1. CONGRESO CONAMET/SAM 2004
DEFORMAÇÃO A MORNO NO CAMPO SUBCRÍTICO E REFINO DE
GRÃO DE UM AÇO 0,16C
Otávio Villar da Silva Neto(a) e Oscar Balancin(b)
(a, b)
Universidade Federal de São Carlos - Departamento de Engenharia de Materiais, Rodovia Washington Luiz,
Km 235, 13565-905, São Carlos - SP, Brasil. (a)pvillar@iris.ufscar.br; (b)balancin@power.ufscar.br
RESUMO
A influência da precipitação de cementita no refinamento da microestrutura de um aço baixo carbono durante o
processamento termomecânico a morno foi investigada. Inicialmente, na etapa de condicionamento da
microestrutura, as amostras foram reaquecidas a 1100 °C e resfriadas bruscamente em água. Em seguida foram
revenidas na região subcrítica por tempos variando de 1 a 48 horas. A quantidade de cementita precipitada
mostrou-se tão maior quanto maior o tempo de revenimento. Menores tempos de revenimento resultaram em
carbonetos mais finos e dispersos. O refinamento da microestrutura foi realizado aplicando grandes deformações
a morno nas amostras temperadas e revenidas. Essas amostras foram reaquecidas a uma temperatura próxima a
Ae1 (700 oC), mantidas nesta temperatura por 10 minutos, deformadas por torção e em seguida resfriadas ao ar.
As curvas de escoamento plástico apresentaram a forma característica da deformação de microestruturas não
estáveis; conforme a estrutura tende para um estado de equilíbrio mais estável o nível de tensão decresce. A
deformação no campo subcrítico mostrou-se eficaz para a obtenção de uma microestrutura refinada. Medições
dos tamanhos dos grãos ferríticos indicaram um valor médio em torno de 1,5 μm, independentemente do tempo
de revenimento. A obtenção de grãos ferríticos ultrafinos pode ser associado à recristalização dinâmica continua da
ferrita que refina a microestrutura e as partículas finamente dispersas de cementita que ancoram os contornos de grãos.
Palavras-chave: Trabalho a morno, cementita esferoidizada, ferrita ultrafina.
1. INTRODUÇÃO É bem conhecido que durante o reaquecimento dentro
do domínio ferrítico de amostras de aços carbono
Recentemente, grande atenção tem sido dada ao temperadas tem-se a transformação da estrutura
processamento metalúrgico de aços com a finalidade martensítica em uma matriz ferrítica com partículas de
de obter microestruturas com características que cementita finamente dispersas. Esta transformação
geram melhores propriedades aos produtos semi- ocorre em três estágios distintos [2]: (i) inicialmente
acabados. Uma das possíveis rotas que permite tem-se a formação de carbonetos de transição –
alcançar esta meta é o trabalho a morno. Esta técnica carbonetos epsilon ou eta - e o decréscimo do teor de
possui melhor precisão dimensional que o trabalho a carbono da matriz martensítica para valores próximos
quente, a oxidação superficial é moderada e há a 0,25. (ii) a transformação da austenita retida em
melhoria nas características mecânicas do material, ferrita e cementita, e (iii) a transformação dos
permitindo que em alguns casos as etapas de usinagem carbonetos de transição e da martensita de baixo
e tratamentos térmicos posteriores sejam suprimidas. carbono em ferrita e cementita. Durante essas
Contudo, o processamento a morno requer transformações, tem-se um decréscimo na densidade
conhecimento mais profundo dos processos de de discordâncias com o rearranjo das discordâncias
conformação e do comportamento dos materiais, visto dentro das ripas de martensita e com a eliminação dos
que estas operações induzem maiores esforços contornos de baixo ângulo entre ripas. Após longos
mecânicos e freqüentemente são realizadas em tempos de revenimento a matriz ferrítica tem a sua
estruturas não estáveis [1]. subestrutura de discordâncias recuperada. Também, é
bem conhecido que o aumento da energia livre com a
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formação de uma subestrutura de discordâncias em um
aço deformado acelera as transformações controladas
por difusão [3, 4]. E que as transformações
(dinâmicas) que ocorrem durante a deformação
plástica são aceleradas com o aumento da energia
armazenada com a deformação [5]. Assim, pode-se
esperar que a aplicação de grandes deformações a
morno em uma estrutura não estável acelere os
mecanismos de transformação, conduzindo o material
a um estado de equilíbrio mais estável.
