbica de face centrada[]. A cinética de austenitização no aquecimento contínuo tem sido estudada por alguns autores[,4-7,,41-43,48] sendo esta influenciada pela taxa de aquecimento, composição química e microestrutura inicial antes da transformação[1,3,4], visto que várias são as microestruturas 16

iniciais a partir do qual a austenita pode se formar (ferrita, martensita, perlita, cementita esferoidizada ou bainita ou a mistura destas)[39]. 3.4.1. Influência da Taxa de Aquecimento A figura 3.1 mostra o diagrama da transformação no aquecimento contínuo de um aço de composição química (% em massa) de,15%c, 1,4%Mn,,37%Si,,5Al,,31Nb,,3P,,9S e,4n e com microestrutura inicial constituída de ferrita e perlita. O intervalo das taxas de aquecimento estudadas é de,1 a 16 C/s. O diagrama revela a influência da taxa de aquecimento nas três temperaturas críticas: Ac 1, Afi (temperatura de fim da transformação da perlita em austenita e início da transformação da ferrita em austenítica) e Ac3. Estas temperaturas aumentam com o aumento da taxa de aquecimento, principalmente para a temperatura Ac3 que sofreu maior influência. Desta forma, a temperatura necessária para alcançar certo estágio de austenitização deve ser maior para taxas de aquecimento maiores. Isto pode está relacionado com a força motriz termodinâmica para que ocorra a transformação difusional no aquecimento contínuo. Para taxas de aquecimento altas, o tempo necessário para iniciar a transformação difusional da perlita em austenita diminui e isto provoca o aumento da força motriz termodinâmica para o início da transformação, o que gera um superaquecimento no material, ou seja, aumenta as temperaturas críticas Ac1 e Ac3[7]. Normalmente, nas transformações de fase as taxas de nucleação e crescimento são controladas pela difusão do carbono que, por sua vez, são afetadas pela taxa de aquecimento[19-]. 17

txa=16 13 1 5 1 o,1 C/s 1 9 γ Ac3 Af α+ γ Ac1 o T ( C) 8 α+ γ + P 7 α+p 6 5 1 1 1 1 Tempo (s) Figura 3.1. Diagrama de transformação no aquecimento contínuo para várias taxas de aquecimento. As letras na figura significam: γ Austenita, α Ferrita e P Perlita[7]. Outra influência da taxa de aquecimento é sobre a fração volumétrica da austenita formada. O aumento da taxa de aquecimento provoca uma redução da fração volumétrica da austenita, considerando o mesmo intervalo de temperatura T = (T Afi) após a dissolução da perlita. A explicação deste fato pode está relacionado com o tempo de difusão do carbono na fase γ ser maior para taxas de aquecimento menores, isto faz com que a quantidade de austenita formada seja superior na taxa de aquecimento de,1 C/s do que na de C/s, figura 3.11[7]. 18

Figura 3.11. Fração volumétrica de austenita formada em função da temperatura, para as taxas de aquecimento,1 e C/s (adaptado)[7]. A energia de ativação aparente para o início da formação da austenita também é afetada pela taxa de aquecimento. Basicamente, a formação da austenita depende da magnitude da barreira de energia de ativação e do número de átomos com energia alta o suficiente para vencer essa barreira. A elevação da taxa de aquecimento favorece a redução da energia de ativação e o aumento da fração de átomos com energia superior ao da barreira de ativação[6]. 3.4.. Influência da Composição Química A formação da austenita é influenciada pela presença de elementos de liga ou impurezas que afetam as temperaturas críticas de austenitização, como mostra as equações empíricas 3.6 e 3.7, que relacionam o efeito da % em massa dos elementos químicos sobre temperaturas críticas[44]. Ac1 = 73 1,7 * Mn 16,9 * Ni + 9,1* Si + 16,9 * Cr + 9 * As + 6,38 * W Ac 3 = 91 3 * C 15, * Ni + 44,7 * Si +14 * V + 31,5 * Mo +13,1* W 3 * Mn +11* Cr + * Cu 7 * P 4 * Al 1 * As 4 * Ti (3.6) (3.7) Os elementos químicos que possuem coeficiente negativo são estabilizadores da fase austenita. A adição destes elementos diminuem as temperaturas críticas Ac1 e Ac3, enquanto 19

