Gradiente de deformação e textura em chapas de aço submetidas a laminação de encruamento

Nicolau Apoena Castro1,2, Fernando Jose Gomes Landgraf1, Ronald Lesley Plaut1, Taeko Yonamine3

Resumo: Chapas de aço SAE 1006, com 0.6mm de espessura foram submetidas a

laminações de encruamento (2%, 4% e 6% de redução) e recozimento descarbonetante. Análises de dureza e textura das amostras deformadas foram feitas em diversas profundidades com o objetivo de encontrar evidências que comprovem a heterogeneidade da deformação entre superfície e centro, provocadas pela laminação de encruamento, também conhecida como “skin-pass”. As medidas de dureza não apresentaram heterogeneidades entre superfície e centro, porém a análise de textura indicou uma tendência ao fortalecimento da textura cubo rodado ({100}<011>) na superfície da chapa. Análises em EBSD pelo método “grain orientation spread” mostraram que o aumento da deformação aumenta o espalhamento das orientações, e que só existe gradiente de espalhamento na espessura de chapas submetidas às menores deformações (até 0.02) deste trabalho. O recozimento descarbonetante das amostras deformadas causou aumento pronunciado da componente Goss e redução das fibras gama e <100>//DN, além de formação de grãos colunares com grande aumento do tamanho de grão.

Palavras chave

Aço elétrico semiprocessado, gradiente de textura, laminação de encruamento, gradiente de deformação, recozimento descarbonetante. 1. EPUSP - Departamento de Metalurgia e Materiais 2. IPT - Laboratório de Metalurgia do Pó e Materiais Magnéticos. 3. INMETRO - Divisão de Metrologia de Materiais

71

1. Objetivo: Encontrar evidências que comprovem a heterogeneidade da deformação

entre superfície e centro, provocadas pela laminação de encruamento. Estudar a evolução da textura no recozimento de chapas submetidas a deformações reais de até 0.06.

2. Introdução: Quando uma chapa de aço é submetida a uma pequena redução de área por

laminação, a deformação plástica se concentra na superfície da chapa? É muito comum ouvir-se a afirmação de que a laminação de encruamento ("temper rolling" ou "skin pass", em língua inglesa) é uma “deformação superficial”. O objetivo deste trabalho é quantificar esse gradiente de encruamento, nas chapas de aços elétricos do tipo semi-processado, dada a importância dessa etapa do processo como condicionadora da microestrutura para posteriormente alcançar o desejado tamanho de grão da ordem de 100-150 µm, após o recozimento final.

O Brasil consome aproximadamente 300.000t anuais de aço em motores elétricos. Desse total, um terço refere-se a aços com mais de 2% de silício, que são entregues aos fabricantes de motores já na condição recozida. São os aços de “alto desempenho”, pois suas perdas magnéticas são reduzidas. No extremo oposto do espectro, aplicações pouco exigentes como motores elétricos para liquidificadores consomem 100.000t anuais de chapas de aço do tipo ABNT 1006 sem qualquer recozimento final, pois as perdas magnéticas não são importantes nesse tipo de aplicação. Numa situação intermediária, aproximadamente a mesma quantidade de aço é consumida em aplicações que exigem baixas perdas e baixo custo. Para atender a essa faixa de aplicações, os fabricantes de motores aplicam um recozimento final nas chapas, objetivando a descarbonetação e o aumento do tamanho de grão para 100-150 µm. Para atingir esse tamanho de grão num recozimento relativamente curto e em temperatura da ordem de 750º C, a solução é aplicar um certo grau de deformação antes do recozimento.

