053 - ESD - T04 em 16102015 - MMAT10 - Aços de Alta Resistência

Aços de alta resistência

Processo de produção do aço: do minério aos produtos siderúrgicos comuns

Con1nuous cas1ng

Slab soakingAt 1200-‐1250 ºC

F.T. 870-‐910 ºC

Hot coiling

Hot rolling

Pickling

Cold rolling

Hot rolled strip

Batch annealing Con1nuous annealing Tin plate produc1on Zinc coa1ng

C.T. 560-‐710 ºC

Reduc1on ~ 65%Thickness > 2 mm

Basic oxygen steelmaking (BOS)

Ingot cas1ng

Secondary steelmaking (e.g. vacuum degassing)

Temper rolling (Skin-‐passing)

Processo de produção do aço: do metal líquido até 9ras a quente ou chapas laminadas a frio

Processo de produção do aço: tratamento do metal líquido

ASM Handbook vol 1-‐ Proper1es and Selec1on: Irons, Steels, and High-‐Performance Alloys, 10th ed,

Classificação dos aços quanto ao 9po de desoxidação:

1)  Aço acalmado ( desoxidado com Al ou Si ) 2)  Semiacalmado 3)  Efervescente ( sem desoxidação)

3

Processo de produção do aço: desoxidação

(a) layout Ipico (b) detalhe da injeção de oxigênio

Processo de produção dos aços: detalhe do refino por injeção de oxigênio


Evolução do teor de enxofre nos aços estruturais ARBL nas úl9mas décadas

Hot rolled HSLA strip steels for automo9ve and construc9on applica9ons -‐ J. Patel, C. Klinkenberg, K. Hulka

Processo de produção do aço

Trincas por decoesão lamelar

Altas tensões de tração devido a contração da solda

+ Baixa duc1lidade do material

na direção da espessura

Alinhamento de inclusões ( principalmente sulfetos )

Sindo Kou , Welding Metallurgy, 2nd ed


Exemplo de decoesão lamelar em uma junta soldada com elevado nível de restrição

Exemplo de microestrutura de aço susceIvel a decoesão lamelar



Trincas de solidificação

Ocorrem geralmente nos estágios finais da solidificação nos quais verifica-‐se:

-‐ Tensões de tração -‐  contração de solidificação -‐  contração térmica -‐  nível de restrição

-‐ Presença de um filme líquido conInuo interdendrí9co -‐  fração solidificada próxima a 1


Laminação controlada para os aços ARBL

Processo de produção do aço: laminação a quente

Ciclos tempo-‐temperatura envolvidos na produção de 9ras a quente por diferentes tecnologias ( ingot cas9ng, con9nuous cas9ng, thin slab cas9ng, direct strip cas9ng )





Evolução da tensão de escoamento com a diminuição de temperatura na laminação a quente dos aços

São exibidas no gráfico as temperaturas crí9cas para laminação a quente: Ar1, Ar3 e Tnr Tnr -‐ temperatura abaixo da qual deixa de ocorrer recristalização entre os sucessivos passes

Ciclos tempo-‐temperatura envolvidos no processo de produção de chapas de aço de baixo carbono laminadas a frio e recozidas.

Processo de produção do aço: laminação a frio e recozimento


Chapa de aço SAE 1008 exibindo bandas de Lüders como resultado de es9ramento na zona de deformação plás9ca na estampagem

Escoamento desconInui & bandas de Lüder

Embora não representem danos significa9vos em termos de propriedades o efeito esté9co é suficiente para inviabilizar a u9lização de materiais susceIveis nas partes expostas de um carro. Os aços ferrí9co-‐perlí9cos ( incluindo os ARBL ) laminados a quente ou recozidos apresentam escoamento desconInuo. Para evitar a ocorrência de bandas de Lüders na conformação de chapas destes aços elas devem ser subme9das a um skin pass ( um leve passe de laminação a frio ) após o recozimento. Os aços isentos de inters9ciais ( intres99al free ) assim como os bifásicos ( dual-‐phase ) são pouco susceIveis ( pra9camente imunes ) a este fenômeno

Comparação dos aços carbono comuns com vários outros aços de aplicação estrutural

Propriedades de alguns aços de aplicação estrutural


Exemplos de aços carbono comuns

•  Antes do advento dos aços ARBL estes eram os aços empregados na indústria automolís9ca, pontes, ediccios e aplicações estruturais em geral.

