CONGRESO CONAMET/SAM 2004

DEFORMAÇÃO A MORNO NO CAMPO SUBCRÍTICO E REFINO DE GRÃO DE UM AÇO 0,16C

Otávio Villar da Silva Neto(a) e Oscar Balancin(b)

(a, b) Universidade Federal de São Carlos - Departamento de Engenharia de Materiais, Rodovia Washington Luiz, Km 235, 13565-905, São Carlos - SP, Brasil. (a)pvillar@iris.ufscar.br; (b)balancin@power.ufscar.br

RESUMO

A influência da precipitação de cementita no refinamento da microestrutura de um aço baixo carbono durante o processamento termomecânico a morno foi investigada. Inicialmente, na etapa de condicionamento da microestrutura, as amostras foram reaquecidas a 1100 °C e resfriadas bruscamente em água. Em seguida foram revenidas na região subcrítica por tempos variando de 1 a 48 horas. A quantidade de cementita precipitada mostrou-se tão maior quanto maior o tempo de revenimento. Menores tempos de revenimento resultaram em carbonetos mais finos e dispersos. O refinamento da microestrutura foi realizado aplicando grandes deformações a morno nas amostras temperadas e revenidas. Essas amostras foram reaquecidas a uma temperatura próxima a Ae1 (700 oC), mantidas nesta temperatura por 10 minutos, deformadas por torção e em seguida resfriadas ao ar. As curvas de escoamento plástico apresentaram a forma característica da deformação de microestruturas não estáveis; conforme a estrutura tende para um estado de equilíbrio mais estável o nível de tensão decresce. A deformação no campo subcrítico mostrou-se eficaz para a obtenção de uma microestrutura refinada. Medições dos tamanhos dos grãos ferríticos indicaram um valor médio em torno de 1,5 μm, independentemente do tempo de revenimento. A obtenção de grãos ferríticos ultrafinos pode ser associado à recristalização dinâmica continua da ferrita que refina a microestrutura e as partículas finamente dispersas de cementita que ancoram os contornos de grãos.

Palavras-chave: Trabalho a morno, cementita esferoidizada, ferrita ultrafina.

1. INTRODUÇÃO

Recentemente, grande atenção tem sido dada ao processamento metalúrgico de aços com a finalidade de obter microestruturas com características que geram melhores propriedades aos produtos semi-acabados. Uma das possíveis rotas que permite alcançar esta meta é o trabalho a morno. Esta técnica possui melhor precisão dimensional que o trabalho a quente, a oxidação superficial é moderada e há melhoria nas características mecânicas do material, permitindo que em alguns casos as etapas de usinagem e tratamentos térmicos posteriores sejam suprimidas. Contudo, o processamento a morno requer conhecimento mais profundo dos processos de conformação e do comportamento dos materiais, visto que estas operações induzem maiores esforços mecânicos e freqüentemente são realizadas em estruturas não estáveis [1].

É bem conhecido que durante o reaquecimento dentro do domínio ferrítico de amostras de aços carbono temperadas tem-se a transformação da estrutura martensítica em uma matriz ferrítica com partículas de cementita finamente dispersas. Esta transformação ocorre em três estágios distintos [2]: (i) inicialmente tem-se a formação de carbonetos de transição – carbonetos epsilon ou eta - e o decréscimo do teor de carbono da matriz martensítica para valores próximos a 0,25. (ii) a transformação da austenita retida em ferrita e cementita, e (iii) a transformação dos carbonetos de transição e da martensita de baixo carbono em ferrita e cementita. Durante essas transformações, tem-se um decréscimo na densidade de discordâncias com o rearranjo das discordâncias dentro das ripas de martensita e com a eliminação dos contornos de baixo ângulo entre ripas. Após longos tempos de revenimento a matriz ferrítica tem a sua subestrutura de discordâncias recuperada. Também, é bem conhecido que o aumento da energia livre com a

CONGRESO CONAMET/SAM 2004

formação de uma subestrutura de discordâncias em um aço deformado acelera as transformações controladas por difusão [3, 4]. E que as transformações (dinâmicas) que ocorrem durante a deformação plástica são aceleradas com o aumento da energia armazenada com a deformação [5]. Assim, pode-se esperar que a aplicação de grandes deformações a morno em uma estrutura não estável acelere os mecanismos de transformação, conduzindo o material a um estado de equilíbrio mais estável.

O objetivo deste trabalho foi investigar a evolução microestrutural e o refinamento da microestrutura com a aplicação de grandes deformações a morno em amostras de um aço baixo carbono durante a transformação da martensita em ferrita e cementita.

2. DESENVOLVIMENTO EXPERIMENTAL

Os experimentos deste trabalho foram realizados com amostras de um aço comercial baixo carbono e baixa liga: 0,162C, 1,343Mn, 0,459Si em balanço com Fe (%massa).