As propriedades magnéticas dos aços elétricos são também sensíveis à orientação cristalina média dos grãos, ou seja, à sua textura, que atinge seu estado final ao longo do último recozimento. Nessa etapa de fabricação, a sua estrutura inicial, que contém grãos de aproximadamente 10 µm de diâmetro e uma pequena fração de carbonetos, passa por um processo que alguns autores chamam de crescimento anormal de grão induzido por deformação (5), chegando aos 150 µm com uma textura diversa da inicial. Como o processo é considerado “induzido por deformação”, o gradiente de encruamento deve ter papel importante na evolução microestrutural. A relação entre grau de deformação prévia e tamanho de grão após recozimento final é bem nítida: quanto menor a deformação, maior o tamanho de grão (8, 10). Para obter uma microestrutura homogênea com o tamanho de grão objetivado, nos recozimentos comerciais a 760º C por períodos que variam entre 30 e 180 minutos, os fabricantes de aços elétricos aplicam laminação de encruamento com redução de área entre 3 e 8%. Esse grau de redução aumenta a densidade de discordâncias de 107 para

72

aproximadamente 1010 cm/cm3 de discordâncias, suficiente para formarem emaranhados de discordâncias, mas sem chegar a formar células (1,14).

A noção de que uma pequena redução deforma apenas a superfície do material é largamente disseminada. G. Dieter, por exemplo, no seu capítulo sobre tensões residuais, apresenta uma figura que descreve uma heterogeneidade de deformação na laminação, afirmando que “os grãos da superfície da chapa são deformados e tendem a se alongar, enquanto os grãos no centro permanecem inalterados”(3). Dieter não especifica, entretanto, em quais condições ocorreria esta heterogeneidade.

Quem examina a microestrutura de um aço elétrico semi-processado com recozimento interrompido freqüentemente encontra grãos grandes na superfície, o que poderia ser uma indicação de maior deformação na superfície, resultando em nucleação mais rápida naquela região. Entretanto, vários artigos tem destacado que a cinética da recristalização é atrasada por teores crescentes de carbono. Como o recozimento também objetiva a descarbonetação, e ela naturalmente inicia-se na superfície, a evidência de grãos grandes na superfície pode estar mais ligada à descarbonetação do que ao gradiente de encruamento.

Mathur e Backofen (2), discutiram a ocorrência de gradientes de textura ao longo da espessura de chapas de aço. Em algumas circunstâncias o efeito é muito significativo, observando-se no centro a textura típica de deformação (fibra gama e parte da fibra alfa) e na superfície a ausência dessas componentes, substituídas por Goss com alta intensidade mais outro componente forte (9). Esse gradiente de textura está associado à ocorrência de forte cisalhamento paralelo à superfície, dando origem à chamada “textura de cisalhamento”, na superfície do material. Mathur e Backofen associam a intensidade do gradiente microestrutural com um fator da geometria do passe de laminação, o fator ∆. O fator ∆ de Backofen é a razão entre a espessura média ao longo do passe e o comprimento do arco de contato ( )( fi eeRL −= ), onde R é o raio do cilindro e ei é a espessura inicial. Aqueles autores afirmam que grande heterogeneidade de deformação ocorre quando ∆ é maior que 1, ou seja, quando a espessura média no passe é maior que o comprimento do arco de contato. Esse critério corresponde ao senso comum: quanto maior a espessura do material e quanto menor da redução (ei – ef) e menor o diâmetro do cilindro, maior a heterogeneidade. Entretanto, mais recentemente, Engler e colaboradores (9) apresentaram dados que indicavam a ocorrência de heterogeneidade mesmo com ∆ menor que 1.

Resultados preliminares sugeriam que os aços comerciais apresentavam um gradiente de dureza, contrariamente à amostras produzidas em laboratório. Isso levou a um exame das possíveis diferenças entre a laminação industrial e laboratorial. As variáveis da laminação de encruamento são o grau de deformação (a porcentagem de redução ou de alongamento), a taxa de deformação, a aplicação de tensões de tração avante e a ré, tensão nos cilindros, lubrificação, rugosidade, diâmetro dos cilindros e velocidade de laminação, tudo isso agindo sobre a microestrutura inicial, que inclui espessura inicial, composição química, tamanho de grão e textura.

O grau de deformação é uma variação relativamente fácil de controlar, e é possível reproduzir em laboratório. Os valores citados na literatura variam de 4 a

73

8% de alongamento. Tomando 5% como referência, é importante notar que se trata de uma redução de 25µm numa chapa de 500 µm de espessura. Em laboratório é mais fácil controlar a deformação pelo alongamento.