os elementos com coeficiente positivo (estabilizadores da fase ferrita) aumentam as temperaturas críticas[44]. A adição do elemento químico nitrogênio no aço, por exemplo, promove um aumento do tamanho grão devido à diminuição da energia de ativação para o crescimento de grão austenítico. Esse efeito é semelhante ao efeito do carbono na cinética de crescimento de grão. No entanto, o nitrogênio aumenta a eficiência de outros elementos de liga em segregar partículas de carbonitretos na estrutura cristalina dos aços, inibindo o aumento do tamanho grão devido a imobilidade dos contornos de grão da austenita[45]. Os elementos de liga V, Nb e Ti afetam o crescimento de grão austenítico, pois tem grande afinidade com N e C para formar carbonitretos que, quando precipitados na estrutura, servem como uma barreira para o crescimento de grão[45]. Além disso, o Nb no aço promove o aumento das temperaturas criticas Ac 3 e Ac1 como observado na figura 3.1 que relaciona a temperatura de transformação com a porcentagem de nióbio de três aços com distintos conteúdos do elemento de liga Nb (Aço 1:,6%C,%Nb, aço :,6%C -,1%Nb e aço 3:,61%C -,5%Nb)[46]. O Mn também afeta a cinética de formação da austenita. Observa-se que o aumento da quantidade de Mn nos aços, as temperaturas críticas de transformação Ac1 e Ac3 diminuem, deslocando as curvas do gráfico da fração de austenita formada em função da temperatura para temperaturas mais baixas[47,48].

Figura 3.1. Efeito do conteúdo de Nb nas temperaturas críticas Ac1 e Ac3 (Adaptado) [46] 3.4.3. Influência da Microestrutura Inicial Diferentes microestruturas e, consequentemente, diferentes propriedades mecânicas dos aços podem ser obtidas a partir da mudança austenítica. As características microestruturais da austenita, como o tamanho de grão e as temperaturas críticas Ac1 e Ac3 de formação da austenita dependem das características microestruturais das fases iniciais. Existe uma ampla variedade de microestruturas produzidas de diferentes tratamentos térmicos que podem ser usadas no estudo da austenitização dos aços, pois esses microconstituintes controlam as taxas de nucleação e crescimento[49]. 3.4.3.1. Ferrita e Perlita A formação da austenita a partir de uma microestrutura constituída de ferrita e perlita inicia-se na temperatura Ac1 com o início da decomposição da perlita e termina na temperatura Ac 3 com fim da decomposição da ferrita. A temperatura intermediaria Afi marca o fim da transformação da perlita em austenita e o início da decomposição da ferrita. As temperaturas críticas Ac1 e Ac3 são diferenciadas na curva dilatométrica como o primeiro e o último pico de contração, respectivamente, durante o aquecimento contínuo[7]. A etapa da formação da austenita entre as temperaturas Afi e Ac3 é caracterizada pela decomposição da ferrita. Esta é a etapa principal da transformação de fase austenítica, responsável pelo controle da formação da austenita através de uma microestrutura inicial de ferrita e perlita. A figura 3.13 mostra as diferenças de T1 = (Ac 3 Ac1 ), T = (Ac 3 Af i ) e T3 = (Af i Ac1 ) como função da taxa de aquecimento para um aço de composição química em % de massa de,15%c, 1,4%Mn,,37%Si,,5Al,,31Nb,,3P,,9S e,4n. Os valores de T3(faixa de variação da temperatura em que ocorre a decomposição da perlita) apresentam inferiores ao da T (faixa de variação da temperatura em que ocorre a decomposição da ferrita), isto revela que a decomposição da perlita ocorre rapidamente, além de ser praticamente constante em todas as taxas de aquecimento analisadas, mostrando que esta etapa tem pouca influência sobre a formação da austenita[7]. 1

