LatinAmerican Journai o/ Metallurgy and Maierials, Vol. 8 Nos. 1 & 2 (1988)

Microestrutura e propriedades de misturas de martensita e bainita em aco 300M

Maurizio FerranteDepartamento de Engenharia de Materiais - Universidade Federal de Sao Carlos, 13560 - Sao Carlos, Brasil.

M. Virginia AltoéInstituto de Física - Universidade de Sao Paulo, Sao Paulo, Brasil

Microestrut~ras ccmpoetas de.marten~ita; bainitaforam obtidas em um aco 300Mutilizando tratamentos isotérmicos em temperatu-ras pouco acima do MI. posterior resfriamiento em 6leo e revenimento. Microscopia electrónica de transmíseáo mostrou que o trata-mento isotérmico a 328°0 originou microestruturas compostas de bainita superior e martensita. enquanto o tratamento a 28000resul.tou em microestr.uturas contendo bainita inferior. além de martensita. As propriedades mecánicas foram avaliadas através de:ensaios de tracáo e de Impacto Oharpy. A melhorcombina<;B.ode propriedades foi obtida para uma mistura composta de 20%de bainitainferior e martensita. Esta microestrutura exibiu resistencia mecánica semelhante a obtida com o tratamento convencional de tem-pera e revenimento mas resistencia ao impacto Charpy, 50% maior.

S~mples of a 300M steel were isothermally heat treated at temperatures just above the M., oil quenched and tempered giving rise tomícrostructures composed by a mixture ofbainite and martensite. Transmission electron microscopy revealed that the isothermal heattreatment performed at 3280Cresulted in the formation of upper bainite and martensite whereas 280°0 originated lower bainite andmartensite. Tensile and impact tests showed that the best combination of properties was achieved by a mixture of about 20%lower bai-nite and martensite. This microstructure is characterized by tensile properties which are very similar to those obtained on samplesheat treated in accord to the conventional practíce (oil quench and tempering) but showed impact values 70% higher.

INTRODUQAOA familia de acos denominados "de alta resistencia"

surgiu em resposta a demanda por alto desempenhomecánico expressa pela Indústria aeronáutica e aero-espacial.

Como exemplo citamos os acos "ausforming", os"maraging" e alguns microligados como o AISI4340 e o300M (AMS 6416). Os dois últimos se assemelham bas-tante, aparte o maior teór de silício e a presenca de vaná-dio no 300M, este largamente utilizado na Indústriaaereonáutica e em vasos de pressao para mísseis. Nocenário nacional vale citar que este aco é empregado naestrutura do foguete SONDA IV, fabricado pelaAVIBRAS.

A pesar de os acos de alta resistencia se caracteriza-rem por excelente relacáo resistencia/peso ainda há jus-tificativas para atividades de pesquisa, visando aumen-tar sua tenacidade. Por exemplo, Youngblood & Ravag-han [1] e Mc Dermaid [2] propuseram O uso de tempera-turas de austenitizacáo mais elevadas, objetivando prin-cipalmente a completa dissolucáo dos carbonetos gros-seiros. Me Dermaid observou aumentos de KIC da ordemde 30% para o aco 300M austenitizado a 1165°C com apeonas pequeno sacrifício na dutilidade.

Com respeito a influencia da austenita retida, amaioria dos autores interessadosno problema a conside-ram negativa, por se desestabilizar sob esfor<;o mecá-nico, resultando em martensita nao revenida e, por istomesmo, frágil. Para o 300M, Parker [3] observou bruscadiminuicao da tenacidade a partir de temperaturas derevenimento da ordem de 350-450°C para amos tras res-friadas em óleo. Além do gráu de estabilidade, isto é, acapacídade de nao se decompor em martensita, a fracaovolumétrica de austenita retida também parece ser umfator importante. Parker notou que para o aco 300M o

. tsór de austenita retida era da ordem de 6%, enquantoresfriamento ao ar resultava em valores de 30%. Daobservacáo de que a perda de tenacidade era muito maiorno segundo caso é possivel concluir que para resfria-mento rápido e revenimento abaixo de 350°C, a influenciada fase em questáo é pouco importante.

