2 SIRLEI APARECIDA ARAUJO BRANDÃO A INFLUÊNCIA DA DEFORMAÇÃO PLÁSTICA SOBRE A ESTABILIDADE MECÂNICA DA AUSTENITA RETIDA EM AÇOS 300M Dissertação apresentada à Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica na área de Materiais. Orientador: Prof. Dr. Marcelo dos Santos Pereira Co-orientador: Prof. Dr. Tomaz Manabu Hashimoto Guaratinguetá 2007 3 B817i Brandão, Sirlei Aparecida Araujo A influência da deformação plástica sobre a estabilidade mecânica da austenita retida em aços 300M / Sirlei Aparecida Araújo Brandão . – Guaratinguetá : [s.n.], 2007 103 f. : il. Bibliografia: f. 88-103 Dissertação (mestrado) – Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá, 2007 Orientador: Prof. Dr. Marcelo dos Santos Pereira Co-orientador: Prof. Dr. Tomaz Manabu Hashimoto 1. Aço – 300M 2. Propriedades mecânicas I. Título CDU 669.14 4 UNESP UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá A INFLUÊNCIA DA DEFORMAÇÃO PLÁSTICA SOBRE A ESTABILIDADE MECÂNICA DA AUSTENITA RETIDA EM AÇOS 300M SIRLEI APARECIDA ARAUJO BRANDÃO ESTA DISSERTAÇÃO FOI JULGADA ADEQUADA PARA A OBTENÇÃO DO TÍTULO DE “MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA” ESPECIALIDADE: ENGENHARIA MECÂNICA ÁREA DE CONCENTRAÇÃO: PROJETOS E MATERIAIS APROVADA EM SUA FORMA FINAL PELO PROGRAMA DE PÓS- GRADUAÇÃO Prof. Dr. MARCELO DOS SANTOS PEREIRA Coordenador BANCA EXAMINADORA: Prof. Dr. MARCELO DOS SANTOS PEREIRA Orientador/UNESP-FEG Prof. Dr. TOMAZ MANABU HASHIMOTO Co-Orientador / UNESP-FEG Dr. ANTONIO JORGE ABDALLA IEAv / CTA Dr. ROSINEI BATISTA RIBEIRO FATEA Setembro de 2007 5 DADOS CURRICULARES SIRLEI APARECIDA ARAUJO BRANDÃO NASCIMENTO 12.07.1958 – RIO CLARO / SP FILIAÇÃO Jaime Araujo Clarice Coladetti Araujo 1977/1981 Curso de Graduação em Engenharia Mecânica Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá – UNESP 1998 Curso de Aperfeiçoamento Acadêmico em Administração e Negócios − FEA/FIA_USP 2004/2007 Curso de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, nível de Mestrado na Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá da UNESP 6 Dedico à minha filha Caroline que com paciência e muita compreensão soube aceitar a redução do tempo da minha atenção para que eu pudesse me dedicar aos estudos. 7 AGRADECIMENTOS Em primeiro lugar agradeço a Deus por dar-me forças e motivação para enfrentar os desafios e ultrapassar os obstáculos. Ao meu orientador, Prof. Dr. Marcelo dos Santos Pereira, que foi meu grande mestre e sábio amigo, sem a sua orientação técnica, apoio psicológico e auxílio administrativo, o estudo aqui apresentado seria praticamente impossível, ao meu co-orientador, Prof. Dr. Tomaz Manabu Hashimoto, que com sua experiência deu-me os estímulos necessários para a procura incansável do conhecimento nesse novo caminho, às minhas cunhadas Raquel Maria Trani Brandão Silva e Raphaela Lipari que não mediram esforços para compensar a minha ausência do lar, à minha mãe Clarice e às Monjas Carmelitas descalças de Aparecida que com suas orações sempre trouxeram a paz necessária para que eu pudesse vencer os momentos difíceis e alcançar os objetivos desse trabalho, ao amigo Jorge Muniz que sempre esteve ao meu lado e, principalmente, me apoiando nos momentos mais críticos, desempenhando muitas vezes, também,além do grande amigo, o papel de irmão; sou-lhe imensamente grata, à UNESP , Campus de Guaratinguetá, que me acolheu e colocou à minha disposição todas as suas instalações e equipamentos, bem como, com a boa vontade de professores e funcionários proporcionou a transformação de um sonho em realidade. ao Instituto de Aeronáutica e Espaço – IAE – do Comando Geral de Tecnologia Aeroespacial – CTA pelo fornecimento do material para a confecção dos corpos–de– prova e pelos tratamentos térmicos de austenitização no forno Brasimet de atmosfera controlada e isotérmico no forno de banho de sal Brasimet. aos alunos de Iniciação Científica: Gustavo Henrique Dian, Tatiana Sakuyana e Gisele Bonfiette Silva pela dedicação e colaboração na parte experimental desse trabalho. 8 “Pensar é o trabalho mais duro que há, o que é, provavelmente, o motivo pelo qual tão pouca gente se dedica a fazê-lo” Henry Ford 9 BRANDÃO, S. A. A. A influência da deformação plástica sobre a estabilidade mecânica da austenita retida em aços 300M. 2007. 100f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2007. RESUMO Atualmente o aço AISI 300M tem sido amplamente empregado na fabricação de componentes estruturais para veículos automobilísticos e aeroespaciais. Este material foi introduzido como um substituto de mais alta resistência para o aço 4340. Este trabalho tem como objetivo verificar a influência da deformação plástica sobre a austenita retida, e suas conseqüências sobre a microestrutura e as propriedades mecânicas associadas. O aço foi austenitizado, em temperatura de 900°C por 20 minutos, em forno de atmosfera controlada, seguido de uma transformação isotérmica, realizada em banho de sal a 400°C, por três diferentes tempos de permanência na temperatura, 60s, 300s e 1800s. Para a identificação e quantificação da austenita retida foi aplicada a técnica heat-tinting, em que as amostras foram atacadas quimicamente com nital 2% por 15 segundos, seguido de manutenção em forno mufla, à 260°C por 9000s. Foram analisadas as regiões próxima à ruptura, afastada da ruptura e sem deformação. E, por meio dos ensaios de tração, foram medidos os níveis de resistência à tração, limite de escoamento e do alongamento em função do tempo de permanência na temperatura de transformação bainítica, objetivando o tratamento térmico otimizado que forneça a melhor relação resistência-tenacidade para o aço 300M. Por intermédio da metodologia utilizada observou-se que com o tratamento isotérmico o material teve a sua resistência aumentada em aproximadamente 40%, sem perda de ductilidade, quando comparado com o tratamento de têmpera e revenimento. Não foram observadas grandes variações no valores de resistência mecânica em função do tempo de permanência na isotérmica. PALAVRAS-CHAVE: Aço 300M, heat-tinting, caracterização microestrutural, transformação isotérmica, propriedades mecânicas. 