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CARACTERIZAO MICROESTRUTURAL DE GROS ULTRAFINOS
FORMADOS NO INTERIOR DE BANDAS DE CISALHAMENTO ADIABTICAS
NUM AO IF
J. F. C. Lins1; H. R. Z. Sandim2; H.-J. Kestenbach3; K. S. Vecchio4; D. Raabe5
Av. dos Trabalhadores, 420 - Vila Santa Ceclia, Volta Redonda RJ, 27255-125,
[email protected] Programa de Ps-graduao em Engenharia Metalrgica da Escola de Engenharia
Industrial Metalrgica de Volta Redonda - Universidade Federal Fluminense2 Escola de Engenharia de Lorena - Universidade de So Paulo
3 Departamento de Engenharia de Materiais - Universidade Federal de So Carlos4 University of California, San Diego, Materials Science and Engineering Program,
5 Max-Planck-Institut fr Eisenforschung
RESUMO
O presente trabalho reporta os resultados da caracterizao microestrutural e da
textura cristalogrfica realizada em bandas de cisalhamento adiabticas induzidas
num ao IF (Interstitial Free) estabilizado ao titnio. O material foi deformado via
compresso dinmica sob altas taxas de deformao (> 5,0104 s-1) numa barra de
impacto de Hopkinson. Os testes foram conduzidos a -196 C e 25 C. A
caracterizao microestrutural foi realizada com o auxlio da tcnica de difrao de
eltrons retroespalhados de alta resoluo (EBSD) para se observar em detalhes sregies cisalhadas. O mecanismo de recristalizao dinmica rotacional pode
explicar o surgimento de uma nova estrutura de gros ultrafinos (0,1 m) no interior
das bandas. A presena de subgros alongados e tambm de gros perfeitamente
alinhados em regies que se assemelhavam a lamelas pr-existentes no interior da
banda so evidncias que corroboram a ocorrncia deste mecanismo.
Palavras-chave: Ao IF, bandas de cisalhamento, EBSD, gros ultrafinos,
deformao plstica severa.
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INTRODUO
Nos processos de conformao plstica sob altas taxas de deformao em que
elevadas tenses cisalhantes so aplicadas se observa de uma forma geral um
aumento na densidade de defeitos cristalinos e tambm de danos que modificam
consideravelmente as propriedades dos materiais. Em condies de deformao
plstica severa (DPS) tais como em operaes de impacto balstico, usinagem,
corte, soldagem de peas ou chapas por exploso alguns defeitos como as bandas
de cisalhamento so frequentemente observadas. Estas bandas tm recebido
bastante ateno na literatura por causa da sua considervel importncia
tecnolgica e principalmente pelo seu carter como precursor de falhas
catastrficas(1-3). Elas so facilmente encontradas em regies que sofreram umcisalhamento concentrado sob a forma de uma estrutura tipicamente lamelar. Este
tipo de estrutura caracterstica de materiais bastante deformados. Outra
caracterstica marcante deste tipo de heterogeneidades de deformao a sua
independncia em relao orientao cristalogrfica local. Estas heterogeneidades
atravessam um grande nmero de gros e tendem a se desenvolver mais facilmente
em condies de deformao plstica adiabtica sob elevadas taxas de deformao
(> 102
s-1
).Por definio, as bandas de cisalhamento adiabticas so produtos de um
processo bastante intenso e localizado de deformao plstica em tempos muito
curtos (3). Neste tipo de processo, no h tempo suficiente para a dissipao do calor
para as vizinhanas da regio cisalhada, ocasionando, portanto, uma elevao de
temperatura bastante localizada nestas heterogeneidades de deformao. A
literatura sugere que este aquecimento localizado pode disparar o processo de
recristalizao no interior destas bandas
(2)
. Alm dos aspectos ligados recristalizao, o estudo da evoluo microestrutural das bandas de cisalhamento
adiabticas tem abordado com bastante nfase os fenmenos de recuperao
dinmica, amorfizao e transformao de fases em diversos materiais, tais como:
cobre de alta pureza, ferro, metais refratrios, as ligas de alumnio, cermicas e
alguns tipos de aos ao carbono e ligados (1,2).
As maclas de deformao constituem um tipo de defeito cristalino
bidimensional e tambm podem surgir a partir da ao de tenses cisalhantes. Este
mecanismo alternativo de deformao plstica ocorre em situaes em que o
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Tabela 1: Composio qumica do ao IF estabilizado ao titnio (%-peso).
