1

Propriedades mecnicas de um ao de baixo carbono com

estrutura ferrita acicular

NATALINO DE PAULA OLIVEIRA

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2

PROPRIEDADES MECNICAS DE UM AO DE BAIXO

CARBONO COM ESTRUTURA FERRITA ACICULAR

Natalino de Paula Oliveira

Dissertao apresentada Faculdade de

Engenharia de Guaratinguet da Universidade

Estadual Paulista,para obteno do ttulo de

Mestre em Engenharia Mecnica.

Orientador: Prof. Dr. Tomaz Manabu Hashimoto

Guaratinget

2007

3

DADOS CURRICULARES

NATALINO DE PAULA OLIVEIRA

NASCIMENTO 30.12.1960 QUATIS/RJ

FILIAO Manoel Francisco de Oliveira

Hilda Leondio de Oliveira

1987/1993 Curso de Graduao em Engenharia Mecnica

Universidade Severino Sombra USS

Vassouras/RJ

2002/2002 Curso de Especializao Docncia

UBM Centro Universitrio Barra Mansa

4

DEDICATRIA

.

Dedico todo o esforo deste trabalho minha amada

esposa Eliana Aparecida da Silva Oliveira, ao meu

maravilhoso filho, Pedro Paulo da Silva Oliveira, a minha

me, Tio Pedro, irmo, irms e sobrinhas.

OLIVEIRA, N. P.

5

AGRADECIMENTOS

Meus mais sinceros agradecimentos, ao meu orientador Prof. Dr. Tomaz Manabu

Hashimoto que recebeu-me desde o primeiro dia como amigo e aluno, incentivando e

acompanhando durante todos os meses em que durou este mestrado. Sempre

sorridente, com pacincia e disposio, para com sua competncia, esclarecer minhas

dvidas e orientar-me neste trabalho.

Ao Prof. Dr. Marcelo dos Santos Pereira pelos seus esclarecimentos quando era

solicitado.

Aos tcnicos da Oficina Mecnica e laboratrios de ensaios da UNESP/FEG em

especial ao Wilson Roberto Monteiro e Clio Jos de Souza pela preparao do

material para testes e orientao nos trabalhos de laboratrio.

UNESP, na sua prpria essncia de instituio pblica, que me acolheu e

colocou disposio todos os recursos necessrios para a realizao deste trabalho.

CSN em especial ao Sidney Roberto Amorim Pereira, Jlio Csar do Amaral

Souza e Otvio Luiz Manhes, por liberar-me para realizao deste trabalho.

Ao Comando Geral de Tecnologia Aeroespacial (CTA), Instituto de Aeronutica

e Espao (IEA). Diviso de Materiais (AMR).

6

Fazer cincia d trabalho mas

compensa.

TV GLOBO

7

OLIVEIRA, N. P. Propriedades mecnicas de um ao de baixo carbono com estrutura ferrita acicular. 2007, 105f. Dissertao (Mestrado em Engenharia

Mecnica). Faculdade de Engenharia, Campus de Guaratinguet, Universidade

Estadual Paulista.

RESUMO A obteno de microestrutura constituda de ferrita acicular em aos micro-

ligados promissora por apresentar boa combinao de propriedades mecnicas,

especialmente pela melhoria da tenacidade, graas a morfologia fina e entrelaada que

dificulta a propagao de trinca. Embora as propriedades mecnicas sejam adequadas

para aplicaes estruturais, o uso desta microestrutura tem sido um tanto limitado. Sob

ponto de vista de mecanismo de nucleao, a causa desta limitao reside na

dificuldade de obteno de ferrita acicular a partir de aos forjados por apresentarem

baixa densidade de incluses no metlicas como xidos, sulfetos e nitretos que

servem como stios de nucleao intragranular. A proposta deste trabalho estudar os

efeitos das condies de processamentos como temperatura de austenitizao e

temperatura de transformao isotrmica na formao de grandes fraes de ferrita

acicular e correlao com as propriedades mecnicas. Os resultados mostraram que

possvel obter estruturas multifsicas com grandes fraes de ferrita acicular, com

excelentes combinaes de resistncia e ductilidade.

PALAVRAS-CHAVE: ferrita acicular, propriedades mecnicas, ao baixo carbono.

8

OLIVEIRA, N. P. Mechanical properties of acicular ferrite structure low carbon

microalloyed steels. 2007. 105f. Dissertao (Mestrado em Engenharia Mecnica)

Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguet, Universidade Estadual

Paulista, Guaratinguet, 2007.

ABSTRACT Obtaining acicular ferrite structure of low carbon steels is promising because a

good mechanical properties combination. The toughness improvement is due the

interlaced morphology of the acicular ferrite that promote crack propagation

interruption. Although the mechanical are suitable to structural applications, the use of

this microstrocture has been limited in view of complicated mechanism of acicular

ferrite nucleation. The formation of acicular ferrite in low carbon wrougth steels is

limited in view of low density of nonmetallic inclusions those serve as preferential

sites of intragrunular nucleation. The purpose of this work is a study of processing

conditions effects like austenitizing temperature and isothermal transformation an

acicular ferrite formation. The results shown that its possible to obtain multiphase

structures with great fraction of acicular ferrite as well as excellent strength-ductility

combination.

KEYWORD: Low carbon steels, acicular ferrite, machanical properties.

9

LISTAS DE FIGURAS

FIGURA 2.1 Esquema das estruturas formadas pelo ferro --------------------------- 22

FIGURA 2.2 Mudanas de fase do ferro puro ------------------------------------------ 23

FIGURA 2.3 Diagrama de fase Ferro-Carbono ---------------------------------------- 24

FIGURA 2.4 Influncia dos elementos de liga na temperatura e composio

eutectide do diagrama Fe-C --------------------------------------------- 26

FIGURA 2.5 Exemplos de aplicaes dos aos-carbono : latas de folha-de-flan-

dres e chapas automobilsticas ------------------------------------------- 27

FIGURA 2.6 Aplicao estrutural do ao-carbono ------------------------------------ 28

FIGURA 2.7 Deformao x resistncia trao dos aos multifsicos ------------- 36

FIGURA 2.8 Esquema da microestrutura de um ao bifsico, contendo ferrita e

martensita -------------------------------------------------------------------- 37

FIGURA 2.9 Fotomicrografia de um ao bifsico ------------------------------------- 39

FIGURA 2.10 Curvas de tenso-deformao de dois aos ARBL comuns compa-

rados ao ao bifsico ------------------------------------------------------- 40

FIGURA 2.11 Representao esquemtica do tratamento trmico convencional e

o novo tratamento proposto ----------------------------------------------- 44

FIGURA 2.12 Esquema da microestrutura de um ao TRIP, contendo ferrita, mar-

tensita, bainita e austenita retida ----------------------------------------- 49

FIGURA 2.13 Diagramas de decomposio isotrmica da austenita de aos

ligados, com separao das curvas-C das transformaes perltica e

baintica ----------------------------------------------------------------------

51

FIGURA 2.14 a) Fotomicrografia ptica; b) Fotomicrografia de transmisso em

campo claro; c) imagem em campo escuro da austenita retida ------- 55

FIGURA 2.15 Emaranhado intenso de discordncias que se forma na interface

bainita (regio clara) austenita (regio escura) causada pela defor-

mao induzida pela mudana de forma que acompanha a transfor-

mao baintica -------------------------------------------------------------

56

FIGURA 2.16 Microestrutura da bainita inferior ---------------------------------------- 58

FIGURA 2.17 Relao de orientao cristalogrfica ------------------------------------ 59

FIGURA 2.18 Representao esquemtica da formao da bainita superior e

10

inferior ----------------------------------------------------------------------- 60

FIGURA 2.19 Curva TTT para um ao tipo 4340 --------------------------------------- 61

FIGURA 2.20 Efeito do tamanho de gro austentico no desenvolvmento de :

a) ferrita acicular intragranular em granulao grosseira

b) bainita nos contornos de gros finos ----------------------------------

66

FIGURA 2.21 Fotomicrografia de placas de ferrita acicular em um metal de solda

em ao realizada no microscpio eletrnico de transmisso ---------

66

FIGURA 2.22 Diferena da microestrutura de ferrita Widmanttten, bainita e fer-

rita acicular a) Microestrutura de ferrita Widmanttten

b) Microestrutura de bainita e ferrita acicular --------------------------

67

FIGURA 2.23 Dado experimental no qual a austenita transformada isotermica-

mente em ferrita acicular, mostrando que a reao pra quando a

concentrao de carbono da austenita ultrapassa a curva TO -------

68

FIGURA 2.24 Tamanho de gro mdio austentico em funo da temperatura de

austenitizao ---------------------------------------------------------------

69

FIGURA 2.25 Ilustrao esquemtica de nucleao de bainita ou ferrita acicular

em funo do tamanho de gro de austenita, densidade de incluses

e ferrita alotriomrfica inerte ---------------------------------------------

71

FIGURA 2.26 Mudana na microestrutura na ZTA em funo da temperatura

Ao contendo partcula de xido de titnio b) Ao sem partcula

de xido de titnio ----------------------------------------------------------

72

FIGURA 2.27

Ilustrao esquemtica do diagrama da deflexo da trinca em paco-

cote de contorno de alto ngulo de ferrita acicular a) Ao desoxida-

co convencional ao Al-Ca. b) Ao desoxidado ao Ti ----------------

73

FIGURA 2.28 Fotomicrografia realizada no microscpio eletrnico de varredura

a) Mostrando incluses de vrios tamanhos b) Mostrando nuclea-

o de ferrita originando da incluso ------------------------------------

74

FIGURA 2.29 Efeito da incluso sobre a probabilidade de nucleao da ferrita ---- 75

FIGURA 2.30 Esquema ilustrativo do mecanismo de transio da bainita para

ferrita acicular em funo da ferrita alotriomrfica --------------------

76

FIGURA 2.31 Microestrutura caracterstica de ferrita acicular com diferentes

11

tamanhos de gros ---------------------------------------------------------- 77

FIGURA 3.1 Representao esquemtica dos corpos de corpos-de-prova para

ensaios de trao ------------------------------------------------------------

78

FIGURA 3.2 Representao dos ciclos de tratamentos trmicos realizados -------- 79

FIGURA 4.1 Fotomicrografia do ao, aps tratamento trmico de normalizao.

