Your SlideShare is downloading. ×
Bainita
Upcoming SlideShare
Loading in...5
×

Thanks for flagging this SlideShare!

Oops! An error has occurred.

×

Introducing the official SlideShare app

Stunning, full-screen experience for iPhone and Android

Text the download link to your phone

Standard text messaging rates apply

Bainita

245
views

Published on

Trabalho sobre Bainita

Trabalho sobre Bainita

Published in: Education

0 Comments
0 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

No Downloads
Views
Total Views
245
On Slideshare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
0
Actions
Shares
0
Downloads
4
Comments
0
Likes
0
Embeds 0
No embeds

Report content
Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
No notes for slide

Transcript

  • 1. LatinAmerican Journai o/ Metallurgy and Maierials, Vol. 8 Nos. 1 & 2 (1988) Microestrutura e propriedades de misturas de martensita e bainita em aco 300M Maurizio Ferrante Departamento de Engenharia de Materiais - Universidade Federal de Sao Carlos, 13560 - Sao Carlos, Brasil. M. Virginia Altoé Instituto de Física - Universidade de Sao Paulo, Sao Paulo, Brasil Microestrut~ras ccmpoetas de.marten~ita; bainitaforam obtidas em um aco 300M utilizando tratamentos isotérmicos em temperaturas pouco acima do MI. posterior resfriamiento em 6leo e revenimento. Microscopia electrónica de transmíseáo mostrou que o tratamento isotérmico a 328°0 originou microestruturas compostas de bainita superior e martensita. enquanto o tratamento a 28000 resul.tou em microestr.uturas contendo bainita inferior. além de martensita. As propriedades mecánicas foram avaliadas através de: ensaios de tracáo e de Impacto Oharpy. A melhorcombina<;B.ode propriedades foi obtida para uma mistura composta de 20%de bainita inferior e martensita. Esta microestrutura exibiu resistencia mecánica semelhante a obtida com o tratamento convencional de tempera e revenimento mas resistencia ao impacto Charpy, 50% maior. S~mples of a 300M steel were isothermally heat treated at temperatures just above the M., oil quenched and tempered giving rise to mícrostructures composed by a mixture ofbainite and martensite. Transmission electron microscopy revealed that the isothermal heat treatment performed at 3280Cresulted in the formation of upper bainite and martensite whereas 280°0 originated lower bainite and martensite. Tensile and impact tests showed that the best combination of properties was achieved by a mixture of about 20%lower bainite and martensite. This microstructure is characterized by tensile properties which are very similar to those obtained on samples heat treated in accord to the conventional practíce (oil quench and tempering) but showed impact values 70% higher. INTRODUQAO A familia de acos denominados "de alta resistencia" surgiu em resposta demanda por alto desempenho mecánico expressa pela Indústria aeronáutica e aeroespacial. a Como exemplo citamos os acos "ausforming", os "maraging" e alguns microligados como o AISI4340 e o 300M (AMS 6416). Os dois últimos se assemelham bastante, aparte o maior teór de silício e a presenca de vanádio no 300M, este largamente utilizado na Indústria aereonáutica e em vasos de pressao para mísseis. No cenário nacional vale citar que este aco é empregado na estrutura do foguete SONDA IV, fabricado pela AVIBRAS. A pesar de os acos de alta resistencia se caracterizarem por excelente relacáo resistencia/peso ainda há justificativas para atividades de pesquisa, visando aumentar sua tenacidade. Por exemplo, Youngblood & Ravaghan [1] e Mc Dermaid [2] propuseram O uso de temperaturas de austenitizacáo mais elevadas, objetivando principalmente a completa dissolucáo dos carbonetos grosseiros. Me Dermaid observou aumentos de KIC da ordem de 30% para o aco 300M austenitizado a 1165°C com apeo nas pequeno sacrifício na dutilidade. a Com respeito influencia da austenita retida, a maioria dos autores interessadosno problema a consideram negativa, por se desestabilizar sob esfor<;o mecánico, resultando em martensita nao revenida e, por isto mesmo, frágil. Para o 300M, Parker [3] observou brusca diminuicao da tenacidade a partir de temperaturas de revenimento da