AÇOS AVANÇADOS

Download AÇOS AVANÇADOS

Post on 26-Oct-2015

33 views

Category:

Documents

0 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

<ul><li><p>Metalurgia</p><p>26 Corte &amp; Conformao de Metais Dezembro 2008</p><p>A contnua evoluo tecno-lgica dos bens de consu-mo durveis e a necessidade de se implantar uma infraestrutura adequada para atender s neces-sidades vitais da humanidade imps o desenvolvimento de materiais de custo relativamente </p><p>Aos avanados de alta resistncia: microestrutura e propriedades mecnicasAs chapas feitas com aos avanados de alta resistncia so uma das principais respostas da siderurgia aos desafios impostos por seus clientes em sua busca por maior competitividade e atendimento s restries ao consumo de energia e aos danos ao meio ambiente. O caso da indstria automobilstica emblemtico, j que ela precisa reduzir cada vez mais o peso de seus produtos para minimizar seu consumo de combustvel e diminuir, assim, o custo e a agresso ecolgica associados a seu uso. Chapas mais finas de ao com maior resistncia mecnica permitem reduzir o peso das peas sem a perda de suas caractersticas originais. Contudo, h casos em que um aumento da resistncia leva reduo da conformabilidade do material, o que afeta a liberdade de design. A soluo para esse impasse foi a aplicao de efeitos microestruturais complexos para conciliar, tanto quanto possvel, essas caractersticas aparentemente contraditrias. Este trabalho apresenta uma reviso sobre as microestruturas dos aos e sua relao com as propriedades mecnicas, com nfase nos novos aos avanados de alta resistncia que vm sendo desenvolvidos: bifsicos, TRIP, de fases complexas, martensticos e parcialmente martensticos, TWIP e com tamanho de gro ultra-fino.</p><p>baixo cujo desempenho atendes-se aos requisitos mecnicos, qumicos e fsicos necessrios s mais variadas aplicaes. Os pro-dutos planos de ao possuem aplicao praticamente universal, graas capacidade que tm de assumir diferentes perfis de pro-priedades por meio da escolha criteriosa dos elementos de liga e da aplicao de tratamentos </p><p>A. A. Gorni</p><p>termomecnicos ou trmicos especficos.</p><p>Pode-se citar aqui alguns exemplos dessa polivalncia. Chapas grossas destinadas construo civil precisam apre-sentar alta resistncia mecnica para viabilizar a construo de edificaes cada vez maiores. Aos para construo naval pre-cisam apresentar fcil soldagem, </p><p>Antonio Augusto Gorni analista de processos da Companhia Siderrgica Paulista Cosipa e editor tcnico da revista Corte e Conformao de Metais (contato por e-mail: gorni@cosipa.com.br).</p></li><li><p>Corte &amp; Conformao de Metais Dezembro 2008 27</p><p>uma vez que esse processo intensamente aplicado neste caso e seu custo muito alto. Produ-tos planos usados na confeco de tubos com costura de grande dimetro, alm da alta soldabili-dade, precisam apresentar boa tenacidade para minimizar o risco de rompimentos, que podem ter conseqncias catastrficas caso o fluido transportado seja inflamvel e/ou txico.</p><p>Mas a indstria automobilstica que tem promovido enormes avan-os na evoluo metalrgica dos aos ao longo das ltimas dcadas. Basta lembrar que os primeiros automveis possuam feitio qua-drado basicamente em razo da inadequada estampabilidade das chapas dos aos ferrtico-perlticos do perodo, uma conseqncia no s da incipiente cincia metalrgica da poca, bem como das limitaes dos processos industriais de refino e conformao. Contudo, a presso da indstria automobilstica pela reduo de preo e melhoria do design dos automveis forou as usinas a evoluir tecnologicamente para produzir ao barato e com alta estampabilidade. Essa fase encontrou seu auge nos anos 1950, quando ocorreu o predomnio de um estilo automotivo exuberante-mente curvilneo, no por acaso apelidado de rabo-de-peixe, de-vido ao formato extravagante da regio posterior dos automveis daquela poca.