O tratamento termomecânico imposto neste trabalho pode ser separado em duas etapas: (i) condicionamento da microestrutura e (ii) deformação a morno. A Figura 1 mostra esquematicamente a seqüência de tratamentos aplicados às amostras. O condicionamento da microestrutura de deformação foi realizado com tratamentos térmicos de têmpera e de revenimento. Inicialmente as amostras foram austenitizadas a 1100 oC durante 10 minutos e em seguida resfriadas bruscamente em água. O revenimento foi realizado a 700oC com tempos de: 1, 12, 24, 36 e 48 horas.

A deformação plástica foi imposta às amostras por meio de ensaios mecânicos, os quais foram realizados com uma máquina de ensaios de torção a quente, comandada por um sistema computacional. As amostras, com 20 mm de comprimento útil e 6 mm de diâmetro, foram aquecidas em um forno de radiação infravermelho montado diretamente sobre a máquina de ensaios. Termopares de chromel-alumel foram usados para medir a temperatura das amostras. A aquisição de dados durante os ensaios era feita através de um software que apresentava os resultados na forma de curvas tensão vs deformação equivalentes.

Os ensaios de torção foram conduzidos na condição de aquecimento; as amostras previamente temperadas e revenidas foram reaquecidas desde a temperatura ambiente até a temperatura de ensaio (700 oC), mantidas nesta temperatura por 10 minutos e deformadas isotermicamente até a fratura a uma taxa de deformação equivalente de 1,0 s-1. Por fim, foram resfriadas ao ar até a temperatura ambiente

Figura 1. Representação esquemática do tratamento termomecânico aplicado.

Após seguir os procedimentos metalográficos convencionais de preparação de amostras, foram feitas observações microestruturais nas seções transversais e nas superfícies das amostras temperadas, revenidas e deformadas. Técnicas de microscopia ótica (MO), com o auxílio de um sistema de análise de imagens, analySIS PRO 3.1, e microscopia eletrônica de varredura (MEV) foram utilizadas na caracterização microestrutural.

3. RESULTADOS

As microestruturas resultantes dos tratamentos de têmpera seguida por revenimento apresentaram diferentes morfologias, bem como grande variação na quantidade e tamanho dos precipitados.

A Figura 2 ilustra a evolução da microestrutura com o tempo de revenimento. Na Figura 2a observa-se que a microestrutura obtida após a têmpera do material é essencialmente martensítica. Após 1 hora de revenimento, a microestrutura permaneceu muito fina e com pouca quantidade de cementita precipitada, como pode ser observado na Figura 2b. Aumentando o tempo do tratamento térmico para 12 horas, Figura 2c, pode-se verificar uma diferença marcante na microestrutura; tem-se a eliminação de contornos de ripas de martensita e a precipitação de Fe3C mostrou-se mais evidente. A Figura 2d indica a presença de grãos ferríticos mais grosseiros, com grande dispersão de cementita em seu interior. As Figuras 2e e 2f indicam a etapa de coalescimento das partículas de cementita; nota-se na Figura 2f a presença de grandes partículas de Fe3C e a completa ausência da microestrutura fina resultante da têmpera.

A formação e o coalescimento das partículas de cementita podem ser melhor observados através de microscopia eletrônica de varredura. A Figura 3 indica as mudanças ocorridas na microestrutura após os tempos de 12, 24 e 48 horas de revenimento. Nota-se em 3a a existência de grande quantidade de contornos de ripas de martensita com a formação de precipitados preferencialmente nestes contornos. Em 3b e 3c é notória a diminuição dos contornos e o aumento do tamanho das partículas, especialmente após 48 horas. Assim, o tempo de revenimento exerce forte

CONGRESO CONAMET/SAM 2004

influência no fenômeno de formação e coalescimento dos esferóides de cementita.

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

Figura 2. Microscopia ótica mostrando a evolução do condicionamento microestrutural: (a) amostra temperada; (b), (c), (d), (e) e (f) amostras temperadas e revenidas por 1, 12, 24, 36 e 48 H, respectivamente.

Figura 3. Fotomicrografia obtida através de microscopia eletrônica de varredura das amostras temperadas e

revenidas: (a) 12H ; (b) 24H e (c) 48H.

CONGRESO CONAMET/SAM 2004

A Figura 4 mostra o conjunto de curvas de escoamento plástico obtidos nos ensaios de torção a quente.

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,00

50

100

150

200

250

300

24 horas

12 horas48 horas

1 hora

Tens

ão V

erda

deira

[MP

a]

Deformação Verdadeira

Ensaio de torção:-Tens=700 oC -Taxa de deformação de 1 s-1

-Deformação até a fratura

Figura 4. Curvas σ x ε equivalentes obtidas pelo

ensaio de torção - diferentes tempos de revenimento.