C Mn P S Si N O0,003 0,190 0,027 0,005 0,011 0,0025 0,005
Ni Cr Mo Al Nb V Ti
0,004 0,002 0,002 0,049 0,001 0,003 0,069
Mtodos
As amostras de ao IF foram submetidas a altas deformaes cisalhantes via
compresso dinmica em duas temperaturas distintas: -196 e 25 C. Os ensaios
foram realizados numa barra de impacto deHopkinson sob condies controladas
no Center of Excellence for Advanced Materials (CEAM) na Universidade da
Califrnia, San Diego (UCSD, USA). Cada corpo-de-prova era cilndrico e possua
um formato de chapu (Figura 1a). Esta geometria permitiu induzir a formao de
bandas de cisalhamento adiabticas durante o processo de deformao em uma
regio especfica do espcime. A Figura 1b mostra um desenho esquemtico da
barra de impacto de Hopkinson utilizada no ensaio. Junto ao corpo-de-prova foi
colocado um anel limitador (AL) de ao AISI 4340 cuja espessura de cerca de
6,5 mm determinou a deformao cisalhante () introduzida no material. A Figura 1c
mostra de forma esquemtica a regio do corpo-de-prova em que ocorre a
concentrao da deformao aplicada. A deformao cisalhante foi calculada, deforma aproximada, a partir da medio do deslocamento () e da espessura da
regio cisalhada () com o auxlio da tcnica de MO (Figura 1c). As medies foram
confirmadas com a tcnica de MEV no modo de eltrons retroespalhados. No caso
dos ensaios a -196 C, os corpos-de-prova foram mantidos imersos em nitrognio
lquido at que se atingisse a temperatura do teste. Para fins prticos, considera-se
desprezvel o aquecimento da amostra aps a sua insero na barra de impacto.
Foram deformados 3 espcimes com taxas de deformao maiores que 5,0104 s-1.Para a confeco dos corpos-de-prova, a seo transversal da placa de ao IF foi
submetida a um processo de usinagem mecnica nas mesmas dimenses que
aparecem indicadas na Figura 1a. A Tabela 2 mostra a nomenclatura de cada
conjunto de amostras em funo da temperatura do ensaio (T) e da espessura do
anel limitador (AL) usado no ensaio de impacto. Tambm so apresentados a
durao de cada ensaio (t) e a respectiva taxa de deformao cisalhante (.
).
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As medidas de EBSD de alta resoluo foram conduzidas num sistema
composto por um microscpio eletrnico de varredura da JEOL modelo JSM-6500F
com uma fonte de eltrons do tipo field emission gun (FEG) e a uma cmera CCD de
ultra-alta resoluo. O sistema encontrava-se instalado no Max-Planck-Institut fr
Eisenforschung MPI-E (Dsseldorf, Alemanha). A anlise de todos os dados foi
realizada com o auxlio do software OIM 3.03 da TSL. As figuras de plo e os mapas
de orientao OIM (da lngua inglesa, Orientation Imaging Microscopy) foram obtidos
a partir das medidas de EBSD.
b)
a) c)
Figura 1: Diagrama esquemtico do: a) corte da seo transversal do corpo-de-prova (CP) cilndrico com formato de chapu (dimenses em milmetros); b) ensaiode compresso dinmica via a barra de impacto Hopkinson antes da deformao; c)ensaio de compresso dinmica aps o processo de deformao (7).
Tabela 2: Nomenclatura dos corpos-de-prova de ao IF e os parmetros do ensaiode compresso dinmica realizado numa barra de impacto de Hopkinson.
CP AL[mm] T[C]t
[s].
[104 s-1]
A-1 35 6,0A-2
2525 5,2
B-16,50
-196 27 5,6
RESULTADOS E DISCUSSO
A Tabela 3 mostra os resultados medidos para os corpos-de-prova dos grupos
A e B. Vale ressaltar que a medida da largura da banda () foi realizada na posiocorrespondente a metade do seu comprimento. Adotou-se como comprimento mdio
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das bandas, a rea til entre as fissuras que foram observadas nas amostras
testadas. Como se observou nas amostras, a largura da banda de cisalhamento no
pode ser considerada constante em toda a sua extenso. Assim sendo, este mtodo
de determinao da largura no pode ser considerado muito rigoroso em razo de
existir uma alta deformao localizada tanto na parte superior quanto inferior da
amostra (9). No entanto, a razo entre o deslocamento () e a largura da banda ()
descreve bem o estado de tenses de cisalhamento puro na regio (10). Notou-se
que com o decrscimo da temperatura de ensaio uma maior deformao cisalhante
foi introduzida na amostra B1 em relao s encontradas no grupo A. Entretanto, a
largura mdia das bandas no diminui na mesma proporo em relao
deformao introduzida no ao IF nas amostras A-1 e A-2 testadas a 25 C. Este
resultado obtido difere dos apresentados para o tntalo tambm testado a 25 C com
taxa de deformao de 3103 s-1 (7). No caso do tntalo, foi observado que
aumentava com o aumento de de forma praticamente independente da
temperatura do teste. Contudo, nenhuma informao a respeito da textura inicial do
material e do seu tamanho de gro foi reportada por Prez-Prado e seus
colaboradores (7). Uma possvel explicao para o resultado aqui reportado se deve
s altas taxas de deformao utilizadas nos testes (> 5,0 104 s-1) e tambm
ausncia de uma forte textura inicial no material de partida com tamanho de gro em
torno de 55 m.