ordem de 350-450°C para amos tras resfriadas em óleo. Além do gráu de estabilidade, isto é, a capacídade de nao se decompor em martensita, a fracao volumétrica de austenita retida também parece ser um fator importante. Parker notou que para o aco 300M o . tsór de austenita retida era da ordem de 6%, enquanto resfriamento ao ar resultava em valores de 30%. Da observacáo de que a perda de tenacidade era muito maior no segundo caso é possivel concluir que para resfriamento rápido e revenimento abaixo de 350°C, a influencia da fase em questáo é pouco importante. O uso de microestruturas bainíticas em acos de alta resisténcai foi comentado e avaliado por Smith & Hehemann [4] e Irvine & Pickering [5]. Os primeiros relacionaram parárnetros microestruturais com a resistencia mecánica de bainita inferior e martensita, tendo comprovado a validade de expressoés empíricas análogas para ambas as microestruturas. a Quanto tenacidade, já está bem estabelecido que a bainita superior deixa claramente a desejar, enquanto a bainita inferior apresenta elevados valores de Krc [6]. Este comportamento é urna consequencia directa da diferente distribuicáo dos carbonetos em urna e outra microestrutura: alongados e dispostos ao longo dos contornos de grao das placas de ferrita bainítica no primeiro caso, e precipitados e finamente distribuidos no interior das ripas de ferrita no segundo. Urna comparacáo direta entre a tenacidade de microestruturas bainíticas e microestruturas martensíticas foi levada a efeito por Liu [7] sobre um aco com 0,43%C e adicoes de Ni, Co, V e Mo. Para valores idénticos de resistencia mecánica, a bainita inferior exibiu energia de impacto Charpy igual a 80 J (20°C) enquanto a martensita revenida alcancou apenas 40 J. Os resultados foram interpretados em termos da distribuicáo de carbonetos; é importante notar que o autor ressalta nao ter observado presenca de austenita retida. A obtencáo de microestruturas martensita foi tentada por Kunitake contendo bainita e e colaboradores [8]
  • 2. - oamericana de Metalurgia y Materiales. Vol. 8 Nos. 1 & 2 (1988) via resfriamento con - uo de urna série de acos da família dos microligado con :endo o, e + B. Os autores observaram urna melhoria nas propriedades de resistencia e tenacidade atribuida ao refinamento do pacote martensítico. Esta mesma linha foi recentemente explorada por Tomita e Okabayashi [8] sobre aco 4340 utilizando transforrnacáo isotérmica incompleta em temperatura pouco acima do Mi, seguida de resfriamento em água, refrigeracáo e revenimento a 200°C. Foram obtidas fracoés volumétricas de bainita inferior indo de zero a um, o melhor desempenho mecánico tendo sido observado para urna microestrutura contendo 25-30% daquela fase. Os autores atribuiram este comportamento a subdivisáo do grao austenítico original pelas ripas de bainita e consequente refino do pacote martensítico. O presente trabalho tem como objetivo a comparacáo das propriedades mecánicas do aco 300M submetido ao tratamento térmico convencional (tempera + revenimento) e a tratamentos isotérmicos seguidos por refriamento em óleo, refrigeracáo e revenimento. As propriedades mecánicas foram avaliadas pelos ensaios de tracáo e de impacto Charpy e a microestrutura foi caracterizada via microscopia ótica e electrónica de transmissáo. Caracter'iz.acáo 87 microestrutural A fracáo volumétrica de bainita foi avaliada por metalografia ótica em amostras atacadas com Nital 2%. Amostras para microscopia eletrónica de transmíssáo foram preparadas por poli mento eletrolítico (ácido acético: ácido perclórico 95:5) de discos com 3mm de diámetro. e observadas em um microscópio Jeol 100-XC. Empregou-se difracáo de Raios-X para avaliar a presenca de austenita retida nas amostras revenidas. Ensaios Mecánicós Os ensaios de tracáo foram executados em urna máquina universal INSTRON Mod. 9.51.11 Ma, com velocidade de travessáo igual a 10N/mrrr /s. Os resultados incluem limite de resistencia (O'R) de eseoamento (O'e) e alongamento (e). Os ensaios Charpy foram efetuados com velocidade de impacto igual a 1,42 m/s. As amostras de tracáo e tenacidade Charpy foram usinadas mantendo-se respectivamente a dírecáo maior e a de