10 BRANDÃO, S. A. A. The plastic deformation influence on the mechanical stability of the retained austenite in 300M steel. 2007. 100f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2007. ABSTRACT Nowadays the steel AISI 300M has been used thoroughly in the production of structural components for aerospace vehicles and cars. This material was introduced as a substitute of higher resistance for the steel 4340. This work has as objective verifies the influence of the plastic deformation on the retained austenite, and its consequence on the microstructure and the mechanical properties of the material. The steel was austenitized in temperature of 900°C for 20 minutes, in furnace of controlled atmosphere, following by an isothermal transformation, accomplished in bath of salt to 400°C, for three different times of permanence in the temperature, 60s, 300s and 1800s. For the identification and quantification of the retained austenite was applied, specially, the heat-tinting technique, where the samples were attacked chemically with nital 2% for 15 seconds, followed by maintenance in muffle furnace, to the 260°C for 9000s. By the tensile tests, it was measured the tensile strength, yield strength and the elongation in function of the time of permanence in the temperature of bainitic transformation, looking for an optimized heat treatment that provides a better relationship strength-tenacity of the 300M steel. Through the used methodology it was observed that with the isothermal treatment the material had its resistance increased in approximately 40%, without ductility loss, when compared with the quench+temper treatment. It was not observed a great difference in the strength values in function of the time of permanence in the bainitic transformation temperature. KEYWORDS: 300M steel, heat-tinting, microstructural characterization, isothermal transformation, mechanical properties. 11 SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS LISTA DE TABELAS LISTA DE SÍMBOLOS 1 INTRODUÇÃO ........................................................................................ 18 1.1 OBJETIVOS................................................................................................. 21 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .............................................................. 22 2.1 DEFINIÇÃO DE AÇO TRIP ....................................................................... 22 2.1.1 O Aço TRIP ................................................................................................. 22 2.1.2 Mecanismo de ativação da transformação austenita/martensita ........... 24 2.1.3 O efeito TRIP e a plasticidade microscópica............................................ 26 2.1.4 Conseqüências mecânicas do efeito TRIP ................................................ 27 2.1.5 Influência da austenita retida no efeito TRIP.......................................... 27 2.2 A OBTENÇÃO DOS AÇOS TRIP .............................................................. 28 2.2.1 Processamento do Aço TRIP ..................................................................... 29 2.2.1.1 Aços TRIP laminado a quente ...................................................................... 29 2.2.1.2 Aços TRIP laminados a frio ......................................................................... 31 2.2.2 Recozimento Intercrítico............................................................................ 32 2.2.3 Transformação Isotérmica ou Transformação Bainítica........................ 34 2.2.3.1 A bainita ....................................................................................................... 34 2.2.3.2 A influência da temperatura e do tempo na transformação isotérmica ........ 35 2.3 A INFLUÊNCIA DOS PRINCIPAIS ELEMENTOS DE LIGA NOS AÇOS TRIP.................................................................................................. 37 2.3.1 Manganês..................................................................................................... 38 2.3.2 Silício............................................................................................................ 39 2.3.3 Alumínio ...................................................................................................... 39 2.3.4 Fósforo ......................................................................................................... 40 2.3.5 Molibdênio................................................................................................... 40 2.3.6 Nióbio ........................................................................................................... 41 2.3.7 Cobre............................................................................................................ 42 2.4 MORFOLOGIA DOS AÇOS TRIP ............................................................. 42 2.4.1 Microestruturas ferríticas.......................................................................... 43 2.4.2 Microestrutura bainítica ............................................................................ 