Vê-se nesta figura que a tensão alcança um máximo logo no início do carregamento e decresce continuamente para um estado estacionário. Esta forma de curva é característica da deformação de

microestruturas não estáveis; conforme a estrutura tende para um estado de equilíbrio mais estável o nível de tensão decresce. Corroborando com esta interpretação, vê-se que o nível de tensão decresce com o aumento do tempo de revenimento. Também, pode ser visto na Figura 4 que a quantidade de deformação que o material suportou até que ocorresse a fratura se alterou com o nível de tensão; a ductilidade aumenta com o decréscimo do nível de tensão, e conseqüentemente com o tempo de revenimento.

A Figura 5 mostra fotos das microestruturas observadas após a deformação a morno. Independentemente do tempo de revenimento, todas as microestruturas finais passaram por um processo de refino de grãos bastante significativo. Grãos homogêneos e equiaxiais surgiram nas amostras deformadas após 1 e 12 horas de revenimento. O aumento do tempo de revenimento promoveu a formação de bandas de deformação. Nota-se na Figura 5c, 24 horas de revenimento, que ocorre o início da formação de bandas de deformação. Após 48 horas, 5d, a microestrutura resultante está completamente bandeada.

(a) (b)

(c) (d)

Figura 5. Microestruturas observadas através de MO nas amostras deformadas a 700ºC após tempos de revenimento de: (a) 1H, (b) 12H, (c) 24H e (d) 48H.

CONGRESO CONAMET/SAM 2004

Figura 6. Microestruturas observadas através MEV nas amostras deformadas a 700°C após tempos de

revenimento de: (a) 1H, (b) 24H e (c) 48H.

A Figura 6 apresenta imagens de MEV obtidas a partir de diferentes condições de ensaios; em todos os casos o tamanho médio dos grãos é notadamente pequeno. Também, mostra claramente a formação das bandas de deformação com o aumento do tempo de revenimento. Em 6a, tratada por 1 hora, verifica-se uma microestrutra composta por grãos ultrafinos equiaxiais, em 6b, 24 horas, os grãos ultrafinos estão ligeiramente orientados no sentido de deformação (torção), por fim, após 48 horas de revenimento (Figura 6c), há o completo direcionamento da estrutura formada.

A Figura 7 ilustra o tamanho de grão obtidos após a deformação a morno de cada uma das condições de revenimento. Verifica-se que o tamanho médio dos grãos ferríticos obtido foi em torno de 1,5 μm, independentemente do tempo de revenimento.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

[μ]

Tempo de Recozimento

01H07H12H24H48H

Figura 7. Tamanho de grão ferrítico, após deformação a morno, em função do tempo de revenimento.

4. DISCUSSÃO

A literatura reporta experimentos nos quais são obtidas microestruturas refinadas como as obtidas neste trabalho. Por exemplo, Jonas e col. [6] simulando a laminação a morno de aço livre de intersticiais (IF) através de ensaios de torção obtiveram uma microestrutura ferrítica ultrafina com tamanho médio de 1,3 μm. Todavia, a aplicação de deformações severas (ε ~ 5.0) são muito difíceis em escala industrial. Assim, surge como rota alternativa a

deformação da ferrita com partículas globulares de cementida. Todavia, antes de tentar entender o papel das partículas no refino de grãos, torna-se necessário compreender como se dá o refino de grão na ferrita durante a deformação plástica a morno. O ponto básico é o entendimento dos mecanismos de amaciamento que atuam durante a deformação a quente. É bem conhecido e aceito universalmente que os mecanismos de recuperação dinâmica são suficientes para estabelecer o equilíbrio dinâmico entre as taxas de geração e aniquilação de discordâncias durante a deformação a quente da ferrita. Assim, o processo de recristalização dinâmica (descontínua) não deve ocorrer na ferrita. Em acompanhamentos da evolução microestrutural durante a deformação tem sido observado a extensa recuperação dinâmica da ferrita sem a nuleação de novos grãos [7]. Todavia, após grandes deformações observa-se na ferrita uma microestrutura composta de contornos de alto ângulo formando grãos finos [8]. Esse processo de amaciamento tem sido chamado de recuperação dinâmica estendida ou recristalização dinâmica contínua.

