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2º WORKSHOP: INOVAÇÕES PARA O DESENVOLVIMENTO DE AÇOS DE ELEVADO VALOR AGREGADOFOCO NA INDÚSTRIA AUTOMOTIVA - 28.07.08 - SANTOS - SP

TENACIDADE À FRATURA E RESISTÊNCIA À FADIGA DE AÇOS APLICADOS NA INDÚSTRIA AUTOMOTIVA

(BIFÁSICOS, BAINÍTICOS, INOXIDÁVEIS)

Leonardo Barbosa Godefroid

Eng. Met., M.Sc., D.Sc.

Prof. DEMET / Escola de Minas / UFOP


ÍNDICE

1. OBJETIVO2. O GRUPO GESFRAM3. MOTIVAÇÃO PARA O TRABALHO4. PARCERIAS COM INDÚSTRIAS5. PESQUISA 16. PESQUISA 27. PESQUISA 38. PESQUISA 49. PERSPECTIVAS10.CONSIDERAÇÕES FINAIS


OBJETIVO

A palestra apresenta resultados de diversas pesquisas realizadas na UFOP nesta década, em conjunto com siderúrgicas nacionais sobre o comportamento mecânico de aços candidatos à aplicação na indústria automobilística. Enfatiza-se o desempenho destes materiais em termos de tenacidade à fratura, através da metodologia da integral J, e em termos da resistência à fadiga, através de mecanismos de iniciação e de propagação de trincas. Três aplicações são consideradas: rodas, tanque de combustível e sistema de exaustão. No primeiro caso, são apresentados resultados de aços bifásicos, em função de composição química e de efeitos de processamento termo-mecânico. São também comparados resultados de aços bainíticos com aços microligados e aços convencionais. No segundo e terceiro casos, são comparados aços inoxidáveis ferríticos, em função da presença de elementos de liga. São também apresentados resultados em função da temperatura e do ambiente.


ÍNDICE



GESFRAM

1993


ÍNDICE



MOTIVAÇÃO

Indústria automobilística - desafios a partir de movimentos ambientais da década 1960.

Fonte: Advanced High Strength Steel Workshop, October 22, 23, 2006, USA

Crescimento no consumo de petróleo

Poluição urbana

Alterações climáticas globais


Conceitos teóricos para desenvolvimento de produtos: Encruamento - Densidade de discordâncias Solução sólida - C, Mn, Si, P - Átomos de C para “bake hardening” Precipitação - Carbonetos, nitretos (Nb, Ti, V, etc) Refino de grão - Equação de Hall-Petch Transformação de fase - Simples, “dual-phase” - “Multi-phase”, TRIP

4

21

21

1 10125,6ln

8,10

x

X

X

fdkckbG LEii

iNPLE

Fonte: T.Gladman, The Physical Metallurgy of Microalloyed Steels, 2002


Indústria automobilística - utilização de materiais leves no setor de transportes.


Material candidato Material trocado Redução de peso (%) Custo relativo

Aço ARBL Aço comum 10 - 25 1

Alumínio Aço, ferro fundido 40 - 60 1,3 - 2

Magnésio Aço ou ferro fundido 60 - 75 1,5 – 2,5

Magnésio Alumínio 25 - 35 1 – 1,5

Compósito GFRC Aço 25 - 35 1 – 1,5

Compósito CFRC Aço 50 - 60 2 - 10

Compósito matriz Al Aço ou ferro fundido 50 - 65 1,5 - 3

Titânio Aço ligado 40 - 55 1,5 - 10

Aço inox Aço carbono 20 - 45 1,2 – 1,7



Projeto de chapas de aço

Balanço entre resistência e formabilidade


Fonte: C.D.Wuppermann, Steel Institute VDEh 62nd ABM Congress, 2007.


ÍNDICE



GESFRAM

Aços bifásicos para rodas.

Aços ARBL e bainíticos para rodas.

Aços inoxidáveis ferríticos para sistema de exaustão.

Tubarão

PARCERIAS

Aços inoxidáveis para tanque de combustível.