Ataque qumico nital 2% --------------------------------------------------

83

FIGURA 4.2 Fotomicrografia do mesmo ao, aps tratamento trmico em tem-

peratura de transformao isotrmica a 480C, por tempo de 30

segundos. Ataque qumico nital 2% -------------------------------------

84

FIGURA 4.3 Fotomicrografia do mesmo ao, aps tratamento trmico em tem-

peratura de transformao isotrmica a 480C, por tempo de 120

segundos. Ataque qumico nital 2% -------------------------------------

85

FIGURA 4.4 Fotomicrografia do mesmo ao, aps tratamento trmico em tem-

peratura de transformao isotrmica a 480C, por tempo de 300

segundos. Ataque qumico nital 2% -------------------------------------

85

FIGURA 4.5 Fotomicrografia do mesmo ao, aps tratamento trmico em tem-

peratura de transformao isotrmica a 480C, por tempo de 900

segundos. Ataque qumico nital 2% -------------------------------------

86

FIGURA 4.6 Fotomicrografia do mesmo ao, aps tratamento trmico em tem-

peratura de transformao isotrmica a 480C, por tempo de 3.600

segundos. Ataque qumico nital 2% -------------------------------------

86

FIGURA 4.7 Formao da bainita+martensita, em funo do tempo de perma-

nncia na temperatura de transformao --------------------------------

88

FIGURA 4.8 Formao da ferrita em funo do tempo de permanncia na tem-

peratura de transformao isotrmica -----------------------------------

89

FIGURA 4.9 Variao do limite de escoamento (LE) e do resistncia trao (RT)

em funo do tempo de permanncia na temperatura de transforma-

o isotrmica ---------------------------------------------------------------

91

FIGURA 4.10 Deformao total em funo do limite de resistncia trao do

ao nas diversas condies microestruturais ----------------------------

93

12

LISTA DE TABELAS

TABELA 2.1 Termos usados para a morfologia baintica ----------------------------- 52

TABELA 3.1 Composio qumica do material utilizado ----------------------------- 78

TABELA 4.1 Quantificao das fraes volumtricas da ferrita, bainita +

martensita, austenita retida, por tcnica de anlise de imagens, aps

ataques qumicos com nital e metabissulfito de sdio -----------------

87

TABELA 4.2 Propriedades mecnicas do ao conforme recebido ------------------- 90

TABELA 4.3 Propriedades mecnicas obtidas no ao aps tratamentos trmicos-- 91

TABELA 4.4 Aumento percentual das propriedades mecnicas do ao com fer-

rita ferrita acicular em relao ao mesmo ao normalizado 92

TABELA 4.5 Aumento percentual das propriedades mecnicas do ao com fer-

rita acicular em relao ao mesmo ao no estado em que foi

fornecido --------------------------------------------------------------------- 92

13

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas

Ac1 Inicio do intervalo de transformao ou temperatura eutetide

Ac3 Temperatura mnima de austenitizao

AISI American Iron and Steel Institute

ARBL Alta Resistncia e Baixa Liga

ASTM American Society for Testing and Materials

CCC Cbico de Corpo Centrado

CCT Continuous Cooling Transformation

CDP Corpo-de-Prova

CTA Comando Geral de Tecnologia Aeroespacial

IAE Instituto de Aeronutica e Espao

AMR Diviso de Materiais

DPLA Dual Phase Low Alloy

FEG Faculdade de Engenharia - Campus de Guaratinguet

HSLA High Strength Low Alloy Steels

LAImat Laboratrio de Anlise de Imagens de Materiais

Mf Temperatura final da formao da martensita

Mi Temperatura inicial da formao da martensita

Md Temperatura acima de Ms

SAE Society of Automotive Engineers

TRIP Transformation Induced Plasticity

TTT Temperatura-Tempo-Transformao

UNESP Universidade Estadual Paulista

Ms Temperatura de incio da formao de martensita

14

LISTA DE SMBOLOS

N/m2 Newton/metro quadrado

Pa Pascal = N/m2

MN/m2 MegaNewton / metro quadrado

MPa Megapascal = MN/m2

C Carbono

Cr Cromo

Mo Molibdnio

Ni Niquel

Fe Ferro

Fe-C Ferro-carbono

HRc Dureza Rockwell C

C graus Celsius

HNO3

cido Ntrico

LE Tenso limite de escoamento

RT Tenso mxima de resistncia trao

t tempo

N Newton

kN KiloNewton

Fe3 C Carboneto de Ferro

15

SUMRIO LISTA DE FIGURAS

LISTA DE TABELAS

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

LISTA DE SMBOLOS

1 INTRODUO ------------------------------------------------ 18

1.1 GENERALIDADES -------------------------------------------- 18

1.2 JUSTIFICATIVA E RELEVNCIA ------------------------- 19

1.3 OBJETIVO DO TRABALHO -------------------------------- 19

2 REVISO BIBLIOGRFICA ------------------------------ 20

2.1 GENERALIDADES -------------------------------------------- 20

2.2 AOS CARBONO --------------------------------------------- 26

2.2.1 Aplicaes ------------------------------------------------------- 27

2.3 AOS LIGA ----------------------------------------------------- 28

2.4 AOS ARBL ---------------------------------------------------- 29

2.5 AOS ULTRA-RESISTENTES ------------------------------ 30

2.6 RESISTNCIA/TENACIDADE DOS AOS ESTRUTU-

RAIS -------------------------------------------------------------- 322.7 AOS BIFSICOS, BAINTICOS E MULTIFSICOS - 34

2.7.1 Conformabilidade dos aos bifsicos ---------------------- 41

2.7.2 Tratamento trmico intercrtico ---------------------------- 42

2.8 ESTRUTURAS MULTIFSICAS --------------------------- 45

2.9 EFEITO TRIP --------------------------------------------------- 46

2.10 TRANSFORMAO BAINTICA -------------------------- 49

2.10.1 Termologias ----------------------------------------------------- 50

16

2.10.2 Bainita granular ------------------------------------------------------ 53

2.10.3 Bainita superior ------------------------------------------------------- 54

2.10.4 Bainita inferior -------------------------------------------------------- 57

2.10.5 Cintica da transformao baintica ------------------------------ 60

2.10.6 Efeitos dos elementos de liga na formao das microestru- turas dos aos bainticos ---------------------------------------------

61

2.10.7 Aplicao dos aos bainticos e multifsicos --------------------- 63

2.11 FERRITA ACICULAR ----------------------------------------------- 65

2.11.1 Efeito da temperatura de austenitizao sobre tamanho de gro ----------------------------------------------------------------------

69

2.11.2 Mecanismo de transio da bainita para ferrita acicular 70

2.11.3 Aplicao dos aos com microestrutura de ferrita acicular -- 77

3 MATERIAIS E PROCEDIMENTOS EXPERIEMENTAIS- 78

3.1 CARACTERIZAO DO MATERIAL RECEBIDO ----------- 78

3.2 CORPO-DE-PROVA -------------------------------------------------- 78

3.3 TRATAMENTOS TRMICOS -------------------------------------- 79

3.3.1 Transformaes isotrmicas ---------------------------------------- 79

3.3.2 Ensaio de trao ------------------------------------------------------- 80

3.4 EXAMES METALOGRFICOS ----------------------------------- 81

3.4.1 Preparao metalogrfica ------------------------------------------- 81

3.4.2 Ataques qumicos ----------------------------------------------------- 81

3.4.3 Quantificao das fases presentes --------------------------------- 82

4 RESULTADOS E DISCUSSES --------------------------------- 83

4.1 QUNTIFICAO DAS FASES - ATAQUES QUMICOS ----- 83

4.2 FORMAO DE CONSTITUINTE EM FUNO DO TEM- PO NA TEMPERATURA DE TRANSFORMAO ------------

88

4.3 PROPRIEDADES MECNICAS ----------------------------------- 90

5 CONCLUSES ------------------------------------------------------- 94

17

6 SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS -------------- 95

7 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS --------------------------- 96

18

CAPTULO 1 INTRODUO

1. 1 GENERALIDADES

Com o fim da Idade Mdia, a Europa moderna adptou-se em funo do

maquinismo, o que causou as primeiras intervenes do capitalismo no esforo para a

produo industrial. Esta evoluo foi acompanhada por grandes progressos tcnicos,

especialmente no que se refere aos transportes martimos.

O progresso tcnico mais importante na histria da indstria siderrgica foi a

inveno do alto-forno. Contudo, este no foi a criao de um gnio inventivo, tendo-

se desenvolvido gradualmente a partir da forja para fiar o ferro (POUNDS, 1966).

Durante milnios os processos siderrgicos se difundiram pelo mundo e se

desenvolveram at atingirem o grau tecnolgico que hoje eles possuem. Desde a

descoberta de como produzir o ferro, o ao e outros materiais, o ser humano se tornou

dependente deles. Com o passar dos anos e o avano da cincia, a aplicabilidade

desses produtos resultantes dos processos siderrgicos se tornou ainda maior.

Atualmente, eles fazem parte da agricultura, estando presentes nas ceifadeiras,

colheitadeiras, semeadores, arados, entre outros. Eles tambm so encontrados no setor

energtico (usinas hidreltricas, termeltricas e nucleares, nos oleodutos) , no setor de

transporte (caminhes, carros, navios e avies), na construo civil e dentro de cada

casa, nas embalagens e aparelhos domsticos, entre outros. Com uma lista de

aplicaes extremamente grande, os produtos provenientes da siderurgia, se mostraram

indispensveis para toda a sociedade.

A fronteira entre o ferro e o ao foi definida na revoluo industrial, com a

inveno de fornos que permitiam no s corrigir as impurezas do ferro, como

adicionar-lhes propriedades como resistncia ao desgaste, ao impacto, corroso, etc.

Por causa dessas propriedades e do seu baixo custo o ao passou a representar cerca de

90% de todos os metais consumidos pela civilizao industrial. O ao 100%

reciclvel, barato, fcil manuteno e est presente em todo ramo da atividade

humana.

19

1.2 JUSTIFICATIVA E RELEVNCIA

Os aos so os materiais metlicos mais importantes na vida moderna devido a

variedade de seu uso. Pode-se considerar um ao ideal, aquele que apresente as

seguintes caractersticas em funo da aplicao: alta resistncia, elevada tenacidade,

boa forjabilidade e usinabilidade, facilidade de tratamentos trmicos, resistncia

fadiga e corroso, resistncia nucleao e a propagao de trincas, baixo custo.

Tm sido desenvolvidos aos estruturais para diferentes aplicaes na indstria e

representam uma etapa importante na evoluo dos aos em geral, pois proporcionam

a confeco de peas e produtos com menor peso e menor custo.