O objetivo deste trabalho foi investigar a evolução
microestrutural e o refinamento da microestrutura com Figura 1. Representação esquemática do tratamento
a aplicação de grandes deformações a morno em termomecânico aplicado.
amostras de um aço baixo carbono durante a
transformação da martensita em ferrita e cementita. Após seguir os procedimentos metalográficos
convencionais de preparação de amostras, foram feitas
observações microestruturais nas seções transversais e
nas superfícies das amostras temperadas, revenidas e
2. DESENVOLVIMENTO EXPERIMENTAL deformadas. Técnicas de microscopia ótica (MO),
com o auxílio de um sistema de análise de imagens,
Os experimentos deste trabalho foram realizados com analySIS PRO 3.1, e microscopia eletrônica de
amostras de um aço comercial baixo carbono e baixa varredura (MEV) foram utilizadas na caracterização
liga: 0,162C, 1,343Mn, 0,459Si em balanço com Fe microestrutural.
(%massa).
O tratamento termomecânico imposto neste trabalho
pode ser separado em duas etapas: (i) 3. RESULTADOS
condicionamento da microestrutura e (ii) deformação
a morno. A Figura 1 mostra esquematicamente a As microestruturas resultantes dos tratamentos de
seqüência de tratamentos aplicados às amostras. O têmpera seguida por revenimento apresentaram
condicionamento da microestrutura de deformação foi diferentes morfologias, bem como grande variação na
realizado com tratamentos térmicos de têmpera e de quantidade e tamanho dos precipitados.
revenimento. Inicialmente as amostras foram
austenitizadas a 1100 oC durante 10 minutos e em A Figura 2 ilustra a evolução da microestrutura com o
seguida resfriadas bruscamente em água. O tempo de revenimento. Na Figura 2a observa-se que a
revenimento foi realizado a 700oC com tempos de: 1, microestrutura obtida após a têmpera do material é
12, 24, 36 e 48 horas. essencialmente martensítica. Após 1 hora de
revenimento, a microestrutura permaneceu muito fina
A deformação plástica foi imposta às amostras por e com pouca quantidade de cementita precipitada,
meio de ensaios mecânicos, os quais foram realizados como pode ser observado na Figura 2b. Aumentando o
com uma máquina de ensaios de torção a quente, tempo do tratamento térmico para 12 horas, Figura 2c,
comandada por um sistema computacional. As pode-se verificar uma diferença marcante na
amostras, com 20 mm de comprimento útil e 6 mm de microestrutura; tem-se a eliminação de contornos de
diâmetro, foram aquecidas em um forno de radiação ripas de martensita e a precipitação de Fe3C
infravermelho montado diretamente sobre a máquina mostrou-se mais evidente. A Figura 2d indica a
de ensaios. Termopares de chromel-alumel foram presença de grãos ferríticos mais grosseiros, com
usados para medir a temperatura das amostras. A grande dispersão de cementita em seu interior. As
aquisição de dados durante os ensaios era feita através Figuras 2e e 2f indicam a etapa de coalescimento das
de um software que apresentava os resultados na partículas de cementita; nota-se na Figura 2f a
forma de curvas tensão vs deformação equivalentes. presença de grandes partículas de Fe3C e a completa
ausência da microestrutura fina resultante da têmpera.