propagacáo da trinca, paralelas a direcáo de laminacáo da chapa. Foram ensaidos tres corpos de prova para cada condícáo. • s. RESULTADOS E DISCUSSAO 2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Material Ac;o 300M de fabricacáo nacional (Eletrometal S/ A) recebido no estado laminado e recozido sob forma de chapas com 3mm de espessura. Composicáo química: 0,43C - 0.77Mm - 1,78Si 0.80Cr - 1,75Ni - 0,37Mo - 0.02Cu - 0.009P - 0,006S. (% em peso). Tratamentos Térmicos Todos os tratamentos foram realizados sobre corpos de prova de tracáo e Charpy confeccionados segundo a norma ASTM E-8 e em escala reduzida. Norrnalizacao e austenitizacáo foram realizadas a 930°C (0:30 h) e 980°C (1:00 h), respectivamente. Os tratamentos isotérmicos foram efetuados em banho de sal, em duas temperaturas e diferentes espacos de tempo: 328°C (O, 210, 340, 540, 2000 segundos) 280°C (O. 300, 420, 540, 1800 segundos) Em seguida os corpos de prova foram resfriados em óleo a partir das temperaturas de transformacáo acima discriminados, submetidos a tratamento de refrigeracáo em nitrogénio líquido (20 hs) e revenidos a 280°C (2 hs). Tinta protetora e protecáo gasosa (argónio) foram utilizados na norrnalizacáo e para cada tempo foram tratadas quatro amostras (urna para microscopia e difracáo de Raios-X e tres para ensaios mecánicos). Microsestrutura e As figuras 1-a, 1-b e l-c mostram aspectos típicos das amos tras totalmente martensíticas (M) e das que contém bainita superior (BS) e bainita inferior (Bl). Note-se em 1-b as placas de bainita subdividindo a grao austenítico original. Em quase todos os casos a martensita se apresenta como regiáo escura sugerindo maior espessura do filme fino. Este efeito é provavelmente causado pelo enriquecimento por carbono da austenita remanescente, durante o crescimento da bainita. Isto resultou em martensita com alto teór de carbono e portanto resposta diferente a acáo do polimento eletrolítico [9]. Note-se que todas as amostras foram observadas após o tratamento sub-zero mas antes do revenimento. A análise dos difratogramas de raíos-X, efetuada sobre amostras revenidas, revelou total ausencia dos picos de Fe -y. Apesar de a sensibilidade do método nao permitir a deteccáo de baixos teores daquela fase, é razoável supor que a proporcáo de austenita retida seja praticamente constante nas amostras, e que nao tenha interferido nos resultados. A morfologia das amostras transformadas a 328°C (figura l-b) sugere urna microestrutura composta por martensita e bainita superior. Tal conclusao se justifica face clássica definicáo de bainita superior e pela comparacáo com as microestruturas de acos de composicao semelhante e caracterizadas como tal [10, 11J. Por outro lado, a figura 1-c mostra placas de ferrita contendo precipitados em forma de agulha com sua dimensño maior formando um ángulo de aproximadamente 60°C com o eixo da placa. Esta é a morfologia característica de bainita inferior. a
  • 3. 88 LatinAmeri.can Journal 01 Metallurgy and Materials, Vol. 8 Nos. 1 & 2 (1988) inferior respectivamente. A figure 2-b mostra a evolucáo do alongamento corn a fracáo volumétrica dos dois tipos de bainita. Como era de se esperar, a incorporacáo de urna fase dútil resulta em maiores valores de alonga. mento das amostras, o efeito sendo mais pronunciado, para o caso da bainita superior. a Tomando em conjunto estes dados, é possivel afirmar que o comportamento mecánico observado resulta do efeito competitivo de dois parámetros: o refino do pacote martensítico e o valor da resistencia-base do microconstituinte bainita . .O efeito combinado destes fatores pode ser examinado no contexto da lei das misturas e principalmente nos desvios desta lei, aqui observados. Sabe-se que urna . das variáveis mais importantes na determinacáo da resistencia mecánica da martensita é o tamanho do "pacote martensítico" [13]. Ao final do trata mento isotérmico e imediatamente antes do resfriamento em óleo, o grao austenítico encontra-se subdivido pelas placas ou ripas de bainita, o que efetivamente corresponde a uma dimínuicáo do tamanho de grao, e consequente refino do pacote martensítico. b No entanto o contínuo crescimento da fracáo volumétrica