Atualmente as propriedades mecnicas mais importantes dos aos so o mdulo

de elasticidade, limite de escoamento e ductilidade. O mdulo de elasticidade uma

propriedade que independe da estrutura, no se alterando com a adio de elementos

de liga, pelo menos em baixos teores (SOUZA, 1989). Da a importncia maior de se

melhorar o limite de escoamento evitando a perda de ductilidade. Vrias pesquisas

esto ocorrendo no mundo em busca de novas microestruturas, mais tenazes e

resistentes, em substituio s microestruturas existentes atualmente, perltica,

martenstica e ferrtica. Uma das microestruturas pesquisadas intensamente ferrita

acicular. O ao com microestrutura em ferrita acicular tem boa resistncia mecnica e

alta tenacidade, devido a sua microestrutura em formato de agulhas ou pena e

desorganizada. A desorganizao na microestrutura dificulta a propagao de trincas.

1.3 OBJETIVO DO TRABALHO

O objetivo deste trabalho obter atravs de tratamentos trmicos, estrutura de

ferrita acicular, a partir de ao microligado baixo carbono e estudar sua relao com as

propriedades mecnicas.

20

CAPTULO 2 - REVISO BIBLIOGRFICA

2.1 GENERALIDADES

As ligas ferrosas so as mais utilizadas dentre todas as ligas metlicas. O ferro

um metal de fcil processamento, abundante na crosta terrestre e caracteriza-se por

ligar-se com muitos outros elementos metlicos e no metlicos, o principal dos quais

o carbono.

A forma polimrfica do ferro outro fator importante que explica a sua ampla

utilizao em todos os setores da engenharia e da indstria. Essa propriedade permite

que as ligas ferrosas sejam submetidas a operaes de tratamento trmico que

modificam profundamente as suas propriedades mecnicas e possibilita sua aplicao

sob as mais variadas condies de servio.

Acrescenta-se a esses fatos, o constante progresso que est ocorrendo no

aperfeioamento das tcnicas de produo, visando obter ligas ferrosas cada vez mais

limpas e com propriedades mecnicas superiores e melhores resistncias a corroso,

oxidao, desgaste, etc.

A correta aplicao das ligas ferrosas exige um conhecimento adequado das suas

caractersticas estruturais e mecnicas e dos fatores que podem afeta-las, desde as

condies de fabricao, os elementos de liga bsicos ou especialmente adicionados,

at os efeitos dos tratamentos trmicos a que so geralmente submetidos.

Em princpio, as propriedades das ligas ferrosas dependem dos seguintes fatores:

composio qumica;

microestrutura;

condies de processamento.

Quanto a composio qumica, o elemento de liga bsico o carbono que influi

na estrutura do material e, em conseqncia, nas suas propriedades. Os outros

elementos de liga, provenientes das matrias primas, especialmente adicionados em

pequenas ou altas quantidades, modificam tambm a estrutura, as propriedades

mecnicas e podem ainda conferir caractersticas especiais, como propriedades

eltricas e magnticas, resistncias a corroso, oxidao, desgaste.

21

As condies de fabricao, como fundio, conformao mecnica a frio e a

quente e tratamentos complementares, como tratamentos trmicos e termoqumicos,

tambm afetam, em maior ou menor grau, a estrutura das ligas ferrosas e, em

conseqncia, suas propriedades.

A base do estudo das ligas ferrosas , pois, o conhecimento da sua estrutura, a

qual est diretamente relacionada ao estudo do diagrama de fases dessas ligas.

O aspecto mais importante de qualquer material de uso em engenharia sua

estrutura, porque suas propriedades esto intimamente relacionadas com essa

caracterstica.

Os metais so cristalinos quando esto na forma slida e, embora monocristais

muito grandes podem ser preparados, os objetos metlicos normalmente consistem em

um agregado de numerosos pequenos cristais. Os metais so ento policristalinos.

Devido ao pequeno tamanho dos cristais, usualmente utiliza-se um microscpio ptico

com aumento de 100 a 1000 vezes para exames dos aspectos microestruturais

associados aos gros de um metal. Ocasionalmente pode haver objetos metlicos, tais

como peas fundidas, com cristais de tamanho tal que so observveis sob uma lupa.

As estruturas deste tipo so chamadas de macroestruturas. Finalmente, h uma

estrutura fundamental dentro dos prprios gros, o arranjo atmico dos cristais. Essa

forma de estrutura chamada de estrutura cristalina. Das vrias formas de estrutura, a

microestrutura tem sido historicamente a de maior uso e interesse para o metalurgista.

Um cristal definido como um arranjo ordenado de tomos no espao. H muitos

tipos de diferentes estruturas cristalinas (Figura 2.1).

22

Figura 2.1: Esquema das estruturas cristalinas formadas pelo ferro, sendo:

a)Estrutura cbica corpo centrado CCC, b)Estrutura cbica face centrado

CFC e c)Estrutura hexagonal compacta HC. (CALLISTER, 2002).

Para entendimento das transformaes que ocorrem nos metais, deve-se analisar

o diagrama de transformao do ferro puro. Os aos so ligas essencialmente ferro-

carbono, oferecem exemplos da maioria das reaes e microestruturas disponveis para

o entendimento do processamento dos metais.

Do diagrama do ferro puro tem-se:

na temperatura ambiente at 912C a forma estvel chamada ferrita, ou ferro ,

tem estrutura CCC.

23

entre a temperatura 912C e 1394C tem-se a austenita, ou ferro , com

estrutura CFC.

de 1394C 1538C o ferro muda novamente de estrutura passando de CFC

para CCC. Neste intervalo de temperatura o ferro chamado de ferro. O ao

neste intervalo pouco estudado.

De 1538C 2875C tem-se a fuso do ferro. Este intervalo de temperatura

importante para os altofornistas.

A partir de 2875C o ferro comea a vaporizar.

Na Figura 2.2 tem-se uma representao esquemtica das mudanas de fase para

o ferro puro.

Figura 2.2: Mudanas de fase do ferro puro. (MEI; SILVA, 1981)

Alguns elementos qumicos apresentam variedades alotrpicas, isto , estruturas

cristalinas diferentes que passam de uma para outra em determinadas temperaturas,

chamadas temperaturas de transio. O ferro apresenta trs variedades.

Ligado com o carbono, o comportamento das variedades alotrpicas do ferro e a

solubilidade do carbono nele variam de forma caracterstica, dependendo da

temperatura e do teor de carbono. Isto pode ser visto em forma de grfico, chamado

diagrama de fases ferro-carbono.

24

A adio do carbono altera as temperaturas de transio das variedades

alotrpicas em relao ao ferro puro, dependendo do seu teor (Figura 2.3).

Figura 2.3: Diagrama de fase Ferro-Carbono (MEI; SILVA, 1981)

Considera-se alguns dos microconstituintes importantes, em equilbrio

apresentados pelos aos (CALLISTER, 2002) :

Ferrita ; fase constituda de uma soluo slida intersticial de carbono em

ferro, com estrutura cristalina CCC. Nesta fase apenas uma pequena quantidade

de carbono solvel. A solubilidade mxima de 0,022% a 727C e diminui

para 0,008% na temperatura ambiente. Esta fase relativamente macia, pode ser

magntica abaixo de 768C e tem densidade 7,88 g/cm3.

Austenita : constitui-se de uma soluo slida intersticial de carbono em ferro

CFC. Quando ligada somente com carbono no estvel abaixo de 727C. A

solubilidade mxima de carbono na austenita de 2,11 % a 1148C.

25

Ferrita : esta fase constituda de uma soluo slida de carbono em ferro

com estrutura cristalina CCC. Tem basicamente a mesma estrutura de ferrita

porm s encontrada acima de 1400C. A solubilidade mxima de carbono na

ferrita 0,10 %.

Cementita (Fe3-C) : com alta concentrao de carbono 6,7%, uma fase muito

dura, porm frgil.

Perlita : formada a partir do campo austentico pelo ponto de 727C. Esta

transformao da austenita em perlita ocorre da conforme a equao abaixo:

(0,77%C) (0,022%C) + Fe3C (6,7%C).

Este constituinte formado consiste de um agregado laminar de ferrita e cementita.

Normalmente os aos so classificados de acordo com a porcentagem de

carbono, desta forma os aos com menos de 0,76% carbono so denominados

hipoeutides, e os aos que contm mais de 0,76 carbono hipereutides.

Outro fator importante a ser considerado a porcentagem dos elementos de liga

que sero adicionados ao ao. Como os elementos de liga variam o campo austentico

dos aos, haver uma variao tambm da temperatura e composio eutectide. Um

ao ao carbono composio de 0,8% carbono apresenta temperatura eutectide de

723C, outro com 10% de cromo apresentar uma temperatura eutectide de 815C e

0,41% de carbono (Figura 2.4) (MEI; SILVA, 1981).

26

Figura 2.4: Influncia dos elementos de liga na temperatura e composio eutectide

do diagrama Fe-C (MEI; SILVA, 1981).

2.2 AOS CARBONO

Ao-carbono um ao sem adio proposital de outros elementos, contendo

apenas o carbono e os quatros elementos residuais sempre encontrados nos aos e que

permanecem em sua composio durante o processo de fabricao, ou seja, mangans,

silcio, fsforo e enxofre. O ao uma liga em que o ferro entra com a maior

porcentagem em peso. Os aos carbono de uso comum tm de 0,008% a 2,06% em

peso de carbono. O carbono o elemento de liga mais importante na liga Ferro-

Carbono e determina o tipo de ao obtido. Quanto maior o teor de carbono maior ser

a dureza do ao e maiores sero os limites de resistncia e de escoamento e mais frgil.

Uma forma de classificao destes aos seria: baixo teor de carbono (0,10% a

27

0,30%C), mdio teor de carbono (0,30% a0,85C%) e alto teor de carbono (0,85% a

1,50%). Acima de 1,5% C, os aos no so fabricados usual ou comercialmente, com

algumas excees (SOUZA, 1989).

Os aos de mdio e alto carbono so temperveis, mas com alta fragilidade, baixa

conformabilidade, baixa soldabilidade e ficam mais frgeis aps soldagem. As

limitaes dos aos ao carbono, podem ser resumidas em: baixa temperabilidade,

baixa resistncia mecnica, baixa resistncia ao desgaste em altas temperaturas, baixa

resistncia corroso, baixa resistncia oxidao e baixa temperatura de

decomposio da martensita.

2.2.1 Aplicaes

Os aos baixo carbono possuem, normalmente, baixas resistncia, dureza e altas

tenacidade e ductilidade. Alm disso, so bastante usinveis e soldveis e apresentam

baixo custo de produo. Estes aos normalmente no so tratados termicamente.