Normalmente considera-se que a taxa de deformação não é relevante na laminação a frio. Informações coletadas sobre laminação de encruamento nas siderúrgicas indicaram variações entre elas de 20 a 300 s-1. A taxa de deformação

foi calculada como sendo εεLrv=

. onde vr é a velocidade periférica do cilindro, em

m/s, L é o comprimento do arco de contato e ε é a deformação verdadeira (3). Foi possível produzir, em laboratório, taxas entre 10 e 60 s-1 (12), confirmando-se que a taxa de deformação não provocou diferenças significativas no encruamento das chapas.

A aplicação de tensões avante e a ré é prática industrial rotineira, ainda que os valores variem bastante, mas sua aplicação em laboratório é praticamente impossível.

Lubrificação é sempre usada, em condições industriais. A laminação de encruamento a seco vem sendo cada vez mais aplicada, mas para as deformações maiores, típicas dos aços elétricos, lubrificação continua sendo prática geral. É possível aplicar lubrificação no laboratório, ainda que seu efeito possa não ser reprodutível, por não haver comprimento de material suficiente para o filme de lubrificante atinja as condições do estado estacionário da laminação industrial, quando o coeficiente de atrito fica entre 0,04 e 0,07 (4). Segundo Mathur e Backofen (2), as evidências indicam que o atrito só altera a textura da laminação a frio em profundidade menor que 5% da espessura, o que corresponderia a 25 µm de profundidade, no caso em exame.

A rugosidade dos aços elétricos industriais é relativamente grosseira, da ordem de Ra= 1,7, para evitar o colamento das lâminas no recozimento final. Essa rugosidade é normalmente produzida por jateamento dos cilindros (4, pág 362). Nos experimentos laboratoriais os cilindros não receberam jateamento, e a rugosidade deve ser bem menor. Alguns artigos já destacaram a importância da rugosidade na evolução da textura no recozimento final (6, 11).

O presente trabalho abordará o efeito do grau de deformação no gradiente de encruamento e textura, caracterizados através de medidas de dureza, difração de raios-X e EBSD.

3. Metodologia: Chapas de aço AISI 1006, com 0,6mm de espessura foram submetidas a

laminações de encruamento (2%, 4% e 6% de redução) em laminador duo da

marca STANAT, cilindros com 125 mm de diâmetro e velocidade periférica de

0,40 m/s. Análises de dureza e textura foram realizadas em diversas

profundidades (superfície, 100µm, 200µm e 300µm) com o objetivo de encontrar

evidências que comprovem a heterogeneidade da deformação entre superfície e

74

centro. As análises de dureza foram realizadas em microdurômetro Fischerscope

H100VP e as texturas foram obtidas em difratômetro Shimadzu XRD6000,

equipado com goniômetro de textura. As amostras também foram analisadas em

microscópio eletrônico de varredura FEI Company modelo Quanta 200, equipado

com EBSD (difração de elétrons retroespalhados).

As amostras foram submetidas a recozimento em atmosfera descarbonetante

(90% N2, 10% H2, ponto de orvalho de 20ºC), a 760ºC por 2 horas. Análises

microestruturais e textura das amostras recozidas foram realizadas por

microscopia óptica e difração de raios-X, respectivamente.

4. Resultados:

Visando facilitar a identificação das amostras, foi adotada a nomenclatura

apresentada na tabela 1. Tabela 1: nomenclatura das amostras produzidas

Amostra Descrição

4992 Chapa de aço SAE 1006 sem deformação

4992-2 4992 + laminação (ε = 0.02)

4992-4 4992 + laminação (ε = 0.04)

4992-6 4992 + laminação (ε = 0.06)

4992-R0 4992 + recozimento

4992-R2 4992-2 + recozimento

4992-R4 4992-4 + recozimento

4992-R6 4992-6 + recozimento

Os resultados foram apresentados em duas partes: amostras deformadas

(item 4.1) e amostras recozidas (item 4.2), para facilitar a interpretação dos

resultados.