Figura 3.13. Efeito da taxa de aquecimento nos valores de T1 = ( Ac3 Ac1 ), T = ( Ac3 Af i ) e T3 = ( Af i Ac1 ) [7]. As figuras 3.14a-c mostram micrografias ópticas de três tipos de microestruturas de um aço interstitial free (IF) de composição química em % de massa de,31c,,53mn,,4si,,ni,,6cr,,cu,,5ti,,15b,,sn e,14n obtidas a partir de tratamentos térmicos diferentes, AC (aquecimento até temperatura de 98 C por 1 minutos e resfriado ao ar), SBQ (aquecimento até temperatura de 98 C por 1 minutos e resfriado em banho de sal a 6 C e mantido a essa temperatura por 3 minutos) e IBQ (aquecimento até temperatura de 98 C por 1 minutos e resfriado em água e gelo contendo 1% de NaCl). A figura 3.14a é de uma microestrutura de grão ferrítico poligonal. Nas figuras 3.14b e 3.14c a microestrutura formada é de ferrita proeutetóide[49]. Figura 3.14. Micrografias ópticas de aços IF com três tipos de microestruturas obtidas a partir de diferentes tratamentos térmicos: (a) AC, (b) SBQ, (c) IBQ[49].

As amostras cujas microestruturas estão representadas na figura 3.14 foram aquecidas a 1 C/s até atingir 11 C. As curvas dilatométricas para as três microestruturas são mostradas na figura 3.15. Observa-se nesta figura que existe uma variação das temperaturas críticas Ac 1 e Ac3 para os aços IF, dependendo do tratamento térmico inicial AC, SBQ ou IBQ. As temperaturas Ac1 e Ac3 de formação da austenita a partir das microestruturas de ferrita proeutetóide foram inferiores aos da ferrita poligonal. Conforme a figura 3.14b-c, as formas irregulares dos grãos da ferrita proeutetóide tiveram maior área de contorno de grão e defeitos que pode fornecer mais sítios de nucleação e facilitar a difusão do carbono, o que aumenta a força motriz para formação da austenita. Embora os aços tratados SBQ e IBQ tenham tamanhos e formas de grãos semelhantes, o valor das temperaturas críticas para a amostra SBQ foram maiores que IBQ, porque tem densidade de defeitos menor gerado pelo tratamento térmico[49]. Figura 3.15. Curvas dilatométricas para (a) AC, SBQ e IBQ medidos durante o aquecimento contínuo a 1 C/s[49]. 3.4.3.. Martensita O estudo da formação da austenita a partir da microestrutura inicial martensítica é dificultado devido revenimento da martensita antes de se atingir a temperatura de austenitização. A martensita revenida é constituída de finos carbonetos distribuídas numa matriz ferrítica. A nucleação da austenita a partir desta estrutura inicia na interface carboneto/ferrita e principalmente nas interfaces dos carbonetos presentes no contorno de grão ferrítico e finaliza quando todo carboneto da estrutura for dissolvido[39]. 3

A transformação da microestrutura martensítica em martensita revenida é acompanhada de uma mudança dimensional do material que está relacionado com a variação de volume nas etapas de revenimento da martensita[5,51]. Segundo Minsu et al.[5], a fase de revenimento zero ocorre em temperaturas de a 8 C com redistribuição dos átomos de carbono que segregam e formam regiões ricas em soluto. Esse estágio apresenta uma pequena redução do volume. Na fase de revenimento 1, favorece a formação de precipitados de carbonetos de transição (carboneto ε) na martensita. Esse estágio ocorre na faixa de temperatura de 8 a 18 C e provoca redução do volume. A fase de revenimento, a austenita retida decompõe-se em ferrita e cementita o que implica em um aumento de volume no material. O intervalo de temperatura que favorece a ocorrência dessa fase é de a 3 C. E por último, na fase de revenimento 3, átomos de carbono segregados e os carbonetos de transição se transformam em cementita. Este estágio acontece entre 5 e 35 C e causa uma redução do volume. Após a têmpera de aços com baixos teores de carbono a estrutura obtida é totalmente martensítica. Estes teores elevados favorecem a inibição da presença de austenita retida devido à alta temperatura de início da formação da martensita (M s). Isto evita a ocorrência da etapa de revenimento que implica na redução considerável das propriedades físicas em cada etapa de revenimento. Mais ainda, teores de carbono acima de,% em massa favorecem a detecção da etapa 1 do processo de revenimento[5]. As etapas de revenimento podem ser estudadas a partir do diagrama da temperatura de aquecimento em função do tempo para várias taxas de aquecimento obtendo-se os intervalos das temperaturas críticas de todos os processos envolvidos na etapa de revenimento. A figura 3.16 mostra esse tipo de diagrama para um aço Cr-Mo-V com composição química em % de massa de,37c, 1,93Mn,,35Si, 1,6Cr,,43Mo e,1v. Neste diagrama os intervalos das temperaturas em que ocorre a precipitação de carbonetos, entre εs e εf, a transformação da austenita retida, entre RAs e RAf, e a precipitação da cementita do tipo M3C, entre (M3C)s= εf e (M3C)f[5]. 4