47 2.4.3 Austenita...................................................................................................... 50 2.4.4 Martensita ................................................................................................... 53 2.5 CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL DOS AÇOS TRIP ........... 54 2.51 Ataque químico Heat Tinting ..................................................................... 54 3 MATERIAIS E MÉTODOS .................................................................. 56 3.1 FLUXOGRAMA DO PROCESSO DO MATERIAL.................................. 56 3.2 MATERIAL.................................................................................................. 57 3.3 PREPARAÇÃO DOS CORPOS-DE-PROVA............................................. 58 3.4 TRATAMENTOS TÉRMICOS ................................................................... 59 3.4.1 Austenitização e Tratamento Isotérmico.................................................. 60 3.4.2 Tratamento térmico de têmpera e revenimento....................................... 61 3.4.3 Condição conforme fornecido.................................................................... 62 12 3.5 ENSAIO DE TRAÇÃO................................................................................ 62 3.6 AVALIAÇÃO E QUANTIFICAÇÃO DO EFEITO TRIP.......................... 63 3.7 PROCEDIMENTO METALOGRÁFICO. MICROSCOPIA ÓPTICA....... 65 3.7.1 Preparação das amostras .......................................................................... 65 3.7.1.1 Preparação das amostras para aplicação da técnica Heat Tinting................. 65 3.7.1.2 Preparação das amostras para aplicação da solução aquosa 10% de metabissulfito de sódio ................................................................................. 65 3.7.2 Ataque Químico .......................................................................................... 66 3.7.2.1 Nital / Heat Tinting....................................................................................... 66 3.7.2.2 Metabissulfito de sódio................................................................................. 66 3.7.3 Quantificação da austenita retida ............................................................. 67 3.7.4 Processamento de Imagens ........................................................................ 68 3.7.4.1 Rotina de Processamento de Imagens........................................................... 69 4 RESULTADOS ......................................................................................... 71 4.1 MICROSCOPIA ÓPTICA ........................................................................... 71 4.1.1 Análise Qualitativa ..................................................................................... 71 4.1.1.1 O reagente tipo Nital ................................................................................... 71 4.1.1.2 Solução aquosa de metabissulfito de sódio .................................................. 72 4.1.1.3 Heat Tinting .................................................................................................. 74 4.1.2 Análise Quantitativa................................................................................... 77 4.1.2.1 Quantificação das fases identificadas com os ataques químicos.................. 77 4.1.2.2 Análise do Efeito TRIP................................................................................. 78 4.2 PROPRIEDADES MECÂNICAS................................................................ 81 5 CONCLUSÃO ........................................................................................... 86 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS.................................................... 87 REFERÊNCIAS ..................................................................................................... 88 BIBLIOGRAFIA CONSULTADA.......................................................................... 102 13 LISTA DE FIGURAS FIGURA 1 – Esquema da mudança de forma da estrutura da austenita para martensita (Adaptado de JACQUES, 2002). ......................................... 25 FIGURA 2 – a) Ilustração esquemática da mudança da energia livre da austenita / martensita com a temperatura, sendo Ms (início de formação martensítica) < T1 < T0 (temperatura de mesma composição química da austenita e da martensita), e b) Ativação mecânica que transforma austenita em martensita (Adaptado de JACQUES, 2002) ..................... 25 FIGURA 3 – Desenvolvimento com a temperatura da tensão crítica para o começo da transformação martensítica: Transformação assistida por tensão e Transformação induzida por deformação (Adaptado de OLSON, 1984). ..................................................................................................... 26 FIGURA 4 – Esquema típico de tratamento térmico aplicado a aços multifásicos para obtenção do aço TRIP, sendo F=ferrita, A=austenita, B=bainita, M=martensita (adaptado de JACQUES, 2000). .................................... 29 FIGURA 5 – Processamento do aço TRIP de laminação a quente (adaptado de PARISH, 2003) ..........................................................................................30 FIGURA 6 – Processamento de aço TRIP, com laminação a quente, sobreposto a uma curva TTT de aço TRIP (Adaptado de ENGL, 1998)............... 31 FIGURA 7 – Diagrama esquemático do ciclo térmico de um aço TRIP laminado a frio (adaptado de DEMEYER, 2000). ................................................ 