Entre as suas aplicaes tpicas esto as chapas automobilsticas, perfis estruturais e

placas utilizadas na fabricao de tubos, construo civil, pontes e latas de folhas-de-

flandres (Figuras 2.5 e 2.6).

Figura 2.5: Exemplos de aplicaes dos aos-carbono: latas de folha-de-flandres e

chapas automobilsticas. (www.infomet.com.br). Acesso em 15 agos.

2005.

http://www.infomet.com.br/

28

Figura 2.6: Aplicao estrutural do ao-carbono (www.infomet.com.br). Acesso em 15

agos. 2005.

Os aos mdio carbono possuem uma quantidade de carbono suficiente para a

realizao de tratamentos trmicos de tmpera e revenimento, muito embora seus

tratamentos trmicos necessitem ser realizados com taxas de resfriamento elevadas e

em sees finas para serem efetivos. Possuem maiores resistncia e dureza e menores

tenacidade e ductilidade do que os aos baixo carbono.

2.3 AOS LIGA

So aqueles que contm na liga ferro-carbono outros elementos como nquel,

cromo, mangans, molibdnio, tungstnio, vandio, silcio, cobalto, alumnio, titnio,

cobre, nibio, zircnio, boro, chumbo, etc. Estes elementos esto presentes

intencionalmente, alm daqueles que entram na liga decorrente do processo de

fabricao.

A influncia destes elementos se d pela alterao da microestrutura por diversos

fatores inclusive nos tratamentos trmicos ou termomecnicos, de forma mais ampla e

http://www.infomet.com.br/

29

variada. O vandio, cromo e o molibdnio, formando compostos intermetlicos e

solues slidas, altera as temperaturas de transformao de fase.

Os principais efeitos dos elementos de liga so: elevao da dureza, elevao da

resistncia, melhoria da temperabilidade, aumento da temperatura de transio,

melhoria da trabalhabilidade, aumento da resistncia oxidao, corroso, abraso,

elevao da tenacidade a baixas temperaturas, usinabilidade e resistncia em altas

temperaturas. Alguns elementos como o alumnio e o vandio, por exemplo, inibem o

crescimento do gro durante a austenitizao, elevando a resistncia e a tenacidade.

Outros como o molibdnio e o nibio reduzem a susceptibilidade a fragilizao pelo

revenido e, quando necessrio, elementos como o cromo, enxofre e o fsforo, reduzem

a ductilidade. Elementos como o clcio, alumnio e silcio desoxidam e dessulfurizam

elevando a trabalhabilidade e possibilitando obteno de bainita em resfriamento

contnuo. As vantagens dos aos ligas, sobre os aos carbono so a maior

temperabilidade, menor distoro, menor granulao, maior tenso de escoamento e

maior resistncia mecnica a baixas e altas temperaturas. As maiores desvantagens so

o maior custo, maior dificuldade de tratamentos trmico em alguns casos, tendncia a

formao de austenita retida e possveis fragilidades.

Os aos liga podem ter suas propriedades mecnicas melhoradas por meio de

tratamentos trmicos sem sofrer o fenmeno de fragilizao, que pode ocorrer mais

provavelmente com o carbono. Com aos liga este fenmeno no ocorre devido aos

elementos de liga adicionado na composio qumica do ao (SOUZA, 1989).

2.4 AOS ARBL

Os aos chamados ARBL So aos baixo carbono ou ao carbono-mangans,

conhecidos como de alta resistncia e baixa liga e foram desenvolvidos para uso em

grandes estruturas, no apresentando, entretanto, aumento de peso. Estes aos so

tambm conhecido pela sigla em ingls HSLA High Strength Low Alloy.

Estes aos apresentam como principais caractersticas uma alta resistncia

mecnica em relao aos aos de uso geral, resistncia corroso atmosfrica, ao

choque e fadiga, alm de apresentarem uma maior relao entre limite de

30

escoamento e limite de resistncia trao sem perda aprecivel da ductilidade. So de

fcil produo por deformao a frio ou a quente e, posteriormente, ainda podem ser

trabalhados por deformao, dobramento, corte, solda, etc. So utilizados para:

tubulaes, vasos de presso e outros. Os mesmos podem ser aplicados e caminhes,

nibus, avies, trem, etc), Os principais tipos de aos ARBL so: aos estruturais

perlticos, aos ao carbono normalizados ou temperados e revenidos, aos de baixa liga

temperados e revenidos e os aos microligados, este ltimo considerado tambm da

categoria dos aos ARBL e conhecidos como aos ARBL microligados.

A necessidade de boa soldabilidade exigiu um ao de baixo teor de carbono e

para no perder a resistncia, houve a necessidade de se fazer uma compensao com

o aumento do teor de mangans.

Este nome microligado devido presena de teores baixo de certos elementos

de liga como o nibio, titnio, vandio e alumnio, adicionados para se obter um bom

controle de microestrutura durante um processamento especial, chamado laminao

controlada. Nestes aos o aumento do limite de escoamento foi conseguido atravs de

endurecimento por precipitao de carbonetos, especialmente de vandio, nibio e

titnio (HONEYCOMBE, 1981).

2.5 AOS ULTRA-RESISTENTES

A classe de aos ultra-resistentes foi desenvolvida para aplicao aeroespacial,

mas estendeu-se a outros setores da indstria.

Os aos ultra-resistentes devem ter limite de escoamento superior a 1.400 MPa,

boa tenacidade, elevada resistncia fadiga, boa soldabilidade e relao resistncia/

densidade. Um ao tipo AISI 4340 de ultra alta resistncia, temperado em leo e

revenido a 727C possui resistncia trao em torno de 1.590 MPa e limite de

escoamento de 1.370 MPa (FAIRES, 1966).

Pode-se aumentar a resistncia atravs de: elevao no teor de carbono,

aumentando-se com isto a quantidade de perlita; pela adio de elementos

endurecedores da ferrita, provocando precipitao de carbonetos e nitretos, do refino

31

de gro, atravs de tratamentos trmicos durante a fabricao, por deformao a frio

(encruamento), ou revenimento a temperaturas baixas e endurecimento secundrio.

Aos de baixa e media liga, ultra-resistentes podem atingir valores da ordem de

1.900 MPa quando devidamente temperados e revenidos, como o caso do ao AISI

4340 temperado e revenido a (200-230) C, usados em componentes de trem de pouso

de avies. O inconveniente a baixa tenacidade, que pode ser parcialmente sanada

com adio de elementos de liga. Um exemplo o ao AISI 4340, modificado com

adio de Mo, V e Si que atinge resistncia da ordem de 2.100 MPa, aplicados em

temperaturas prximas da ambiente. Este fato tambm ocorre no ao AISI 300M. Este

ao difere do AISI 4340 pelo alto teor de silcio, teores de carbono e molibdnio

ligeiramente maiores, alm da adio de vandio. O silcio proporciona maior

temperabilidade, aumento de endurecimento por soluo slida e melhor resistncia

mecnica a altas temperaturas. Este ao foi desenvolvido como uma evoluo do ao

AISI 4340, apresentando uma superioridade no que diz respeito tenacidade, quando

so necessrias baixas temperaturas de revenido para evitar empenamentos. Este ao

tratado termicamente apresenta limite de escoamento de 1.750 MPa e limite de

resistncia a trao de 1.890 MPa (SANTOS, 2001; TOMITA; OKAWA, 1993). As

principais aplicaes do ao 300M so: fixadores de alta resistncia, carcaas de

motores e motores de msseis como o VLS Veiculo Lanador de Satlite (o AISI

4340 foi substitudo pelo ao 300M devido aos excelentes resultados obtidos na

determinao dos parmetros de tratamento trmico e de soldagem realizados para este

ao), trens de pouso, tubos de canho, parafusos, pinos e componentes estruturais de

avies, eixos, engrenagens componentes de bombas, vasos de presso. etc.

Uma classe de aos ultra-resistentes de alta liga que tem boa tenacidade e

soldabilidade, so os aos MARAGING (Martensita + Age Hardening), onde o limite

de escoamento atinge nveis entre 1.030 e 2.420 MPa, oriundo do endurecimento por

envelhecimento de uma matriz martenstica de baixo teor de carbono. Nestes aos o

endurecimento ocorre por uma reao que no envolve carbono, sendo o aumento das

propriedades mecnicas obtido pela precipitao de compostos intermetlicos em

temperatura da ordem de 480 C (MOURA NETO; ALMEIDA, 1997).

32

2.6 RESISTNCIA/TENACIDADE DOS AOS ESTRUTURAIS

Falhas catastrficas de estruturas levaram ao reconhecimento da importncia da

tenacidade e a necessidade de se levar em considerao tambm o limite de

escoamento nos critrios de projetos.

A baixa tenacidade em aos de alta resistncia tem causado srios transtornos

engenharia. Para que se tenha uma idia do problema pode-se dizer que a fratura frgil

dos aos tem sido observada desde a segunda metade do sculo XIX, quando o ao

comeou a ser amplamente utilizado em estruturas. No obstante, as rupturas de maior

gravidade verificaram-se mais recentemente, em conseqncia do aumento acentuado

da procura de grandes estruturas integrais de ao, por exemplo, em navios, tubulaes,

pontes e reservatrios sob presso.

Durante a segunda guerra mundial, ocorreram rupturas catastrficas em muitos

navios Liberty, completamente soldados. Foram detectados aproximadamente 1.500

incidentes envolvendo rupturas frgeis de certa gravidade, e dezenove navios partiram-

se em duas partes de forma completa e inesperada. Quando se desencadeia a fratura, a

energia elstica armazenada no ao sob tenso apenas parcialmente utilizada na

criao das novas superfcies e na deformao plstica associada. A energia restante

corresponde a energia cintica da fissura. Essa energia faz com que a fissura se

propague com uma velocidade que aumenta com a elevao do comprimento da

fissura, atingindo um valor limite, que se situa entre 0,4 e 0,5 da velocidade do som,

fazendo com que a fratura frgil ocorra, portanto, com uma rapidez catastrfica

(HONEYCOMBE, 1981).

Os materiais de alta resistncia so selecionados nos projetos de forma a adequar

resistncia e peso. Entretanto, preciso associar a mxima resistncia com a melhor

tenacidade. Normalmente quando a resistncia aumenta a tenacidade diminui.

extremamente difcil conseguir que estas duas propriedades sejam altas

simultaneamente com tecnologia do ao (HERTZBERG, 1989).

