UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS Curso de Ps-Graduao em Engenharia Metalrgica e de Minas

Dissertao de Mestrado

Efeito da Temperatura de Encharque no Recozimento Contnuo e da Deformao na Laminao de Encruamento sobre as Propriedades Mecnicas de um Ao Microligado Laminado a Frio

Autor: Rogrio Carlos Oliveira Fernandes Orientador: Prof. Paulo Roberto Cetlin

Dezembro de 2007

iv

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS Curso de Ps-Graduao em Engenharia Metalrgica e de Minas

Rogrio Carlos Oliveira Fernandes

Efeito da Temperatura de Encharque no Recozimento Contnuo e das Deformaes na Laminao de Encruamento sobre as Propriedades Mecnicas de um Ao Microligado Laminado a Frio

Dissertao apresentada ao Curso de Ps-Graduao em Engenharia Metalrgica e de Minas da Universidade Federal de Minas Gerais

rea de Concentrao: Metalurgia de Transformao Orientador: Prof. Paulo Roberto Cetlin

Belo Horizonte Escola de Engenharia da UFMG 2007

iii

Deus. Aos meus inesquecveis pais. Mrcia pelo amor e companheirismo. Aos meus filhos Fernanda e J. Guilherme pelo incentivo. Aos meus irmos e amigos pelo apoio.

iv

AgradecimentosAs Usinas Siderrgicas de Minas Gerais (USIMINAS), nas pessoas de Marcelo Dantas Cypreste e Gileno Antnio de Oliveira pela oportunidade de realizao deste projeto.

Ao Glucio Brtoli da Cruz Rabelo, pela orientao do projeto, dedicao, disponibilidade, pacincia, sugestes apresentadas, conhecimento transmitido e grande companheirismo e amizade.

Ao Luiz Cludio Meyer, por viabilizar o material para o experimento, pelo conhecimento transmitido, Emerson Guimares Melo e Carlos Augusto Carvalhido pelo apoio e contribuies.

Ao Aldo Henrique de Almeida Barbosa, Odair dos Santos, Tlio Magno Fuzessy de Melo, Joo Francisco Batista Pereira e Jos Janurio Zacarias da Gerncia de Pesquisa e Desenvolvimento, pelo apoio e sugestes apresentadas.

Aos colegas equipe da laminao a frio da Usiminas, Jadir Campos Amaral, Knia Atialane Fraga de Castro, Edson Fagundes, Cleber Guimares dos Santos, Gustavo Nascimento Batista e Rodrigo Rocha, pela ajuda na realizao do trabalho.

Ao Geraldo Magela vila de Paula e demais colegas das gerncias de Ensaios Mecnicos, Controle Integrado e Microscopia, pelo apoio na realizao do trabalho.

Meus agradecimentos ao Professor Paulo Roberto Cetlin pela dedicada orientao, disponibilidade, acompanhamento, preocupao, pacincia e grande amizade.

v

SUMRIOLISTA DE FIGURAS....................................................................................................VII LISTA DE TABELAS...................................................................................................XII LISTA DE NOTAES...............................................................................................XIII RESUMO.....................................................................................................................XVI ABSTRACT................................................................................................................XVII 1 INTRODUO........................................................................................................18 2 OBJETIVOS............................................................................................................20 3 REVISO BIBLIOGRFICA...................................................................................21 3.1 Aos microligados de alta resistncia mecnica..................................................21 3.2 Mecanismos de endurecimento............................................................................23 3.2.1 Endurecimento por soluo slida.........................................................23 3.2.2 Endurecimento por refino de gro...................................................... ..24 3.2.3 Endurecimento por precipitao............................................................26 3.2.4 Endurecimento por aumento da densidade de deslocaes.................27 3.3 Efeito da composio qumica nas propriedades mecnicas..............................28 3.4 Laminao a quente.............................................................................................32 3.4.1 Temperatura de reaquecimento de placas............................................32 3.4.2 Temperatura de acabamento.................................................................34 3.4.3 Temperatura de bobinamento................................................................34 3.5 Laminao a frio...................................................................................................35 3.5.1 Deformao a frio..................................................................................37 3.5.2 Recristalizao de aos ao Nb..............................................................37 3.5.3 Ciclo trmico do recozimento contnuo para o ao microligado............41 3.5.4 Influncia do encharque nas propriedades de trao...........................42 3.5.5 Laminao de encruamento..................................................................45 3.5.5.1 Limite de escoamento definido...........................................................45 3.5.5.2 Supresso do patamar de escoamento definido................................47 3.5.5.3 Influncia das deformaes no encruamento sobre as propriedades de trao............................................................................................................48 4 METODOLOGIA.....................................................................................................54 4.1 Material utilizado..................................................................................................54 4.2 Processamento em escala industrial...................................................................55

vi

4.2.1 Laminao a quente..............................................................................55 4.2.2 Laminao a frio....................................................................................56 4.3 Amostragem e testes...........................................................................................60 5 RESULTADOS E DISCUSSO.............................................................................62 5.1 Anlise qumica das amostras processadas em escala industrial.......................62 5.2 Caracterizao microestrutural............................................................................63 5.3 Propriedades mecnicas obtidas no processamento industrial...........................64 5.3.1 Influncia da temperatura de encharque nas propriedades mecnicas de trao............................................................................................................66 5.3.2 Influncia da temperatura de encharque no comprimento do patamar de escoamento (YPE).............................................................................................69 5.3.3 Influncia do SPM nas propriedades mecnicas do material e no comprimento do patamar de escoamento (YPE)...............................................75 5.3.4 Consideraes finais..............................................................................83 6 CONCLUSES.......................................................................................................85 7 RELEVNCIA DOS RESULTADOS.......................................................................87 8 SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS.....................................................88 9 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS.......................................................................89

vii

Lista de FigurasFigura 3.1 - Relao entre alongamento e limite de escoamento de vrios aos de baixa, alta e ultra alta resistncia.................. 22 Figura 3.2 - Efeito das adies de solutos no aumento do LE pelo mecanismo endurecimento por soluo slida..................... 24 Figura 3.3 - Relao entre o tamanho de gro e limite de escoamento para aos microligados ao Nb............................................... 25 Figura 3.4 - Mecanismos de endurecimento em aos microligados (ARBL)................................................................................... 26 Figura 3.5 - Contribuio dos mecanismos de endurecimento a)

tamanho de gro (Ygs) e b) precipitao (Yppt), em aos microligados ao Nb nas condies de laminado a quente e laminado a frio e recozido...................................................... 27 Figura 3.6 - Efeito das adies de Nb e V no limite de escoamento de aos ARBL laminados a quente (temperatura de

bobinamento 620C).............................................................. 29 Figura 3.7 - Efeito da adio de Nb e V no limite de escoamento de aos ARBL laminados a frio (Temperatura de recozimento 760C)................................................................................... 30 Figura 3.8 - Efeito da adio de Ti nos limites de escoamento e resistncia de aos ARBL laminados a frio (temperatura de recozimento 760C)............................................................... 30 Figura 3.9 - Efeito da adio de Mn ao limite de escoamento em ao microligado ao Nb e Nb-V laminado a quente (temperatura de bobinamento 620C)......................................................... 31 Figura 3.10 - Efeito da adio de Mn no limite de escoamento em aos ARBL, processados no recozimento contnuo,

temperatura de 815C........................................................... 31 Figura 3.11 - Produtos de solubilidade de vrios carbonetos e nitretos na austenita................................................................................ 33 Figura 3.12 - Efeito da temperatura de bobinamento no limite de escoamento de aos ARBL microligados com Nb, na condio laminado a quente, com diferentes concentraes de Mn..................................................................................... 35

viii

Figura 3.13 - Comparao entre os limites de escoamento de aos ARBL, nas condies laminado a quente e laminado a frio e recozido.............................................................................. 36 Figura 3.14 - Efeito da deformao a frio e temperatura de recozimento no limite de resistncia do microligado ao Nb....................... 37 Figura 3.15 - Influncia do teor de ligas na temperatura final de recristalizao de aos ARBL, processados com diferentes nveis de deformao a frio.................................................. Figura 3.16 - Efeito da deformao a frio no limite de escoamento de aos contendo Nb, recozidos continuamente uma temperatura de 760C, por 1 min.......................................... 38 Figura 3.17 - Comparao entre os efeitos dos recozimentos contnuo e em caixa no limite de escoamento de aos ARBL................ 40 Figura 3.18 - Efeito das adies de ligas na temperatura final de recristalizao: (a) Nb e V; (b) Mn......................................... 40 Figura 3.19 - Ciclo trmico esquemtico do recozimento contnuo na Usiminas................................................................................ 41 Figura 3.20 - Influncia da temperatura e do tempo de encharque do ao ARBL da classe de 340 MPa de limite de escoamento mnimo, processado no recozimento contnuo: a) Limites de escoamento e resistncia e b) Alongamento 38

