Obtenção de grãos ultrafinos em aços hipereutetóides

Hélio Goldenstein Escola Politécnica da Universidade de São Paulo

hgoldens@usp.brApoios: FAPESP e CNPq

Obtenção de grãos ultrafinos em aços hipereutetóides

A idéia de trabalhar neste assunto surgiu a partir de sugestão do Prof. Oscar Balancin por ocasião de discussões no âmbito do

projeto CT-FVA/CNPq 01/2003, em 2004

Hélio Goldenstein Escola Politécnica da Universidade de São Paulo

hgoldens@usp.brApoios: FAPESP e CNPq

Em 1994, Oleg Sherby vem ao Brasil participar do CECIMAT, quando apresenta os trabalhos com aços de damasco que vinha desenvolvendo em Stanford desde a década de 70; visita a USP, DEMA-UFSCar,

PUC-Rio, UFRJ e UFMG

• Divulga a idéia de que aços hipereutetóides podem ter características únicas quando tratados de forma a apresentar uma dispersão fina de carbonetos

• Os carbonetos inibem o crescimento dos grãos, criando uma estrutura de grãos ultrafinos

• Esta estrutura de grãos ultrafinos melhora a tenacidade ao mesmo tempo que aumenta a resistencia

• Permite comportamento superplástico em temperaturas próximas à temperatura eutetóide

Sherby ao estudar superplasticidade,

re-descobriu e popularizou um conhecimento metalúrgico muito antigo: os aços de damasco

Espada Persa (Isfahan), Séc.XVIII. Damasco

Origem da “Ciência da Microestrutura”, a contribuição da Metalurgia à Ciência dos Materiais:

•conhecimentos empíricos sobre fratura e texturas macroscópicas em superfícies polidas de espadas e ferramentas:

• Macroestruturas de forjamento, expressões de aspectos estéticos e artísticos (Oriente), indicadores da qualidade do processo e das propriedades do produto, conhecimento “secreto’’de artesãos por 26 séculos

Kris – punhais malaios com textura de forjamento decorativas.Smith, C.S.

Por 26 séculos o aço de espada foi forjado artesanalmente-Aplicações: armas brancas e armaduras, ferramentas para trabalhar metal e madeira, anzóis, agulhas de costura, cordas de instrumentos.-Nos Séc XVIII e XIX: Tentativas de entender e reproduzir o aço Wootz e macroestruturas de forjamento dos aços de Damasco: -Reamur em 1722; Bergman 1773, Mushet em 1808; Faraday em 1818; Breant em 1823; Anossof 1841; Fisher 1851, Sorby 1863, culminaram no desenvolvimento da metalografia e simultaneamente no desenvolvimento dos processos de fabricação de aços de alto carbono.- Só na virada do Séc. XIX: processos Bessemer e Siemens demonstraram a superioridade dos aços homogêneos para fins estruturais - “ferro pudlado” no Colpaert

Aço de espada: a origem da metalografia!

A microestrutura das espadas

No Séc. XIX

Com o uso do microscópio

mistério é

desvendado:

• Espadas são de aços

de ultra alto carbono

hipereutetóide (UHC)

• Sua estrutura é

formada por

carbonetos

esferoidizados

finamente distribuídos

por forjamento

Carbonetos esferoidizados em espada

do Luristão (Pérsia), circa 800 AC

Smith, C.S. (1981) “A search for Structure”

O efeito colateral de uma dispersão de partículas no crescimento do grão:

ancoramento dos contornos de grão

Em aços hipereutetóides é possível obter uma grande quantidade de carbonetos de ferro Fe3C

Efeito do ancoramento permite manter grãos finos durante deformação em temperaturas intermediárias, resultando em

superplasticidade!