•  Eles vem sendo subs9tuído pelos aços ARBL

C max -‐ 0.29% Mn – 0.8 a 1.2% C max -‐ 0.27% Mnmax – 0,90%

Comparação de um aço carbono comum ( ASTM A7 atual ASTM A23 grau D ) com outros aços u9lizados com finalidades estruturais no que diz respeito a tenacidade avaliada através do ensaio de impacto Charpy.

Comparação da tenacidade dos aços carbono comuns com dois outros 9pos de aços estruturais


Aços carbono-‐manganês Uma das primeiras abordagens no sen9do de aumentar a resistência dos aços carbono baseou-‐se no aumento do teor de Mn que endurece a ferrita por solução sólida e melhora também a tenacidade. Estes aços podem ser u9lizados como laminados a quente, normalizados ou temperados e revenidos.

(a)  Efeito da normalização na curva de transição Charpy de um aço 1040 ( desoxidado com Al e Si )u9lizado na fabricação de tubos.

(b)  Efeito do teor de Mn na curva de transição Charpy de acos ferrí9co-‐perlí9cos contendo 0.30% de C normalizados.


Composições e propriedades Ipicas de aços carbono-‐manganês laminados a quente

(a) O valor da espessura é o max a menos que seja especificada uma faixa. (b) Os valores de composição são máximos a menos que uma faixa seja especificada ou diferentemente especificado em notas de rodapé. Teores residuais de S e P são limitados a 0, 035 a 0,04% max P e 0.04 a 0.05% max S dependendo da especificação. (c) Teor mínimo de Cu quando especificado.(d) Acima de 65 mm, ASTM A 738 grau A requer têmpera e revenimento e e 1.62% Mn (max) para a9ngir a resistência especificada. (e) Alongamento em 50 mm (2 in.).

Cu > 0.2% aumenta resistência à corrosão

Tabela extraída do ASM Handbook vol 1-‐ Proper1es and Selec1on: Irons, Steels, and High-‐Performance Alloys, 10th ed,

Composições e propriedades Ipicas de aços carbono-‐manganês normalizados




Composições e propriedades Ipicas de aços carbono-‐manganês temperados e revenidos




Aços de baixa liga ( low alloy steel no slide 2 )

-‐  São assim designados os aços que possuem elementos de liga como Cr, Ni, Mo e outros em quan9dades no total não superiores a 8%

-‐  São empregados na condição temperado e revenido -‐  Devido terem maior temperabilidade que os aços carbono-‐manganês apresentam maior resistência e tenacidade em chapas de espessura maior.

-‐  A soldabilidade é menor que a apresentada pelos aços carbono comuns ( maior temperabilidade )

-‐ Para aplicações estruturais são disponíveis principalmente na forma de chapas grossas e barras

Nos próximos slides são fornecidas composições e propriedades de aços de baixa liga u9lizados em aplicações estruturais

Composições Ipicas de aços de baixa liga para aplicações estruturais ( chapas grossas )


Propriedades mecânicas ( valores mínimos ) de chapas grossas de aços de baixa liga para aplicações estruturais. Temperado e revenido.


Exemplos com aplicações estruturais de aços de baixa liga

Aços de alta resistência e baixa liga -‐ ARBL

microadições de Nb, Ti, V laminação controlada resfriamento rápido

ferrita com grãos finos

elevada resistência baixa temp de transição

≈ 0.1 %

≈ 4 μm


A pronunciada diminuição da temperatura de transição devido ao refino de grão da ferrita permite que se u9lize de um endurecimento adicional por precipitação de carbonitretos de Ti, Nb e V. O aumento na resistência devido a diminuição do tamanho de grão e precipitação possibilita a diminuição do teor de C aumentando a soldabilidade

Esta combinação de elevadas resistência, tenacidade e soldabilidade conseguida com modificações de custos rela9vamente baixos faz dos aços ARBL os preferidos para a grande maioria das aplicações estruturais


Laminação controlada Com as microadições de Nb, Ti e V a recristalização é retardada, ou suprimida, de forma que no momento da transformação da austenita para ferrita se tenha:

i)  Austen i ta rec r i s ta l i ada de granulação fina

ii)  Austenita não recristalizada deformada a quente com os grãos alongados ( panquecas )

Em ambos os casos tem-‐se um grande número de pontos para nucleação da transformação resultando em ferrita de granulação fina