total........................................................................................ 42 Figura 3.21 - Efeito da temperatura de recozimento nas propriedades mecnicas de aos ARBL, com diferentes deformaes a frio: (a) 70% e (b) 55%........................................................... 43 Figura 3.22 - Efeito da temperatura de recozimento no limite de escoamento de ao microligado (0,03%Nb) e 70% de deformao a frio................................................................... 44 Figura 3.23 - Efeito da temperatura de recozimento no alongamento total de ao microligado (0,03% Nb) e 70% de deformao a frio e tempo de recozimento 1 min.............................................. 44 Figura 3.24 - Comportamento tpico do limite de escoamento descontnuo........................................................................... 46 Figura 3.25 - Interao entre solutos e deslocaes.................................. 47

ix

Figura 3.26 - Propagao das bandas de deformaes............................. 48

Figura 3.27 - Variao do limite de escoamento e da extenso do patamar de escoamento de um ao acalmado ao alumnio, submetido a nveis crescentes de reduo no SPM............. 49 Figura 3.28 - Efeito do SPM no LE de um ao dual phase 0,05%C,

recozido continuamente aps 599C de overaging por 1 minuto (temperatura de encharque 816C por 1 minuto)...... 50 Figura 3.29 - Limite de escoamento (smbolos fechados) e deformaes no patamar de escoamento (smbolos abertos) em funo do grau de deformao aplicado no laminador de encruamento de um ao capeado ( C:0,06%, Mn:0,33%, S:0,017%, N:0,002%)............................................................ 50 Figura 3.30 - Mudanas da deformao no patamar de escoamento e do limite de escoamento com aumento de deformaes no SPM....................................................................................... 51 Figura 3.31 - Espaamento das bandas de Lders em funo das deformaes no SPM para um ao capeado de

composio qumica (C:0,06%, Mn: 0,33%, S: 0,017%, N: 0,002%................................................................................... 52 Figura 4.1 Figura 4.2 Figura 4.3 Figura 4.4 Figura 4.5 Figura 4.6 Figura 4.7 - Condies de processamento na laminao a frio................ 54 - Fluxo produtivo da laminao a quente................................. 55 - Formao das bobinas para laminao a frio....................... 56 - Desenho esquemtico do PLTCM......................................... 57 - Desenho esquemtico do CAPL........................................... 58 - Ciclo trmico do ao ARBL no CAPL.................................... 58 - Representao do processamento experimental no CAPL (os valores representados em percentual referem-se a deformaes aplicadas no encruamento, escolhidos

intencionalmente para mostrar o comportamento do YPE deste ao).............................................................................. 59 Figura 5.1 - Aspecto microestrutural das amostras (microscopia ptica), como laminado a frio e recozido continuamente, sem deformaes no SPM, nas temperaturas de encharque de 730C, 750C e 770C. Ataque Nital 4%. Aumento 1000X... 63

x

Figura 5.2

- Comparao entre os limites de escoamento e resistncia, nas condies de laminado a quente e laminado a frio e recozido continuamente........................................................ 66

Figura 5.3

- Influncia da temperatura de encharque do recozimento contnuo nos valores de LE e LR.......................................... 67

Figura 5.4

- Influncia da temperatura de encharque no recozimento contnuo nas variaes do alongamento total....................... 67

Figura 5.5 Figura 5.6

- Influncia da temperatura de encharque na relao elstica 69 - Comportamento do patamar de escoamento sob influncia das variaes de temperatura de encharque no CAPL e deformaes no SPM deformao SPM: 0,0%.................. 70

Figura 5.7

- Comportamento do patamar de escoamento sob influncia das variaes de temperatura de encharque no CAPL e deformaes no SPM deformao SPM: 0,7%.................. 71

Figura 5.8

- Comportamento do patamar de escoamento sob influncia das variaes de temperatura de encharque no CAPL e deformaes no SPM deformao SPM: 1,2%.................. 72

Figura 5.9

- Comportamento do patamar de escoamento sob influncia das variaes de temperatura de encharque no CAPL e deformaes no SPM deformao SPM: 1,7%.................. 73

Figura 5.10 - Comportamento do patamar de escoamento sob influncia das variaes de temperatura de encharque no CAPL e deformaes no SPM deformao SPM: 2,7%.................. 74 Figura 5.11 - Influncia das deformaes no SPM no a) limite de escoamento e b) Variaes no YP-EL, para temperatura de encharque de 730C.-------------------------------------------------Figura 5.12 - Influncia das deformaes no SPM no a) limite de escoamento e b) Variaes no YP-EL, para temperatura de encharque de 750C.-------------------------------------------------Figura 5.13 - Influncia das deformaes no SPM no a) limite de escoamento e b) Variaes no YP-EL, para temperatura de encharque de 770C.-------------------------------------------------78 77 76

xi

Figura 5.14 - Influncia das deformaes de encruamento no limite de escoamento do ao ARBL 340 MPa de limite de 79 escoamento mnimo.............................................................. Figura 5.15 - Influncia das deformaes no SPM na razo elstica e no alongamento total, para temperatura de encharque de 730C..................................................................................... 80 Figura 5.16 - Influncia das deformaes no SPM na razo elstica e no alongamento total, para temperatura de encharque de 750C..................................................................................... 81 Figura 5.17 - Influncia das deformaes no SPM na razo elstica e no alongamento total, para temperatura de encharque de 770C..................................................................................... 82

xii

Lista de TabelasTabela IV.1 - Faixa de composio tpica de um ao ARBL-Nb laminado a frio (% peso).............................................................................. 54 Tabela IV.2 - Nveis de deformao na laminao de encruamento............... 59 Tabela IV.3 - Amostragens e testes................................................................. 61 Tabela V.1 Tabela V.2 - Resultados de anlise qumica (% peso)................................... 62 - Resultados de anlise qumica do ao como laminado a quente (% peso)......................................................................... 62 Tabela V.3 - Valores do tamanho mdio de gro ferrtico (d) na condio de laminado a frio e recozido continuamente, nas

temperaturas de 730C, 750C e 770C.................................... 64 Tabela V.4 - Valores de propriedades mecnicas em trao e tamanho mdio de gro ferrtico na condio de laminado a quente....... 64 Tabela V.5 - Valores de propriedades mecnicas em trao no ao como laminado a frio em funo da temperatura de encharque no recozimento contnuo e deformaes no SPM.......................... 65 Tabela V.6 - Valores garantidos de composio qumica para grau ZSTE 340 (% em massa)..................................................................... 83 Tabela V.7 - Valores garantidos de propriedades mecnicas em trao para o grau ZSTE 340................................................................ 83

xiii

Lista de NotaesAA = Ao acalmado ao alumnio AHSS = aos de alta resistncia de ltima gerao ou avanados AL = Alongamento total Al = Alumnio AlN = Nitreto de alumnio ARBL = Alta resistncia e baixa liga Ar3 = Temperatura incio de transformao da austenita para ferrita no resfriamento BFs = Bobinas a frio BH = Bake Hardening Endurecimento por cura da pintura BM = Base de medida BN = Nitreto de boro BQs = Bobinas a quente C = Carbono CAPL = Continuous annealing processing line Linha de recozimento contnuo CMn = Aos carbono-mangans cp = Corpo de prova CP = Aos de fases complexas Cr = Cromo d = Tamanho de gro ferrtico = dimetro mdio dos gros ferrticos DP = Dual Phase - Aos de dupla fase ou bifsicos Fe = Ferro HGJC = Sistema de resfriamento de jato de gs a alta presso HN = Mistura de gs hidrognio e nitrognio HSS = Aos de alta resistncia convencionais IF = Intersticial Free - Aos livres de elementos intersticiais IF-HS = Aos livres de elementos intersticiais de alta resistncia

xiv

IS = Aos isotrpicos YP = YPE = YP-EL = Patamar de escoamento Ky = Fator associado eficcia dos contornos de gro no endurecimento LE = e = Limite de escoamento LR = r = Limite de resistncia LE/LR = Razo elstica Mart = Aos martensticos Mild = Aos carbono comum Mn = Mangans N = Nitrognio Nb = Nibio Nb(CN) = Carbonitretos de nibio NbN = Nitreto de nibio P = Fsforo PLTCM = Pickling Line Tandem Cold Mill Sistema integrado de decapagem e laminador a frio PS = Aos refosforados Rf = Temperatura fim de recristalizao S = Enxofre Si = Silcio Sn = Estanho SPM = Skin Pass Mill Laminador de encruamento Ti = Titnio TiC = Carboneto de titnio TRIP = Transformation Induced Plasticity - Aos com transformao de fase induzida por deformao UBC = Ultra baixo carbono

xv

UHSS = Aos ultra resistentes ULSAB = Ultra Light Steel Auto Body Carroceria de automveis ultra leve feita de ao V = Vandio VC = Carboneto de vandio VN= Nitreto de vandio ygs = Variao da resistncia mecnica associada ao refino de gro ferrtico yppt = Variao da resistncia mecnica associada ao endurecimento por precipitao

1= Tenso de atrito que se ope ao movimento das deslocaes f = Tenso de fluxo o = Tenso de fluxo devido a outros mecanismos de endurecimento = Densidade de deslocaes

xvi

ResumoA obteno de propriedades mecnicas adequadas dos aos de alta resistncia depende tanto da composio qumica quanto das condies de processamento industrial. No caso especfico dos aos ARBL (alta resistncia e baixa liga), a importncia das variveis operacionais torna-se ainda mais significativa, em funo da multiplicidade de mecanismos de endurecimento envolvidos (soluo slida, precipitao, refino de gro e densidade de deslocaes).