31 FIGURA 8 – Variação da temperatura de início da martensita e da morfologia da martensita com o conteúdo de carbono (Adaptado de KRAUSS, 1989). ..................................................................................................... 33 FIGURA 9 – Variação da austenita retida com o conteúdo de carbono (Adaptado de KRAUSS, 1989). .............................................................................. 33 FIGURA 10 – Esquema de recozimento intercrítico + transformação isotérmica bainítica aplicável aos aços TRIP laminados a frio (adaptado de BLECK, 2002).................................................................................. 35 FIGURA 11 – Efeito das frações de fase nas propriedades mecânicas (Adaptada de JACQUES et al, 1998).................................................................... 36 14 FIGURA 12 – Efeitos dos principais elementos de liga (BLECK, 2002). ............... 38 FIGURA 13 – Diagrama TTT para um aço hipo-eutetóide (BHADESHIA, Course A Metal Alloys). Falta colocar o ano do curso! ........................ 43 FIGURA 14 – a) Ferrita Alotriomórfica e, b) Ferrita Idiomórfica (BHADESHIA, 1985). ........................................................................ 44 FIGURA 15 – Ferrita massiva a) micrografia ótica e b) micrografia TEM (Adaptado de ROBERTS, 1970) ......................................................... 45 FIGURA 16 – a)Placas de ferrita acicular (BARRITTE, 1982 apud Bhadeshia, 1985), b) O efeito do tamanho do tamanho do grão da austenita no desenvolvimento da microestrutura de um aço contendo inclusões leva a formação de ferrita acicular ou bainita (adaptado de Bhadeshia, 2001). .................................................................................................... 46 FIGURA 17 – Morfologia da ferrita Widmanstätten (Bhadeshia, 2000) ................. 47 FIGURA 18 – Observação ótica e morfologia esquemática da bainita de dois aços diferentes em estágios iniciais da transformação isotérmica (MATSUZAKI, BHADESHIA, 1999). ................................................ 48 FIGURA 19 – Ilustração esquemática de várias morfologias da bainita (ferrita- branca e cementita-preta): (a) Bainita nodular, (b) Bainita colunar, (c) bainita superior, (d) bainita inferior, (c) bainita alotriomórfica de contorno de grão e (f) bainita inversa (KRAUSS e THOMSON apud REYNOLDS, AARONSON e SPANOS, 1991). ........................ 49 FIGURA 20 – Transformação martensítica dentro de uma partícula de austenita. Enquanto a transformação em martensita acontece de (a) até (c), o tamanho das novas placas de martensita diminui. (adaptado de SHERIF, 2003) ..................................................................................... 54 FIGURA 21 - Etapas do processo do material de chapa de aço 300M desde a usinagem até a microscopia óptica ....................................................... 56 FIGURA 22 – Esquema dos corpos-de-prova desse estudo segundo a norma ASTM E8M .......................................................................................... 59 FIGURA 23 – Diagrama TTT do aço 300M. (Adaptado de ERICSSON, 1976)..... 60 15 FIGURA 24 – Representação esquemática do tratamento isotérmico aplicado aos corpos-de-prova ........................................................................................................ 61 FIGURA 25 – Representação esquemática dos tratamentos têmpera, com resfriamento em óleo, e revenimento aplicados aos corpos-de-prova .................................................................................... 62 FIGURA 26 – Representação dos corpos-de-prova para determinação da fração volumétrica da austenita retida no aço 300M.(a) Corpo-de-prova inteiro. (b) Identificação das regiões avaliadas: (ADL) amostra da região com deformação localizada, (ADU) amostra da região com deformação uniforme, (AND) amostra da região não deformada............................................. 64 FIGURA 27 – Fotomicrografias de amostras do aço 300M austenitizado à 900°C e tratado isotérmicamente à 400°C, por 60s e 300s, das regiões próximo à estricção (ADL) e afastado da estricção (ADU). Reagente Nital 2%................................................................... 72 FIGURA 28 – Fotomicrografias do aço 300M austenitizado à 900°C e transformado isotérmicamente à 400°C por 60s, 300s e 1800s das regiões próximo à estricção (ADL) e afastado da estricção (ADU). Reagente: solução aquosa de metabissulfito de sódio a 10%. AR: austenita retida .............................................................................. 73 FIGURA 29 – Microscopia óptica do ataque heat tinting das amostras tratadas isotermicamente a 400ºC por 60s, 300s e 1800s, regiões próximas (ADL) e opostas à ruptura(ADU). ........................................................ 76 FIGURA 30 - Porcentagem de austenita transformada na região da amostra com deformação localizada, próxima à estricção (ADL) e na região com deformação uniforme (ADU), utilizando a técnica de revelação da microestrutura com solução aquosa de metabissulfito de sódio a 10%....................................................................................................... 80 FIGURA 31- Porcentagem de austenita transformada na região da amostra com deformação localizada, próxima à estricção (ADL) e na região com deformação uniforme (ADU), utilizando a técnica heat tinting ............ 80 16 FIGURA 32 – Resistência à tração em função do tempo de permanência na isotérmica, na condição conforme fornecido e temperado e revenido ................................................................................................ 