O uso de microestruturas bainíticas em acos de altaresisténcai foi comentado e avaliado por Smith & Hehe-mann [4] e Irvine & Pickering [5]. Os primeiros relaciona-ram parárnetros microestruturais com a resistenciamecánica de bainita inferior e martensita, tendo compro-vado a validade de expressoés empíricas análogas paraambas as microestruturas.

Quanto a tenacidade, já está bem estabelecido que abainita superior deixa claramente a desejar, enquanto abainita inferior apresenta elevados valores de Krc [6].Este comportamento é urna consequencia directa dadiferente distribuicáo dos carbonetos em urna e outramicroestrutura: alongados e dispostos ao longo dos con-tornos de grao das placas de ferrita bainítica no primei-ro caso, e precipitados e finamente distribuidos no inte-rior das ripas de ferrita no segundo. Urna comparacáodireta entre a tenacidade de microestruturas bainíticase microestruturas martensíticas foi levada a efeito porLiu [7] sobre um aco com 0,43%C e adicoes de Ni, Co, V eMo. Para valores idénticos de resistencia mecánica, abainita inferior exibiu energia de impacto Charpy igual a80 J (20°C) enquanto a martensita revenida alcancouapenas 40 J. Os resultados foram interpretados em ter-mos da distribuicáo de carbonetos; é importante notarque o autor ressalta nao ter observado presenca de aus-tenita retida.

A obtencáo de microestruturas contendo bainita emartensita foi tentada por Kunitake e colaboradores [8]

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via resfriamento con - uo de urna série de acos da famíliados microligado con :endo o, e + B. Os autoresobservaram urna melhoria nas propriedades de resisten-cia e tenacidade atribuida ao refinamento do pacotemartensítico.

Esta mesma linha foi recentemente explorada porTomita e Okabayashi [8] sobre aco 4340 utilizando trans-forrnacáo isotérmica incompleta em temperatura poucoacima do Mi, seguida de resfriamento em água, refrigera-cáo e revenimento a 200°C. Foram obtidas fracoés volu-métricas de bainita inferior indo de zero a um, o melhordesempenho mecánico tendo sido observado para urnamicroestrutura contendo 25-30% daquela fase.

Os autores atribuiram este comportamento a subdi-visáo do grao austenítico original pelas ripas de bainita econsequente refino do pacote martensítico.

O presente trabalho tem como objetivo a compara-cáo das propriedades mecánicas do aco 300M submetidoao tratamento térmico convencional (tempera + reveni-mento) e a tratamentos isotérmicos seguidos por refria-mento em óleo, refrigeracáo e revenimento. As pro-priedades mecánicas foram avaliadas pelos ensaios detracáo e de impacto Charpy e a microestrutura foi carac-terizada via microscopia ótica e electrónica de trans-missáo.

2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

Material

Ac;o 300M de fabricacáo nacional (Eletrometal S/ A)recebido no estado laminado e recozido sob forma de cha-pas com 3mm de espessura.

Composicáo química: 0,43C - 0.77Mm - 1,78Si -0.80Cr - 1,75Ni - 0,37Mo - 0.02Cu - 0.009P - 0,006S.(% em peso).

Tratamentos Térmicos

Todos os tratamentos foram realizados sobre cor-pos de prova de tracáo e Charpy confeccionados segundoa norma ASTM E-8 e em escala reduzida. Norrnalizacaoe austenitizacáo foram realizadas a 930°C (0:30 h) e980°C (1:00 h), respectivamente. Os tratamentos isotér-micos foram efetuados em banho de sal, em duas tempe-raturas e diferentes espacos de tempo:

328°C (O, 210, 340, 540, 2000 segundos)280°C (O. 300, 420, 540, 1800 segundos)

Em seguida os corpos de prova foram resfriados emóleo a partir das temperaturas de transformacáo acimadiscriminados, submetidos a tratamento de refrigeracáoem nitrogénio líquido (20 hs) e revenidos a 280°C (2 hs).