da bainita reflete-se em queda das propriedades mecánicas. Este comportamento deve-se ao fato de que a seccáo transversal das amostras é constituida de proporcoés crescentes de urna fase dútil e com resistencia mecánica inferior da martensita. a Vemos assim que as propriedades mecánicas do conjunto martensita-bainita seguem a lei das misturas, exibindo pórem uma perturbacáo inicial. e Fig. 1. Micrografias eletrónicas. loa. arnostra martensítiea (39.000 X). l-b, amostra transformada a 328"C (20.000 X). I-c, amostra transformada a 280"C (39.000 X). A relacáo entre duraeáo de transformacáo isotérmica e proporcáo de bainita está expressa no eixo horizontal da figura 2-a. Vemos que mesmo para ternpos muito longos a reacáo bainítica é incompleta, confirmando observaeoes anteriores [13]. Propriedades Mecánicas Todos os ensaios mecánicos foram efetuados sobre amostras revenidas. A figura 2 contém os resultados dos ensaios de traeáo. Em 2-a nota-se que tanto O'R como o; se mantém razoavelmente constantes para fracoes volumétricas iguais a 0,1 e 0,2, de bainita superior e bainita As consideracoes pertinentes a lei das misturas sáo apenas qualitativas face a ausencia de registro dos paramentros relevantes ao seu cálculo. Os resultados expréssos pela figure 2-a sáo porém perfeitamente adecuados a urna situacáo em que há coexistencia de martensita e dois tipos diferentes de bainita. Assim, a observacao de que, para proporcoés idénticas (por exemplo 40%) as amostras BS e BI exibem tensoes de escoamento iguais a 1150 e 1350 MPa, respectivamente, está de acordo com o fato de que a bainita superior caracteriza-se por menor resistencia mecánica do que a inferior. De fato, Bush & Kelly [14] examinaram os mecanismos que controlam a resistencia de acos bainíticos e enfatizaram o papel das deslocaeoés (escassas na bainita inferior) e da distribuicáo dos carbonetos (finamente dispersos na bainita inferior e grosseiros na superior), ambos os parámetros concorrendo para o aumento da resistencia mecánica. Com relacáo a estes a bainita inferior se caracteriza por alta densidade de deslocacoés e fina distribuícáo de carbonetos, o que explica sua maior resistencia mecánica, Os resultados dos ensaios Charpy sáo mostrados na figura 3. Vemos que a energía de fratura permanece practicamente constante para as amostras Bs, enquanto urna melhora progressiva caracteriza o aumento da fracao volumétrica de bainita inferior. As fratografias mostradas na figura 4 evidenciam um modo de fratura misto para as amostras M e Bs e totalmente dútil para Bi.
  • 4. Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 8 Nos. 1 & 2 (1988) 1900 ....---- • . ·1800 1700 o 1600 ,..... "CI ~ 1500 •....• ,~ V') z 1400 LLJ t- 1300 • 1200 A Martensita (M) • T = 280°C (8)¡ O T = 320·C (8)5 1100 o 50 I O (M) I 420 (Bl)i (62)¡ I 1800 (tem)o, s) (B4)i (c.p. 540 (B3)¡ 1 , 1 1 I O 210 (M) (81)5 340 (82 )s 540 (B 3)5 Fig.2-a. I 300 (bainitci 'l. ) 2000 (84)5 (ternpo, 5) (c.p. ) Tensáo de Ruptura, tensáo de escoamento a tempos de tratamento isotérmico, versus percentagem de bainita. 89
  • 5. 90 LatinAmerican Journal of Metallurgy and Materials, Vol. 8 Nos. 1 & 2 (1988) mente, Curry & Knott [17]concluiram que a resistencia a clivagem depende da espessura do carboneto. Recentemente, o tópico foi retornado por Petch [18] que mostrou haver urna dependencia entre a temperatura de transicao frágil-dútil e d-1/2, isto para urna espessura constante do filme de carboneto, aquela é tanto menor quanto menor o tamanho do grao ferrítico. Estas consideracoes estáo de acordo com um grande número de dados experimentais. 