Um mecanismo usado para aumentar a resistncia e a tenacidade dos aos foi

atravs do refino de gros. Foram desenvolvidos aos de gro fino atravs da adio de

alumnio (Al) e nitrognio (N) no ao para a formao de nitretos. Obteve-se

33

granulao cada vez mais fina, pelo encruamento do gro de austenita por laminao,

que favorecia a nucleao da ferrita no resfriamento. Isto foi conseguido por

deformaes severas realizadas em temperaturas altas, mas inferiores temperatura de

recristalizao.

Pode-se ainda melhorar a tenacidade evitando a formao de martensita ou

promovendo maior dissoluo de fases intermedirias, que tendem a tornar frgil o

material (HUANG; THOMAS, 1971).

Para que o material seja tenaz, ele deve apresentar tanto resistncia como

ductilidade. Freqentemente alguns materiais dcteis so mais tenazes do que outros

materiais frgeis. Assim sendo, embora o material frgil possa ter maior limite de

escoamento e maior limite de resistncia trao, ele pode possuir menor tenacidade

do que alguns materiais dcteis (CALLISTER, 2002).

Tendo em conta a variao do comportamento de ruptura com a temperatura e a

crescente utilizao de aos a baixas temperaturas, por exemplo, em tubulaes no

rtico, no armazenamento de gases liquefeitos, etc., cada vez mais necessrio o

desenvolvimento de aos com baixa temperatura de transio dctil-frgil e elevada

tenacidade fratura.

Para alcanar este objetivo, o mecanismo mais importante encontrado at agora

, provavelmente, a diminuio do tamanho de gro, apesar de estarem em jogo muitas

outras variveis, incluindo os pormenores da produo do ao, a composio e os

processos finais de fbrica utilizados. O desenvolvimento dos aos ARBL, ou aos

microligados com tamanho de gros inferiores a 10 micrometros, apresentando bons

nveis de resistncia e baixas temperaturas de transio, foi um avano

(HONEYCOMBE, 1981).

Uma alternativa promissora para o equilbrio entre alta resistncia e tenacidade

que vem sendo pesquisado atualmente so os aos multifsicos, bainticos e com

micorestrutura de ferrita acicular.

34

2.7 AOS BIFSICOS, BAINTICOS E MULTIFSICOS

As mltiplas facetas da moderna indstria de manufatura de materiais abrangem

uma larga fatia da economia mundial. Essa demanda tem origem desde a indstria

automobilstica, fabricao de motores eltricos at a indstria eletrnica.

A indstria automobilstica tem sido a grande fora motora na busca de novos

desenvolvimentos com objetivos de reduo de peso, segurana e confiabilidade.

Assim, esse setor, mais particularmente o de produo de carros de passeio, representa

um segmento de mercado importante para os pases desenvolvidos e em

desenvolvimento. Este reconhecidamente um indicador do estgio de

industrializao e desenvolvimento tecnolgico e da situao econmica do Pas.

(ARMCO DO BRASIL, 2006)

No caso brasileiro, aps um perodo de estagnao durante a dcada de 80, a

indstria automobilstica e, conseqentemente, a de autopeas, vm apresentando um

crescimento de produo bastante significativo.

Este aspecto, associado ao processo de mudanas provocadas pela globalizao e

com a presena cada vez mais marcante dos carros importados, inseriu definitivamente

as industrias nacionais e os fabricantes de ao no desenvolvimento de novos produtos,

a fim de fazer frente ao mercado globalizado. Brasil vem desenvolvendo tecnologias

limpas e materiais no-poluentes na produo de componentes de ao. O resultado

disso so produtos mais resistentes, que respeitam o meio ambiente. (ARMCO DO

BRASIL, 2006)

Para se ter uma idia da importncia de tais iniciativas, basta analisar os frutos

obtidos pelo ULSAB (Ultra Light Steel Auto Body), como conhecido o projeto de

criao de uma carroceria para veculos ultraleve, desenvolvido por um consrcio

internacional, envolvendo usinas siderrgicas de 18 pases, cujos resultados esto

sendo extremamente positivos, tanto em termos ambientais quanto econmicos e,

sobretudo, no desenvolvimento de novos produtos.

O ULSAB possibilitou a reduo em 25% do peso da carroceria em relao aos

produtos convencionais, alm de ter permitido o aumento de segurana devido ao

35

crescimento do coeficiente de rigidez em toro para 80%, em dobramento para 52% e

em conforto para 58%.

A principal diferena entre os aos convencionais, ultra-resistentes e de ltima

gerao encontra-se em suas microestruturas. Os aos de ltima gerao, por exemplo,

apresenta multifases, com a presena de martensita, bainita e ou austenita retida em

quantidades suficientes para produzir propriedades mecnicas especficas. Quando

comparados com os aos de alta resistncia convencionais, os de ltima gerao

exibem uma combinao superior de alta resistncia com boa conformabilidade. Essa

combinao provm, primariamente, da alta capacidade de encruamento e do resultado

da razo entre os limites de escoamento inferior e de resistncia.

A partir da crise do petrleo, percebe-se que at hoje, nenhum desafio foi to

grande para indstria automobilstica como a reduo de peso dos veculos. Para o

sculo XXI este desafio continua e as montadoras afirmam que podero reduzir o peso

dos veculos em um tero ou pela metade at 2015 e, mesmo assim, a demanda de aos

aumentar sensivelmente em funo da demanda do setor automobilstico.

(INTERNACIONAL IRON AND STEEL INSTITUTE, 1995).

Dentro desse contexto, houve uma inverso na tendncia de diminuio dos

tamanhos dos carros, mas manteve-se a procura por materiais ecolgicos que

apresentassem elevado desempenho estrutural (resistncia mecnica x peso prprio).

Devido questo ambiental, o uso dos plsticos e de fibras sintticas vem sofrendo

uma srie de restries, o que abre espao para a manuteno/recuperao do ao

como principal material utilizado na construo de carrocerias.

O ao constitui mais de 65% do peso de um automvel, e suas maiores vantagens

so o baixo custo, reciclagem e , largamente, o material que conta com mais

experincia na indstria automobilstica.

Os aos de alta resistncia so capazes de reduzir em at 25% o peso dos carros,

sem provocar aumento dos custos de produo e, ainda, melhorar as condies de

segurana do automvel. (ARMCO DO BRASIL, 2006)

As pesquisas dos aos multifsicos embora tenham comeado h dcadas atrs, o

grande interesse nestes aos recente. Com a crise do petrleo, houve uma

preocupao da indstria automobilstica em melhorar o rendimento do automvel, e

36

para isto buscou-se o desenvolvimento de novos materiais. Isto acelerou a utilizao

dos aos multifsicos, que so uma nova classe de aos de alta resistncia e baixa liga

(ARBL).

Nos aos de alta resistncia baixa liga destacam-se os aos bifsicos, os ultra

baixo carbono com interstcios livres (interstitial-free steels IF) e os aos

multifsicos (PEREIRA, 2004 et al). Dentro do novo conceito de fabricao observa

que o programa ainda utilizar 100% aos de alta resistncia e considerados de ltima

gerao, os denominados multifsicos, Aos DP (Dual Phase), Trip (Transformation

Induced Plasticity), CP (Complex phase) e Mart (Martensticos ). Os nveis de

resistncia variam de 340 MPa, para os aos Bake Hardenable (BH), at 1.520 MPa

para o ao martenstico. Na Figura 2.7 realizada comparao entre aos de baixa

resistncia e aos de ultra-resistncia (ARMCO DO BRASIL, 2006).

Figura 2.7: Deformao x resistncia trao dos aos multifsicos (Internacional Iron

and Steel Institute, 1995). www.worldautosteel.org, Acesso em 27 jun

2006.

O ao bifsico surgiu durante os estudos de novos tipos de tratamentos trmicos,

com interesse prtico e cientfico de correlacionar a resposta mecnica de um material

sua microestrutura. Em 1967, ocorreu a concepo e o desenvolvimento de estruturas

especiais pela combinao de ferrita e martensita, baseada na conceituao de

http://www.worldautosteel.org/

37

reforamento por fibras e ou ilhas de martensticas, como em materiais conjugados

(Figura 2.8). Cairns e Charles (1967).

Figura 2.8: Esquema da microestrutura de um ao bifsico, contendo ferrita e marten-

sita. (Committee on Automotive Application. Internacional Iron and Steel

Institute, 1995). . Acesso em 27 jun

2006.

Apesar de terem sido desenvolvidos em 1967, o grande interesse pelos aos

bifsicos mais recente. Por volta de 1975, iniciaram-se estudos mais sistemticos

descrevendo o comportamento de aos bifsicos com respeito quantidade de

martensita e alta taxa de encruamento.

O ao bifsico obtido atravs de tratamentos trmicos intercrticos, apresentam

a caracterstica marcante de aliar propriedades antagnicas de alta resistncia e alta

ductilidade e conformabilidade. Esta caracterstica deu ao ao bifsico uma

flexibilidade de aplicao nas industrias, principalmente nas automotivas. O ao

bifsico tem um grande potencial de utilizao em componentes do automvel, tais

como, aros e discos de rodas, fabricao de polias, componentes de coluna de direo,

http://www.worldautosteel.org/

38

suporte de molas, armao do assento, pra-lamas, partes externas das portas, partes

dos painis internos, entre outros. Guimares e Papalo (1981).

Alm dos componentes mencionados acima, os aos bifsicos de alta resistncia

tm sido muito usados em itens de segurana, projeto do assento traseiro necessita de

mudanas substanciais que atendam requisitos tais como, possibilidade da instalao

de um cinto de segurana para o passageiro central, sobre o ombro, de forma a

suportar as solicitaes impostas durante o teste de impacto frontal no permitindo que

ocorra a invaso de objetos localizadas no porta-malas. Para este requisito est sendo

analisada a possibilidade de utilizao de estrutura tubular de ao bifsico de alta

resistncia.

Quando o assunto aos bifsicos de alta resistncia, os aos empregados na

grande maioria dos trabalhos de referncia (ERDOGAN, 2003; JIANG; GUAN;

LIAN, 1995; SUN; PUGH, 2000) apresentam em sua composio baixos teores de

carbono. Apesar da escassas, existem pesquisas voltadas para obteno de aos

bifsicos de alta resistncia com mdio teor de carbono que podem ser utilizados na

substituio de vrios outros componentes, no s na indstria automobilstica, mas

tambm em outros segmentos da indstria. A escassez de informaes, aliado ao

grande potencial de utilizao, justifica a realizao de pesquisas voltadas para

obteno de aos bifsicos com mdio teor de carbono.

