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Resistência a Abrasão de Aços Hadfield

Autor: Prof. Doutorando Paulo Machado

Setembro 2015 – Vitória/ES

2 Fonte: Moore, M.A. 1981

Introdução Figura. Efeito da microestrutura e dureza na resistência a abrasão de aços em

condição de teste de abrasão sob alta tensão e abrasivo de alumina

Orie

ntaç

ão c

rista

lina

??

Objetivos • Estudar a resistência a abrasão do aço Hadfield

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Abrasão de aços Hadfield – Multi-escala

•Mecanismo de remoção de massa em britadores

Abrasão em caso real de aplicação

•Ensaio de abrasão - britador em escala de lab.

Efeito da variação de Mn

•Ensaio de roda de borracha – multi evento

Efeito da variação de C, perfil encruado em campo e meio

•Ensaio de micro esclerometria – único evento

Efeito da variação de C e do perfil encruado

•Ensaio de nano esclerometria – único evento

Efeito da variação de Mn, perfil encruado e orientação cristalina

Mecanismo de Remoção de Massa • Em casos reais de aplicação, britadores, tem-se:

• Dano superficial;

• Dano sub-superficial.

4 Figura. Esquema de remoção de massa

Fn

F tan

6 mm

Superfície

Fonte: Tanaka, D.K., 2011

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Figura. Microestrutura das fraturas de amostras tratadas em isoterma de 750 ºC. a) Transversal - 1 minuto. b) Topografia – 1 minuto. c) Transversal - 20 minuto. d)

Topografia – 20 minuto.

Fonte: Santos et al., 2010

Mecanismo de Remoção de Massa

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Figura. Detalhe da superfície desgastada de mandíbula (britador). a) risco de abrasão com formação de proa (seta amarela). b) “enrugamento”, deformação do material (seta azul) na frente da proa. Estereoscópio

• Dano superficial



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Figura. Trinca transgranular

superficial. Aço Hadfield classe C.

MEV. a) 1500X – SE. b) 500X – BEC

• Dano superficial -> sub-superficial


Fonte: Machado, P.C., 2015

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Figura. Conjunto de micrografia da trinca transgranular ortogonal a superfície. 500X. MEV-BEC. Aço Hadfield classe B-1




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Figura. Trinca intergranular superficial. Aço Hadfield classe C. MEV-SE. 500X




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Figura. Detalhe da superfície desgastada de mandíbula (britador), risco de

abrasão com formação de proa

• Multi eventos abrasivos: • Britador de mandíbula;

• Roda de borracha.

• Evento abrasivo unitário: • Micro esclerometria;

• Nano esclerometria.

Ensaio de Abrasão


Fração fab – dregree of wear

Stroud e Wilma, 1962, observaram que na abrasão de metais dúcteis apenas uma fração do volume do risco é convertido em cavaco (debris) e o restante é deformado plasticamente para as bordas;

Logo, fab é a fração de material removido em forma de debris:

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Figura. a) Perfil transversal do groove (CCI). b) End of scratch (prow) – SE_MEV_800X. c) Proa - perfilometria 3D

Fonte: LFS, 2014

Apile-up¹ Apile-up²

Ahole

a) b)

c)

fab → Ratio microcutting to microploughing

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Figura. Relação do ângulo de ataque - mecanismo

• O ângulo de ataque é definido pelo ângulo entre a face do abrasivo em contato e a superfície desgastada.

• Os mecanismos microcutting e microploughing são dependentes de um valor crítico do ângulo - αc; • Os materiais apresentam

diferentes αc. Exemplo: • Cobre - αc,Cu = 45⁰;

• Alumínio - αc,Al = 85⁰;

• O encruamento promove o aumento do αc (Challen et al. 1983);

Ângulo de Ataque - α

Figura. Diagrama de micromecanismo de desgaste em função da dureza (aço temperado e revenido)

Fonte: Hokkirigawa et al. 1988

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Fonte: Machado - LFS, 2015

Figura. Perfil do endentador cônico com ponta esférica de raio de 5 μm

• O endentador cônico com ponta esférica apresenta variação no ângulo de ataque de acordo com a carga e o material em estudo.

Figura. Perfil da ponta do endentador – variação de ângulo de ataque em função da penetração


a

Fonte: Hokkirigawa et al. , 1988

Onde: h = profundidade de penetração; a = raio projetado – superfície.

• Grau de penetração – Degree of penetration

O variação de Mn altera o comportamento plástico do material, pois eleva a SFE (stacking fault energy).

• Martensitic transformation: <18 mJ/m²;

• Twinning: 18-35 mJ/m²;

• Slipping: >35 mJ/m².