Tinta protetora e protecáo gasosa (argónio) foramutilizados na norrnalizacáo e para cada tempo foram tra-tadas quatro amostras (urna para microscopia e difracáode Raios-X e tres para ensaios mecánicos).

Caracter'iz.acáo microestrutural

A fracáo volumétrica de bainita foi avaliada pormetalografia ótica em amostras atacadas com Nital 2%.Amostras para microscopia eletrónica de transmíssáoforam preparadas por poli mento eletrolítico (ácido acé-tico: ácido perclórico 95:5) de discos com 3mm de diáme-tro. e observadas em um microscópio Jeol 100-XC.Empregou-se difracáo de Raios-X para avaliar a pre-senca de austenita retida nas amostras revenidas.

Ensaios Mecánicós

Os ensaios de tracáo foram executados em urnamáquina universal INSTRON Mod. 9.51.11 Ma, comvelocidade de travessáo igual a 10N/mrrr /s. Os resulta-dos incluem limite de resistencia (O'R) de eseoamento (O'e)e alongamento (e). Os ensaios Charpy foram efetuadoscom velocidade de impacto igual a 1,42 m/s.

As amostras de tracáo e tenacidade Charpy foramusinadas mantendo-se respectivamente a dírecáo maiore a de propagacáo da trinca, paralelas a direcáo de lami-nacáo da chapa. Foram ensaidos tres corpos de provapara cada condícáo. •

s. RESULTADOS E DISCUSSAO

Microsestrutura e

As figuras 1-a, 1-b e l-c mostram aspectos típicosdas amos tras totalmente martensíticas (M) e das quecontém bainita superior (BS) e bainita inferior (Bl).Note-se em 1-b as placas de bainita subdividindo a graoaustenítico original. Em quase todos os casos a marten-sita se apresenta como regiáo escura sugerindo maiorespessura do filme fino. Este efeito é provavelmente cau-sado pelo enriquecimento por carbono da austenitaremanescente, durante o crescimento da bainita. Istoresultou em martensita com alto teór de carbono e por-tanto resposta diferente a acáo do polimento eletrolíti-co [9]. Note-se que todas as amostras foram observadasapós o tratamento sub-zero mas antes do revenimento.

A análise dos difratogramas de raíos-X, efetuadasobre amostras revenidas, revelou total ausencia dospicos de Fe -y. Apesar de a sensibilidade do método naopermitir a deteccáo de baixos teores daquela fase, érazoável supor que a proporcáo de austenita retida sejapraticamente constante nas amostras, e que nao tenhainterferido nos resultados.

A morfologia das amostras transformadas a 328°C(figura l-b) sugere urna microestrutura composta pormartensita e bainita superior. Tal conclusao se justificaface a clássica definicáo de bainita superior e pela com-paracáo com as microestruturas de acos de composicaosemelhante e caracterizadas como tal [10, 11J. Por outrolado, a figura 1-c mostra placas de ferrita contendo preci-pitados em forma de agulha com sua dimensño maior for-mando um ángulo de aproximadamente 60°C com o eixoda placa. Esta é a morfologia característica de bainitainferior.

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Fig. 1. Micrografias eletrónicas. loa. arnostra martensítiea (39.000 X).l-b, amostra transformada a 328"C (20.000 X). I-c, amostra

transformada a 280"C (39.000 X).

A relacáo entre duraeáo de transformacáo isotér-mica e proporcáo de bainita está expressa no eixo hori-zontal da figura 2-a. Vemos que mesmo para ternposmuito longos a reacáo bainítica é incompleta, confir-mando observaeoes anteriores [13].

Propriedades Mecánicas

Todos os ensaios mecánicos foram efetuados sobreamostras revenidas. A figura 2 contém os resultados dosensaios de traeáo. Em 2-a nota-se que tanto O'R como o; semantém razoavelmente constantes para fracoes volumé-tricas iguais a 0,1 e 0,2, de bainita superior e bainita

inferior respectivamente. A figure 2-b mostra a evolucáodo alongamento corn a fracáo volumétrica dos dois tiposde bainita. Como era de se esperar, a incorporacáo deurna fase dútil resulta em maiores valores de alonga-

. mento das amostras, o efeito sendo mais pronunciado,para o caso da bainita superior.

a Tomando em conjunto estes dados, é possivel afir-mar que o comportamento mecánico observado resultado efeito competitivo de dois parámetros: o refino dopacote martensítico e o valor da resistencia-base domicroconstituinte bainita .