Figura 3.16. Diagrama da temperatura em função do tempo de transformação (adaptado)[5]. 3.4.3.3. Estrutura Esferoidizada Nas estruturas esferoidizadas constituídas de partículas de cementita esferoidal dispersas em matriz ferrítica, a austenita nucleia nas interfaces entre cementita e ferrita. As partículas de cementita são evolvidas por uma camada de austenita que cresce reduzindo tanto o tamanho das partículas de carbonetos quanto à fração de ferrita. Essa redução provoca o movimento das interfaces da austenita/ferrita e da austenita/cementita. A figura 3.17 mostra uma ilustração esquemática dos modos de crescimento austenítico a partir de uma estrutura inicial constituída de partículas esferoidais de cementita. No modo A, a cementita é dissolvida pela austenita adjacente devido ao processo de difusão do carbono, e no modo B a difusão do carbono parte da cementita passando pela ferrita vizinha até chegar a austenita. Ambos os modelos ocorre à redução das partículas de cementita e redução da fase ferrítica motivado pelo crescimento do grão austenítico[53]. Figura 3.17. Ilustração esquemática do crescimento austenítico pela dissolução da cementita[53]. 3.4.4. Diagrama da Transformação no Aquecimento Contínuo - TAC 5

A formação da austenita é representada a partir do diagrama de transformação no aquecimento contínuo (TAC) que apresenta gráficos tempo-temperatura-transformação. Essas curvas permite avaliar a relação entre das temperaturas críticas de todos os processos envolvidos na formação austenítica com o tempo de transformação, para várias taxas de aquecimento[1]. A curva da formação da austenita é influenciada pelo aumento da temperatura que provoca tanto a elevação da força motriz para transformação quanto o crescimento da mobilidade atômica, como conseqüência, aumenta a taxa de nucleação e crescimento para formação austenítica[41]. A figura 3.18 mostra um exemplo de diagrama TAC para um aço inoxidável martensítico (X45Cr13) de composição química em % de massa de,45c,,3si,,44mn,,3p,,16s, 13,Cr e,38ni, no qual a taxa de aquecimento varia entre,5 e K.s -1. Para conhecer os processos de transformação, precipitação de carbonetos e homogeneização da austenita, as temperaturas críticas (Ac1, Ac3, Acc e Ach) são determinadas a partir de curvas dilatométricas para cada taxa de aquecimento testada e sobreposta sobre o diagrama da temperatura em função do logaritmo do tempo. Observa-se neste diagrama a influência da taxa de aquecimento sobre as temperaturas críticas, especialmente Acc (temperatura final da dissolução de carbonetos na austenita formada após a temperatura Ac 3 no aquecimento contínuo) e Ach (temperatura que há homogeneização da difusão dos átomos de carbono na austenita), que teve um crescimento considerável com aumento da taxa de aquecimento. Deste modo, com estas taxas elevadas, a temperatura para atingir um determinado estado de austenitização no aço é aumentada[54]. 6

Figura 3.18. Diagrama TAC para um aço inoxidável martensítico (X45Cr13) obtido a parti de várias taxas de aquecimento[54]. 7