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Fonte: Karaman et al., 2000

Figura. Monocristal de aço Hadfield plano (0 ̅11) carregado na direção [ ̅111] em temperatura ambiente. a) Ativação de um sistema de maclação. b) Ativação de dois sistemas de maclação, alivio de tensão a 25% de deformação

Fonte: Brake et al., 2007 e Lu et al., 2010

Encruamento do aço Hadfield

A maclação diminui a mobilidade de discordâncias dentro do grão cristalino tendo efeito mecânico similar a diminuição de tamanho grão.

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Fonte: De Cooman et al., 2011

Figura. Ilustração do efeito Hall-Petch dinâmico. O mecanismo de maclação forma-se devido a baixa SFE

Encruamento do aço Hadfield

Resistência do Material – Aço Hadfield

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Figura. Sistema de maclação no aço Hadfield [111]. a) Macla de recristalização. b) Maclas de deformação

Fonte: LFS, 2014

a) b)

Desgaste Abrasivo

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Onde: Ahole = área transversal do sulco – mm²; H = dureza em MPa; Fn = força normal – N; kab : adimensional.

Onde: Ahole = área transversal do sulco – mm²; fab = fração de material removido;

Onde: Hdef = dureza do material deformado; H = dureza bulk;

Propriedades Físicas

• Propriedades do material que influem no desgaste abrasivo

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Figura. Esquema de sistemas de deformação plástica em estruturas cristalinas

Fonte: Zum Gahr, 1987

Anisotropia Cristalina

• O deslizamento depende dos possíveis sistemas existentes, portanto da estrutura cristalina;

• Policristal → Apresentam diferente distribuição de deformação;

• Para um risco pode apresentar variação de largura e profundidade em cada cristal;

• Dyer (1961) e Bluckey (1968) apresentaram a dependência do coef. de atrito a orientação cristalográfica.

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Figura. Trilha de desgaste no Fe – 38Ni – 6Al. Ponta de

diamante com carga 0,25 N

Fonte: Zum Gahr, 1987

A orientação cristalina dos policristais ordenada (textura) pode ser induzida na fundição ou em processo de deformação;

ASTM A128

• As classes B-1 e C foram utilizadas na pesquisa

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Tabela. Classes (grades) de aço Hadfield

Fonte: ASTM A128, 2012

Curva TTT

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Fonte: Kuyucak, S. 2001

Figura. Curvas TTT de re-precipitação de carbonetos durante resfriamento após solubilização

J J J

Fonte: LFS, 2014

Figura. Aço Hadfield classe B-1 e C. Deformado. MO. Reagente picral. 500X

Metodologia Experimental • Esclerometria linear- Script:

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Figura. Esquema do ensaio de esclerometria em escala micro e nano

7 mm

Metodologia Experimental

• Micro esclerometria linear- Script: Endentador Vickers;

Ângulo de ataque (ϕ): ~ 20⁰;

Carga: 8 N;

Velocidade de deslocamento: 1 mm/s;

Deslocamento: 7 mm.

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Figura. a) Tribômetro UMT-2 Bruker. b) Câmara de ensaio UMT-2. c) Nano endentador Hysitron. d) Endentador cônico

Fonte: UMT Hardware Installation Applications Manual e LFS, 2015

7 mm

• Nano esclerometria linear - Script: Endentador geometria Rockell;

Ângulo de ataque (ϕ): 20 - 60⁰;

Carga: 20, 50, 100, 150, 200 e 250 mN;

Velocidade de deslocamento: 3,3 um/s;

Deslocamento: 100 um.

o Aços Hadfield em análise;

Resultados – Composição Química

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Classe C C Mn Si P S Cr Ni Mo Fe

1,52 13,26 0,84 0,05 0,003 1,48 0,10 0,12 82,3 Classe B-1

C Mn Si P S Cr Ni Mo Fe 1,02 12,48 0,54 0,04 0,001 0,47 0,07 0,02 85,1

Figura. Aço Hadfield classe B-1. Deformado. MO. Reagente picral. 500X

Figura. Aço Hadfield classe C. Deformado. MO. Reagente

picral. 500X

• Dureza Bulk

• VL1: 243 HV30kgf

• VL2: 202 HV30kgf

Resultados – Dureza Vickers

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Figura. Perfil de microdureza ao longo do Scratch

Macro dureza – 30 kgf Micro dureza – 0,3 kgf

Resultados – Micro esclerometria

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Figura. Esquema de imagens MEV do risco. Hadfield classe C. MEV-SE. 500X e 50X


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Figura. Esquema de imagens MEV do risco. Hadfield classe B-1. MEV-SE. 500X e 50X


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• Classe C e B-1 deformados

Figura. MEV do risco. a) classe C e classe B-1. 500x

a) b)

Resultados – µ e perfilometria

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• Classe C

Figura. Esquema dos resultados (classe C) de Fz, Fx e µ em função do tempo (s) correlacionado com a perfilometria do groove.