Tabela 3: Resultados do deslocamento () e da largura da banda de cisalhamento() induzida nos corpos-de-prova pelo ensaio de compresso dinmica e do clculoda deformao cisalhante ().
CP T [C] [mm] [m]
=
A-1 0,66 169,9 3,9A-2
250,38 112,0 3,4
B-1 -196 0,74 92,4 8,0
De uma forma geral, a microestrutura da banda de cisalhamento induzida no
material formada por uma fina estrutura lamelar com espessura variando entre
0,15-0,50 m. Sabe-se que alguns destes contornos lamelares possuem carter de
alto ngulo, podendo chegar a diferenas de orientao () da ordem de 60 em
metais de elevada energia de defeito de empilhamento (EDE) (12). Por outro lado,
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alm das lamelas tambm foi observado um outro tipo de estrutura. Em virtude do
contraste cristalogrfico (channeling contrast) utilizado na obteno das micrografias
via MEV (imagens no apresentadas neste trabalho), pode-se afirmar que novos
gros com microestrutura ultrafina (0,1 m) foram formados como resultados dos
testes. Medidas de EBSD de alta resoluo foram realizadas para comprovar esta
afirmao junto s amostras investigadas. Alm disso, observou-se tambm a
presena de vazios esfricos, microtrincas e fissuras no interior e nas proximidades
das bandas. Assim sendo, plausvel admitir que o processo de fratura nas regies
cisalhadas de todas as amostras ocorreu aps a elevada concentrao de tenses
decorrentes da formao e passagem da banda.
O mapa de qualidade da imagem (IQ) do mapa de orientao (no apresentado
neste trabalho) que mostra uma vista geral da regio de cisalhada da amostra A-1
encontra-se na Figura 2a. Na parte superior do mapa, nota-se a presena de uns
poucos pontos que no puderam ser indexados corretamente. Esta observao
sugere que realmente a deformao plstica ocorreu de forma heterognea e
bastante localizada ao longo de toda a extenso da banda induzida. No entanto,
estes pontos podem ser associados a artefatos oriundos da preparao
metalogrfica. Contudo, deve-se observar que estes pontos no aparecem de forma
perceptvel no restante do mapa. Assim sendo, razovel admitir que em virtude da
deformao ser severa e localizada esta seria a melhor hiptese para explicar a
incorreta indexao de tais pontos de orientao. Esta informao verificada de
forma indiscutvel em funo dos tons de cinza que aparecem no mapa. Vale
lembrar que, as regies com maiores densidades de defeitos cristalinos so
delineadas nas cores preta e cinza escuro. J as reas que exibem uma colorao
em torno de um gradiente da tonalidade cinza-claro apresentam de forma qualitativa
menores densidades de defeitos cristalinos. Os interiores dos gros vizinhos dabanda so exemplos de regies que exibem uma baixa quantidade de defeitos em
comparao regio da banda. As figuras de plo {110} que so mostradas na
Figura 2b correspondem somente regio indicada rea destacada na Figura 2a. Ao
se observar estas figuras, nota-se claramente que a microtextura varia bastante ao
longo do comprimento da banda com uma rotao de [114] (rea 1) em direo a
[410] (rea 3). Vale lembrar que a intensidade aleatria de orientao do material na
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condio inicial (6) era bastante fraca (3) em comparao aos valores exibidos ao
longo da banda de cisalhamento (> 4,8).
Figura 2: Mapa de qualidade da imagem (IQ) do mapa de orientao da varredura
da amostra A-1 (a) e as figuras de plo {110} referentes regio da banda decisalhamento em cada uma das reas acima indicadas no mapa IQ (b). A setaindica a presena de uma partcula de um carbonitreto de titnio.
A Figura 3a mostra uma vista geral da regio de cisalhamento da amostra
deformada a -196 C (B-1). Este mapa foi obtido numa rea de 98 x 146 (m)2 com
um step size de 0,1 m. Como era de se esperar, a frao volumtrica de maclas de
deformao nesta amostra era maior do que no restante do grupo e tambm se nota
que alguns conjuntos encontravam-se curvados na direo da passagem da banda.