Diagrama Fe-C ilustrando a região (pela área hachurada) em que é possível obter superplasticidade. AAC significa “aços de alto carbono”

• Sherby na década de 70, demostrou superplasticidade em “aços de damasco modernos”, obtidos graças ao refino dos grãos pelos carbonetos, resultando em uma estrutura duplex ferrita/carbonetos

Exemplo de estrutura microduplex, em aço de rolamento (Furuhara e Maki 2004)

Aços de alto carbono e de ultra alto carbono comerciais

• Aços ferramenta grupo W

• Aços de rolamento (52100, DIN 100Cr6)

com 1% C e 1,5% Cr

• “Pin Point carbide steels”, DIN100 Cr 1, DIN125Cr1, etc

com 1,2 a 1,4 %C

Como o Sherby obtinha carbonetos e grãos finos (US Patent de 1976)

A decomposição eutetóide divorciada

Outras rotas possíveis de obtenção de finas dispersões de carbonetos (Sato,Furimoto,Tsuzaki e Maki, 1999)

Trabalho experimental em andamento: explorar a possibilidade de refinar a estrutura apenas por

tratamento térmico- projeto de IC Rodrigo Faveret Signorelli,-FAPESP processo •Nº : 6/03600-5

-Aço 100Cr6, solubilizado totalmente a 1050•, temperado e depois revenido em alta temperatura (beneficiado)

Objetivos:

- obter dispersão de carbonetos diretamente a partir da estrutura martensítica,

- eliminar heterogeneidades de distribuição espacial dos carbonetos decorrentes da rota de fabricação (lingotamento contínuo vs lingotamento convencional)

- obter grão austenítico muito fino na têmpera final, de forma a obter uma fração majoritária de martensita escorregada (ripas) e restringir a fraçào de martensita em placas e blocos

Melhorar a resistência sem diminuir a tenacidade

Para isto, diferentes combinações de revenidos e tratamentos sub-zero foram testados, dando como resultado diferents tamanhos de grão ferrríticos e na

austenitizaçào para têmpera, austeníticos

Processos que levam à formação de contornos de grande ângulo nos tratamentos em questão são:

Recuperação da martensita escorregada na mistura α´+

O coalescimento da martensita escorregada em blocosA transição morfológica da martensita de escorregada

para grãos equiaxiais

• – Problema: Revelar contornos de grão • Recobrimento da amostra com um filme de detergente neutro e

aplicação, com um chumaço de algodão, de uma solução aquosa contendo 2 g de ácido pícrico e 2 g de cloreto férrico em 100 ml de água destilada. Apenas 30 segundos foram necessários para revelar os contornos de grão.

• Abaixo comparação entre amostra temperada a partir do material

como recebido e amostr temperada a partir de material solubilizado, temperado e beneficiado a 620 por 0,5 hora

Relação entre o refino dos carbonetos e o tamanho de grão

d = 5,3x10-6 m d = 8,2x10-6 m

MEV – Elétrons Secundários

Material: Aço AISI 52100 (a) austenitização e têmpera, e (b) beneficiamento,

austenitização e têmpera, ataque nital.

(a) (b)

Primeiros resultados:Tamanho de grão versus dureza

Material: Aço AISI 52100

d m Dureza (HV)

13 811

8,2 862

5,3 929

4,2 944

d m Dureza (HV)

29 374

27 510

21 566

Tabela 1 - Matriz martensítica Tabela 2 - Matriz ferrítica

Dureza x Tamanho de grão

Gráfico 1- Dados obtidos para tamanho de grão e dureza, nas amostras temperadas (matriz

martensítica), representados na tabela 1. A aproximação feita pelo polinômio segue a relação

de Hall-Petch.

 

R2 = 0.981

800

820

840

860

880

900

920

940

960

0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55

D -1/2

HV HV

Linear (HV)

Experimentos em andamento

• Austenitizar o material com dispersão fina de carbonetos em temperatura mais baixa do que a especificada normalmente para rolamentos

• Espera-se que o menor teor de carbono da martensita seja compensado pelo endurecimento através do mecanismo de Hall-Petch, obtendo-se a mesma dureza com maior tenacidade e resistência à fadiga