Neste trabalho foram avaliadas as influncias das condies de processamento no recozimento contnuo (temperatura de encharque e deformaes no encruamento) na produo de aos ARBL microligados com nibio, da classe de 340 MPa de limite de escoamento mnimo.

Para tanto, foram realizados trs diferentes ciclos de encharque no recozimento contnuo e cinco nveis de deformaes no laminador de encruamento (SPM). Os resultados indicam que as propriedades em trao so afetadas significativamente tanto pelas condies de encharque quanto pelas deformaes no SPM,

principalmente os valores de limite de escoamento e alongamento total.

xvii

ABSTRACTThe obtainment of adequate mechanical properties in high strength steels depends as much on the chemical compositions as on the process variables. In the specific case of HSLA (high strength low alloy) steels, the importance of the process variables is even more significant, because of the several strengthening mechanisms involved (solid solution, precipitation, grain refinement and dislocation density). This study investigates the influence of soaking temperature in the continuous annealing process and elongation in the skin pass mill (SPM) on the mechanical properties of a HSLA steel, microalloyed with niobium, of the class of 340 MPa minimum yield stress.

Three different thermal cycles and five levels of elongation at SPM were evaluated. The results indicate that the mechanical properties of this steel are significantly affected as much by the soaking conditions as by the SPM elongation, mainly the yield stress and the total elongation.

18

1 - INTRODUOO segmento automotivo um dos principais setores consumidores de aos planos, tanto em funo do alto volume de ao quanto pelo grau de exigncia e especificidade. A constante mudana nas caractersticas requisitadas dos materiais utilizados resulta em aprimoramentos, siderrgicas .(1)

inovaes

de

processos e

produtos

fornecidos pelas

Nas ltimas dcadas, alm da reduo de peso do veculo, novas exigncias vm sendo enfatizadas, relativas ao aumento do conforto e segurana dos passageiros, preocupao ecolgica, tanto no que se refere reciclabilidade dos materiais utilizados na confeco do automvel quanto ao nvel de poluio causada pelos motores de combusto interna(2). Como conseqncia, a indstria automobilstica e as siderrgicas tm buscado por materiais ecolgicos que apresentem elevado desempenho estrutural (resistncia mecnica versus peso prprio). Devido questo ambiental, o uso dos plsticos e de fibras sintticas vem sofrendo uma srie de restries, abrindo espao para manuteno e recuperao do ao como principal material utilizado na construo de carrocerias(3).

Desde o incio da dcada de 70, com a primeira crise do petrleo, as siderrgicas iniciaram estudos para a produo de aos de mais alta resistncia mecnica, com boas caractersticas de conformabilidade(2). No incio da dcada de 90 desenvolveu-se o ULSAB (Ultra Light Steel Auto Body), um projeto da criao de uma carroceria de automveis ultraleve, feita de ao, desenvolvido por usinas siderrgicas de 18 pases, cujos resultados esto sendo extremamente positivos, tanto em termos ambientais quanto econmicos e, sobretudo, no desenvolvimento de novos produtos(4).

Dentre as vrias opes relativas a aos de alta resistncia, situa-se a famlia de aos alta resistncia e baixa liga (ARBL), produzidos preferencialmente atravs das linhas de recozimento contnuo, em funo de melhor uniformidade de propriedades, planicidade e limpeza superficial. Esses aos apresentam limite de escoamento entre 250 e 650 MPa(4), so soldveis e de boa resistncia mecnica, tenacidade, ductilidade e caracterizam-se por adies de pequeno percentual de nibio, vandio e/ou titnio(5). O nvel de resistncia mecnica do produto laminado a frio conseguido pela obteno de um tamanho de gro ferrtico extremamente fino, associado ao

19

mecanismo de precipitao de carbonitretos formados por esses elementos e complementado pela adio de fsforo (P), mangans (Mn) e/ou silcio (Si), que provocam um endurecimento adicional por soluo slida(6). Contudo, a adio de ligas limitada por aumentar a temperatura de recristalizao, o que exige elevadas temperaturas de encharque no recozimento.

Para produo do ARBL no recozimento contnuo necessrio utilizar altas temperaturas de encharque; portanto, o consumo de energia e deteriorao de equipamentos utilizados para o aquecimento da atmosfera do forno so maiores, elevando os custos de produo. Uma alternativa, para minimizar estes custos, seria avaliar o efeito dos fatores temperatura de encharque e deformao no encruamento, que produzam o melhor desempenho do ao.

A temperatura de encharque exerce grande influncia sobre as propriedades mecnicas do ao ARBL como laminado a frio. Nesta etapa, o aumento da temperatura provoca queda no limite de escoamento e de resistncia, alm de aumentar o valor do alongamento total.

J a deformao no encruamento, parmetro tambm de grande relevncia para uma boa predio das propriedades mecnicas, alm de influenciar principalmente os valores de limite de escoamento, atua na eliminao do patamar de escoamento presente nestes aos, patamar este indesejvel nas aplicaes de conformao. Portanto, fundamental a escolha apropriada da deformao no encruamento.

Neste contexto, foram estudados os efeitos tanto da temperatura de encharque quanto da deformao de encruamento sobre as propriedades mecnicas finais de um ao ARBL microligado com Nb, da classe de 340 MPa de limite de escoamento mnimo, laminado a frio e recozido continuamente. Visou-se determinar as melhores prticas operacionais, buscando um ponto timo entre a produo, qualidade e custo, para fabricao desse ao.

20

2 OBJETIVOSAvaliar a influncia de parmetro de processamento no recozimento contnuo, em trs diferentes nveis de temperatura de encharque e na laminao de encruamento, em seis nveis de deformao, sobre as propriedades mecnicas de ao microligado ao nibio, da classe 340 MPa de limite de escoamento mnimo, laminado a frio e recozido continuamente.

21

3 REVISO BIBLIOGRFICA3.1 Aos microligados de alta resistncia mecnicaOs aos de alta resistncia e baixa liga (ARBL) constituem uma das classes mais importantes dos materiais de engenharia, assumindo um papel de destaque nas indstrias automobilstica, civil, naval e petrolfera(7).

A adio de elementos de liga com forte afinidade pelo carbono e/ou nitrognio, como titnio (Ti), nibio (Nb) e vandio (V), juntamente com um processo termomecnico controlado, proporciona a esses aos elevados nveis de resistncia mecnica e tenacidade(8).

Os microligantes promovem diferentes efeitos sobre a microestrutura. O Ti forma carbonitretos estveis a altas temperaturas, que contribuem no controle do crescimento de gro austentico anterior ao processamento termomecnico. O Nb possui uma solubilidade intermediria e forte influncia sobre a cintica de recristalizao, que resulta usualmente no refino de gro ferrtico aps a transformao de fase. O V o elemento cujos carbonitretos apresentam maior solubilidade, sendo normalmente adicionados para promover o endurecimento da matriz ferrtica por precipitao(8).

No passado, a demanda por aos de alta resistncia era quase que exclusivamente restrita a produtos laminados a quente. Somente na dcada de 1970 que se iniciou a produo dos materiais laminados a frio visando, principalmente, o atendimento s exigncias de segurana e reduo de peso dos veculos, impostas pela indstria automobilstica(3).

As siderrgicas atualmente disponibilizam a seus clientes uma variedade de tipos de aos com baixa, alta e ultra alta resistncia mecnica, que melhor atendem aos requisitos de resistncia associados conformao, como pode ser observado atravs da figura 3.1.

22

Aos de Baixa Resistncia 550 MPa)

Alongamento (%)

IF 40 30 20 10 0 0 200 400 IF-HS Mild IS PS BH CMn

HSS Convencional UHSS

TRIP ARBL DP+CP 600 Mart 800 1000 1200

Limite de escoamento inferior (MPa)

Figura 3.1 Relao entre alongamento e limite de escoamento de vrios aos de baixa, alta e ultra alta resistncia(4).

A figura 3.1, adaptada do consrcio ULSAB, mostra os tipos e classificao dos aos em funo da resistncia mecnica e ductilidade, atualmente disposio da indstria automotiva. Dentro desta classificao esto os aos de menor resistncia mecnica, caracterizados pelo limite de escoamento inferior a 210 MPa, associados maior ductilidade, adequados estampagem. Em outro extremo do grfico, observam-se os aos de ultra alta resistncia (Ultra High Strength Steels UHSS) com limite de escoamento superior a 550 MPa e, entre estas duas classes, os de alta resistncia convencionais (High Strength Steels HSS) onde est inserida a famlia dos aos de alta resistncia e baixa liga (ARBL)(4). A classe de 340 MPa de limite de escoamento mnimo, microligado ao Nb laminado a frio, assunto deste estudo. Os aos ARBL possuem limite de escoamento entre 250 e 650 MPa(4), com razo elstica (LE/LR) entre 0,75 a 0,85, microrestrutura ferritaperlita e adies de elementos microligantes como Nb, Ti ou V que, combinados com o carbono (C) e/ou nitrognio (N), precipitam formando partculas de segunda fase, ou ficam em soluo slida, promovendo um aumento da resistncia mecnica. So aos de teores de carbono entre 0,04 e 0,08%, conforme norma SEW094:1987, e o nvel de resistncia mecnica conseguido por um tamanho de gro extremamente fino, associado precipitao de carbonitretos e um endurecimento adicional por soluo slida atravs da adio de fsforo (P), mangans (Mn) e silcio (Si)(9). Vrios graus destes produtos esto sendo produzidas atravs do recozimento contnuo, associando resistncia, conformabilidade e qualidade superficial(10).