Os aos bifsicos so considerados, como aos de alta resistncia e baixa liga

(ARBL), em funo da similaridade da composio qumica, so caracterizados por

uma microestrutura formada de duas fases, sendo uma constituda de uma matriz

ferrtica, principal responsvel pela ductilidade do material, e outra formada por ilhas

de martensita dispersas na matriz ferrtica (Figura 2.9), at frao volumtrica de

aproximadamente 33%, responsvel por sua alta resistncia. Da predominncia destas

fases advm o termo bifsico. Contudo pequenas quantidades de outras fases ou

microconstituintes (como bainita, austenita retida e perlita) podem estar presentes

(MAGNABOSCO, 2002).

39

Figura 2.9: Fotomicrografia de um ao bifsico. (TROWSDALE; PRITCHARD,

2002).

Em trabalhos recentes tm apresentado estudos com aos denominados aos ba-

fsicos com altas fraes volumtricas martensita. Estes aos tm teores de martensita

que varia de 33% a 80% aproximadamente. (BAG; RAY; DWARKADASA, 1999,

2001).

Atravs de curvas tenso-deformao podem ser comparadas as caractersticas

tpicas de um ao bifsico com as de alta resistncia com as de alta resistncia e baixa

liga Figura 2.10.

Nota-se que o ao bifsico atinge nveis de resistncia mecnica comparveis a

de um ao ARBL com tenso de escoamento prxima de 650 MPa, aliado a valores de

alongamento e escoamento semelhamentes aos de um ao ARBL com limite de

escoamento de 350 MPa (SPEICH, G. R, 1990).

40

Figura 2.10: Curvas de tenso-deformao de dois aos ARBL comuns comparados ao

ao bifsico. (SPEICH, 1990).

Como a indstria automobilstica grande consumidora de aos em forma de

chapa. Os aos bifsicos esto inseridos neste grande consumo. Na Figura 2.7,

mostrado um comparativo de diversos aos utilizados na indstria automobilstica.

A resistncia trao e ductilidade dos aos bifsicos no depende somente do

tamanho de gro e das propriedades das fases constituintes, mas tambm da frao

volumtrica, distribuio, morfologia e teor de carbono da fase martenstica, bem

como da precipitao de carbonetos na ferrita. O pequeno tamanho de gro e alta

frao volumtrica da martensita tende a aumentar a resistncia a trao do ao

bifsico. A precipitao de carbonetos pode reduzir a ductilidade dos aos bifsicos se

estiver em alta frao volumtrica de martensita (SUN; PUGH, 2002).

Explorando o conceito, aumento de resistncia com a precipitao de carbonetos

na ferrita, foram desenvolvidas as chapas de aos denominadas chapas de ao

bifsico tipo hbrido, que consiste basicamente em uma precipitao para reforo da

fase ferrtica depois da produo da microestrutura bifsica (FURUKIMI, 1999).

41

Aspecto interessante desses aos a incompatibilidade plstica entre os seus

microconstituintes e a influncia no processo da deformao plstica. A ferrita suporta

grandes deformaes, enquanto as ilhas de martensita apresentam deformaes

visveis aps o ao ter atingido o mximo de deformao uniforme. (JARDIM;

LONGO; CHAWLA, 1985).

A estrutura bifsica pode ser obtida atravs de tratamento trmico ou diretamente

na laminao a quente ou na laminao a frio, logo fazendo recozimento da chapa.

Este tratamento trmico denominado intercrtico, consiste basicamente no resfriamento

do ao a partir da regio intercrtica, nesta regio o ao esta decomposta em ferrita e

austenita, uma taxa de resfriamento suficientemente alta para transformao da

austenita em martensita. A regio intercrtica delimitada, no diagrama de fases Fe-C,

pela linha que define a temperatura de transformao da austenita em ferrita (A3) e

pela linha que define a temperatura da reao eutetide, onde ocorre a transformao

da austenita em ferrita e cementita (A1). O conceito de temperabilidade, envolvendo a

interao entre composio qumica e a taxa de resfriamento, representa uma

importante considerao no desenvolvimento da microestrutura requerida para estes

aos.

2.7.1 Conformabilidade dos aos bifsicos

O fato dos aos bifsicos serem difceis de trabalhar pode ser explicado pelos trs

estgios que marcam a sua deformao plstica. O primeiro estgio ocorre entre 0,1 e

0,5% de deformao, onde acontece um rpido endurecimento devido eliminao das

tenses residuais causadas pela incompatibilidade plstica das duas fases, decorrentes

da expanso volumtrica causada durante a transformao da austenita em martensita.

O segundo estgio ocorre entre 0,5 e 4% de deformao, onde a taxa de encruamento

da ferrita reduzida a medida que esta encontra gros de martensita que praticamente

no deformam. Neste estgio pode ocorrer a transformao de austenita retida em

martensita induzida por deformao.

O terceiro estgio ocorre a partir de 4% de deformao, onde h a formao de

estruturas celulares de discordncias, e a deformao da ferrita governada por

42

fenmenos de recuperao dinmica. O comportamento contnuo no escoamento dos

aos bifsicos bastante interessante para a conformao de peas, uma vez que

elimina os efeitos indesejveis de bandas de Lders, (SPEICH, 1990).

A ductilidade elevada apresentada por estes aos est associada a alta

plasticidade da ferrita. Isto ocorre, tambm pois as trincas na martensita e o

desligamento das ilhas de martensita da matriz ferrtica ocorrem com tenses maiores

que as encontradas nas estruturas que contm perlita, (SPEICH, 1990).

2.7.2 Tratamento trmico intercrtico

Os aos com baixo e mdio teor de carbono podem ser tratados termicamente

para produzir um ao bifsico de alta resistncia com estrutura de ferrita e martensita.

O tratamento intercrtico consiste do recozimento intercrtico (entre A3 e A1), seguido

de um rpido resfriamento, para promover a transformao da austenita em martensita.

A temperatura utilizada no tratamento trmico intercrtico funo da composio

qumica do ao e situa-se na regio de coexistncia da ferrita e austenita. O tratamento

trmico intercrtico propicia um processo relativamente simples e barato que pode

trazer excelentes valores de resistncia aos aos microligados com baixo teor de

carbono (TAVARES et al., 1999).

No trabalho de Hashimoto (1989) a obteno de microestrutura bifsica em aos

com baixos teores de carbono foi efetuada atravs de dois tipos de tratamento trmico

intercrtico.

O primeiro tipo de tratamento consistiu, basicamente, do aquecimento at a

temperatura intercrtica, seguido de tmpera. Neste processo foi obtido uma

microestrutura final constituda de uma fase martensita contnua, isolando as ilhas da

fase ferrita.

O segundo tipo consistiu basicamente do resfriamento a partir de uma

temperatura de austenitizao, at uma temperatura intercrtica. Neste processo obtm

uma microestrutura final constituda por ilhas de martensita embutidas em uma matriz

ferrtica.

43

Em processos industriais os aos bifsicos podem ser obtidos por trs rotas

distintas. A primeira rota aplicada em chapas com espessura menor que dois

milmetros que necessitam serem laminadas a frio at uma espessura final desejada.

Neste caso o ao j bobinado foi aquecido em caixa a uma temperatura no intervalo

entre A3 e A1 e resfriado naturalmente at a temperatura ambiente. Tratou-se de um

processamento descontnuo em que as condies de transmisso de calor atuantes

requerem a adio de elementos de liga ao ao para garantir a temperabilidade. Este

processo de recozimento em caixa no foi amplamente aceito devido a problemas, tais

como condies de recozimento heterogneas, causados pelo alto teor de Mn. No

recozimento contnuo, a chapa em sua dimenso final aquecida entre A3 e A1 e

resfriada em forno contnuo de forma controlada. Na terceira rota, no processamento

direto, o tratamento trmico intercrtico foi eliminado. O ao resfriado e bobinado de

forma adequada formao da microestrutura desejada (GUIMARES; PAPALO,

1981).

Tavares et al. (1999); Ahn et al.(1999) mostraram que diversas formas de

tratamento trmicos intercrtico esto sendo realizados, com objetivo de correlacionar

os mesmos com as propriedades mecnicas dos aos.

Ahn et al. (1999) realizaram pesquisas com o objetivo de melhorar o

comportamento em fadiga do ao forjado com mdio teor carbono SA508 CI.3, atravs

da modificao do processo de tratamento trmico, para obter mudanas na

microestrutura, sem necessidade de alteraes da composio do ao.

A grande diferena na modificao do tratamento trmico foi a introduo do

tratamento trmico intercrtico entre a tmpera e o revenimento mostrado na (Figura

2.11).

44

+

+

Figura 2.11: Representao esquemtica do (a) tratamento trmico convencional e (b)

o novo tratamento trmico proposto no trabalho realizado por Ahn et al

(1999).

45

Ahn et al. (1999) realizaram vrios tratamentos trmicos para definir a condio

adequada para o tratamento trmico intercrtico. O tratamento trmico seguiu

conforme descrito abaixo:

1 Processo austenitizao do material 880C por 6 horas, seguido por tmpera.

2 Processo recozimento intercrtico, com variao na temperatura de 660C at

820C, variando o tempo de permanncia na regio intercrtica de 1 a 8 horas.

3 Processo revenimento com os parmetros alterados de 660C/10horas, para

646C/6 horas e 620C/6 horas.

4 processo simulado tratamento trmico de alvio das tenses induzidas pela solda, a

610C por 30 horas (ASME 1955).

Para os processos citados acima, as taxas de aquecimento foram (0,3 e 30C/min) e as

taxas de resfriamento foram (100 e 200C/min).

Diferentes microestruturas podem ser observadas aps cada etapa do tratamento

trmico. A microestrutura do ao aps a tmpera e o tratamento intercrtico um

composto de martensita e bainita revenida. Aps a realizao do revenimento foi

obtida uma estrutura composta de martensita revenida e bainita duplamente revenida.

Comparando estas duas microestruturas, foi verificado que novo processo de

tratamento trmico proporcionou uma estrutura mais fina e homognea do que o

tratamento convencional.

2.8 ESTRUTURAS MULTIFSICAS

Os aos multifsicos apresentam boa conformabilidade, combinao de alta

resistncia e ductilidade superior. Com a descoberta do efeito TRIP (Transformation

Induced Plasticity) ou plasticidade induzida por transformao , a sua produo

aumentou muito e, nestes aos, a austenita retida toma uma importncia fundamental.