15 é, N a ausencia de carbonetos em contorno de grao a iniciaeáo da trinca de clivagem é dificultada. A distribuic;aointerna daquela fase torna-se importantejá que sob a influencia da tensao aplicada as partículas fraturam ou separam-se da matriz. Estas cavidades crescem até que seu coalescimento produz trincas [19], culminando em fratura dútil. o 10 .20 30 40 50 Bainita. (',,) Fig. 2-b. Alongamento versuspercentagem de bainita. ~==50===l1-1¡.l... --",_1 01 10 (rnrn ) 14 Apesar de ainda nao existir uma teoria referente aos mecanismos de fratura para martensita e bainita, é possivel discutir os resultados do presente estudo a luz das eonsideracoes acima expostas. No caso de microestruturas compostas de martensita e bainita, é razoável .supor que as microtrincas se originem no microconstituinte mais frágil. a martensita. Sua propagacáo dependerá entáo da natureza do contorno entre esta e a bainita. No caso da bainita superior, o filme de carbonetos que envolve as ripas de ferrita prevé a fase de baixa energia superficial necessaria ao avance da trinca. Para bainita inferior a ausencia desta fase em contórno dificulta a propagacáo da trinca de clivagem, os carbonetos finamente distribuidos no interior da ripa de ferrita dando ensejo a manífestacáo de fratura do tipo dútil. Estas consideracoés sao supcrtadas pela figura 4 que mostra superficie de fratura totalmente dútil para a amostra BI, e superficie mista, com indicios de clívagem, para a BS. 4 4. CONCLUSOES 10 20 30 40 50 Ba l nita ('lo) Fig.3. Energia de Impacto Charpy versus percentagem de bainita. Novamente pode-se analizar os resultados em termos do efeito combinado do refinamento do pacote martensítico e distribuicáo dos carbonetos bainíticos. Sabe-se que a fratura do tipo frágil tem maior probabilidade de ocorrer na presenca de carbonetos em contorno de grao e granulacáo grosseira. O efeito do tamanho de grao foi originalmente analizado por Zener [15] que sugeriu que a fratura é induzida em urna regiáo de concentraeáo de tensoes originada por um empilhamento de deslocacoés, Evidentemente quanto maíor o grao mais longo este empilhamento e maior ovalor da tensáo na sua extremidade. O passo seguinte foi o reconhecimento da influencia dos filmes de carbonetos. Cohen [16] mostrou que estes sáo facilmente fraturados por terem urna energía superficial bem menor do que a matriz. Posterior- 1. A transformacáo isotérmica do aco 300M em temperaturas pouco acima do Mi resultou na formacáo de bainitas cuja morfologia permitiu classifica-las como superior (328°C) e inferior (280°C). n. A formacáo de bainita subdivide o grao austenítico refinando, consequen temen te o tamanho do pacote martensítico. III. A melhor cornbínacáo de propriedades foi obtida para urna microestrutura composta por 20%de bainita inferior e martensita, A resistencia mecánica é comparável a obtida pelo tratamento clássico de témpera e revenimento enquanto a energia de fratura Charpy apresentou IV. Os resultados dos ensaios mecánicos podem ser interpretados em base a acáo do refino do pacote martensítico e a morfologia dos carbonetos bainíticos.
  • 6. Revista Latínoamerieana e 91 etalnrgia y Materiales, Vo!. 8 Nos. 1 & 2 (1988) a e Fig. 4-c. Bainita inferior e martensita (2000 X) BIBLIOGRAF1A 1. J.L. Youngblood & R. Ravaghan, Metall Trans. BA, 1439 (1977). 2. D.S. McDermaid, Met. Technology. 6, 7 (1978). b 3. E.R. Parker, Metall Trans. BA, 1025 (1977). 4. D.W. Smith & R.F. Hehemann. J.I.S.r.. 204, 476 (1971). 5, K.J. Irvins & F.B. Pickering. J.I.S.l., 201, 518 (1968). 6. Y.H. Liu, Trans A.S.M. 62, 55 (1969). 7. T. Kunitake et alii. "Toward Irnproved Ductility and Toughness", The Iron and Steel Institute of Japan, p. 83 (1971). 8. Y. Tomita & K, Obayashi, Metall Trans. 14A, 485 (1983), 9. V.A. Phillips, Acta Metal!. 11. 1139 (1963), 10. R,F. Hehemann, K.R. Kinsman & H.I. Aaronson, Metall 'I'rans. 3A. 1077 (19721. 11. H.K.R. Badeshia & D,V. Edrnonds, Metall Trans. lOA. 89l (1979). Fig. 4. Fratrografias dos corpos de prova Charpy. 4-a. martensita (2.000 X). 4-b. baínita superior e martensita (2.@00X). .AGRADECIMIENTOS Os autores agradecem ao Dr. Ideonor N. da Conceicáo pela leitura crítica do manuscrito. Um dejes (V.A.) extende sua gratidáo a Fundacáo.de Amparo a Pesquisa do Estado de Sáo Paulo pelo auxílio recebido. 12. R.F. Hehemann, "Phase Transformations", ASM, Metals ParkOhio. p. 397 (1970). 13. R.A. Grange, Trans A.I.M.E. 59, 26 (1966). 14. M.A. Bush & P.M. Kelly, Acta Metall. 1.9, 1363 (1971). 15. C. Zener, Trans ASM. 40A, 3 (1948). 16. C.J. McMahon & M. Cohen, Acta Metal!. 13, 591 (1965). 17. D.A. Curry & J.F. Knott, Met. Sci. 12, 511 (1978). 18. N.J. Petch, Acta Metall. 34, 1387 (1986). 19. J.F. Knott, "Fundamentals of Fracture Mechanícs". Butterwords, London (1973).