CAPÍTULO 4. MATERIAIS E MÉTODOS 4.1. Material O material a ser utilizado neste trabalho é um aço de baixo carbono, microligado com Nb, com a composição química (% em massa) mostrada na tabela. Tabela 4.1. Composição química (% em massa) do aço. C,15 Mn 1,4 Si,37 Al,5 P,3 S,9 Nb,31 N,4 A figura 4.1 mostra as micrografias óptica e eletrônica de varredura da amostra do aço na condição como recebido da indústria. A micrografia desta amostra é constituída de ferrita proeutetóide e perlita que são indicadas pelas letras α e P, respectivamente. Figura 4.1. Micrografias do aço na condição como recebido da indústria; a) micrografia óptica. Ataque: nital %; b) micrografia eletrônica de varredura. Ataque: nital 4%. A ferrita e a perlita são indicadas pelas letras α e P, respectivamente. 8

4.. Procedimento Experimental 4..1. Processamento Térmico das Amostras As amostras foram submetidas a tratamentos térmicos intercríticos para obter microestruturas constituídas de martensita e ferrita com diferentes frações volumétricas de martensita. Para obter frações volumétricas de a 1% de martensita, as amostras foram aquecidas no forno tipo mufla em temperatura de austenitização de 75, 76, 77, 95 e 11 C com um tempo de permanência de 15 minutos e resfriadas em mistura de água e gelo até atingir a temperatura ambiente. Foram utilizadas 5 amostras para cada temperatura de tratamento. 4... Análise Microestrutural Após os tratamentos térmicos, as amostras foram preparadas para análise microestrutural que consistiu em submetê-las nas etapas de lixamento (granulometria de 18,, 3, 4, 5, 6, 8, 1, 4) e polimento convencional a base de pasta de alumina (1 µm) e pasta de diamante (,5µm). Na sequência da etapa de lixamento e polimento, foi realizado ataque químico nas amostras para revelar a microestrutura dos aços tratados. Este ataque consistiu na imersão da superfície polida da amostra em um reagente para distinguir a martensita presente na microestrutura dos demais microconstituintes. O reagente usado para revelar a microestrutura foi o nital: Nital: o uso consiste em imergir a superfície da amostra por, aproximadamente, 1s, tempo necessário para que a superfície espelhada da amostra após o lixamento e polimento torne-se fosco. O reativo Nital é composto de uma solução de % de ácido nítrico em álcool etílico. As análises qualitativa e quantitativa da microestrutura inicial foram realizadas por meio de um programa computacional que possibilita a determinação do valor das áreas das regiões claras e escuras das micrografias ótica, em amostras submetidas a ataques químicos com Nital. 9

A figura 4. ilustra o ciclo de tratamento térmico para estudo do revenimento. Este ciclo é dividido em duas etapas: tratamento térmico intercrítico e revenimento. Na primeira etapa, uma amostra é aquecida à temperatura de 11ºC com tempo de permanência de 9s (15 min) e resfriada em uma mistura de água e gelo até a temperatura ambiente. Após a etapa do tratamento intercrítico, a amostra é aquecida a 6ºC com tempo de permanência de 9s (etapa de revenimento) e resfriada rapidamente em uma mistura de água e gelo. A microestrutura da martensita revenida foi avaliada por microscopia eletrônica de varredura. 15 135 1 11ºC Temperatura (ºC) 15 9s 9 75 Revenimento Tratamento térmico intercrítico Têmpera (água + gelo) Aquecimento 6ºC 9s 6 45 Água + gelo 3 15 Tempo Figura 4.. Ciclo do tratamento térmico 4..3. Ensaios Dilatométricos As amostras com diferentes frações volumétricas de martensita foram submetidas a ensaios dilatométricos a diferentes taxas de aquecimento (,1; ; 5, e 13ºC/s) até a temperatura de 95ºC, e determinadas às temperaturas de início e fim de formação da austenita, Ac 1 e Ac3, respectivamente. Os ensaios foram realizados em um dilatômetro de têmpera do tipo Adamel-Lhomargy LK.. O dilatômetro é equipado com um forno de radiação para o aquecimento, que possui duas lâmpadas de filamento de tungstênio focalizadas na amostra de dimensões de 1mm de comprimento e mm de diâmetro. A figura 4.3 mostra a geometria da amostra padrão usada nos ensaios dilatométricos. As variações nas dimensões da amostra, durante o aquecimento ou 3