82 FIGURA 33 – Alongamento total em função do tempo de permanência na isotérmica, na condição conforme fornecido e temperado e revenido ................................................................................................ 83 FIGURA 34 – Limite de escoamento em função do tratamento térmico, na condição conforme fornecido e temperado e revenido.................... 85 17 LISTA DE TABELAS TABELA 1 – Simbologia e nomenclatura dos diferentes produtos ferríticos de decomposição da austenita (FERRER, 2003).................................. 51 TABELA 2 – Classificação dos produtos da austenita segundo Bhadeshia (1985)..52 TABELA 3 – Composição química padronizada do aço AISI 300M ...................... 57 TABELA 4 – Composição química do aço 300M utilizado neste estudo................ 58 TABELA 5 – As diferentes condições de tratamento térmico dos corpos-de-prova .................................................................................... 61 TABELA 6 – Procedimento para quantificação da austenita retida, com as técnicas heat tinting e a base de metabissulfito de sódio, utilizando o software ImageJ.................................................................................70 TABELA 7 – Fração volumétrica da austenita retida em função da deformação no aço 300M..........................................................................................78 TABELA 8 – Comparação porcentual da redução de austenita retida entre as áreas: sem deformação e deformada...................................................... 79 TABELA 9 – Resultados do ensaio de tração para cada condição de tratamento térmico........................................................................................81 18 LISTA DE SÍMBOLOS α Ferrita αB Ferrita bainítica αW Ferrita Widmanstätten α’ Martensita γ Austenita F Ferrita A Austenita B Bainita M Martensita MS Temperatura de início da formação da martensita Mσ S Temperatura de transição da transformação martensítica de assistida por tensão para induzida por deformação Md Temperatura abaixo da qual pode se formar martensita pela aplicação de uma tensão AC3 Temperatura de início da transformação da fase austenita para a fase ferrita durante o aquecimento AC1 Temperatura final de transformação da fase austenita para a fase ferrita durante o aquecimento T0 Temperatura de equilíbrio para duas (2) fases de mesma composição química (e de mesma energia livre, nesse estudo, γ e α’) Tn Temperatura na condição n, sendo n = 1, 2, 3, ... tn Tempo na condição n, sendo n = 1,2,3,... σ Tensão aplicada 1 INTRODUÇÃO Os aços vêm sendo utilizados pela humanidade, de maneira geral, há cerca de três mil anos, e correspondem, atualmente, a cerca de 80% de todas as ligas metálicas ferrosas produzidas no mundo. Como a resistência teórica da ligação metálica do ferro é de 13,2 GPa, ainda há um imenso potencial a ser explorado na pesquisa e no desenvolvimento destas ligas ( BRANAGAN, D. J., 2005). Dentre os aços utilizados hoje em dia pela indústria, destaca-se em importância o AISI 300M. Trata-se de um aço comercial de baixa liga e ultra-alta resistência, que tem sido empregado em componentes estruturais para veículos aeroespaciais e componentes automobilísticos. O aço 300M foi introduzido como um substituto de mais alta resistência para o aço 4340. O aço tem um nível de carbono levemente mais elevado do que o aço 4340 e tem um conteúdo de silício alto, assim como, uma pequena quantidade de vanádio (SUPPLIERSONLINE, 2004). A adição de silício permite o aço ser endurecido dentro de uma região de temperatura de revenimento bem fora da região de revenimento frágil. Já a adição de vanádio serve para restringir o crescimento dos grãos de austenita durante tratamento de austenitização. Estas modificações da liga, juntamente com a fusão por indução a vácuo e a refusão por arco a vácuo, dão ao aço uma resistência mecânica superior do que aquela atingida com o aço 4340, porém com tenacidade à fratura inferior. Além disso, o material é altamente suscetível à fragilidade por hidrogênio e à corrosão sob tensão. Devido a estas limitações, a atenção dos fabricantes e projetistas, nos últimos anos, tem sido focada em melhorias da tenacidade, na diminuição da fragilidade por hidrogênio e à corrosão sob tensão desse aço, mesmo que com uma tolerável perda nos níveis de resistência mecânica. 19 Uma solução potencial ao problema é desenvolver aços os quais tenham uma estrutura mista e na qual os constituintes, de forma isolada, sejam responsáveis por diferentes características das propriedades mecânicas. Um dos mais importantes constituintes a ser considerado é a austenita, a qual tem um efeito benéfico justamente nas propriedades mecânicas que estão prejudicadas nesse aço. Embora, algumas variações de austenita, como as do tipo bloco, enriquecidas de carbono, freqüentemente produzem um efeito prejudicial sobre as propriedades mecânicas, por causa da instabilidade mecânica deste tipo de austenita (TOMITA, Y.; OKAWA, T. 1993). Investigações anteriores1 (MATAS, S. J., HEREMANN, R. F., 1961; SANDVIK, B. P. J., 1982 apud TOMITA, 1993) indicaram que a presença de um alto conteúdo de silício em aços de baixa liga, transformados isotermicamente na região de temperatura de formação bainítica, propicia a retenção de uma grande quantidade de austenita enriquecida de carbono, em conjunto com ferrita bainítica superior livre de carbono, preferencialmente à formação de filmes de cementita frágil, os quais levam a um efeito prejudicial de algumas