23

As propriedades mecnicas dos aos ARBL laminados a frio e recozidos so determinadas no s pela composio qumica mas tambm pelos parmetros de processamento tais como reduo a frio, temperatura de recristalizao no recozimento, em caixa ou contnuo, e deformaes no passe de encruamento. Estes principais parmetros influenciam diretamente na microestrutura e nas propriedades mecnicas destes aos. Alm disso, o controle de temperaturas na laminao a quente tambm mostra uma influncia significativa nas propriedades finais da tira laminada a frio(11).

3.2 Mecanismos de endurecimentoAs propriedades mecnicas dos aos ARBL resultam de diferentes mecanismos de endurecimento envolvidos durante sua fabricao(12). Os mecanismos utilizados para esses aos so a soluo slida, refino de gro, precipitao de segunda fase e o endurecimento por deslocaes.

3.2.1 Endurecimento por soluo slidaO endurecimento por soluo slida obtido atravs de tomos de soluto, que permanecem em soluo numa rede de solvente. Tais elementos aumentam tanto o limite de escoamento quanto o de resistncia e o efeito depende largamente da diferena de tamanho atmico entre o elemento e o ferro. As concentraes dos solutos afetam diretamente a resistncia dos materiais(13).

A explicao de como a resistncia do metal puro aumentada pela presena em soluo de outro elemento baseada em mecanismos que dificultam a movimentao das deslocaes no interior do cristal, exigindo assim maior tenso para ser realizada(14) .

Para os aos endurecveis por soluo slida os elementos geralmente utilizados so o fsforo (P), silcio (Si) e mangans (Mn), face s suas elevadas taxas de aumento do limite de escoamento de aos de baixo carbono, conforme pode ser visto na figura 3.2(13).

24

Incremento no Limite de Escoamento, MPa

+ 300

C eN P

+ 225Silcio

+ 150Cobre Mangans Molibdnio

+ 75

0Nquel e Alumnio

- 75 0,5 1,0 1,5 2,0 Elemento de Liga, % em massa 2,5

Figura 3.2 - Efeito das adies de solutos no aumento do LE pelo mecanismo de endurecimento por soluo slida(13).

3.2.2 Endurecimento por refino de groO tamanho de gro, ou dimetro mdio de gro, em um metal policristalino influencia as suas propriedades mecnicas. Um material com granulao fina mais resistente do que um material que possui granulao grosseira, uma vez que o primeiro possui uma maior rea total de contorno de gros para dificultar o movimento das deslocaes(15). Hall e Petch(14) determinaram uma relao emprica entre o limite de escoamento de vrios metais e ligas com o tamanho de gro (d), dada pela equao 3.1:

e = 1+ Ky . d-1/2 ,

(eq. 3.1)

onde: e o limite de escoamento; 1 a tenso de atrito que se ope ao movimento das deslocaes; Ky, um fator que fornece a medida do bloqueamento das deslocaes pelos contornos de gro e d o dimetro mdio dos gros. Goodman(10) confirma a equao de Hall-Petch, mostrando o efeito do tamanho de gro ferrtico no limite de escoamento de aos microligados ao Nb, conforme

observado na figura 3.3.

25

TG ASTM 9 10 11 12 13 500

70 BaseLimite de Escoamento, Ksi

Deformao a Frio: 50% 0,030% Nb 0,060% Nb 70%

60

0,085% Nb 0,100% Nb

400

50 Ao de Base y = 0 + Ky . d 40 7 8 9 10 11- -

300-

ky = 16,5MPa/mm 0 = 115MPa 12 13-

14

15

16

17

d ,MPa/mm

Figura 3.3 Relao entre o tamanho de gro e limite de escoamento para aos microligados ao Nb(10).

O ganho de resistncia verificado nos aos ARBL laminados a quente tambm associado ao refino de gros ferrticos, pela habilidade das partculas de precipitados em retardar a recristalizao da austenita e, por conseqncia, o seu crescimento, resultando em gros mais finos.

J nos laminados a frio, refinadores de gros, como por exemplo Nb, V e Ti nos aos carbono, agem no tamanho de gro de ligas recristalizadas aps a laminao a frio, no deixando que os gros cresam muito.

O Nb destaca-se devido sua influncia nos limites de escoamento e resistncia, predominantemente por refino de gro comparado aos outros microligantes, Ti e V, cujo endurecimento por precipitao predominante, conforme pode ser visualizado atravs da figura 3.4(16).

Limite de Escoamento, MPa

26

Ao NbLimite de escoamento LE e limite de resistncia LR (MPa)

Ao Ti

600 500 400 300 200 100 0 0,00 600 500 400 300 200 100 LE 0,05 0,10 0,15Refino de gro Endurecimento por precipitao

LR

000,00 0,05 Nb ou Ti (%) 0,10 0,15

Figura 3.4 Mecanismos de endurecimento em aos microligados ARBL(16).

3.2.3 Endurecimento por precipitaoOs precipitados so obstculos que modificam as propriedades mecnicas do material, por restringirem o movimento das deslocaes durante a deformao plstica. Esse mecanismo aumenta consideravelmente o limite de escoamento do material, elevando a razo elstica (LE/LR). Neste caso, o aumento da resistncia depender de fatores como espaamento, tamanho, forma, quantidade, distribuio e coerncia destas partculas(14).

Aos ao Nb, caso sejam aquecidos a mais alta temperatura de austenitizao, tambm endurecem por precipitao, em que mais carbonitretos de nibio Nb(CN) sejam dissolvidos, para precipitarem posteriormente durante a laminao a quente, mantendo o fino tamanho de gro tanto da austenita quanto na subseqente transformao ferrtica.

J na condio de laminado a frio e recozido continuamente, conforme figura 3.5, o aumento no teor de Nb promove aumento da resistncia, principalmente pelo mecanismo de endurecimento por precipitao (Yppt), uma vez que a contribuio por

27

tamanho de gro (Ygs) se manteve constante, na temperatura de encharque testada(17).

Figura 3.5 Contribuio dos mecanismos de endurecimento a) tamanho de gro (Ygs) e b) precipitao (Yppt), em aos microligados ao Nb nas condies de laminado a quente e laminado a frio e recozido(17).

3.2.4 Endurecimento por aumento da densidade de deslocaesO contorno de gro, alm de funcionar como barreira ao movimento de deslocaes, pode ser tambm uma fonte de gerao de deslocaes, podendo assim promover o aumento de sua densidade(18).

A tenso necessria para manter um material deformado plasticamente denominada tenso de fluxo f. A f correlaciona-se com o aumento da densidade de deslocaes, conforme equao 3.2(13):

28

f = 0 + K.-1/2,

(eq. 3.2)

onde f tenso de fluxo, 0 a tenso de fluxo relacionada a outros mecanismos de endurecimento, k uma constante dependente do mdulo de cisalhamento e do vetor de Burgers e a densidade de deslocaes.

No caso dos aos laminados a frio, esse mecanismo, importante porm acarreta perda de ductilidade e por esse motivo os aos nessa condio so geralmente recozidos.

Para os aos recozidos e encruados no SPM (Skin Pass Mill), o parmetro controlador do fenmeno da deformao a densidade de deslocaes mveis, cuja abordagem completa est apresentada no item 3.5.5.

3.3 - Efeito da composio qumica nas propriedades mecnicasO efeito da composio qumica est ligado aos mecanismos de endurecimento por precipitao e refino de gros, atravs dos microligantes, tais como Nb, Ti, V, em associao com o endurecimento por soluo slida devido s adies de P, Si, Mn(6).

O aumento do LE dos aos ARBL laminados a quente em decorrncia das adies de Nb e V pode ser visto atravs da figura 3.6. Isto se deve no apenas ao endurecimento por precipitao, motivado pela maior frao volumtrica de precipitados, mas tambm ao refinamento de gros ferrticos, dada habilidade das partculas de precipitados em retardar a recristalizao da austenita(6).

29

500Limite de Escoamento, MPa

Nb

450 V (0,01 %N) 400 350

300 0,06P, 0,02 0,04 0,50Si 0,40Mn

0,08 0,06 Nb ou V, %

Figura 3.6 - Efeito das adies de Nb ou V no limite de escoamento de aos ARBL laminados a quente (temperatura de bobinamento 620C)(6).

O refino de gro faz com que a resistncia mecnica destes materiais seja altamente dependente da frao volumtrica dos precipitados, e consequentemente, das concentraes destes elementos(19).