Os aos multifsicos so constitudos de bainita, ferrita, martensita e austenita retida

tendo grande potencial de aplicao na indstria automobilstica na fabricao de

barras de reforo para proteo contra choques ou impacto, pra-choques e rodas

(OHMORI; OHTANI; KUNITAKE, 1971).

46

So obtidos aps transformao isotrmica, na faixa de temperatura da reao

bainitica. Durante este estgio de transformao, parte da austenita transforma-se em

bainita ao passo que alguma austenita residual fica suficientemente estabilizada para

permitir sua reteno temperatura ambiente. Esta austenita retida pode ser

transformada em martensita por solicitao mecnica que constitui o fenmeno TRIP.

Portanto, os aos TRIP so aos multifsicos, compostos por quatro fases (ferrita,

bainita, martensita e austenita retida) possuindo uma microestrutura muito fina, o que

dificulta sua observao. Pode-se usar tambm para obteno do ao TRIP

temperaturas intercrticas (austenita+ferrita) e isotrmicas bainticas. (GIRAULT et.al.,

1998; JAQUES et al, 2001).

Aos com microestruturas ferrtico-bainticas podem melhorar a tenacidade e so

usados hoje em dia com sucesso em tubulaes e oleodutos sob baixas temperaturas.

A fase baintica tem um efeito favorvel sobre a flangeabilidade por estiramento,

resistncia a fadiga, fratura frgil e tenacidade, quando comparado com os aos

martensticos. Entretanto, quando introduzida uma pequena quantidade de martensita,

mas com a frao de bainita mais alta, os aos multifsicos tm as melhores

combinaes das propriedades mecnicas dos aos laminados a frio.

2.9 EFEITO TRIP

Nos ltimos trinta anos tem sido desenvolvido um grupo de aos, em que se tira

partido das propriedades especiais da transformao martenstica que ocorre durante a

deformao plstica. Estes aos, que se designam por aos de plasticidade induzida por

transformao receberam o nome de TRIP (Transformation Induced Plasticity). Estes

aos apresentam uma maior taxa de encruamento e uma maior deformao uniforme,

precedendo a estrico (HONEYCOMBE, 1981). Foi apresentado pela primeira vez na

conferncia Strong Tough Structural Steels em Scarborough, Inglaterra, em 1967

(DeARDO, 2003).

O fenmeno TRIP foi descoberto pela primeira vez nos aos liga (0,2-0,3) C, 8,8

Cr, (8-20) Ni, (3-4) Mo e 0,2 Si (ZACKAY et al., 1960). Entretanto, grandes adies

de elementos de liga como o Cr, Ni e Mo so muito caras e por isto foram feitos

47

grande esforos de pesquisa para obter o efeito TRIP em aos com composio mais

barata, e tambm pela utilizao de programas de processamentos termomecnicos

otimizados (MANOHAR et al., 2003).

Para aplicaes estruturais na indstria automobilstica, como por exemplo em

partes de chassi, os aos TRIP com nveis de resistncia entre 590MPa e 780MPa vm

se tornando fortes candidatos em substituio as chapas de ao convencional com

resistncia trao entre 390MPa e 440MPa (MATSUDA et al., 2002).

O efeito de tenses na transformao martenstica , em geral, o de aumentar a

temperatura Mi. O campo de tenses, associado deformao plstica (ou elstica)

refora o campo produzido pela nucleao de uma lamela de martensita, e de certo

modo, a variao e forma subseqente constituem um modo de deformao plstica

adicional. Pode definir-se uma temperatura Md, superior a Mi, acima da qual a

deformao da fase-matriz no induz a formao da martensita.

No entanto, possvel que a deformao da austenita, acima de Md, diminua o

valor de Mi, contribuindo para a maior estabilidade da austenita, sendo esta

estabilizao designada por estabilizao mecnica. O termo estabilizao designa

uma reduo da quantidade de martensita formada a partir da austenita, em

conseqncia de qualquer processo que interfira com a nucleao e crescimento das

lamelas de martensita. A deformao plstica acima da temperatura Md um dos

processos possveis. No entanto, o termo estabilizao normalmente aplicado quando

o resfriamento do ao interrompido no intervalo (Mi-Mf). Quando se baixa mais a

temperatura, a transformao prossegue, mas origina uma quantidade de martensita

menor do que aquela que ocorreria se no tivesse havido uma interrupo durante o

resfriamento (HONEYCOMBE, 1981).

O grau de estabilizao, e a temperatura de interrupo escolhida aumentam com

o tempo at um mximo; por outro lado medida que essa temperatura se aproxima da

temperatura final de formao da martensita (Mf), aumenta o grau de estabilizao.

A explicao destes efeitos complexos est relacionada com o fato de a formao

das lamelas de martensita induzir deformao plstica na matriz vizinha. Esta

deformao acomoda a variao de forma e pode dar origem a uma elevada

concentrao de discordncias na austenita. A interao de algumas destas

48

discordncias com as discordncias deslizantes na superfcie das lamelas de martensita

faz com que esta superfcie deixe de se mover, o que significa que a lamela no pode

continuar a crescer.

Qualquer mecanismo que contribua positivamente para este processo fomenta a

estabilizao. Uma interrupo do resfriamento a uma temperatura intermediria entre

Mi e Mf, d tempo para que ocorra relaxao plstica por movimento de discordncias

e tambm para que haja ancoragem das discordncias interfaciais pelos tomos de

carbono. (HONEYCOMBE, 1981).

Estudos relacionados com aos multifsicos (TRIP), tm muitas vezes

considerada a transformao da bainita apenas como um meio para obteno de uma

frao maior de austenita retida estabilizada, em uma vasta faixa de condies para

formao da bainita. Enquanto que bem demonstrado que o efeito TRIP representa

uma melhoria significativa nas propriedades, a natureza, tamanho e distribuio de

outras fases certamente tm influncias que devem ser melhor entendidas. Raramente

tm sido reportados estudos relacionando estas variveis.

Torna-se necessrio aperfeioar o entendimento e, em particular, determinar os

fatores bsicos das caractersticas das estruturas bainitcas e das estruturas multifsicas

e avaliar as possibilidades de influncias das propriedades intrnsecas dessas

estruturas, atravs de modificaes nos processamentos trmicos e/ou

termomecnicos. (HONEYCOMBE, 1981).

Quando numa estrutura multifsica, obtida uma frao de austenita retida

relativamente alta, sua transformao por efeito TRIP melhora significativamente a

ductilidade e as caractersticas de conformabilidade do material. Estes aos so

chamados aos multifsicos com efeito TRIP, ou simplesmente aos TRIP.

Os aos TRIP multifsicos consistem em um matriz de ferrita contendo gros de

bainita e austenita dispersos. A austenita metaestvel a temperatura ambiente e

provvel que se transforme em martensita durante uma deformao se estiver abaixo

de Md. precisamente esta transformao martenstica por deformao induzida que

responsvel pelo excelente equilbrio de resistncia-ductilidade apresentada pelos aos

TRIP. (FURNMONT et al, 2002).

49

Figura 2.12: Esquema da microestrutura de um ao TRIP, contendo ferrita, marten-

sita, bainita e austenita retida. (Committee on Automotive Application.

Internacional Iron and Steel Institute, 1995).

. Acesso em 27 jun 2006.

2.10 TRANSFORMAO BAINTICA

Bainita um constituinte dos aos que so formados pela decomposio da

austenita dentro de uma faixa de temperatura entre o campo da formao da

martensita, ferrita e da perlita. Este constituinte consiste de um agregado de ferrita

acicular e carbonetos. Esta morfologia muda progressivamente com a temperatura de

transformao na qual o tamanho das partculas e a acicularidade da estrutura aumenta

conforme diminui a temperatura (BHADESHIA, 1992; BRAMFITT e SPEER, 1988).

A transformao baintica ocorre no intervalo de temperatura aproximado de 550

250C. Ela tambm denominada transformao intermediria, entre a perlita e

martensita. (NOVIKOV, 1994).

Nos diagramas TTT dos aos, h um largo intervalo de temperatura,

normalmente entre 250C e 550C, no qual no h formao de perlita ou martensita,

conforme Hehemann (1970). A amplitude desta regio dependente da composio

qumica dos aos. (% de carbono e elementos de liga). Nestas temperaturas formam-se

http://www.worldautosteel.org/

50

agregados finos de ferrita e cementita, sob a forma de ripas, as quais tem algumas das

caractersticas das reaes de alta temperatura como a difuso, envolvendo a ferrita, e

simultaneamente algumas das caractersticas de transformao da martensita, como o

cisalhamento.

Estas estruturas intermedirias entre os constituintes em equilbrio do ao e a

martensita, so no seu conjunto, designadas por Bainita, em homenagem a Edgar Bain

que, em colaborao com Davenport (1930), as observou pela primeira vez durante

uma investigao sistemtica e pioneira da decomposio isotrmica da austenita

(HONEYCOMBE, 1981).

A transformao baintica intrigante devido a sua natureza dupla.A

transformao baintica revela propriedades que so tpicas de uma transformao de

nucleao e crescimento, ao mesmo tempo apresenta um igual nmero de

caractersticas que poderamos classific-la como reao martenstica.

Um dos fatores que mais tem complicado o estudo das estruturas bainticas sua

grande variedade e complexidade, existindo diversos tipos diferentes de bainita,

podendo sua morfologia variar de forma com o aumento da porcentagem de carbono.

O tema bainita motivo de muita pesquisa em todo o mundo, e muitas controvrsias

continuam aps setenta anos de sua descoberta.

2.10.1 Terminologias

Segundo Edgar Bain em colaborao com Davenport (1930) a bainita pode ser

formada por transformao isotrmica. classificada em dois tipos: superior e

inferior. Na bainita superior a distribuio de carbonetos ocorre entre as ripas de ferrita

e na bainita inferior a distribuio de carbonetos ocorre em parte no interior das ripas

de ferrita e em parte entre as ripas de ferrita. Estes carbonetos normalmente so

cementita. A diferena entre superior e inferior se estabelece tambm atravs da

temperatura de transformao. O limite convencionado 350C (NOVIKOV, 1994).

Sendo, entre 550C e 350C bainita superior e entre 350C e 250C bainita inferior.

Estas faixas de temperaturas podem variar em funo da composio qumica do ao

(BRAMFITT; SPEER, 1988; AZUMA et al, 2003).

51

Na Figura 2.13 demonstra-se a decomposio isotrmica da austenita de aos

microligados com separao das curvas-C das transformaes perltica e baintica.

Curvas do ao a, composio qumica 0,43C1,22Cr0,82Mn0,112V.