resfriamento, são transmitidas através de uma haste de sílica amorfa a um transdutor linear diferencial variável (linear variable differential transformer L.V.D.T.), e as medidas armazenadas em computador. A temperatura é medida por meio de um termopar do tipo cromel-alumel, soldado na superfície da amostra, sendo a margem de erro de ± 5ºC. Os sistemas de registro podem reproduzir as curvas do ensaio de ciclo térmico (T = f ( t )), as curvas de variação do comprimento da amostra em função da temperatura ( L / L = f (T )), do tempo ( L / L = f ( t )) e as curvas de derivada da análise térmica e de expansão, tanto em termos de tempo e temperatura, dt d L = f (T ) e = f (T ), respectivamente. dt dt Figura 4.3. Geometria das amostras usadas nos ensaios dilatométricos. A partir dos valores de L/L avaliados diretamente das curvas dilatométricas, foi calculada a fração volumétrica de austenita formada como uma função da temperatura e do tempo. Isto permitiu fazer o estudo da cinética de formação da austenita no aquecimento contínuo em um aço de baixo carbono para diferentes taxas de aquecimento. A regra da alavanca foi utilizada para determinar a fração volumétrica de austenita formada, como ilustrado na figura 4.4. As linhas tracejadas são extensões das curvas dilatométricas da fase austenítica (linha mais baixa) e da mistura de ferrita e martensita (linha acima). A partir dos segmentos verticais x e y, acima e abaixo da curva dilatométrica, é possível determinar a fração formada de austenita para cada temperatura intermediaria entre Ac1 e Ac3: fγ = x x +y (4.1) 31

Figura 4.4. Método de aplicação da regra da alavanca à curva dilatométrica que consiste em determinar os valores de x e y para várias temperaturas entre Ac1 e Ac3. 4.3. Cinética de Austenitização No estudo da cinética de austenitização, foi avaliada a fração volumétrica de austenita formada como uma função do tempo, para as várias taxas de aquecimento e diferentes frações volumétricas de martensita, supondo que: a fração de austenita formada como uma função do tempo, supondo uma taxa de aquecimento constante e que o tempo zero corresponde à temperatura Ac1 (temperatura de início de formação da austenita); o tempo final corresponde à temperatura Ac3 (temperatura de fim de formação da austenita). A partir dos valores das frações de austenita transformada como uma função do tempo foi utilizada a equação de JMAK (eq. 3.3 e 3.4) para se estudar a cinética austenitização, para as diferentes taxas de aquecimento e diferentes frações volumétricas de martensita. Com base nos dados das energias de ativação aparente obtidas através do uso das equações JMAK, para o ajuste das curvas que relaciona as frações de austenita formada com o tempo para cada taxa de aquecimento, foi determinada a equação da energia de ativação aparente em função da taxa de aquecimento descrita pela equação 3.5. 3

CAPÍTULO 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO 5.1. Fração de Martensita As figuras 5.1, 5. e 5.3 mostram as micrografias ópticas com aumento de 5x das amostras resfriada a partir das temperaturas de 75, 76 e 77 C, atacadas com reativo nital %. As micrografias revelaram uma microestrutura composta de martensita (fase escura) e ferrita (fase clara). Como grande parte da austenita formada nas temperaturas de tratamento transforma-se em martensita após a têmpera, observa-se que a austenita nucleia preferencialmente nos contornos de grão ferríticos que são regiões que facilitam a difusão do carbono aumentando a força motriz para a formação austenítica. Figura 5.1. Imagem da microestrutura obtida por microscopia óptica com aumento de 5X da amostra submetida à têmpera em temperatura de austenitização de 75 C. A microestrutura é composta de ferrita (fase clara) e martensita (fase escura). 33