Efeito do tamanho do carboneto de nióbio no endurecimento por precipitação da ferriata

ASM handbook vol1,Irons, Steels, and High-‐Performance Alloys, 10th ed


Combinações de limite de escoamento e temperatura de transição propiciadas pelos aços ARBL. a)  Efeito do composição b)  Efeito da espessura

ASM handbook vol1,Irons, Steels, and High-‐Performance Alloys, 10th ed


Influência da temperatura máxima a9ngida na ZTA no tamanho de grão da austenita ( aços contendo diferentes 9pos de precipitados )

A dissolução de carbonetos e carbonitretos em altas temperaturas resulta no crescimento de grão da austenita O nitreto de 9tânio, bastante estável em altas temperaturas, mostra-‐se mais efe9vo em evitar o crescimento de grão da austenita

Metallurgy and Mechanics of Welding, Abdelkrim Chehaibou, Jean-‐Claude Goussain, edited by Régis Blondeau


Exemplificando os possíveis efeitos do Nb no processamento dos aços ARBL Hot rolled HSLA strip steels for automo9ve and construc9on applica9ons -‐ J. Patel, C. Klinkenberg, K. Hulka


Contribuição de diferentes mecanismos de endurecimento para se a9ngir valores de limite de escoamento da ordem de 700 MPa em chapas laminadas a quente de aços ARBL.



YSmin = 550 MPa

Coiling temperature = 640 oC Strip thickness: 5 mm


Aços aclimáveis ( weathering steels ):

•  Pequenas quan9dades de Cu ( > 0.20% ) e P resultam em maior resistência à corrosão e endurecimento por solução sólida da ferrita ( ASTM A 242 ) •  Nos aços ASTM A 588 são feitas também pequenas adições de Cr e Ni. •  No início estes aços expostos à atmosfera corroem com a mesma taxa que os aços carbono comuns. Com o tempo a taxa de corrosão diminui até pra9camente zero com a formação de uma camada de óxidos bastante aderente que se cons9tui em uma barreira à penetração de umidade e do oxigênio.


Aços com controle do formato das inclusões: •  Adicões de cálcio-‐silício, Zr, ou de terras raras nas etapas finais de tratamento do aço líquido provocam a diminuição da plas9cidade dos sulfetos resultando em inclusões arredondadas. Evita-‐se portanto a diminuição da duc9lidade do aço na direção da espessura. •  São produzidos desta forma aços com propriedades garan9das na direção da espessura u9lizados para minimizar a ocorrência de decoesão lamelar.

Aços isentos de inters9ciais ( inters99al free steels ) •  Contem menos de 50 ppm de C e N

•  Podem ser produzidos por desgaseificação a vácuo com adições controladas de Ti e Nb para fixarem os C e N remanescentes.

•  São aços de alta formabilidade ( elevada anisotropia normal R ≈ 2 ) •  São imunes à ocorrência de bandas de Lüders


Aços de microestrutura ferrí9ca acicular: •  São aços com teor de carbono inferior a 0.08% e adições de Mn, Mo ou B para aumentar a temperabilidade. •  No resfriamento forma-‐se ferrita acicular e não a ferrita poligonal. A diferença entre as duas formas é que a ferrita acícular é cons9tuída de grãos muito pequenos e alongados com alta densidade de discordâncias. Esta microestrutura propicia a obtenção de limites de escoamento na faixa de 415 a 690 Mpa, com alta tenacidade e boa soldabilidade •  Principal u9lização: oleodutos em regiões ár9cas

Composição: 0.03% C, 0.25% Si, 1.91% Mn, 0.008% P, 0.001% S, 0.048%N + Ti e B

•  Laminação controlada é necessário para baixar a temperatura de transição


Ilustração esquemá9ca do mecanismo de formação da ferrita acícular e da bainita

Mohseni P. -‐ Briyle and Duc9le Fracture of X80 Arc9c Steel, PhD thesis, Norwegian University of Science and Technology


Representação esquemá9ca do mecanismo de formação das bainitas superior e inferior

Mohseni P. -‐ Briyle and Duc9le Fracture of X80 Arc9c Steel, PhD thesis, Norwegian University of Science and Technology

Norwegian University of Science and Technology

Comparação entre aços carbono comuns e aços ARBL (ambos laminados a quente)