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Este mapeamento mostra a regio de cisalhamento com alguns gros que foram
bastante fragmentados e tambm se nota algumas bandas de deslizamento
prximas as maclas de deformao. Outro fato interessante que a banda de
cisalhamento induzida nesta amostra possui uma morfologia bastante regular em
comparao com a outra regio de cisalhamento apresentada anteriormente. O
mapa IQ (Figura 3b) indica de forma indireta que realmente a deformao cisalhante
foi bastante localizada nesta amostra e que a microestrutura no interior da banda
bastante fina. No respectivo mapa OIM, percebe-se a presena de contornos
lamelares e principalmente de alguns gros que recristalizaram em funo das
severas condies de compresso dinmica. Neste mapa tambm se nota a
presena de algumas regies com subgros alongados em que no existem
contornos de alto ngulo indicados. A banda de cisalhamento mostrada na Figura 3c
encontra-se orientada em direo a 11[100]. Vale lembrar que esta orientao no
similar s apresentadas anteriormente para as outras bandas analisadas e pode
ser associada restaurao local dos defeitos cristalinos. Alm disso, a presena de
uma orientao cristalogrfica diferente de uma textura de deformao em direo a
que considerada pela literatura como final e estvel aps a passagem das
bandas de cisalhamento adiabticas pode confirmar a afirmao feita anteriormente.
Os resultados dos mapeamentos de orientao das amostras analisadas
forneceram algumas fortes evidncias da presena dos gros no interior da banda
de cisalhamento que nos permitem sugerir que o provvel mecanismo atuante o
denominado recristalizao dinmica rotacional. Meyers e os seus colaboradores
em (15) utilizaram este mecanismo postulado por Derby (16) para tentar explicar via
este modelo a recristalizao observada no interior das bandas de cisalhamento
induzidas em titnio e cobre via microscopia eletrnica de transmisso (MET).
Segundo este mecanismo, durante o processo de deformao pode ocorrer umrearranjo das discordncias (distribudas de forma homognea) originando uma
estrutura de clulas de discordncias alongadas. Este tipo de estrutura indica a
ocorrncia de um estgio de recuperao dinmica prevista neste modelo. Em
seguida, sugere-se que pelo o avano da deformao ocorre uma fragmentao dos
subgros alongados, criando-se micro-gros devido rotao dos contornos
presentes. Esta rotao assistida termicamente pela elevao local da
temperatura. Recentemente, Meyers e os seus colaboradores(17)
tambm
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associaram este modelo a recristalizao dinmica encontrada em um ao
inoxidvel 304L.
Detalhes relevantes da microestrutura na regio de cisalhamento das amostras
do grupo A e B puderam ser identificados de forma clara e inequvoca por meio de
um sistema de EBSD de alta resoluo. Pode-se, portanto afirmar que os resultados
apresentados so evidncias experimentais relevantes em comparao com as
disponveis na literatura em (7,17).
Figura 3: Resultados do mapeamento na regio de cisalhamento da amostra B-1: a)OIM mostrando a vista geral; b) mapa IQ e a respectiva OIM referente ao interior dabanda de cisalhamento adiabtica com os ngulos de rotao dos contornos; c)figura de plo {110} da banda mostrada em a).
CONCLUSES
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Os ensaios de compresso dinmica no ao IF promoveram o surgimento de
uma nova estrutura de gros no interior das bandas de cisalhamento adiabticas
dependendo da deformao cisalhante imposta (= 8,0). Este fenmeno foi
observado somente na temperatura criognica de ensaio (-196 C). A caracterizao
microestrutural possibilitou se encontrar fortes evidncias para se concluir que o
mecanismo de recristalizao dinmica rotacional pode ser indicado como o
responsvel pela nova estrutura de gros ultrafinos no interior das bandas
investigadas. Dentre estas evidncias, pode-se destacar a presena de subgros
alongados e tambm de gros alinhados perfeitamente em regies que se
assemelhavam s lamelas.
AGRADECIMENTOS
FAPESP pelo apoio financeiro na realizao deste trabalho (Processo01/14543-9) e ao Programa CAPES-DAAD.
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MICROSTRUCTURAL CHACTERIZATION OF ULTRAFINE GRAINS DEVELOPED
WITHIN ADIABATIC SHEAR BANDS FORCED IN A INTERSTITIAL FREE STEEL
ABSTRACT
The present work reports the results of microstructural characterization and
crystallographic texture done in adiabatic shear bands (ASB) forced in a titanium-
stabilized IF steel. Dynamic compression tests were done at -196 and 25 C under
large strain rates (> 5.0104 s-1) with the aid of a Split Hopkinson Bar. High-resolution
electron backscattered diffraction (EBSD) was employed to investigate the shear
regions in great detail. Dynamic rotational recrystallization is a plausible mechanism
to explain the development of an ultrafine grains (0.1 m) within ASB. The presence
of elongated subgrains and grains perfectly aligned within regions resembling a
former lamellar structure within bands supports the occurrence of such a mechanism.
Key-words: IF Steel, shear bands, EBSD, ultrafine grains, severe plastic deformation.
17 CBECIMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Cincia dos Materiais, 15 a 19 de Novembro de 2006, Foz do Iguau, PR, Brasil.