Os ensaios de torção foram conduzidos na condição de
aquecimento; as amostras previamente temperadas e A formação e o coalescimento das partículas de
revenidas foram reaquecidas desde a temperatura cementita podem ser melhor observados através de
ambiente até a temperatura de ensaio (700 oC), microscopia eletrônica de varredura. A Figura 3 indica
mantidas nesta temperatura por 10 minutos e as mudanças ocorridas na microestrutura após os
deformadas isotermicamente até a fratura a uma taxa tempos de 12, 24 e 48 horas de revenimento. Nota-se
de deformação equivalente de 1,0 s-1. Por fim, foram em 3a a existência de grande quantidade de contornos
resfriadas ao ar até a temperatura ambiente de ripas de martensita com a formação de precipitados
preferencialmente nestes contornos. Em 3b e 3c é
notória a diminuição dos contornos e o aumento do
tamanho das partículas, especialmente após 48 horas.
Assim, o tempo de revenimento exerce forte
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influência no fenômeno de formação e coalescimento dos esferóides de cementita.
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
Figura 2. Microscopia ótica mostrando a evolução do condicionamento microestrutural: (a) amostra temperada;
(b), (c), (d), (e) e (f) amostras temperadas e revenidas por 1, 12, 24, 36 e 48 H, respectivamente.
Figura 3. Fotomicrografia obtida através de microscopia eletrônica de varredura das amostras temperadas e
revenidas: (a) 12H ; (b) 24H e (c) 48H.
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A Figura 4 mostra o conjunto de curvas de microestruturas não estáveis; conforme a estrutura
escoamento plástico obtidos nos ensaios de torção a tende para um estado de equilíbrio mais estável o
quente. nível de tensão decresce. Corroborando com esta
interpretação, vê-se que o nível de tensão decresce
com o aumento do tempo de revenimento. Também,
300 pode ser visto na Figura 4 que a quantidade de
Ensaio de torção:
o
-Tens=700 C deformação que o material suportou até que ocorresse
-1
250
-Taxa de deformação de 1 s
-Deformação até a fratura a fratura se alterou com o nível de tensão; a
ductilidade aumenta com o decréscimo do nível de
Tensão Verdadeira [MPa]
200
1 hora
tensão, e conseqüentemente com o tempo de
revenimento.
150
24 horas
48 horas A Figura 5 mostra fotos das microestruturas
100 12 horas
observadas após a deformação a morno.
Independentemente do tempo de revenimento, todas as
50
microestruturas finais passaram por um processo de
0
refino de grãos bastante significativo. Grãos
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 homogêneos e equiaxiais surgiram nas amostras
Deformação Verdadeira
deformadas após 1 e 12 horas de revenimento. O
aumento do tempo de revenimento promoveu a
Figura 4. Curvas σ x ε equivalentes obtidas pelo formação de bandas de deformação. Nota-se na
ensaio de torção - diferentes tempos de revenimento. Figura 5c, 24 horas de revenimento, que ocorre o
início da formação de bandas de deformação. Após 48
Vê-se nesta figura que a tensão alcança um máximo horas, 5d, a microestrutura resultante está
logo no início do carregamento e decresce completamente bandeada.
continuamente para um estado estacionário. Esta
forma de curva é característica da deformação de
(a) (b)
(c) (d)
Figura 5. Microestruturas observadas através de MO nas amostras deformadas a 700ºC após tempos de
revenimento de: (a) 1H, (b) 12H, (c) 24H e (d) 48H.
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Figura 6. Microestruturas observadas através MEV nas amostras deformadas a 700°C após tempos de
revenimento de: (a) 1H, (b) 24H e (c) 48H.
A Figura 6 apresenta imagens de MEV obtidas a partir deformação da ferrita com partículas globulares de
de diferentes condições de ensaios; em todos os casos cementida. Todavia, antes de tentar entender o papel das
o tamanho médio dos grãos é notadamente pequeno. partículas no refino de grãos, torna-se necessário
Também, mostra claramente a formação das bandas de compreender como se dá o refino de grão na ferrita
deformação com o aumento do tempo de revenimento. durante a deformação plástica a morno. O ponto básico é
Em 6a, tratada por 1 hora, verifica-se uma o entendimento dos mecanismos de amaciamento que
microestrutra composta por grãos ultrafinos atuam durante a deformação a quente. É bem conhecido
equiaxiais, em 6b, 24 horas, os grãos ultrafinos estão e aceito universalmente que os mecanismos de
ligeiramente orientados no sentido de deformação recuperação dinâmica são suficientes para estabelecer o
(torção), por fim, após 48 horas de revenimento equilíbrio dinâmico entre as taxas de geração e
(Figura 6c), há o completo direcionamento da aniquilação de discordâncias durante a deformação a
estrutura formada. quente da ferrita. Assim, o processo de recristalização
dinâmica (descontínua) não deve ocorrer na ferrita. Em
A Figura 7 ilustra o tamanho de grão obtidos após a acompanhamentos da evolução microestrutural durante a
deformação a morno de cada uma das condições de deformação tem sido observado a extensa recuperação
revenimento. Verifica-se que o tamanho médio dos dinâmica da ferrita sem a nuleação de novos grãos [7].