propriedades mecânicas do aço. Isto é justificado devido à presença de silício que retarda severamente a precipitação da cementita da austenita residual durante a transformação bainítica. Subseqüentes trabalhos2 nestes aços indicaram que a presença de austenita do tipo “filme fino” resultou na melhoria da ductilidade e da tenacidade, devido à estabilidade mecânica desta austenita. Vários pesquisadores (TOMITA, 1993; ZHAO3 et al., 2003 apud ANAZAWA et al., 2006) têm investido no estudo dos tratamentos térmicos e suas conseqüências nas propriedades mecânicas dos aços. Portanto, é muito importante estabelecer um elevado entendimento sobre o processo de transformação isotérmica para otimização das propriedades mecânicas do aço 300M, pois a austenita retida pode variar 1 MATAS, S. J.; HEREMANN, R. F., Trans. Metall. Soc. AIME, v.221, p.179-183, 1961. SANDVICK, B. P. J., Metall. Trans. A, v.13, p.777-787, 1982 apud TOMITA, Y.; OKAWA, T., 1993. 2 BHADESHIA, H. K. D. H.; EDMONDS, D. V. Met. Sci., v.17, p.411-419, 1983 MIIHKINEN, V. T. T.; EDMONDS, D. V. Mater. Sci. Technol., v.3, p.441-449, 1987 apud Tomita op. cit. 3 ZHAO,M. C. ET AL. Material Sci. and Eng’g A, v.355, p.126-136, 2003 apud ANAZAWA et al. Rev. Bras. Apl. Vácuo, v.25, n.2, p.93-97, 2006. 20 significativamente suas características e, conseqüentemente, sua influência sobre a microestrutura e as propriedades mecânicas, com alterações na temperatura de transformação e o tempo de permanência na condição isotérmica. Tomando como base essa necessidade, procura-se, nesse trabalho, melhor desenvolver as técnicas de identificação e medição da austenita retida. Ainda, optou-se por trabalhar com a técnica heat tinting, em especial, para a revelação da austenita retida, pois é uma técnica, relativamente simples para aplicação em laboratórios de baixo investimento e, que possibilita a identificação isolada de fases como a austenita retida e a martensita. E sendo a austenita retida identificada, a etapa de quantificação torna-se viável com a utilização do software ImageJ, sem a utilização de equipamentos mais sofisticados. Sabe-se, também, que essa técnica precisa ser mais bem explorada para contornar as suas deficiências, como a dificuldade de repetibilidade, por exemplo, devido a fatores ambientais e de procedimento na preparação da amostra. O grupo acadêmico de Caracterização Mecânica, Microestrutural e Fractográfica de Materiais Metálicos, formalmente constituído no Departamento de Materiais e Tecnologia - Faculdade de Engenharia - Campus de Guaratinguetá – UNESP, tem dedicado parte de sua linha de pesquisa nesse sentido para melhorar a aplicabilidade da mesma. 21 1.1 OBJETIVOS Neste trabalho, foi analisado o efeito da microestrutura multifásica sobre as propriedades mecânicas do aço 300M, com foco na estabilidade da austenita retida. A investigação do efeito TRIP, nesse aço, foi guiada pela transformação da austenita retida em martensita durante o processo de deformação plástica. O estudo pode ser dividido em três etapas principais: a) Caracterização microestrutural, identificando e quantificando a austenita retida presente, por meio de diferentes técnicas de caracterização microestrutural por microscopia óptica. A principal contribuição é a utilização da técnica heat-tinting para observação e quantificação da austenita retida, associando à resistência mecânica. b) Caracterização mecânica das estruturas multifásicas em um aço com médio teor de carbono (300M), no que tange à resistência mecânica, limite de escoamento e ductilidade, tendo em vista que estes materiais têm boa aplicação para fins estruturais. c) Análise do efeito TRIP, por meio da deformação do aço 300M obtida nos ensaios de tração mecânica, para diferentes condições de tratamento térmico, variando-se o tempo de manutenção do aço em uma determinada temperatura de formação bainítica. 22 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 DEFINIÇÃO DE AÇO TRIP 2.1.1 O Aço TRIP A necessidade de se produzir veículos mais eficientes com relação ao consumo de combustível para atender às exigências ambientais, como também, a própria competitividade gerada por materiais de outras classes (compósitos, plásticos de engenharia, alumínio, etc…) têm pressionado os fornecedores de aço a aumentar a capabilidade de seus produtos. Isto é, melhor desempenho mecânico deve ser obtido com materiais de dimensões reduzidas. A indústria automobilística tem desafiado a indústria do aço nesse sentido, e uma das conseqüências é que se tem alcançado o conceito de uma classe totalmente nova de aços de baixa liga e alta resistência, dentre eles os aços TRIP (Plasticidade Induzida pela Transformação). O efeito TRIP foi inicialmente discutido por Zackay et al4 apud SHERIF, 2003. E o mesmo tem sido considerado a causa do aumento significante no alongamento total e, conseqüentemente, da ductilidade das ligas de aço assistidos – TRIP. A ductilidade uniforme acentuada dos aços TRIP é atribuída ao processo de acomodação plástica na vizinhança das placas de martensita. A microestrutura de um aço TRIP é multifásica e consiste, tipicamente, de uma dispersão fina de ilhas de austenita retida metaestável em uma matriz de base ferrítica em coexistência com martensita e bainita. Há duas formas principais de se obter aços multifásicos TRIP: a) resfriamento controlado durante o processo de laminação a quente para aço TRIP laminado a quente e, b) a combinação de recozimento intercrítico e de manutenção nas temperaturas de formação da bainita, resultando em aço TRIP laminado a frio (EBERLE, 1999). Durante esses processos