75

4.1 Amostras deformadas

Amostras com 0, 0.02, 0.04 e 0.06 de deformação real foram analisadas em

difratômetro de Raios-X equipado com goniômetro de textura. Foram preparadas

seções paralelas à superfície a 0, 100, 200 e 300 µm de profundidade. A

superfície foi decapada com nital 10%, enquanto que as demais seções foram

lixadas até lixa #1200 e decapadas com nital 10%. As ODF para ϕ2 = 45º estão

apresentadas entre as figuras 1 e 4. As figuras de (a) a (d) apresentam

respectivamente a superfície da chapa e as profundidades de 100, 200 e 300 µm

em relação à superfície.

0 30 60 9090

60

30

0

Φ

ϕ1

(a)

(b)

(c)

(d) Figura 1: ODF (ϕ2=45º) da amostra 4992 (sem deformação)

(a)

(b) (c) (d)

Figura 2: ODF (ϕ2=45º) da amostra 4992-2 (ε = 0.02)

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 3: ODF (ϕ2=45º) da amostra 4992-4 (ε = 0.04)

0 30 60 9090

60

30

0

Φ

ϕ10 30 60 90

90

60

30

0

Φ

ϕ10 30 60 90

90

60

30

0

Φ

ϕ1

0 30 60 9090

60

30

0

Φ

ϕ10 30 60 90

90

60

30

0

Φ

ϕ10 30 60 90

90

60

30

0

Φ

ϕ10 30 60 90

90

60

30

0

Φ

ϕ1

0 30 60 9090

60

30

0

Φ

ϕ10 30 60 90

90

60

30

0

Φ

ϕ10 30 60 90

90

60

30

0

Φ

ϕ10 30 60 90

90

60

30

0

Φ

ϕ1

76

90

60

30

0

ϕ1

Φ

(a)

90

60

30

0

Φ

ϕ1

(b)

90

60

30

0

Φ

ϕ1

(c)

90

60

30

0

Φ

ϕ1

(d) Figura 4: ODF (ϕ2=45º) da amostra 4992-6 (ε = 0.06)

Figura 5: Escala de cores das intensidades relativas.

0 30 60 900 30 60 90 0 30 60 900 30 60 90

Os resultados encontrados mostram que existe gradiente de textura na chapa

não deformada. Observou-se um fortalecimento da fibra gama ({111}<uvw>) no

interior da chapa (300 µm) em comparação à superfície da amostra, como pode

ser visto na figura 1. Em relação à deformação, só é possível observar mudança

significativa a partir de 0.06 de deformação real. Foi observado um fortalecimento

da componente cubo na diagonal ({100}<011>) e um enfraquecimento da fibra

gama na superfície da amostra (figura 4a). Para as seções analisadas a 100, 200

e 300 µm da superfície não foi possível observar mudanças significativas.

Seções longitudinais das amostras foram analisadas em EBSD. As figuras 6

a 9 apresentam o mapa de orientações cristalinas (a) e “grain orientation spread”

(b). As figuras 10 e 11 apresentam respectivamente as escalas de cores dos

planos cristalinos paralelos ao plano de laminação e do “grain orientation spread”.

A figura 12 apresenta o comportamento do “spread” médio, calculado para as

áreas analisadas, em função do grau de deformação.

77

(a) (b)

Figura 6: Amostra 4992 (sem deformação)

(a) (b)

Figura 7: Amostra 4992-2 (ε = 0.02)

(a) (b)

Figura 8: Amostra 4992-4 (ε = 0.04)

(a) (b)

Figura 9: Amostra 4992-6 (ε = 0.06)

78

Figura 10: Escala de cores dos planos cristalinos

paralelos ao plano de laminação.

Figura 11: Escala de cores do “grain orientation

spread”.

0.00 0.02 0.04 0.060.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1A

vera

ge S

prea

d (º

)

ε

Figura 12: “spread” médio em função do grau de deformação

“Grain orientation spread” é a média da diferença de orientação entre um

ponto de um grão e todos os pontos desse mesmo grão (13), calculado conforme

a equação 1 (15).

(Equação 1)

Onde:

i e j são índices relacionados com a posição dentro de um grão;

P é a matriz de orientação de um dado ponto;

S é o operador de simetria selecionado de acordo com o sistema cristalino;

2Cn.m é a combinação que seleciona duas orientações entre n*m orientações.