1-Incio da formao da ferrita;

2-incio da formao perlita;

3-final da transformao perltica;

4-incio da formao bainita;

5-final da transformao baintica.

Curvas do ao b, composio qumica 0,43C3,52Cr.

1-Incio da formao da perlita,

2-final da transformao perltica,

3-incio da formao da bainita,

4-final da transformao baintica.

Figura 2.13: Diagramas de decomposio isotrmica da austenita de aos

ligados,com separao das curvas-C das transformaes perltica e

baintica. (NOVIKOV, 1994)

A bainita que se forma durante o resfriamento contnuo, freqentemente,

chamada de bainita granular. Esta terminologia largamente utilizada na indstria.

Na mesma faixa de temperaturas das bainitas, aparece outra microestrutura

denominada ferrita acicular, que consiste de uma srie de placas que nucleiam de

forma heterognea a partir de incluses no metlicas, crescendo em diferentes

direes dando lugar a uma microestrutura desorganizada e catica. As estruturas da

52

ferrita acicular e da bainita so diferentes. Enquanto a bainita cresce com uma srie de

placas paralelas em orientaes cristalogrficas idnticas, nucleando nos contornos de

gro da austenita, as placas de ferrita acicular nucleiam no interior dos gros, de forma

radial com centro nas incluses no metlicas.

Kennon (1980), catalogou trinta diferentes termos usados para descrever a

microestrutura baintica:

Tabela 2.1 - Termos usados para a morfologia baintica (KENNON, 1980)

Termos

Bainita superior Bainita massiva Bainita aparente

Bainita inferior Bainita acicular Bainita como formada

Bainita de alta temperatura Bainita baixo carbono Bainita revenida

Bainita de baixa

temperatura

Bainita mdio

carbono

Bainita superior revenida

Bainita em bloco de coluna Bainita alto carbono Bainita inferior revenida

Bainita em bloco Bainita baixo C ou

liga

Bainita livre de

carbonetos

Bainita colunar Bainita I Bainita incompleta

Bainita granular Bainita II Bainita clara

Ilha de bainita Bainita III Bainita no contorno de

gro

Bainita lenticular Bainita comum Bainita inversa

Um dos fatores que mais tem complicado o estudo das estruturas bainticas sua

grande variedade e complexidade, existindo diversos tipos diferentes de bainita, sua

morfologia pode variar de forma importante com o aumento da porcentagem de

carbono. O tema bainita motivo de muita pesquisa em todo o mundo, e muitas

controvrsias continuam aps setenta anos de sua descoberta.No trabalho

simplesmente chamaremos de bainita.

53

Nos aos bainticos os gros originais de austenita transformam-se em estruturas

de ripas, cuja espessura varia geralmente entre 0,2 e 2 micrometros. As ripas formam

feixes ou cachos; as fronteiras entre as ripas de um mesmo feixe so de pequeno

ngulo, mas feixes adjacentes, tm uma rotao relativa de ngulo elevado. A

espessura dos feixes a caracterstica fundamental da microestrutura que controla a

propagao de fissuras de clivagem nestas estruturas (BHADESHIA, 1992).

A morfologia da bainita consiste de ripas finas de ferrita, curtas ou mais longas,

em funo do tratamento, semelhante a da ferrita de Windmansttten, isentas ou no

de precipitao interna.

Podem ocorrer placas finas de ferrita ao invs de ripas e partculas estreitas de

cementita, na forma de bastes ou lminas muito finas no interior destas placas,

assemelhando-se a finas agulhas. Dependendo do tipo de bainita, pode apresentar

filmes de martensita de alto teor de carbono, por transformao da austenita retida no

resfriamento. (NOVIKOV, 1994)

As transformaes perlticas e bainticas so na realidade, concorrentes entre si.

Quando uma frao de uma liga tenha se transformada em perlita ou bainita, para obter

perlita ou bainita necessrio reaquecer a liga para formar austenita e executar

tratamento trmico adequado para obteno do microconstituinte desejado.

(CALLISTER, 2002; BHADESHIA, 1992; BRAMFITT e SPEER, 1988).

2.10.2 Bainita granular

Bainita Granular um termo freqentemente empregado para descrever a bainita

que se forma na transformao durante o resfriamento contnuo e apresenta um aspecto

granular (HABRAKEN; ECONOMOPOULOS, 1967). Esta terminologia largamente

usada na indstria, rea que a maioria dos aos no so tratados isotermicamente. Um

bom exemplo a indstria para gerao de energia, a qual emprega grandes

componentes de ao Cr-Mo que normalmente so resfriados do campo austentico para

induzir a formao de microestrutura baintica.

A bainita granular no facilmente distinguvel da bainita convencional quando

examinada no microscpio eletrnico de transmisso, uma vez que os mecanismos de

54

formao delas no so diferentes. No entanto, como a microestrutura se forma

gradualmente durante o resfriamento, os feixes de bainita podem ser maiores. No

microscpio ptico a microestrutura tem a aparncia de blocos de bainita e austenita,

assim apropriado empregar o adjetivo "granular".

Uma caracterstica, apesar de no ser a nica, da bainita granular a ausncia de

carbonetos na microestrutura. O carbono que parcionado da ferrita baintica

estabiliza a austenita residual, assim, a microestrutura final contm austenita retida e

martensita com alto teor de carbono em adio a ferrita baintica.

(HABRAKEN; ECONOMOPOLUS, 1967).

2.10.3 Bainita superior

Quando a bainita se forma a partir da decomposio a altas temperaturas

(superior a 350C) da austenita recebe o nome de bainita superior.

A microestrutura da bainita superior consiste de ripas finas de ferrita, cada uma

com espessura da ordem de 0,2 micrmetro e comprimento de 10 micrmetros. As das

ripas crescem de forma agrupada formando feixes. Em cada um dos feixes as ripas so

paralelas e possuem orientao cristalogrfica idntica, elas possuem cristalografia

definida. As ripas individuais dos feixes so denominadas sub-unidades da bainita.

Normalmente, elas so separadas por contornos com pequena misoorientao ou por

partculas de cementita. A Figura 2.14 mostra a microestrutura da bainita superior.

Esta uma micrografia de um ao rico em silcio, em que suprimiu-se a precipitao

da cementita. Ao invs de cementita, tem-se filmes de austenita entre as ripas de

ferrita.

55

Figura 2.14: a) Fotomicrografia ptica; b) Fotomicrografia de transmisso em campo

claro; c) imagem em campo escuro da austenita retida; d) montagem do

feixe de bainita visto por microscopia eletrnica de transmisso (os

feixes possuem a mesma aparncia da ripa escura observada na

microscopia ptica). Bhadeshia (2001).

A formao da bainita superior envolve estgios distintos, iniciando com a

nucleao das ripas de ferrita nos contornos de gro da austenita. O crescimento das

ripas acompanhado por mudana de forma da regio transformada, a mudana pode

ser descrita como um plano invariante de deformao com uma grande componente de

cisalhamento, virtualmente idntica a observada durante a transformao martenstica.

A bainita cresce a temperatura relativamente alta quando comparada com a

martensita. A alta tenso associada com a mudana de forma no pode ser suportada

pela austenita e a resistncia desta diminui com o aumento da temperatura. As tenses

induzidas pela deformao so relaxadas pela deformao plstica da austenita

adjacente. Na regio h aumento na densidade de discordncias causada pela

deformao plstica da austenita devido ao movimento da interface induzido pela

56

transformao (Figura 2.15). Esta deformao plstica localizada impede o

crescimento das ripas de ferrita, deste modo, cada sub-unidade atinge um tamanho

limite, o qual muito menor que o tamanho de gro da austenita.

Figura 2.15: Emaranhado intenso de discordncias que se forma na interface bainita

(regio clara) austenita (regio escura) causada pela deformao induzida

pela mudana de forma que acompanha a transformao baintica.

(BHADESHIA, 2001).

Anteriormente, foi enfatizado que a bainita superior forma-se em dois estgios

distintos, o primeiro envolve a formao da ferrita baintica, na qual o carbono possui

pequena solubilidade (

57

alumnio, que retardam a formao da cementita, adicionada ao ao, possvel

suprimir a formao da cementita. A microestrutura da bainita superior ser formada

de ferrita baintica e austenita retida enriquecida de carbono. A microestrutura pode

conter tambm martensita se ocorrer a decomposio da austenita residual durante o

resfriamento temperatura ambiente.

2.10.4 Bainita Inferior

A decomposio da austenita a temperatura mais baixa (inferior a 350C) d

origem a bainita inferior. A bainita inferior possui microestrutura e caractersticas

cristalogrficas similares as apresentadas pela bainita superior. A maior diferena est

na precipitao da cementita no interior das ripas de ferrita. Existem dois tipos de

precipitados de cementita o que cresce a partir da austenita enriquecida em carbono e

que separa as plaquetas de ferrita baintica, e uma segunda cementita que precipita a

partir da ferrita saturada. Esta ltima apresenta relao de orientao de revenido

encontrada quando ocorre a precipitao de carbonetos durante o tratamento trmico

da martensita.

A Figura 2.16 mostra diversos tipos de partculas de carboneto no interior da

ferrita baintica. A bainita inferior por outro lado consiste de plaquetas finas

organizadas na forma de feixes, com cada plaqueta parcialmente separada por

carbonetos ou por um filme de austenita retida com alto teor de carbono

(BHADESHIA, 2001).

58

Figura 2.16: Microestrutura da bainita inferior (BHADESHIA, 2001).

No necessrio que os carbonetos da ferrita sejam cementita. Dependendo da

composio qumica e da temperatura de transformao, outros tipos de carbonetos de

transio podem ser formados primeiro. Por exemplo, em aos com alto de carbono

contendo mais que 1% de silcio (este retarda a formao da cementita), pode-se

observar a precipitao de carbonetos epson na ferrita baintica.

observado atravs do microscpio eletrnico de transmisso na Figura 2.17 que

a bainita inferior apresenta uma variante de partcula de carboneto em cada ripa. Uma

nica variante tende a ocorrer quando a energia de ativao para a precipitao da

cementita pequena, como por exemplo em ao baixo carbono ou a alta temperatura

em que o carbono pode sair rapidamente da ferrita saturada. (BHADESHIA, 2001).

59

Figura 2.17: Relao de orientao cristalogrfica (BHADESHIA, 2001).

Outra explicao possvel que a precipitao dos carbonetos influenciada pela

tenso criada pelo crescimento da bainita inferior. O efeito pode ser reduzido durante o

revenido da martensita porque a energia de ativao para a precipitao dos carbonetos

grande.

Os carbonetos na bainita inferior