</p><p>Esse buclico estilo dos anos dourados certamente uma des-forra pelos duros anos da II Guerra Mundial foi repentinamente inviabilizado pela primeira crise do petrleo, em 1973 talvez o primeiro aviso srio sobre a fini-tude dos recursos do planeta. O exorbitante aumento do preo dos </p><p>combustveis obviamente imps a reduo de seu consumo. Uma das formas mais eficazes para conse-guir esse objetivo foi a reduo do peso dos automveis, atravs da diminuio do seu tamanho, da adoo de um design mais sbrio e do uso de materiais mais leves, como plsticos e alumnio. As usi-nas siderrgicas tiveram de reagir, buscando na cincia metalrgica novos meios para produzir aos mais resistentes que permitissem a fabricao de componentes com os mesmos nveis de resis-tncia mecnica, mas com menor quantidade de material. Surgiram ento os chamados aos de alta resistncia e baixa liga ARBL (High Strength Low Alloy HSLA), contendo micro-adies de Nb, Ti e V, cuja microestrutura ferrtica-perltica mais refinada e capacida-de de endurecimento por precipi-tao lhe proporcionavam maior resistncia mecnica. Contudo, a contrapartida por essas vantagens foi uma ligeira perda de estampa-bilidade nesses novos produtos. A reao a isso foi o surgimento dos aos bifsicos (dual phase), cuja microestrutura peculiar minimiza-</p><p>va as perdas de estampabilidade decorrentes dos maiores nveis de resistncia mecnica.</p><p>A crise do petrleo terminou em meados de 1985, mas a exu-berncia econmica do ps-guerra estava irremediavelmente perdida. Portanto, a indstria automobi-lstica continuou demandando avanos nos materiais por ela ado-tados, visando diminuir o preo de aquisio e manuteno de seus produtos. Alm disso, as crescentes exigncias dos consumidores por maior conforto a bordo ar condi-cionado, direo hidrulica, vidros eltricos... chegaram at mesmo a reverter a tendncia de diminui-o no peso dos automveis. Final-mente, o ambiente extremamente competitivo em escala global que surgiu a partir dos anos 1990 e os desafios ecolgicos do incio do mi-lnio vm impondo desafios cada vez mais srios a esse setor.</p><p>A resposta da siderurgia mundial a essa situao de permanente stress foi o desenvolvimento con-tnuo de novos tipos de chapas de ao com caractersticas cada vez mais adequadas a aplicaes especficas, cuja evoluo histrica </p><p>Fig. 1 Evoluo dos diversos tipos de aos avanados de alta resistncia (AHSS) ao longo das ltimas trs dcadas(39)</p></li><li><p>Corte &amp; Conformao de Metais Dezembro 200828</p><p>Metalurgia</p><p>pode ser apreciada na figura 1(39) (pg. 27). A partir da dcada de 1990, todos esses novos aos fo-ram englobados numa s famlia, designada como Aos Avanados de Alta Resistncia (Advanced High Strength Steels AHSS). A figura 2, j clssica, permite comparar as caractersticas de resistncia mecnica e ductilidade dessa nova famlia de aos. Pode-se deduzir, a partir dessa figura, que o aumento do nvel de resistncia mecnica do produto leva quase inevitavelmente reduo de seu alongamento total, ou seja, de sua estampa-bilidade. Contudo, o uso de mi-croestruturas adequadas permite minimizar a perda de ductilidade sob nveis mais altos de resistncia mecnica.</p><p>Essa mesma figura mostra ainda que ligas leves base de alumnio e magnsio so inferiores aos aos quando se considera simultanea-mente resistncia mecnica e conformabilidade(33).</p><p>O objetivo deste trabalho efetuar uma reviso sobre o papel </p><p>dos mecanismos microestruturais dos aos na definio desses novos perfis de propriedades mecnicas e conformabilidade.