.O efeito combinado destes fatores pode ser exami-nado no contexto da lei das misturas e principalmentenos desvios desta lei, aqui observados. Sabe-se que urna

. das variáveis mais importantes na determinacáo daresistencia mecánica da martensita é o tamanho do"pacote martensítico" [13]. Ao final do trata mento iso-térmico e imediatamente antes do resfriamento em óleo,o grao austenítico encontra-se subdivido pelas placas ouripas de bainita, o que efetivamente corresponde a umadimínuicáo do tamanho de grao, e consequente refino dopacote martensítico.

bNo entanto o contínuo crescimento da fracáo volu-

métrica da bainita reflete-se em queda das propriedadesmecánicas. Este comportamento deve-se ao fato de que aseccáo transversal das amostras é constituida de propor-coés crescentes de urna fase dútil e com resistencia mecá-nica inferior a da martensita.

Vemos assim que as propriedades mecánicas doconjunto martensita-bainita seguem a lei das misturas,exibindo pórem uma perturbacáo inicial.

e

As consideracoes pertinentes a lei das misturas sáoapenas qualitativas face a ausencia de registro dos para-mentros relevantes ao seu cálculo. Os resultados exprés-sos pela figure 2-a sáo porém perfeitamente adecuados aurna situacáo em que há coexistencia de martensita edois tipos diferentes de bainita. Assim, a observacao deque, para proporcoés idénticas (por exemplo 40%) asamostras BS e BI exibem tensoes de escoamento iguais a1150 e 1350 MPa, respectivamente, está de acordo com ofato de que a bainita superior caracteriza-se por menorresistencia mecánica do que a inferior. De fato, Bush &Kelly [14] examinaram os mecanismos que controlam aresistencia de acos bainíticos e enfatizaram o papel dasdeslocaeoés (escassas na bainita inferior) e da distribui-cáo dos carbonetos (finamente dispersos na bainita infe-rior e grosseiros na superior), ambos os parámetrosconcorrendo para o aumento da resistencia mecánica.Com relacáo a estes a bainita inferior se caracteriza poralta densidade de deslocacoés e fina distribuícáo de car-bonetos, o que explica sua maior resistencia mecánica,

Os resultados dos ensaios Charpy sáo mostrados nafigura 3. Vemos que a energía de fratura permanecepracticamente constante para as amostras Bs, enquantourna melhora progressiva caracteriza o aumento da fra-cao volumétrica de bainita inferior. As fratografias mos-tradas na figura 4 evidenciam um modo de fratura mistopara as amostras M e Bs e totalmente dútil para Bi.

1900

·1800

1700

1600

,....."CI

~ 1500•....•

,~V') 1400zLLJt-

1300

1200

1100

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....---- .•

o

•

A Martensita (M)• T = 280°C (8)¡O T = 320·C (8)5

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o 50 (bainitci 'l. )I I I I

O 300 420 540 1800 (tem)o, s)(M) (Bl)i (62)¡ (B3)¡ (B4)i (c.p.

, 1 1 I 1

O 210 340 540 2000 (ternpo, 5)(M) (81)5 (82 )s (B 3)5 (84)5 \ (c.p. )

Fig.2-a. Tensáo de Ruptura, tensáo de escoamento a tempos de tratamento isotérmico, versus percentagemde bainita.

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15

o 10 .20 30 40 50Bainita. (',,)

Fig. 2-b. Alongamento versuspercentagem de bainita.

~==50===l1-1¡.l...

--",_1 0110

14 (rnrn )

4

10 20 30 40Ba l nita ('lo)

50

Fig.3. Energia de Impacto Charpy versus percentagem de bainita.