são formadas austenita, ferrita, bainita e, ocasionalmente, martensita. Os aços com efeito TRIP podem ser aplicados em diversas condições de projeto e uma delas é no processo de conformação. Quando um aço específico é tratado 4 ZACKAY, V. F. et al. Trans. Am. Soc. Met., v.60, p.252, 1967 apud SHERIF, M. Y., 2003 23 termicamente em condições pré-estabelecidas e, então, submetido a uma deformação plástica, a austenita retida, obtida nesse processamento, pode se transformar em martensita, levando o material a uma excelente conformabilidade. Isto é, no início do processo de conformação, quando não se tem martensita (ou se tem em pouca quantidade) o aço resiste menos à deformação, facilitando a conformação requerida pelo processo. À medida que o material se deforma, essa deformação pode causar a transformação da austenita retida em martensita, tornando o material bem mais resistente após a conformação (efeito TRIP). É claro que é necessário se ter um bom controle do processo para que a transformação ocorra no momento adequado . Um pré-requisito para controlar as propriedades mecânicas dos aços assistidos TRIP é a boa compreensão de sua microestrutura multifásica. Até o momento, uma parcela do meio científico tem dado uma atenção especial à procura dos tratamentos termomecânicos que permitiriam atingir o produto final desejado. Conseqüentemente, o papel dos parâmetros de processamento e a influência da composição química do aço na realização das transformações de fase têm sido investigados. Como a transformação bainítica é considerada de vital importância para a estabilização e a retenção da austenita à temperatura ambiente, esforços significantes têm sido feitos para compreender o mecanismo pelo qual a bainita se forma nos aços TRIP (VERLINDEN, 1999). Quando a austenita é resfriada rapidamente para uma temperatura suficientemente baixa, isto é, quando a força motriz para a transformação é suficiente, então ocorre a formação de martensita e há uma mudança de forma na microestrutura. Neste caso, a transformação que direciona a deformação. A outra situação é quando a força química motriz para a transformação é insuficiente, mas a aplicação de uma tensão propicia a ajuda necessária para que a transformação ocorra e haja a formação da martensita a uma temperatura acima de Ms. 24 Esse fenômeno pode ser útil, por exemplo, para evitar a formação de trincas, ou melhor, para evitar a sua propagação. Considere um trabalho com um aço em que haja a formação de trincas, substituindo-se o material por um aço TRIP, poderia se evitar a propagação das trincas utilizando-se o efeito TRIP. Isso poderia ocorrer da seguinte forma, uma trinca se propagando gera tensões, as quais induzem uma deformação. Essa deformação pode acionar a transformação da austenita metaestável em martensita. Posto que a trinca faz um esforço, pode haver sob esse esforço a transformação da austenita retida em martensita e, portanto, com o material endurecido a propagação da trinca se torna mais difícil e por conseguinte, o material mais resistente (BHADESHIA, 2006). Além de outros usos particularmente interessantes como, por exemplo, em estruturas metálicas de prédios para locais sujeitos a terremotos (ADACHI; UNJOH, 2000; SUMITOMO et al.,2001) e em uso automobilístico para regiões de reforço no veículo, em que há probabilidade de deformações causadas por impactos em acidentes (ULSAB, 2000). 2.1.2 Mecanismo de ativação da transformação austenita/martensita Há duas formas de se transformar austenita em martensita: 1. Por meio de uma transformação no estado sólido sem difusão. Isso pode ser obtido com um resfriamento rápido da região austenítica até uma temperatura abaixo ou igual a MS. Nessa transformação há a mudança de forma (Figura 1), isto é, movimentos atômicos bem pequenos, menores do que a distância entre átomos, são necessários para que aconteça a mudança estrutural. Entretanto, já que não há difusão nessa transformação a composição química da austenita (fase originária) é a mesma da martensita (fase produto da transformação). Essa transformação, com mudança somente de forma, também é chamada de transformação displaciva. 2. Outro processo de transformação pode ser obtido pela aplicação de tensão ou deformação no lugar do resfriamento rápido. A carga mecânica aplicada pode contribuir com a energia livre total necessária para começar a transformação. A 25 deformação decorrida da aplicação da carga desencadeia o processo de transformação da austenita em martensita por meio da deformação da forma da estrutura, acima de MS . Portanto, é possível nuclear martensita em temperaturas acima de MS desde que haja uma força mecânica impulsora (U’) suficiente para completar a energia total livre requerida para a transformação (Figura 2) (SHERIF, 2003). Austenita (�) � Martensita (� ’) Figura 1 Esquema da mudança de forma da estrutura da austenita para martensita (Adaptado de JACQUES, 2002). a) b) Figura 2. a) Ilustração esquemática da mudança da energia livre da austenita / martensita com a temperatura, sendo Ms (início de formação martensítica) < T1 < T0 (temperatura de mesma composição química para austenita e martensita) e, b) Ativação mecânica que transforma austenita em martensita (Adaptado de JACQUES, 2002). 