</p><p>Aos ferrticos e ferrtico-perlticos</p><p>Os aos ferrtico-perlticos consti-tuem a classe mais simples de cha-pas metlicas, as quais podem ser </p><p>produzidas a partir de ligas simples, com baixos teores de C e Mn, e sob condies de processo descom-plicadas, ainda que devidamente controladas. Como ocorre em to-dos os tipos de microestrutura, suas caractersticas especficas como tamanho de gro, frao de se-gunda fase etc. influenciam as propriedades mecnicas do produ-to pelos chamados mecanismos de </p><p>Fig. 2 Relao entre limite de resistncia e alongamento total dos vrios tipos de aos avanados de alta resistncia (AHSS)(33)</p></li><li><p>Corte &amp; Conformao de Metais Dezembro 200830</p><p>Metalurgia</p><p>endurecimento. O princpio bsico desses mecanismos consiste em dificultar ao mximo a mobilidade das discordncias presentes no reticulado cristalino do metal, j que so justamente esses defeitos que fazem com que a resistncia mecnica dos materiais reais seja de menos de 10% do valor que seria teoricamente possvel. Todos os mecanismos de endurecimento elevam as propriedades mecni-cas determinadas sob condies estticas, ou seja, sob baixas velo-cidades de deformao, como o caso dos limites de escoamento e resistncia, medidos em ensaios de trao(30, 9).</p><p>A primeira componente que de-fine as propriedades mecnicas de um ao ferrtico-perltico a resis-tncia bsica 0 entre os tomos de ferro, qual se acrescentam as con-tribuies dos demais mecanismos de endurecimento. A resistncia bsica 0 corresponde tenso de frico da rede cristalina, definida pela fora de Peierls-Nabarro, e que, no caso da ferrita CCC, assu-me valor de 70 MPa.</p><p>O primeiro mecanismo de en-durecimento ocorre pelo efeito de soluo slida, o qual decorre da presena de tomos de elementos de liga solubilizados no reticulado do ferro. Com exceo do P, todos os demais provocam dilatao nes-se reticulado. A intensidade de seu efeito no endurecimento funo da diferena de tamanho entre os tomos de soluto e os de solvente, das perturbaes na estrutura ele-trnica decorrentes da diferena no mdulo de cisalhamento entre o soluto e solvente, e da concen-trao do soluto. Do ponto de vista prtico, o efeito do endurecimento por soluo slida diretamente proporcional ao teor em peso do </p><p>soluto. curioso notar que a con-tribuio do Cr ao endurecimento por soluo slida do ao nula, enquanto a do Ni negativa(9).</p><p>O endurecimento pelos contor-nos de gro tg pode ser quanti-ficado pela j consagrada equao de Hall-Petch: </p><p>tg = (1)ktg</p><p>d!</p><p>onde d o dimetro mdio dos gros e ktg uma constante. Este o nico mecanismo de endu-recimento que aumenta tanto a resistncia mecnica quanto a tenacidade dos metais. Por esse motivo, o refino de gro , geral-mente, o primeiro mecanismo de endurecimento cogitado quando se definem processos metalrgi-cos de conformao e tratamento trmico de aos estruturais.</p><p>O endurecimento por segunda fase, y, decorre da presena de mais de uma fase, ou constituinte, na microestrutura do ao como a perlita, por exemplo. No caso especfico de uma microestrutura ferrtico-perltica, a resistncia mecnica pode ser calculada em funo da lei de misturas:</p><p>y = X yf + (1 X )yp (2)1/3 1/3</p><p>f f</p><p>onde y o limite de escoamento do ao, Xf a frao de ferrita, yf o limite de escoamento da ferrita e yp o limite de escoamento da perlita.</p><p>A ductilidade das microestrutu-ras ferrtico-perlticas, que geral-mente expressa pelo alongamen-to total observado nos ensaios de trao, reduzida pela presena de perlita e elementos de liga em so-luo slida. O efeito do tamanho de gro no unanimidade: alguns </p></li><li><p>Corte &amp; Conformao de Metais Dezembro 200832</p><p>Metalurgia</p><p>autores afirmam que seu refino melhora a ductilidade(30), fato no confirmado por outros(27). </p><p>Infelizmente, a maioria dos me-canismos de endurecimento tende a degradar as propriedades mec-nicas determinadas sob condies dinmicas, ou seja, as medidas sob altas velocidades de deformao, como a tenacidade ou capacidade que o material tem para resistir nucleao e ao avano de uma trinca por exemplo, a energia absorvida durante um ensaio de impacto Charpy ou a temperatura de transio entre fratura dctil e frgil. O refino de gro uma no-tvel exceo a essa regra, servindo de base para o desenvolvimento de tratamentos termomecnicos como a laminao controlada(9).