79

Os valores médios contidos na figura 12 foram calculados para cada uma das

áreas analisadas com deformações reais de 0 a 0.06.

As figuras 6 a 9 mostram que o espalhamento aumenta em função da

deformação plástica. O gráfico da figura 12 mostra mais claramente esse

comportamento, indicando que o “grain orientation spread” tem boa correlação

com a deformação plástica do material.

Com o objetivo de identificar diferenças de deformação plástica entre

superfície e centro da chapa, foram calculados os valores médios de

espalhamento em função da distância em relação à superfície da chapa. Os

resultados estão apresentados nas figuras 13 a 16.

0 50 100 150 200 250 3000.40.50.60.70.80.91.01.11.2

ε = 0

Spr

ead

(º)

Distância da superfície (µm)

Figura 13: “spread” médio em função da distância em relação à superfície da amostra 4992 (não deformada).

0 50 100 150 200 2500.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

Spr

ead

(º)

Distância da superfície (µm)

ε = 0.02

80

Figura 14: “spread” médio em função da distância em relação à superfície da amostra 4992-2

0 50 100 150 200 250 3000.70.80.91.01.11.21.31.41.5

ε = 0.04

Spr

ead

(º)

Distância da superfície (µm)

Figura 15: “spread” médio em função da distância em relação à superfície da amostra 4992-4

0 50 100 150 200 250 300

1.11.21.31.41.51.61.71.8

ε = 0.06

Spr

ead

(º)

Distância da superfície (µm)

Figura 16: “spread” médio em função da distância em relação à superfície da amostra 4992-6.

Os resultados mostram que para deformação real de 0.02 (figura 14) o

espalhamento médio é maior próximo à superfície da chapa. Para deformações

mais elevadas essa diferença não foi observada (figuras 15 e 16), indicando que a

deformação distribui-se homogeneamente na espessura da chapa. Esse resultado

indica que existe gradiente de deformação na espessura de chapas submetidas a

pequenas deformações (até 0.02) e esse gradiente desaparece com o aumento da

deformação.

Foram analisadas seções longitudinais das amostras com deformações reais

de 0 a 0.06. Utilizou-se carga de 100 mN, aplicando-se as endentações a 10 µm

81

da superfície e no centro da espessura (300 µm). Os resultados estão

apresentados na figura 17.

0 50 100 150 200 250 300110

115

120

125

130

135

140

145

150

155

ε = 0.06 ε = 0.04 ε = 0.02 ε = 0

HV

(Kgf

/mm

2 )

espessura (µm)

Figura 17: Durezas da superfície e meia espessura.

Os resultados mostram que ocorre endurecimento das amostras após

laminação, indicando que a deformação plástica “atinge” o centro da espessura

para deformação real de 0.02. Não foi possível observar diferenças de dureza

entre superfície e centro. É provável que a análise de microdureza não apresente

sensibilidade suficiente para identificar essas diferenças, já que os resultados

obtidos na difração de raios-X e EBSD apresentam evidências favoráveis à

existência de gradiente de textura e deformação na espessura da chapa.

4.2 Amostras recozidas

Foram preparadas metalografias das amostras recozidas em atmosfera

descarbonetante, a 760ºC por 2 horas. Foram analisadas seções longitudinais das

amostras polidas e atacadas com nital 3%. As imagens obtidas em microscópio

óptico estão apresentadas nas figuras 18 a 23.

82

Figura 18: imagem de microscopia óptica da

amostra 4992

Figura 19: imagem de microscopia óptica da

amostra 4992-R0

Figura 20: imagem de microscopia óptica da

amostra 4992-R2

Figura 21: imagem de microscopia óptica da

amostra 4992-R4

Figura 22: imagem de microscopia óptica da

amostra 4992-R6

Figura 23: imagem de microscopia óptica da

amostra 4992-R2 – grãos pequenos próximos a superfície

As imagens mostram que o recozimento causou crescimento de grão da

amostra não deformada 4992-R0 (figura 19). As amostras deformadas e recozidas

apresentaram crescimento anormal de grão com o surgimento de grãos colunares

das superfícies para o centro, como pode ser observado nas figuras 20 a 22. A

83

figura 23 mostra a presença de grãos pequenos, possivelmente não

recristalizados na superfície das chapas. É possível que uma oxidação sub-

superficial tenha impedido a recristalização dos grãos próximos à superfície.