ÍNDICE



TENACIDADE À FRATURA E RESISTÊNCIA À FADIGA DE AÇOS BIFÁSICOS

Código C Si Mn Cr

DP-Cr 0,052 0,07 1,16 0,58

DP-Si 0,055 1,03 1,19 0,09

Composição química dos aços bifásicos (% em peso)


Aço ao Cr Aço ao Si

Microestruturas


Código TG ferrita (m)

FV martensita (%)

C martensita (%)

LE(MPa)

LR (MPa)

ALO(%)

DP-Cr-entrega

8,7 0,4 12,5 0,1 25,7 8,4 406 20 569 8 41 2,5

DP-Cr-tratado

- - - 582 18 644 5 28 1,2

DP-Si-entrega

9,6 1,0 9,5 1,0 23,4 7,2 489 24 592 4 37 4,7

DP-Si-tratado

- - - 653 47 705 44 21 5,6

Características microestruturais e propriedades mecânicas


Aço ao Cr Aço ao Si

Fraturas por tração


Tenacidade à fratura


Iniciação de trinca por fadiga


Crescimento de trinca por fadiga


Aço ao Cr – região I Aço ao Cr – região II

Aço ao Si – região I Aço ao Si – região II


da/dN 10-7 mm/ciclos da/dN 10-5 mm/ciclos


ÍNDICE



RESISTÊNCIA À FADIGA DE AÇOSC-Mn, ARBL E BAINÍTICO

Composição química dos aços:

a) Aço “comum” C + Mn;

b) Aço ARBL C + Mn + Nb;

c) Aço bainítico C (<0,15%) + Mn + Nb.


Microestruturas

C-Mn ARBL Bainítico


Resultados de propriedades mecânicas de tração, direção longitudinal.

Aço LE(MPa)

LR (MPa)

ALO(%)

Bainítico 470 598 40

C-Mn-Nb 411 542 42

C-Mn 358 427 50


Fraturas por tração



Fraturas por fadiga



ÍNDICE



RESISTÊNCIA À FADIGA DE AÇOS INOXIDÁVEIS


C Si Mn P S Ni Cr Mo Nb Ti V

304 0,052 0,402 1,376 0,027 0,001 8,050 18,16 0,035 0,005 0,003 0,033

439 0,011 0,398 0,215 0,020 0,001 0,169 17,20 0,011 0,202 0,256 0,053

C-Mn 0,035 0,016 0,220 0,013 0,007 0,018 0,027 0,002 0,001 0,002 -

IF 0,005 0,010 0,109 0,008 0,009 0,025 0,018 0,003 0,002 0,067 0,002

Composição química


C-Mn 439

IF 304

Microestruturas

304


Amostra LE (MPa)

LR (MPa)

ALO(%)

AISI 304 235 582 45,0

AISI 439 272 459 15,8

Aço-IF 132 290 25,6

Aço-C-Mn 167 310 24,8



Aço Nf (%)

304 30

439 55

IF 80

C-Mn 90

Redução na vida em fadiga de aços, após imersão em álcool combustível por 30 dias. Ensaios para carregamento correspondente a Nf = 1 x 106 ciclos.


RESISTÊNCIA À FADIGA DE AÇOSINOXIDÁVEIS FERRÍTICOS

T < 650ºC

T > 650ºC

CorrosãoFadiga ao arCorrosão-fadiga

FluênciaOxidaçãoFadiga térmicaFadiga de baixo ciclo


Cr C N Ti Nb Ti Nb

16Cr5Ti 16,26 0,026 0,011 0,47 0,01 0,34 ---

16Cr4Nb 16,23 0,019 0,021 0,01 0,36 --- 0,05

17Cr2Ti2Nb 17,05 0,011 0,013 0,20 0,19 0,14 0,14

18Cr1Ti6Nb 18,01 0,014 0,009 0,13 0,56 0,08 0,49

Composição química

Mono-estabilizados

Ti = Ti – 3,42 N – 4 CNb = Nb – 7,74 (C+N)

Bi-estabilizados

Ti = Ti – 3,42 N – (0,30 x 4C) Nb = Nb – (0,70 x 7,74C)


SL

SL

SL

SL

16Cr4Nb (14,5m)

18Cr1Ti6Nb (64,3m)

16Cr5Ti (16,5m)

17Cr2Ti2Nb (49,4m)

Microestruturas: laminados a frio; 1,5 mm.