</p><p>Pickering deduziu numerosas frmulas para o clculo das pro-priedades mecnicas de diversos tipos de ao a partir de suas ca-ractersticas microestruturais (30); essas equaes foram includas numa compilao escrita em por-tugus(17).</p><p>Aos microligados</p><p>Os estudos sobre os efeitos de micro-adies de V, Ti e Nb nas propriedades mecnicas de aos de baixo carbono comearam no final da dcada de 1950. Tais efei-tos revolucionaram a siderurgia, j que viabilizaram o desenvolvimento de tratamentos termomecnicos que levam obteno de aos que apresentam microestrutura com alto grau de refino. Essa intensa reduo no tamanho de gro permite aumentar, simultanea-mente, a resistncia mecnica e a tenacidade da chapa, diminuindo os teores de elementos de liga do ao, especialmente o do C. Isso particularmente interessante para esse tipo de produto, pois melhora sobremaneira sua soldabilidade, minimizando os custos de fabrica-o das estruturas.</p><p>Os elementos de micro-liga tambm podem proporcionar endurecimento por precipitao, aumentando a resistncia mecni-ca da chapa. Esse efeito causado </p><p>pela precipitao interfsica de partculas extremamente finas du-rante a transformao da austenita ao longo do resfriamento que feito aps a laminao a quente ou o tratamento trmico. Contu-do, neste caso h alguma perda de tenacidade. No caso de aos laminados a frio, os elementos de microliga retardam os processos de recristalizao e crescimento de gro que ocorrem durante o recozimento das bobinas laminadas a frio(14).</p><p>O Ti atua principalmente pelo refino do tamanho de gro aus-tentico durante o reaquecimento da placa antes de sua laminao a quente. Os precipitados desse ele-mento possuem baixa solubilidade, particularmente o TiN, que se man-tm estvel mesmo no ao lqido. J o V possui alta solubilidade na austenita e, por esse motivo, en-durece o material por precipitao interfsica na ferrita, principalmen-te. J o Nb atua principalmente por meio do refino do tamanho de gro austentico imediatamente antes de </p></li><li><p>Corte &amp; Conformao de Metais Dezembro 2008 33</p><p>sua transformao. Esse elemento, tanto na forma solubilizada como na precipitada, possui a capacidade de restringir a recristalizao da austenita entre os passes de lami-nao abaixo de uma determinada temperatura (designada como Tnr, ou temperatura de no-recristali-zao), que geralmente varia entre 900C e 1.000C. Dessa forma, durante a fase de acabamento da chamada laminao controlada, ocorre uma virtual laminao a frio da austenita, cujos gros ficam completamente achatados e encruados imediatamente antes de sua transformao, proporcio-nando inmeros pontos propcios para a nucleao de ferrita durante o resfriamento posterior. Dessa forma, ela d origem a uma mi-croestrutura ferrtica intensamente </p><p>refinada, a qual proporciona ao produto as caractersticas tecno-lgicas favorveis citadas no par-grafo anterior(14).</p><p>A intensidade do endurecimento pela precipitao ppt depende da frao e das caractersticas das partculas precipitadas, tais como resistncia mecnica, estrutura, espaamento, tamanho, formato e distribuio. Ela pode ser quan-tificada a partir do modelo de Ashby-Orowan:</p><p>ppt = ln (4.000 x) (3)5,9 Xp!</p><p>x</p><p>onde ppt o endurecimento por precipitao, Xp a frao de pre-cipitados na microestrutura e x o dimetro mdio do intercepto pla-nar dos precipitados. Esta frmula </p><p>deixa claro que o endurecimento por precipitao diretamente proporcional quantidade de precipitados e inversamente pro-porcional ao seu dimetro. Sua apli-cao prtica restrita, j que, nos aos microligados, os precipitados que aumentam a dureza somente podem ser detectados pela micros-copia eletrnica de tra...</p></li></ul>