Figura 5.. Imagem da microestrutura obtida por microscopia óptica com aumento de 5X da amostra submetida à têmpera em temperatura de austenitização de 76 C. A microestrutura é composta de ferrita (fase clara) e martensita (fase escura). Figura 5.3. Imagem da microestrutura obtida por microscopia óptica com aumento de 5X da amostra submetida à têmpera em temperatura de austenitização de 77 C. A microestrutura é composta de ferrita (fase clara) e martensita (fase escura). As figuras 5.4 e 5.5 revelam uma microestrutura composta de martensita com uma pequena quantidade de bainita, que foi obtida a partir da amostra temperada na temperatura de 95 C. A presença de bainita se deve à menor temperabilidade martensítica em temperaturas de austenitização mais baixas. Para a amostra temperada na temperatura de austenitização de 34

95ºC, o tamanho de grão austenítico é menor do que na amostra temperada a 11ºC, o que resulta em uma área superficial dos contornos de grãos por unidade de volume maior e em um número maior de sítios potenciais para a nucleação da bainita. As figuras 5.6 e 5.7 mostram a microestrutura martensítica da amostra submetida ao tratamento térmico de têmpera na temperatura 11 C, o que permite verificar que houve a completa transformação da microestrutura inicial, ferrita e perlita, em austenita, que após a têmpera formou a martensita. Ambas as microestruturas mostram pacotes de ripas típicas da estrutura da martensita de baixo carbono. Figura 5.4. Imagem da microestrutura obtida por microscopia óptica com aumento de 5X da amostra submetida à têmpera em temperatura de austenitização de 95 C. A microestrutura é composta de martensita e bainita. 35

Figura 5.5. Imagem da microestrutura obtida por microscopia eletrônica de varredura da amostra constituída de martensita e uma pequena quantidade de bainita, atacada com nital % e aumento de 3X. M martensita e B bainita Figura 5.6. Imagem da microestrutura obtida por microscopia óptica com aumento de 5X da amostra submetida à têmpera em temperatura de austenitização de 11 C. A microestrutura é somente composta de martensita. 36

Figura 5.7. Imagem da microestrutura obtida por microscopia eletrônica de varredura com aumento de 1X da amostra com microestrutura martensítica. A análise quantitativa das microestruturas geradas após o processamento térmico das amostras em temperaturas de austenitização de 75, 76, 77, 95 e 11 C foi realizada por meio de um programa computacional que possibilita a determinação do valor das áreas das regiões claras e escuras das micrografias das figuras 5.1 a 5.5. A tabela 5. mostra a frações volumétricas de martensita e ferrita formada após a têmpera. Tabela 5.1. Frações volumétricas de martensita e ferrita após a têmpera. Temperatura de Austenitização em que Realizou a Têmpera 75ºC 76ºC 77ºC 95ºC 11ºC Fração de Martensita,35,5,71 Microestrutura composta de martensita e uma pequena quantidade de bainita Fração de Ferrita,65,48,9 Os valores médios da microdureza Vickers das regiões claras e escuras das amostras tratadas nas temperaturas de 75, 76 e 77 C são apresentadas na tabela 5.1. Os valores de microdureza das regiões claras e escuras comprovam as microestruturas obtidas, ferrita e martensita, respectivamente. 37

Tabela 5.. Valores médios de microdureza Vickers para as regiões claras e escuras. Microestrutura inicial Fração de martensita,35,5,71 Microdureza Vickers Regiões claras (HV) Regiões escuras (HV),8 415,91 3,3 467,53 4,79 54,47 5.. Revenimento Martensítico Com o objetivo de se avaliar o revenimento das amostras que serão aquecidas no estudo da austenitização, submeteu-se uma amostra com microestrutura martensítica a um aquecimento continuo até a temperatura de 6ºC, com tempo de permanência de 9s. Observou-se que a microestrutura é típica de martensita revenida, figura 5.8. O revenimento é caracterizado pela decomposição da microestrutura martensítica em ferrita e precipitados de carbonetos que nucleiam nos contornos de grãos ferríticos. Figura 5.8. Imagem da microestrutura obtida por microscopia eletrônica de varredura com aumento de 5X da amostra com microestrutura martensítica após o revenimento em temperatura de 6ºC e mantida a esta temperatura por 9s. 5.. Dilatometria Para a análise dilatométrica foram utilizadas as taxas de aquecimento de,1; ; 5, e 13ºC/s para as amostras com frações volumétricas de martensita de,35;,6;,71; microestrutura 38