Composição química e limite de escoamento de vários aços ARBL



Examplos de u9lização de chapas de aço ARBL laminadas a quente na indústria automobilís9ca e de construção



Aços bifásicos ( dual-‐phase steels )

-‐  A microestrutura é cons9tuída de ilhas de martensita em matriz ferrí9ca ( + austenita re9da ) -‐ Os aços bifásicos podem ser ob9dos pelos seguintes processos:

•  Aquecimento de aços carbono-‐manganês na região intercrí9ca, temperaturas nas quais a microestrutura é composta de ferrita e austenita de alto carbono. No resfriamento rápido subsequente a austenita transforma-‐se em martensita. •  Recozimento conInuo na zona intercrí9ca de aços carbono-‐manganês laminados a frio seguindo-‐se resfriamento rápido e revenimento. •  Laminação a quente e controle do resfriamento resultando na obtenção de microestrutura composta de ferrita e martensita.

Diagrama de fases do sistema Fe-‐C com 1,5% de Mn ( Corte do diagrama ternário Fe-‐C-‐Mn em 1.5% Mn )

ASM handbook vol1,Irons, Steels, and High-‐Performance Alloys, 10th ed, Dual-‐Phase Steels

Composições químicas Ipicas de aços bifásicos



Variação da porcentagem de austenita com a temperatura na zona intercrí9ca para aços com diferentes teores de carbono e %Mn = 1.5



Variação das propriedades mecân i c a s com a f r a ção volumétrica de martensita em aços bifásicos contendo 1.5% de M n . S ã o f o r n e c i d a s a s propriedades de dois aços com diferentes teores de carbono: 0.3% e 0.5%



Variação da porcentagem de austenita re9da com a deformação



Comparação entre as curvas tensão-‐deformação dos aços ARBL SAE 50X ( LE = 50 ksi ) e SAE 80X ( LE = 80ksi ) e a de um aço bifásico.


Observa-‐se: i) A maior duc9lidade do aço bifásico para a mesma resistência ii) Diferentemente do aço ARBL o dual-‐phase não exibe escoamento desconInuo.


Curvas tensão-‐deformação de vários aços bifásicos


Composição química Ipica: 0.2% C, 1.20% Mn, 1.20% Si Microestrutura: ferrita, bainita e austenita re9da .

Esta microestrutura é ob9da por meio de aquecimento na zona intercrí9ca e resfriamento, em seguida, até temperaturas na faixa da transformação bainí9ca. A fase austení9ca é bastante enriquecida em carbono ( pelo tratamento na região intercrí9ca e pela dificuldade à formação de carbonetos na transformação bainí9ca imposta pela presença de elementos como Si e/ou Al ) o que a torna rela9vamente estável no resfriamento posterior até a temperatura ambiente.

As excelentes propriedades mecânicas dos aços TRIP advêm da transformação da austenita re9da em martensita durante a deformação plás9ca do material.

Aços TRIP ( transforma9an induced plas9city )


Ciclo térmico do tratamento empregado para produção dos aços TRIP


Microestrutura Ipica de um aço TRIP

austenita re1da ( RA -‐ branco brilhante )

Bainita ( marron )

ferrita ( branco )


Comparação entre as curvas tensão-‐deformação para aços ARBL, bifásicos e TRIP

High Mn TWIP Steels for Automo9ve Applica9ons B. C. De Cooman, Kwang-‐geun Chin and Jinkyung Kim

Aços TWIP ( twinning induced plas9city )

São aços austení9cos de alto Mn ( 15% a 30% ) -‐ Podem ser adicionados Al e Si para controle da energia de falha de empilhamento, fator determinante da ocorrência de maclação

A deformação plás9ca ocorre por movimentação de discordâncias e maclação. A formação de maclas reduz o caminho livre médio das discordância resultando em endurecimento do material ( “efeito Hall-‐Petch dinâmico” )

Ilustração do efeito Hall-‐Petch dinâmico

Characteris1cs of newly developed TWIP steels – K. G. Chin


High Mn TWIP Steels for Automo9ve Applica9ons B. C. De Cooman, Kwang-‐geun Chin and Jinkyung Kim


Comparação entre as curvas tensão-‐deformação e a variação da taxa de deformação de um aço TRIP com um aço TWIP. O aço TWIP apresenta alongamento uniforme duas vezes superior ao do aço TRIP e um limite de resistência consideravelmente maior.



Processo de fabricação dos aços TWIP

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