Na condio do ao laminado a frio e recozido continuamente, o papel dos microligantes similar quele desempenhado no laminado a quente, via

endurecimento por precipitao e refino de gro. Contudo, devido ao processo de recristalizao no recozimento (em caixa ou contnuo), que necessrio aps a laminao a frio, o valor absoluto resultante do endurecimento significativamente inferior ao obtido na condio de laminado quente, para a mesma composio qumica(16,20), dependendo basicamente das condies operacionais na laminao a frio, que so bastante dependentes dos ciclos trmicos no recozimento, conforme ser abordado no item 3.5. Pradhan(20) e Goodman(9) observaram os efeitos das adies de Nb, V e Ti nas variaes dos limites de escoamento e de resistncia dos aos ARBL, aps processamento no recozimento contnuo, e concluram que aumentando os teores destas ligas, aumentam-se os valores de escoamento e resistncia destes aos, pelos mecanismos atuantes da precipitao e/ou refino de gro, conforme pode ser visto atravs das figuras 3.7 e 3.8.

30

550Limite de Escoamento, MPa

500

Nb

450 V 400 0,06 P, 0,50 Si, 0,40 Mn 350 0,02 0,04 Nb , V (%) 0,06 0,08

Figura 3.7 - Efeito da adio de Nb e V no limite de escoamento de aos ARBL laminados a frio (temperatura de recozimento 760C)(20).

Limite de resistncia

500(MPa)

Limite de escoamento 400 Reduo a frio 50% 70% 300 0 0.08 Ti (%) 0.16

Figura 3.8 -

Efeito da adio de Ti nos limites de escoamento e de resistncia de

aos ARBL laminados a frio (temperatura de recozimento=760C)(9).

Embora as adies destas ligas promovam um aumento nos limites de escoamento e de resistncia, percebe-se que as taxas com que estas tenses aumentam, decrescem medida que se elevam as concentraes destes elementos. Evidenciase, com isto, a necessidade de se controlar a composio qumica dentro de faixas bastante estreitas(21).

Quanto ao aumento adicional de resistncia, conseguido atravs dos elementos que promovem endurecimento por soluo slida (P, Si e Mn), vrios autores(22,23,24) j mostraram, genericamente, os efeitos destes elementos nos aos de alta resistncia.

31

Pradhan(6) mostrou atravs da figura 3.9 que para aos microligados ao Nb e Nb-V, laminados a quente, cada adio de 0,1% de Mn ir provocar um aumento linear no limite de escoamento da ordem de 10,5 MPa, na forma de contribuio geral ao limite de escoamento, independente do mecanismo operante.

600Limite de Escoamento, MPa

0,06P, 0,04Nb, 0,085V 550 500 0,06P, 0,04Nb 450 400 0,5 1,0 Mn, % 1,5 2,0

Figura 3.9- Efeito da adio de Mn ao limite de escoamento em ao microligado ao Nb e Nb-V laminado a quente (temperatura de bobinamento = 620C)(6).

A variao do limite de escoamento com a concentrao de Mn no ao ARBL, aps processamento no recozimento contnuo, mostrada na figura 3.10. Para os aos microligados ao Nb e Nb-V o aumento do limite de escoamento, com adio de Mn, se d pelo efeito do endurecimento por soluo slida e este da ordem de 3,4 MPa para cada 0,1% de Mn adicionado. Mais uma vez, o aumento linear, evidenciando que os efeitos nas laminaes a quente e a frio so equivalentes(20). Vale ressaltar que estes resultados foram obtidos em materiais recozidos, sem nenhum tipo de pr-deformao no laminador de encruamento (SPM).Limite de escoamento, MPa

550 0,06P, 0,04Nb, 0,085V

500 450

0,06P, 0,04Nb 400

0,5

1,0 Mn, %

1,5

2,0

Figura 3.10 - Efeito da adio de Mn no LE de aos ARBL laminados a frio e processados no recozimento contnuo, temperatura de 815C(20).

32

3.4 Laminao a quenteA obteno de propriedades mecnicas adequadas aos aos de alta resistncia depende tanto da composio qumica quanto das condies de processamento industrial. No caso especfico dos aos ARBL, a importncia das variveis operacionais torna-se ainda mais significativa, em funo da multiplicidade de mecanismos de endurecimento envolvidos (soluo slida, precipitao, refino de gros e densidade de deslocaes).

O fluxo produtivo da laminao de tiras a quente envolve o reaquecimento de placas, redues sucessivas de espessura no laminador, controle da temperatura final de acabamento, resfriamento na mesa de sada e controle da temperatura final de bobinamento. Atravs da combinao dessas etapas, faixas atrativas de propriedades so obtidas para os aos ARBL. Trs so as variveis de maior efeito nas propriedades de trao da tira laminada a quente, alm da deformao imposta ao material(25).

temperatura de reaquecimento de placas; temperatura de acabamento; temperatura de bobinamento.

3.4.1 Temperatura de reaquecimento de placasSua funo, alm de austenitizar o ao para o processo de laminao, inclui dissolver carbonetos e nitretos que sero precipitados mais tarde, nas etapas subseqentes do processo de laminao. Os gros austenticos estaro suficientemente coalescidos e sero refinados durante a conformao a quente para produzirem um tamanho de gro ferrtico adequado(26).

A figura 3.11 mostra a solubilidade de vrios carbonetos e nitretos na austenita. evidente que existem muitos compostos, desde muito estveis ou altamente insolveis, como o nitreto de titnio, at muito solveis como o carboneto de vandio. Durante o reaquecimento do ao, uma disperso de finas partculas de carbonitretos atua para ancorar os contornos de gros da austenita, prevenindo seu crescimento. Portanto, para uma temperatura suficientemente alta e/ou tempo suficientemente

33

longo, o efeito de ancoragem diminui pela dissoluo das partculas e ocorre o coalescimento dos gros austenticos(26).TEMPERATURA FPRODUTO DA SOLUBILIDADE (% PESO A/ % PESO B)

1400 1600 1800 2000 2200VC

10

-1

TiC

10 10

-2

NbC VN NbN

-3

AIN

10 10

-4

BN

-5

10

-6

TiN

10 700

-7

900

1100

1300

TEMPERATURA C

Figura 3.11 Produtos de solubilidade de vrios carbonetos e nitretos na austenita(26). Existem contradies na literatura, mas Panigrahi(5) concluiu que aumentando a temperatura de reaquecimento de placas, poder haver um aumento marginal no LE em aos microligados ao Nb, quando reaquecidos a uma temperatura acima da dissoluo de Nb(CN). Os precipitados dissolvidos antes de alcanarem a temperatura de dissoluo podero reprecipitar e gerar endurecimento por precipitao. Em casos de excessos na temperatura de dissoluo, poder haver excessivo coalescimento do tamanho de gro austentico e, por conseqncia, reduo no LE. Patel et al(25) concluram, baseados tanto em testes de laboratrio quanto na produo industrial, que baixas temperaturas de reaquecimento de placas resultam na reduo da resistncia para tiras de ao ARBL microligados ao Nb, justificada em parte pela no dissoluo de precipitados que, portanto, no contribuiro para o endurecimento final por precipitao.

34

3.4.2 Temperatura de acabamento um parmetro importante que tambm exerce influncia no produto laminado a frio. A temperatura de acabamento normalmente utilizada para controlar o tamanho de gro austentico e a precipitao de carbonitretos. Por sua vez, estabelece a granulao ferrtica bastante fina encontrada nestes aos. A temperaturas elevadas, bastante acima da temperatura Ar3 (temperatura de incio da transformao da fase austenita para ferrita), alm dos elementos formadores de carbonetos, nitretos ou carbonitretos estarem em soluo slida (figura 3.11), o tamanho de gro austentico torna-se muito grande. A temperaturas mais baixas, prximas temperatura Ar3, finos precipitados iro se formar a partir da austenita, devido reduzida solubilidade dos solutos a baixas temperaturas. Estes precipitados inibem o crescimento de gro austentico ou at mesmo a recristalizao(25,27).

A intensidade deste efeito depende, no entanto, da concentrao de elementos de liga, da quantidade de deformao e da temperatura de laminao. Em casos extremos, os gros de austenita tornam-se altamente deformados e alongados. Durante o resfriamento atravs do campo bifsico ferrita/austenita, os gros de ferrita se formam nos contornos de gros da austenita no recristalizada e, como resultado, so produzidos aos ARBL com tamanho de gro bastante fino(25,27).

3.4.3 Temperatura de bobinamentoA temperatura de bobinamento outro parmetro que afeta significativamente o produto final laminado a frio. Baixas temperaturas produzem precipitados finos e aleatoriamente distribudos, que elevam a temperatura de recristalizao durante a etapa do recozimento, tendendo com isto aumentar a resistncia do produto final(28). Por outro lado, o aumento da temperatura de bobinamento leva a uma diminuio da temperatura de recristalizao, pelo decrscimo da frao volumtrica de carbonetos e pelo atraso na sua dissoluo (devido ao tamanho grosseiro dos mesmos). Para aos de alta resistncia contendo Nb, Pradhan et al(6) mostraram que a temperatura de bobinamento na qual o endurecimento por precipitao mximo de aproximadamente 620C. Acima desta temperatura, o coalescimento dos carbonitretos

35

de Nb tende diminuir o efeito de endurecimento por precipitao, refletindo em queda no LE(6,19).

A figura 3.12 mostra o efeito da temperatura de bobinamento na variao do LE, para aos contendo Nb, com diferentes concentraes de Mn. Para nveis de Mn < 1,0%, observa-se um ligeiro decrscimo no limite de escoamento causado pelo aumento da temperatura de bobinamento, principalmente acima de 620C. Para nveis Mn > 1,0%, a queda foi mais pronunciada e atribuda no s ao decrscimo do efeito do endurecimento por precipitao, bem como ao aumento de tamanho do gro ferrtico(20).