Novamente pode-se analizar os resultados em ter-mos do efeito combinado do refinamento do pacote mar-tensítico e distribuicáo dos carbonetos bainíticos.Sabe-se que a fratura do tipo frágil tem maior probabili-dade de ocorrer na presenca de carbonetos em contornode grao e granulacáo grosseira. O efeito do tamanho degrao foi originalmente analizado por Zener [15] quesugeriu que a fratura é induzida em urna regiáo de con-centraeáo de tensoes originada por um empilhamento dedeslocacoés, Evidentemente quanto maíor o grao maislongo este empilhamento e maior ovalor da tensáo na suaextremidade. O passo seguinte foi o reconhecimento dainfluencia dos filmes de carbonetos. Cohen [16]mostrouque estes sáo facilmente fraturados por terem urna ener-gía superficial bem menor do que a matriz. Posterior-

mente, Curry & Knott [17]concluiram que a resistencia aclivagem depende da espessura do carboneto. Recente-mente, o tópico foi retornado por Petch [18]que mostrouhaver urna dependencia entre a temperatura de transi-cao frágil-dútil e d-1/2, isto é, para urna espessura cons-tante do filme de carboneto, aquela é tanto menor quantomenor o tamanho do grao ferrítico. Estas consideracoesestáo de acordo com um grande número de dadosexperimentais.

Na ausencia de carbonetos em contorno de grao ainiciaeáo da trinca de clivagem é dificultada. A distribui-c;aointerna daquela fase torna-se importantejá que sob ainfluencia da tensao aplicada as partículas fraturam ouseparam-se da matriz. Estas cavidades crescem até queseu coalescimento produz trincas [19], culminando emfratura dútil.

Apesar de ainda nao existir uma teoria referenteaos mecanismos de fratura para martensita e bainita, épossivel discutir os resultados do presente estudo a luzdas eonsideracoes acima expostas. No caso de microes-truturas compostas de martensita e bainita, é razoável.supor que as microtrincas se originem no microconsti-tuinte mais frágil. a martensita. Sua propagacáo depen-derá entáo da natureza do contorno entre esta e abainita. No caso da bainita superior, o filme de carbone-tos que envolve as ripas de ferrita prevé a fase de baixaenergia superficial necessaria ao avance da trinca. Parabainita inferior a ausencia desta fase em contórno difi-culta a propagacáo da trinca de clivagem, os carbonetosfinamente distribuidos no interior da ripa de ferritadando ensejo a manífestacáo de fratura do tipo dútil.Estas consideracoés sao supcrtadas pela figura 4 quemostra superficie de fratura totalmente dútil para aamostra BI, e superficie mista, com indicios de clívagem,para a BS.

4. CONCLUSOES

1. A transformacáo isotérmica do aco 300M em tem-peraturas pouco acima do Mi resultou na formacáode bainitas cuja morfologia permitiu classifica-lascomo superior (328°C) e inferior (280°C).

n. A formacáo de bainita subdivide o grao austeníticorefinando, consequen temen te o tamanho do pacotemartensítico.

III. A melhor cornbínacáo de propriedades foi obtidapara urna microestrutura composta por 20%de bai-nita inferior e martensita,

A resistencia mecánica é comparável a obtida pelotratamento clássico de témpera e revenimentoenquanto a energia de fratura Charpy apresentou

IV. Os resultados dos ensaios mecánicos podem serinterpretados em base a acáo do refino do paco-te martensítico e a morfologia dos carbonetosbainíticos.

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Fig. 4. Fratrografias dos corpos de prova Charpy. 4-a. martensita(2.000 X). 4-b. baínita superior e martensita (2.@00X).

.AGRADECIMIENTOS

Os autores agradecem ao Dr. Ideonor N. da Concei-cáo pela leitura crítica do manuscrito. Um dejes (V.A.)extende sua gratidáo a Fundacáo.de Amparo a Pesquisado Estado de Sáo Paulo pelo auxílio recebido.

ae

Fig. 4-c. Bainita inferior e martensita (2000 X)

BIBLIOGRAF1A

b

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