Aço LE (MPa)

LR (MPa)

ALO (%)

17Cr2Ti2Nb 278 437 37

16Cr4Nb 259 449 32

18Cr1Ti6Nb 284 443 34

16Cr5Ti 275 453 32


17Cr2Ti2Nb16Cr4Nb

18Cr1Ti6Nb16Cr5Ti

Fraturas

por tração


105 106 107250

300

350

400

450

500

Nf (ciclos)

max (M

Pa)

16Cr4Nb 17Cr2Ti2Nb 18Cr1Ti6Nb 16Cr5Ti



Corrosão-fadiga

300

320

340

360

380

400

420

440

460

100000 1000000 10000000

Nf (cycles)

max

(M

Pa)

16Cr4Nb_AF 16Cr4Nb_CF 16Cr5Ti_AF 16Cr5Ti_CF

17Cr2Ti2Nb_AF 17Cr2Ti2Nb_CF 18Cr1Ti6Nb_AF 18Cr1Ti6Nb_CF


0

2

4

6

8

10

0 20 40 60 80 100 120

Tempo de ensaio SAG TEST (h)

Altura da flecha (mm)

16Cr4Nb 16Cr5Ti

17Cr2Ti2Nb 18Cr1Ti6Nb

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 20 40 60 80 100 120

Tempo de ensaio SAG TEST (h)

Altura da flecha (mm)

16Cr5Ti 16Cr4Nb 17Cr2Ti2Nb


Fluência: SAG test.


0100200300400500600700800900

1000

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Time (s)

Temperature (C)

Fadiga térmica


0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0 2000 4000 6000 8000 10000

Ciclos

Tam. Microtrinca/trinca (m)

17Cr2Ti2Nb

16Cr4Nb

18Cr1Ti6Nb

16Cr5Ti

16Cr5Ti_IN

Fadiga térmica


0,1

1,0

1000 10000 100000Numero de ciclos

in/2

Deformação inelástica (%)Log

16Cr4Nb 16Cr5Ti


Fadiga oligocíclica


ÍNDICE



PERSPECTIVAS GESFRAM/UFOP

1) Efeito do grau de deformação na resistência à fadiga de aços IF.

2) Tenacidade à fratura e resistência ao trincamento por fadiga de aços bifásicos de elevada resistência mecânica.

3) Desempenho em fadiga de aços para molas.

4) Formação de textura em aços laminados a quente de baixa espessura e de alto grau de estampabilidade.

5) Influência de elementos de liga na tenacidade à fratura de aços multifásicos laminados a quente.


ÍNDICE



CONSIDERAÇÕES FINAIS

O aço possui uma história de aplicações de mais de 500 anos, e ainda suscita pesquisas importantes nas áreas de fabricação, conformação e relação estrutura-propriedades.

Nas últimas décadas, o setor automotivo tem fomentado significativos avanços científicos e tecnológicos na siderurgia, gerando como conseqüência o desenvolvimento de aços de elevado valor agregado.

Para atender à demanda por aços mais “nobres”, torna-se cada vez mais imprescindível a parceria universidade-empresa.


REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1) Feliciano J.R. Cangue. Propagação de trinca de fadiga em aços bifásicos de emprego automobilístico. 2002. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais) - Universidade Federal de Ouro Preto.

2) Elenice Maria Rodrigues. Avaliação da tenacidade à fratura através da integral J de dois aços bifásicos de emprego automobilístico. 2003. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais) - Universidade Federal de Ouro Preto.

3) Marley de Souza Lemos. Estudo comparativo e de caracterização da vida em fadiga entre aços inoxidáveis ferríticos/austeníticos e aços carbono chumbado e aluminizado aplicados na fabricação de reservatórios de combustível de veículos de passeio. 2004. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais) - Universidade Federal de Ouro Preto.

4) Fabiano Alcântara Machado. Efeito de pré-deformação e de tratamento térmico de bake hardening na propagação de trinca por fadiga em dois aços bifásicos de emprego automobilístico. 2005. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais) - Universidade Federal de Ouro Preto.

5) Ricardo Augusto Faria. Efeito do titânio e do nióbio no comportamento em fadiga de aços inoxidáveis ferríticos utilizados no sistema de exaustão de veículos automotores. 2006. Tese (Doutorado em Engenharia de Materiais) - Universidade Federal de Ouro Preto.

6) Vanessa Gomes Santana. Efeitos da adição de Nióbio e Manganês na Resistência à Fadiga de um Aço ao Carbono utilizado em Rodas Automotivas. Dissertação em andamento (Mestrado em Engenharia de Materiais) - Universidade Federal de Ouro Preto.


AGRADECIMENTOS

U FOP - CET EC - U EMG

2º workshop: inovaÇÕes para o desenvolvimento de aÇos de elevado valor agregado foco na...

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