Tendo em mente esse cenário, pode-se especular sobre o efeito das partículas de cementita na formação de grãos ultrafinos. A primeira hipótese seria esperar que as partículas alterassem o processo de formação dos novos grãos. A característica básica que determina se um material só recupera dinamicante ou se recupera e recristaliza dinamicamente é a facilidade ou não que suas discordâncias têm em se arranjarem em forma de subgrãos através dos mecanismos de escalagem e deslizamento cruzado, durante a deformação plástica a quente. Embora o acompanhamento da evolução da distribuição de discordâncias durante a deformação a quente através de métodos microscópicos seja extremamente difícil, observações indiretas têm mostrado que há diferenças significativas, durante a etapa de recuperação dinâmica, entre o comportamento de materiais que recristalizam dinamicamente e o apresentado por materiais que recuperam intensamente. De uma forma resumida, pode-se dizer que nos materiais que recuperam intensamente (i) a evolução dinâmica da densidade de discordâncias é esperada se manter inalterada durante a deformação e (ii) após uma certa quantidade de deformação as características geométricas da distribuição de discordâncias tem o seu tamanho reduzido sem alterar a sua natureza [9, 10]. Enquanto que

CONGRESO CONAMET/SAM 2004

em materiais que recristalizam dinamicamente, o encruamento depende da trajetória de evolução do arranjo de discordâncias. Inicialmente, tem-se a formação de um arranjo celular bem definido. Conforme a deformação prossegue, a evolução dinâmica das discordâncias se altera, com parte das discordâncias formando contornos geometricamente necessários para manter a compatibilidade de deformação. Esses obstáculos criam campos complexos de deformação e uma grande quantidade de atividade de discordâncias ocorre dentro dos subgrãos, aumentando a densidade de discordâncias até que a energia crítica para o inicio da nucleação seja alcançada [9, 10].

Se for entendido que é a evolução dinâmica da densidade de discordâncias que vai determinar se há ou não a nucleação de novos grãos, parece bastante improvável que partículas de uma segunda fase altere a facilidade que as discordâncias têm em se arranjarem em forma de subgrãos na ferrita. E, também, pode-se esperar que a recuperação intensa remova muitas discordâncias geometricamente necessárias criadas pelas partículas. Assim, entendemos que os efeitos das partículas de cementita na formação de grãos ultrafinos durante a deformação a quente não sejam exatamente os mesmos encontrados durante a recristalização estática de materiais metálicos.

A partir dessas considerações, parece que a questão imediata é a análise do papel das partículas de cementita na formação de grãos ultrafinos na ferrita. Novamente estamos em frente a uma questão não bem entendida. Todavia, dois efeitos podem ser esperados. Tendo em mente que o processo de amaciamento dinâmico da ferrita é a recristalização dinâmica contínua, pode-se esperar que as partículas presentes (i) devam facilitar o processo de rotação dos subgrão, acelerando o processo de formação dos novos grãos. E, uma vez completada a deformação plástica, (ii) as partículas presentes podem inibir o crescimento dos grãos formados.

5. CONCLUSÕES

O tempo de revenimento apresentou pouca influência no refinamento da microestrutura ferrítica. Em todos os tempos de revenimento aplicados obteve-se grãos ferríticos ultrafinos com tamanho médio próximo a 1,5 μm.

A obtenção de grãos ferríticos ultrafinos pode ser associada ao processo de amaciamento dinâmico da ferríta: recristalização dinâmica contínua.

As partículas de cementita devem interferir no processo de rotação dos subgraos e inibir o crescimento dos grãos formados.

6. AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem às Agências Brasileiras de Financiamento à Pesquisa CAPES, CNPq e FAPESP pelo suporte financeiro.

7. REFERENCIAS

[1] M. A. F. Oliveira A.M. Jorge Jr. and O. Balancin, Scripta materialia, 50, 2004, pp. 1157-1162.

[2] G. Krauss. In: Steels heat treatment and processing principles. ASM international, 1990, p.218. Materials Park, Ohio 44073.

[3] P. A. Manohar; T. Chandra and C. R. Kilmore, ISIJ int., 36, 1996, pp. 1486-1493.

[4] X. Liu; J. K. Solberg and R. Gjengendal, Mater. sci. technol., 12, 1996, pp. 345-350.

[5] M. Niikura et al., Journal of materials processing technology, 117, 2001, pp. 341-346.

[6] A. Najafi-Zadeh; J. J. Jonas and S. Yue, Metall. trans. A., 23A, 1992, pp. 2607-2616.

[7] G.H. Akbari; C. M. Sellars; J. A. Whiteman: Acta mater., 45, 1997, pp.5047-5058.

[8] J. Baczynski: J. J. Jonas: Metall. mater. trans. A., 29A, 1998, pp. 447-462.

[9] A.M. Jorge Jr.; W. Regone and O. Balancin: J. Mater. proc. tecnol., 142, 2003, pp. 415-421.

[10] D. Chu and J. W. Moris Jr.: Acta mater., 44, 1996, pp. 2599-2610.