600 % Mn = 1,6Limite de escoamento, MPa

550 1,3 4 0,9 0,4

500

450

400 0,06 P, 0,04 Nb 350

550

600 650 700 Temperatura de bobinamento, C

750

Figura 3.12 - Efeito da temperatura de bobinamento no limite de escoamento de aos ARBL microligados com Nb, na condio laminado a quente, com diferentes concentraes de Mn(20).

3.5 Laminao a FrioOs produtos de aos ARBL laminados a frio so largamente aplicados principalmente no segmento automotivo, em componentes estruturais, face s boas condies de superfcie, alta preciso dimensional e conformabilidade. Os aos laminados a frio so recozidos (recristalizados) aps deformao a frio(29).

36

O fluxo produtivo de aos ARBL na laminao a frio envolve alm do processo de decapagem (remoo de xidos), deformao a frio, recozimento (em caixa ou contnuo), deformaes no encruamento e finalmente, acabamento e expedio.

As propriedades dos aos microligados laminados a frio e recozidos, so determinadas pela composio qumica e tambm so fortemente influenciadas pelos parmetros de processo da laminao a frio. A deformao a frio, a recristalizao no recozimento em caixa ou contnuo, seguida de deformaes no encruamento (SPM), so parmetros importantes do processo que influenciam a microestrutura e as propriedades mecnica do material. No obstante, conforme j citado anteriormente, o controle de temperatura na laminao a quente, exerce uma significativa influncia nos resultados de propriedades obtidas dos laminados a frio(11).

As mudanas nas propriedades mecnicas desde o laminado a quente at o laminado a frio e recozido requerem que o efeito de endurecimento no processamento da laminao a quente seja maximizado, de modo a prever perdas de resistncia que podem ser atribudas ao amaciamento pelo efeito da recristalizao e no coalescimento de precipitados a altas temperaturas e tempos longos de encharque(6,19,16).

A figura 3.13 ilustra estas variaes do limite de escoamento, nas condies de laminado a quente e laminado a frio recozido.

Limite Escoamento Laminado a Frio, MPa

441

392

Deformao a Frio Smbolos abertos 55% Smbolos fechados 70% Aos 0,02% Nb 0,04% Nb 0,06% Nb Linha de Equivalncia

343

294

343

392

441

Limite Escoamento Bobina a Quente, MPa

Figura 3.13 - Comparao entre os limites de escoamento de aos ARBL, nas condies laminado a quente e laminado a frio e recozido(19).

37

3.5.1 Deformao a frioA funo principal da deformao a frio obter uma espessura adequada de produto e fornecer energia suficiente para que o material seja recristalizado na etapa posterior de recozimento. A quantidade de deformao a frio afeta os valores de propriedades mecnicas do material, por alterar as condies de recristalizao destes aos no recozimento(30). Uma ilustrao da influncia da deformao a frio e da temperatura de encharque nas propriedades mecnicas de trao mostrado na figura 3.14. Observa-se que as mais diferentes propriedades mecnicas podem ser obtidas dependendo do grau de deformao a frio e da temperatura de recozimento adotada. A escolha de uma determinada combinao de deformao a frio (45 a 75%) e temperatura de recozimento (720 a 840C) pode determinar resistncias que variam de 420 a 700 MPa(11).700 C: 0,07%Limite de resistncia MPa

Nb: 0,04%

Deformao a frio:

45% 600

60% 500 75%

400 720 780 760 800 740 Temperatura de recozimento C 820 840

Figura 3.14 Efeito da deformao a frio e temperatura de recozimento no limite de resistncia do ao microligado ao Nb(11).

3.5.2 Recristalizao de aos ao NbA influncia da deformao a frio na variao da temperatura de recristalizao, para aos microligados com diferentes concentraes de Nb, mostrada na figura 3.15. Observa-se que uma elevao no grau de deformao de 50% para 70% reduz em aproximadamente 20C a temperatura de recristalizao destes aos(17).

38

Temp. Final de Recristalizao C

750 50% deformao a frio

700

70% deformao a frio 650 0,01

Nb V 0,07

0,03 0,05 Nibio ou Vandio % em peso

Figura 3.15 Influncia do teor de ligas na temperatura final de recristalizao de aos ARBL, processados com diferentes nveis de deformao a frio(17).

A variao da temperatura de recristalizao afeta as propriedades mecnicas deste material, principalmente o limite de escoamento. A Figura 3.16 ilustra esta influncia, mostrando a variao do limite de escoamento com a deformao a frio, aps recozimento a 760C por 1 minuto. Nota-se que a mesma variao da taxa de reduo citada anteriormente (50% para 70%), provoca um acrscimo de aproximadamente 20 MPa no LE (para aos contendo Nb). A elevao no nvel de deformao a frio faz com que haja um aumento na nucleao e como conseqncia, obtm-se uma

estrutura mais refinada, afetando significativamente as propriedades mecnicas.Deformao a FrioLimite de Escoamento MPa

500

70% 50%

Nb

450 V

400

350 0 0,02 0,04 0,06 % em peso de Nb ou V 0,08

Figura 3.16 Efeito da deformao a frio no limite de escoamento de aos contendo Nb, recozidos continuamente a uma temperatura de 760C, por 1 min(17).

39

A deformao a frio no foi uma varivel de investigao neste estudo, contudo foram observadas na literatura contradies quanto ao seu efeito na resistncia do material. H autores que mostraram que aumentando a deformao a frio, eleva-se o nvel de resistncia (figuras 3.13 e 3.16)(17,19) e outros mostraram o contrrio (figuras 3.8 e 3.14)(9,11). Por no fazer parte do escopo deste trabalho, recomenda-se que este tema seja investigado no futuro.

Aps laminao a frio, as chapas de ao encontram-se com dureza elevada (estado encruado), e o nvel de resistncia mecnica ser tanto maior quanto mais alto for o percentual de reduo durante a laminao a frio. As chapas apresentam uma baixa ductilidade, o que as torna imprprias para os casos que exigem operao de conformao como, por exemplo, embutimento e estiramento. Para que estas operaes possam se tornar viveis, necessrio que estes materiais sejam amaciados, o que possvel atravs do tratamento trmico de recozimento (contnuo ou em caixa)(31).

Alm das consideraes econmicas, os resultados de processo para os aos ARBL no recozimento contnuo tm a vantagem de reduzir a disperso dos valores de propriedades mecnicas e fornecer valores mdios de propriedade mais altos, para a mesma composio qumica. Consequentemente, para se obter o mesmo valor de resistncia, o processo de recozimento contnuo do ao ARBL requer um projeto com menores adies de liga em comparao com o processo em caixa(16). A figura 3.17 apresenta uma comparao entre os dois processos, mostrando a variao do limite de escoamento em funo da concentrao de Nb nos aos ARBL. Independente do teor de liga, o processamento no recozimento contnuo provoca um aumento de aproximadamente de 60 MPa no limite de escoamento destes materiais.

40

Limite de escoamento, MPa

500

400 Recozimento contnuo, 760C Recozimento em caixa, 650C 300 0,02 0,04 0,06 % em peso de Nibio

Figura 3.17 Comparao entre os efeitos do recozimento contnuo e em caixa no limite de escoamento de aos ARBL(16) .

No recozimento contnuo, toda adio de ligas retarda a cintica de recristalizao, resultando no aumento da temperatura final de recristalizao (Rf). As figuras 3.18a e 3.18b mostram este efeito para aos ARBL, com diferentes concentraes de Nb, V e Mn, respectivamente. A influncia do Nb e V se passa atravs da capacidade dos precipitados em retardar a formao da estrutura celular durante a recuperao e estabilizar a estrutura de subgros recuperada. J no caso do Mn (figura 3.18b), o atraso na recristalizao ocorre devido drenagem de soluto para os precipitados e conseqente aumento da frao volumtrica destas partculas.

Temp. final de Recrist. C

Temp. final de Recrist. C

750

850 0,06P, 0,04Nb, 0,85V 800 0,06P, 0,04Nb 750

700

650

0,06P, 0,50Si, 0,40Mn Nb V

600 0,02 0,04 0,06 % de Nb ou V 0,08

700 0,5 1,0 Mn % 1,5 2,0

(a)

(b)

Figura 3.18 Efeito das adies de ligas na temperatura final de recristalizao: (a) Nb e V; (b) Mn(6).

41

3.5.3 Ciclo trmico do recozimento contnuo para o ao microligadoO ciclo de recozimento contnuo esquematicamente descrito conforme a figura 3.19(31).Temperatura (C)

2 3

1 - Aquecimento 2 - Encharque 3 - Resfriamento Lento 4 - Resfriamento Primrio 5 - Superenvelhecimento 6 - Resfriamento Secundrio 4 5 6

1

Recozimento Contnuo

Tempo (s)

Figura 3.19 Ciclo trmico esquemtico do recozimento contnuo na Usiminas.