As ODF das amostras recozidas obtidas por difração de raios-X estão

apresentadas nas figuras 24 a 27. Foram realizadas análises da superfície e a 100

µm de profundidade. Como a análise microestrutural detectou a presença de grãos

colunares, as análises a 200 e 300 µm da superfície não foram necessárias.

0 30 60 990

60

30

0

0

Φ

ϕ1

(a)

0 30 60 990

60

30

0

0

Φ

ϕ1

(b) Figura 24: ODF (ϕ2=45º) da amostra 4992-R0.

0 60 90

Φ

ϕ1

(a)

90

Φ

ϕ1

(b) Figura 25: ODF (ϕ2=45º) da amostra 4992-R2.

(a)

Φ

ϕ1

ϕ2 = 45º

(b) Figura 26: ODF (ϕ2=45º) da amostra 4992-R4.

(a) (b) Figura 27: ODF (ϕ2=45º) da amostra 4992-R6. a é superfície, b a 100µm de profundidade.

0 30 6090

60

30

0

0 390

60

30

0

0 30 60 9090

60

30

0

Φ

ϕ10 30 60 90

90

60

30

0

0 30 60 9090

60

30

0

ϕ1

Φ

0 30 60 9090

60

30

0

Φ

ϕ1

84

As análises de textura confirmam a presença de grãos não-recristalizados

próximos à superfície das chapas, identificados pela textura semelhante à

encontrada antes do recozimento (figuras 24a a 27a). As amostras deformadas e

recozidas apresentaram uma modificação acentuada da textura. Observou-se um

pronunciado aumento das componentes Goss e (5 5 7)[1 1 0] e redução da fibras

gama e <100>//DN (figuras 25b a 27b). O aumento da componente Goss durante

recozimento de chapas de aço elétrico semi-processado é um fenômeno

conhecido, observado por Shimazu e colaboradores (16). O recozimento da

amostra sem deformação (figura 24) provocou a redução da fibra <100>//DN, que

pode estar relacionada ao crescimento de grão ou à recristalização de grãos não

recristalizados durante o recozimento intermediário da bobina.

_

B50 e perdas a 1,0T e 1,5T foram medidas a 60 Hz em analisador de lâminas

solteiras da marca Soken, modelo DAC-BHW-5. Os resultados estão

apresentados na tabela 2. Tabela 2: propriedades magnéticas medidas em analisador de lâminas solteiras

Amostra B50 (T) P10 (W/Kg) P15 (W/Kg)

4992 1.61±0.02 10,7±0.1 21.0±0.1

4992-R0 1.65±0.01 5.6±0.1 12.3±0.1

4992-R4 1.73±0.01 3.7±0.1 8.7±0.1

Os resultados indicam que o recozimento proporcionou aumento do B50 e

redução das perdas magnéticas. A amostra 4992-R4 apresentou menores perdas

e B50 alto devido ao aumento acentuado de tamanho de grão e melhoria da

textura (aumento da componente Goss) causada pela recristalização. A amostra

4992-R0 apresentou perdas magnéticas inferiores à amostra 4992, provavelmente

devido ao pequeno crescimento de grão e ao alívio de tensões provocado pelo

recozimento.

85

5. Conclusões:

A técnica “grain orientation spread” calculada a partir de dados de EBSD

permitiu detectar gradiente de deformação entre superfície e centro de chapa com

deformação real de 0.02. A análise de textura por difração de raios-X mostrou que

existe gradiente de textura no material não deformado e esse gradiente se

acentua com o aumento da deformação plástica.

O recozimento descarbonetante das chapas deformadas causou grande

aumento de tamanho de grão e o surgimento de grãos colunares. Observou-se um

fortalecimento da componente Goss e redução das fibras gama e <100>//DN.

Referências Bibliográficas

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