26 2.1.3 O efeito TRIP e a plasticidade microscópica (Endurecimento por deformação) Durante o período no qual é aplicada uma deformação na austenita, há a geração de discordâncias na matriz ferrítica dúctil ao seu redor, dificultando os deslocamentos e, portanto, endurecendo o material. Também, na formação martensítica, há uma fonte adicional de discordâncias, aumentando esse efeito. Ainda, analisando uma hipotética curva de tensão aplicada versus temperatura para a austenita (Fig. 3) espera-se, no momento de alcance do limite de escoamento da austenita, um recuo da necessidade da tensão aplicada, facilitando a deformação do material (mecanismo de amolecimento) (JACQUES, 2002). Figura 3 Desenvolvimento com a temperatura da tensão crítica para o começo da transformação martensítica: Transformação assistida por tensão e Transformação induzida por deformação (Adaptado de OLSON, 1984). 27 Nos aços TRIP completamente austenítico, a influência benéfica do efeito TRIP é dada pela combinação de: . um mecanismo de endurecimento (martensita de alta dureza) . um mecanismo de amolecimento (deformação por transformação) 2.1.4 Conseqüências mecânicas do efeito TRIP Sendo Ms a temperatura de início de formação da martensita, e Md a temperatura acima da qual não é esperado ocorrer transformação, não importa qual tensão ou deformação seja aplicada. Md é a temperatura máxima, logo acima de Ms, onde aplicando uma tensão numa amostra, poderá causar a transformação da austenita em martensita. (Ms < Md). Então, a temperatura abaixo da qual pode ser formada martensita pela aplicação de uma tensão, é chamada de Md. As conseqüências mecânicas favoráveis aos aços TRIP são: melhoria da resistência e ductilidade / tenacidade entre Ms e Md. (JACQUES, 2002) Em verdade, a complexidade é muita grande nos desenvolvimentos dos novos aços exigidos pelo mercado. Há a necessidade de controle de uma grande variedade de propriedades plásticas para se obter a conformação e o desempenho estrutural desejados (IUPAC, 2002). 2.1.5 Influência da austenita retida no efeito TRIP Bhadeshia (2002) descreve em seu artigo uma discussão sobre a real importância da plasticidade na transformação austenita em martensita, sob uma tensão ou deformação, no alongamento total do aço. O aço estudado por Bhadeshia apresenta composição típica de 0,15%C, 1,5%Si, 1,5%Mn. Considerando que o crescimento da martensita está associada com a deformação de forma, a qual é caracterizada como uma deformação do plano invariante, 28 Bhadeshia, conclui por meio da análise vetorial das tensões envolvidas que o alongamento máximo de tração, para um corpo-de-prova austenítico, devido à transformação de fase, é de aproximadamente 15%. Portanto, contendo, o aço em análise, entre 5 a 15% de austenita retida, a contribuição para o alongamento da plasticidade da transformação é o nível calculado da amostra (15%) multiplicado pela fração volumétrica da austenita, isto é, na faixa entre 0,75 e 2,25%. Normalmente, esse tipo de aço apresenta uma deformação uniforme, à tração, de cerca de 15 a 30%; sendo que aproximadamente só 2% desse valor pode ser uma conseqüência da plasticidade por transformação. É possível que o papel do TRIP tenha sido exagerado na explicação das boas propriedades mecânicas destes aços, afirma Bhadeshia. A fase dura (martensita ou bainita) num aço bifásico tem um coeficiente de encruamento grande, alta resistência e baixa ductilidade. Pelo contrário, a fase macia (ferrita) tem um coeficiente de encruamento baixo (n), baixa resistência (σγ) e alta ductilidade (εU). A microestrutura bifásica nessa transformação usa a alta resistência e os valores de n (encruamento) da fase dura, e alta ductilidade da fase macia. O fato que a deformação plástica está primeiramente focada na fase dúctil, é vantajoso desde que a fase dura possa “guardar” sua ductilidade até os estágios mais avançados da deformação completa. É provável que as boas propriedades de alongamento uniforme, dos aços assistidos TRIP, são devido ao comportamento da deformação, composta das principais fases, com a austenita retida desempenhando um papel menor, de acordo com Bhadeshia (2002). 2.2 A OBTENÇÃO DOS AÇOS TRIP Na Figura 4 está apresentado um esquema generalizado de tratamento térmico aplicado aos aços, com efeito, TRIP. O primeiro estágio é o recozimento intercrítico, o 29 qual tem sido tradicionalmente usado para obter uma quantidade de austenita na microestrutura, por meio do aquecimento do aço, da temperatura ambiente até a região intercrítica. No diagrama de fase Ferro-Carbono a região intercrítica está localizada dentro da faixa de temperatura A1 – A3. Estas temperaturas são, normalmente, denominadas temperaturas intercríticas. Nessa faixa de temperatura a microestrutura é, em geral, ferrita e austenita. Entretanto, acima de A3, a microestrutura é completamente austenítica, como é o caso dos aços laminados a quente. Fig. 4 Esquema típico de tratamento térmico aplicado a aços multifásicos para obtenção do aço TRIP, sendo F=ferrita, A=austenita, B=bainita, M=martensita (adaptado de JACQUES, 2000). 2.2.1 Processamento do Aço TRIP Aços TRIP apresentam-se em duas variedades principais: como laminado a quente ou laminado a frio e recozido. 2.2.1.1 Aços TRIP laminado a quente Aços TRIP laminados a quente são produzidos por um processamento termomecânico similar ao mostrado na Figura 5. 30 Figura 5 Processamento do aço TRIP de laminação a quente (adaptado de PARISH, 2003). O material é aquecido até a região austenítica e mantido na temperatura por algum tempo para homogeneização. Em seguida passa por laminação grosseira e de acabamento durante um resfriamento controlado até uma temperatura (TICA) na região intercrítica. Mantém-se o material por um tempo (tICA) para um recozimento intercrítico e, então, é resfriado rapidamente para uma temperatura de transformação bainítica (TB), sendo que TB ~300-500°C (MS < TB <