A etapa 1 representa o aquecimento do material desde a temperatura ambiente at a temperatura de encharque, taxa de aquecimento prximo de 10C/s, onde ocorre o fenmeno da recuperao. A etapa 2 consiste na manuteno do material em temperatura de encharque (entre 700 a 840C, conforme dimenses e necessidades operacionais) por 30 a 40 segundos. Dependendo das condies do processo, pode ento ocorrer a recristalizao seguida de crescimento de gro, que uma das determinantes das propriedades finais do produto laminado a frio.

J a etapa 3, chamada de resfriamento lento, realizada a partir da temperatura de encharque at cerca de 675C, taxa resfriamento em torno de 15C/s. Nesta etapa ocorre a homogeneizao da precipitao.

As etapas 4 e 5, resfriamento rpido e superenvelhecimento, respectivamente, conforme Barbosa et al(21), exercem menor influncia nas propriedades mecnicas destes aos.

A etapa 6 representa o resfriamento secundrio, onde o material resfriado at aproximadamente 160C, no ocorrendo qualquer transformao. Em seguida o material resfriado atravs de jatos e imerso em gua at uma temperatura prxima

42

de 45C e passa por um secador, estando ento, encruamento.

pronto para a laminao de

3.5.4 Influncia do encharque nas propriedades de traoSegundo Barbosa et al(21), que avaliaram as etapas de recozimento contnuo

(encharque, resfriamento primrio e superenvelhecimento) para o ao ARBL microligado ao Nb da classe de 340 MPa de limite de escoamento mnimo, a temperatura de encharque exerce a maior influncia sobre as propriedades desse ao (figura 3.20). Para tanto, foram simulados diferentes ciclos de recozimento em escala piloto, utilizando-se uma mquina de ensaios termomecnicos (Gleeble). Nesta etapa, o aumento da temperatura promoveu quedas nos limites de escoamento, resistncia e aumentou o alongamento total. No se notou nenhuma alterao significativa no tamanho de gro ferrtico e sugere-se que haja, neste caso, contribuies de outros mecanismos para explicar esta grande sensibilidade das propriedades mecnicas s variaes de temperatura e tempo de encharque. Uma destas influncias apontadas foi o coalescimento de precipitados durante a etapa de encharque.

600MPaLR LE

500 450 400 750

AL (%)

550

30 28 26 24 22 20 750 780 810 Temperatura de Encharque C AL-30s AL-40s

780

810

Temperatura de Encharque C LE-30s LE-40s LR-30s LR-40s

a) Limite de escoamento e resistncia

b) Alongamento total

Figura 3.20 Influncia da temperatura e do tempo de encharque do ao ARBL da classe de 340 MPa de LE mnimo, processado no recozimento contnuo: a) Limites de escoamento e resistncia e b) Alongamento total(21).

As figuras 3.21a e 3.21b mostram o efeito da temperatura de recozimento nas propriedades mecnicas (LE, LR e AL) de aos microligados com a seguinte composio: C=0,09%; Mn=0,90%; P=0,05%; Al=0,06%, contendo diferentes

concentraes de Nb, e laminados com taxas de reduo a frio de 70% e 55%,

43

respectivamente. Observa-se uma

diminuio nos limites de escoamento e de

resistncia, e um aumento no alongamento total, com o aumento da temperatura de recozimento, como conseqncia do aumento da frao recristalizada(19).

0,02%Nb 441Resistncia (MPa)

0,04%Nb

0,06%Nb

292 LR 343 LE

294Along. (%)

40 AL 20

a)750 441Resistncia (MPa)

800

850

750

800

850

750

800

850

0,02%Nb

0,04%Nb

0,06%Nb

392 LR 343

294Along. (%)

LE

40 AL 20

b)750 800 850 750 800 850 750 800 850 Temperatura de Recozimento (C)

Figura 3.21 Efeito da temperatura de recozimento nas propriedades mecnicas de aos ARBL, com diferentes deformaes a frio: (a) 70% e (b) 55%(19).

O aumento na concentrao de Nb provoca, de uma maneira geral, aumentos nos limites de escoamento e resistncia e queda no alongamento total. Como exemplo, o aumento de 0,02% na concentrao de Nb, em aos completamente recristalizados, provoca um aumento de aproximadamente 35 MPa no limite de escoamento. O resultado est associado ao aumento da temperatura de recristalizao(19).

44

Goodman et al

(9)

, relataram resultados semelhantes para o efeito da temperatura de

recozimento nas propriedades mecnicas (LE, LR e AL), de aos microligados com a seguinte composio: C=0,06%; Mn=1,02%; P=0,008%; Al=0,04%, contendo

diferentes concentraes de Nb, e laminados com deformaes a frio de 70% e 50%. Um aumento da temperatura de 730 a 760C , resultou em LE de 470 a 435 MPa e LR de 515 a 485 MPa respectivamente. J com um aumento de temperatura para 850C, o decrscimo no LE e LR foi de aproximadamente 55 MPa. Quanto ao alongamento total, passou de 21% para 31% quando a temperatura foi elevada de 700C para 850C. Em funo de no terem sido observadas mudanas apreciveis no tamanho de gro ferrtico causadas pelo aumento da temperatura de 730 a 850C, o decrscimo obtido da resistncia foi associado, principalmente, ao coalescimento de precipitados de carbonitretos de Nb. As figuras 3.22 e 3.23 ilustram estes comportamentos.600 550MPa

500 450 400 350 700 730 760 790 820 850 Temperatura de Encharque,C LE LR

Figura 3.22 Efeito da temperatura de recozimento no limite de escoamento de ao microligado (0,03% Nb) e 70% deformao a frio, tempo de recozimento 1 min(9).

33 31 29AL (%)

27 25 23 21 19 700 730 760 790 820 850 Te m pera tura de Encha rque ,C

Figura 3.23 Efeito da temperatura de recozimento no alongamento total de ao microligado (0,03% Nb) e 70% de deformao a frio e tempo de recozimento 1 min(9).

45

3.5.5 Laminao de encruamentoA laminao de encruamento ou passe de encruamento, tambm conhecida como skin pass ou temper rolling, uma das etapas importantes na fabricao de aos laminados a frio, uma vez que as propriedades mecnicas e geomtricas das chapas laminadas a frio so por ela influenciadas(32) . A distribuio de deformao ao longo da espessura para aos baixo carbono comuns heterognea aps a laminao de encruamento, e o nvel de deformao pequeno e concentrado na superfcie(33,34). Essa distribuio influenciada principalmente pelos seguintes parmetros: espessura e tamanho de gro; grau e velocidade de reduo; condies de atrito (influenciadas pelas texturas superficiais do cilindro e do material e pela utilizao de lubrificantes). A laminao de encruamento possui quatro finalidades bsicas: eliminao do patamar de escoamento (exceto para aos IF, Dual Phase e Trip)(35); ajuste ou adequao das propriedades mecnicas; transferncia de textura do cilindro para superfcie da chapa; correo de planicidade.

3.5.5.1 Limite de escoamento definidoOs aos de uma maneira geral, na condio recozida, apresentam um tipo de transio localizada heterognea, da deformao elstica para plstica, produzindo um escoamento descontnuo na curva tenso deformao (figura 3.24). Durante um ensaio de trao, a carga aplicada ao corpo de prova cresce constantemente com a deformao elstica at um ponto de mximo (limite superior de escoamento), cai repentinamente, flutuando em um valor aproximadamente constante (limite inferior de escoamento), e depois cresce com a continuao da deformao. A deformao que se verifica durante todo o escoamento descontnuo heterognea. No limite superior de escoamento, uma banda discreta do metal deformado aparece em um concentrador de tenses, tal qual um filete, e coincidentemente com a formao da banda a carga cai para o limite inferior. Estas bandas, chamadas de bandas de Lders, propagam-se ao longo do corpo de prova, causando o alongamento do

46

mesmo. Quando vrias bandas de Lders so formadas, a curva de escoamento no patamar de escoamento descontnuo (YPE) torna-se irregular, e cada perturbao da curva corresponde formao de uma nova banda. Depois da propagao das bandas de deformao por todo o comprimento da seo til do corpo de prova, o escoamento passa a crescer com a deformao de maneira usual, determinando o fim do alongamento no patamar de escoamento definido(14).

Tenso

YPE

Deformao

Figura 3.24 Comportamento tpico do limite de escoamento descontnuo.

A tenso de escoamento a soma da tenso necessria para ativar uma fonte de deslocaes com as demais tenses necessrias para movimentar as deslocaes ancoradas(18). A explicao para este fenmeno veio da teoria de Cottrell(36)

, onde as

fontes de deslocaes so bloqueadas pela interao com tomos de soluto, C e N em soluo slida. Quando uma deslocao arrancada da influncia do soluto, o seu movimento passa a ocorrer a tenses mais baixas (figura 3.25). Isto significa que o limite inferior de escoamento representa a tenso necessria para movimentar deslocaes j liberadas de suas atmosferas (pela tenso adicional do limite superior de escoamento). Alm disto, novas deslocaes tambm so geradas para permitir a tenso de escoamento cair. Portanto, o escoamento descontnuo ocorre como resultado da liberao das deslocaes bloqueadas (atravs de altas tenses), ou pela criao de outras nos pontos de concentrao de tenses. As deslocaes que ficam livres para se movimentarem no plano de deslizamento do material empilham-se nos contornos de gro. Este empilhamento produz uma concentrao de tenso na ponta do empilhamento, a qual se combina com a tenso aplicada no gro vizinho para

47

liberar as fontes (ou criar novas deslocaes), e dessa maneira uma banda de Lders se propaga pelo material. Desta forma, a magnitude do efeito do escoamento descontnuo depender da energia de interao e da concentrao de tomos de soluto nas deslocaes(14).