Resultados – MO e perfilometria

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• Classe C

Figura. Esquema de micrografias e perfilometria (vista lateral) do groove. Classe C. MO. 200x

Menor Kab

Médio Kab Maior Kab

Legenda:

Figura. Perfi transversal do groove nas posições 2,5; 4,5 e 5,5 mm

Kab = 9,3. 10-4 Kab = 7,1. 10-3 Kab = 1,3. 10-2

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• Classe B-1

Figura. Perfil transversal do groove nas posições 0,5; 1,5 e 5,5 mm

Kab = 2,1. 10-2 Kab = 1,1. 10-3 Kab = 1,1. 10-2

Resultados – MO e perfilometria

Figura. Esquema de micrografias e perfilometria (vista lateral) do groove. Classe B-1. MO. 200x

Menor Kab

Médio Kab Maior Kab

Legenda:

Resultados – Kab vs. fab

• Os valores de kab e fab

variam de acordo com a textura cristalográfica;

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Figura. Resultados de coef. de desgaste em função do fab

Resultados – Kab vs. fab

• Os valores de kab e fab

variam de acordo com a textura cristalográfica;

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Figura. Resultados de coef. de desgaste em função do fab

Resultados Nano esclerometria

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Figura. Esquema de micrografias do risco (MEV-SE - 900X) com o gráfico de coeficiente de atrito em função do grau de penetração para os materiais 12Mn e 20Mn. a) 100 mN – 12Mn. b)150 mN – 12 Mn. c) 200 mN – 12Mn. d) 100 mN – 20Mn. e)150 mN – 20 Mn. f) 200 mN –

20Mn

Resultados Nano esclerometria

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Figura. Correlação do coeficiente de atrito e grau de penetração para esclerometria com

endentador de pino de aço e disco de aço temperado contra disco de aço inoxidável (P: plouging mode, W: wedge forming mode and

C: cutting mode)


Resultados – Nano esclerometria

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Figura. Esquema coeficiente de atrito –

micrografias ME.-SE. 900x. a) Gráfico de

coeficiente de atrito ao longo do risco (12Mn e

20Mn, W=100 mN). b) Micrografia aço 12Mn. c) Micrografia aço 20Mn

Resultados – Nano esclerometria

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Figura. EBSD aço Hadfield classe C deformado

Referências Bibliográficas

ASTM A128, 2012, Standard Specification for Steel Castings, Austenitic Manganese;

Buckley, D. H.; The Influence of the Atomic Nature of Crystalline Materials on Friction. ASLE Trans., 11 (1968) 89-100;

Challen, J. M., Oxley, P. L. B., & Doyle, E. D. (1983). The effect of strain hardening on the atomic nature of crystalline materials on friction, 88, 1–12;

Dyer, L.; Rolling Friction on Single Crystals of Copper in the Plastic Range, Acta Metall.,9 (1961) 928-936;

Hokkirigawa, K., Kato, K., & Li, Z. Z. (1988). The effect of hardness on the transition of the abrasive wear mechanism of steels. Wear, 123(2), 241–251;

Kuyucak, S. and Zavadil, R. and Newcombe, P., 2001, Heat Treatment of Hadfield’s Austenitic Manganese Steels Part I – VIII – AFS Special Report;

Rabinowicz, E.; Friction and Wear of Materials. J.Wiley, New York, 1965;

Rabinowicz, E.; Wear Coefficients-metals, in Wear Control Hanbook, Peterson, M. B. and Winer, W. O., eds., ASME, New York, 1980, pp. 475-506;

Santos, N. L., Todorov, D., Cavalcanti, A. H., & Fuoco, R. (2010). Effect of Carbide Re-precipitation on the Toughness of Hadfield Austenitic Manganese Steel. American Foundry Society, 1–16;

Stroud, M. F. and Wilman, H.; The Proportion of the Groove Volume Removed as Wear in Abrasion of Metals. Brit.J.Appl.Phys., 13 (1962) 173-178;

Tsujimoto, N. – Casting Practice of Abrasion Resistant Austenitic Manganese Steel – AFS International Cast Metals Journal, June, 1979, p. 62-77;

Zum Gahr, K. (1987). Microstructure and wear of materials.

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Apoio: Apoio:

Agradecimentos Abrasivos

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• Obrigado pela atenção!!

e-mail: [email protected]

Foto: Fábio Nascimento; Jimmy Penados; Juan Pereira; Tiago Cousseau; Paulo Machado; Amilton Sinatora; Fernando Ono; Luiz A. Franco; Marcos Ara; Gustavo Tressia; Eduardo Albertin.

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