Atmosfera de Cottrell

Atmosfera de Cottrell tomos intersticiais, C e N, em soluo slida na matriz, com condies cinticas e termodinmicas favorveis, tendem a migrar para as deslocaes, bloqueando-as.

Figura 3.25 Interao entre solutos e deslocaes.

3.5.5.2 Supresso do patamar de escoamento definidoConforme citado anteriormente, umas das principais finalidades da laminao de encruamento a eliminao do patamar de escoamento. Sua eliminao est vinculada ao fato de que, caso ela no seja realizada, o material apresenta o defeito chamado de estrias, tambm conhecido como linhas ou bandas de Lders (Lders bands ou Stretcher strains). No ensaio de trao, esse fenmeno ocorre precisamente ao atingir o patamar de escoamento definido. Para eliminao desse defeito utilizado um passe de encruamento que produz na tira uma grande quantidade de ncleos de bandas de Lders atravs do contato entre os cilindros e a chapa. Estas bandas iniciam-se na superfcie da chapa paralelamente ao eixo do cilindro e se propagam em direo ao centro do material com uma inclinao de aproximadamente 45. O resultado do processo, assim como o ensaio de trao, uma distribuio de deformaes bastante heterognea, consistindo em zonas deformadas, alternando com zonas no deformadas plasticamente (figura 3.26). Com maiores deformaes as zonas no deformadas se dissipam dando lugar a uma estrutura de deslocao uniforme e favorecido o processamento do ao nas aplicaes subseqentes(32,33,37). Quando o metal estampado, estas pequenas bandas crescem, mas, devido seus

48

reduzidos tamanhos e grandes proximidades, a irregularidade da superfcie resultante muito pequena e no perceptvel a olho humano.

A periodicidade das bandas resulta da repentina queda de tenso quando uma banda de deformao se forma. Logo aps, a deformao elstica aumenta at que uma nova banda seja formada. Vrios autores(34,37), estudaram este comportamento e concluram que a propagao das bandas de Lders depende do tamanho mdio do gro ferrtico; quanto mais fino, menor propagao para uma dada deformao no encruamento.

Direo de Laminao

45

R

Figura 3.26 - Propagao das bandas de deformaes(38).

3.5.5.3 Influncia das deformaes no encruamento sobre as propriedades de trao.A figura 3.27 mostra o comportamento do limite de escoamento e do comprimento do patamar de escoamento, quando submetidos a variaes de deformaes no encruamento. Conforme se pode notar, o limite de escoamento decresce com aumento da deformao, passa por mnimo e volta a crescer a partir de

aproximadamente 0,7%. Com relao ao patamar de escoamento, este vai diminuindo com aumento da deformao at ser totalmente eliminado. Um aspecto interessante observado na figura o fato do grau de encruamento no qual o LE mnimo ser bastante prximo do valor necessrio para a eliminao do patamar de escoamento definido.

49

256LE (MPa)

236 216 196 176 Ao AA

5,0YPE (%)

4,0 3,0 2,0 1,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Reduo no Encruamento (%)

Figura 3.27 Variao do limite de escoamento e da extenso do patamar de escoamento de um ao acalmado ao alumnio, submetido a nveis crescentes de reduo no passe de encruamento(39). Conforme Goodman(9), chapas de ao recozidas (recristalizadas) exibem o patamar de escoamento (YPE) na faixa de 4,5 a 8,0% (o valor mais alto est associado com o teste de trao transversal para aos contendo Nb). Experincias do autor mostraram que para eliminar o patamar de escoamento necessrio 1,5 a 2,0% de deformao no encruamento para chapas de ao recristalizadas, contendo Nb e Ti. Chang(40) estudou o comportamento de aos dual phase (DP) baixo carbono, recozidos continuamente e submetidos vrias temperaturas de overaging. Mostrou que acima de 150C de overaging, estes aos apresentaram YPE entre 5% e 8% e ao submetlos a deformaes no SPM, eles tiveram comportamento que o autor(40) descreveu como similar aos aos carbono comum e HSLA e desta forma, sugeriu que o mecanismo para explicar o efeito do SPM no LE, provavelmente fosse o mesmo, independente da microestrutura.

A figura 3.28, ilustra este comportamento, cujo valor de LE decresce sob influncia da deformao inicial no SPM at 1,0%, onde o YPE foi totalmente removido e ento,

50

assume a trajetria de crescimento quando submetido a maiores nveis de deformao.410 380LE (MPa)

350 320 290 0,0 0,5 1,0 2,0 3,0 4,0 SPM (%)

Figura 3.28 Efeito do SPM no LE de um ao dual phase 0,05%C, recozido continuamente aps 599C de overaging por 1 minuto (temperatura de encharque 816C por 1 minuto) (40). Lake(34) tambm mostrou (figura 3.29), o comportamento de limite de escoamento (LE) e das deformaes no patamar de escoamento (YPE), para um ao capeado submetido a variaes de deformaes no encruamento (SPM).6 300Escoamento contnuo Escoamento Descontnuo

5

280

4 3 2 YPE (%)

260 LE (MPa) 240

Transio

1

220

0

200 0 1 2 SPM(%) 3 4

Figura 3.29 Limite de escoamento (smbolos fechados) e deformaes no patamar de escoamento (smbolos abertos) em funo do grau de deformao aplicado no

51

laminador de encruamento de um ao capeado (C:0,06%; Mn: 0,33%; S: 0,017%; N:0,002%(34). Conforme a figura 3.29, o limite de escoamento decresce sob influncia de pequenas deformaes no encruamento (SPM) e ento, permanece constante at o incio de formao da poro curva do YPE. J o patamar de escoamento diminui rapidamente com o aumento da deformao no encruamento at o valor de reduo em que o LE se torna constante; a partir da , diminui lentamente e linearmente at atingir o valor zero.

O autor caracterizou 3 regies conforme apresentado na figura 3.29: Regio de escoamento descontnuo caracterizada pelas redues tanto do LE

quanto do YPE, cujo aspecto da curva tenso deformao, representado na figura 3.30 pelas curvas A e B. Regio de transio caracteriza pela transio do escoamento descontnuo para o contnuo, onde o YPE decresce linearmente e o LE se mantm constante, curva C da figura 3.30. Regio de escoamento contnuo caracteriza pelo fim do patamar de escoamento

e elevao do LE, curva D da figura 3.30.

A

B

C

D

Figura 3.30 - Mudanas da deformao no patamar de escoamento e do limite de escoamento com aumento de deformaes no SPM(34).

52

Nas regies de escoamento descontnuo e de transio, o limite de escoamento pode ser entendido atravs da seguinte equao(34): = el . V . 2 / S, (eq.3.3)

onde: = Taxa de deformao;el = Deformao das bandas de Lders; V = Velocidade das bandas de Lders; S = Espaamento entre as bandas de Lders. O espaamento das bandas de Lders determinado por anlises metalogrficas e influenciado pelo efeito da frico entre o cilindro e a tira e aumenta com o dimetro do cilindro. Quanto maior S, maior ser a quantidade requerida de reduo no encruamento para supresso do patamar de escoamento. A figura 3.31 mostra o comportamento do espaamento entre as bandas de Lders com a variao da deformao no SPM(34).

0.5 0.4S (mm)

0.3 0.2 0.1

0

0.5

1.0SPM (%)

1.5

2.0

FIGURA 3.31 Espaamento das bandas de Lders em funo das deformaes no SPM, para um ao capeado de composio qumica (C: 0,06%; Mn: 0,33%; S: 0,017%; N: 0,002%(34).

53

Observa-se na figura 3.31 que o valor de S cai at SPM de 0,5% e, a partir deste ponto, apresenta comportamento constante. As duas regies consideradas

(escoamento descontnuo e de transio), apresentam

assim, de acordo com a

equao 3.3, uma taxa de deformao constante(34). Com isto, na regio que compreende deformaes no SPM entre 0,0% e 0,5%, que apresenta queda de S com aumento de SPM, para que a taxa de deformao () seja constante, necessrio uma queda na velocidade das bandas de Lders (V) e consequentemente, o limite de escoamento tambm cai. J na regio de SPM entre 0,5% e 2,0%, o comportamento constante de S resulta em um comportamento constante de V e por isso o LE permanece tambm constante(34).

54

4 METODOLOGIA4.1 Material utilizadoForam produzidas em escala industrial 12 placas com 252 x 1000 x 6000mm

(espessura x largura x comprimento) de uma mesma corrida de ao ARBL, totalizando 150t de material, de mesma composio qumica, que foi cortado em chapas como produto final laminado a frio. A tabela IV -1 mostra a faixa tpica de composio qumica de um ao ARBL laminado a frio microligado ao Nb.

Tabela IV.1 Faixa de composio tpica de um ao ARBL-Nb laminado a frio (% peso) C 0,04 a 0,10