grãos ferríticos obtido foi em torno de 1,5 μm, Todavia, após grandes deformações observa-se na ferrita
independentemente do tempo de revenimento. uma microestrutura composta de contornos de alto
ângulo formando grãos finos [8]. Esse processo de
amaciamento tem sido chamado de recuperação
dinâmica estendida ou recristalização dinâmica
2,5 contínua.
2 Tendo em mente esse cenário, pode-se especular sobre o
01H
1,5 efeito das partículas de cementita na formação de grãos
07H
[μ] ultrafinos. A primeira hipótese seria esperar que as
1 12H
partículas alterassem o processo de formação dos novos
24H grãos. A característica básica que determina se um
0,5
48H material só recupera dinamicante ou se recupera e
0
recristaliza dinamicamente é a facilidade ou não que suas
Tempo de Recozimento discordâncias têm em se arranjarem em forma de
subgrãos através dos mecanismos de escalagem e
Figura 7. Tamanho de grão ferrítico, após deformação deslizamento cruzado, durante a deformação plástica a
a morno, em função do tempo de revenimento. quente. Embora o acompanhamento da evolução da
distribuição de discordâncias durante a deformação a
quente através de métodos microscópicos seja
extremamente difícil, observações indiretas têm
4. DISCUSSÃO
mostrado que há diferenças significativas, durante a etapa
A literatura reporta experimentos nos quais são de recuperação dinâmica, entre o comportamento de
obtidas microestruturas refinadas como as obtidas materiais que recristalizam dinamicamente e o
neste trabalho. Por exemplo, Jonas e col. [6] apresentado por materiais que recuperam intensamente.
simulando a laminação a morno de aço livre de De uma forma resumida, pode-se dizer que nos materiais
intersticiais (IF) através de ensaios de torção que recuperam intensamente (i) a evolução dinâmica da
obtiveram uma microestrutura ferrítica ultrafina com densidade de discordâncias é esperada se manter
inalterada durante a deformação e (ii) após uma certa
tamanho médio de 1,3 μm. Todavia, a aplicação de
quantidade de deformação as características geométricas
deformações severas (ε ~ 5.0) são muito difíceis em
da distribuição de discordâncias tem o seu tamanho
escala industrial. Assim, surge como rota alternativa a
reduzido sem alterar a sua natureza [9, 10]. Enquanto que
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em materiais que recristalizam dinamicamente, o 6. AGRADECIMENTOS
encruamento depende da trajetória de evolução do
arranjo de discordâncias. Inicialmente, tem-se a formação Os autores agradecem às Agências Brasileiras de
de um arranjo celular bem definido. Conforme a Financiamento à Pesquisa CAPES, CNPq e FAPESP
deformação prossegue, a evolução dinâmica das pelo suporte financeiro.
discordâncias se altera, com parte das discordâncias
formando contornos geometricamente necessários para
manter a compatibilidade de deformação. Esses
obstáculos criam campos complexos de deformação e 7. REFERENCIAS
uma grande quantidade de atividade de discordâncias
[1] M. A. F. Oliveira A.M. Jorge Jr. and O. Balancin,
ocorre dentro dos subgrãos, aumentando a densidade de
Scripta materialia, 50, 2004, pp. 1157-1162.
discordâncias até que a energia crítica para o inicio da
nucleação seja alcançada [9, 10]. [2] G. Krauss. In: Steels heat treatment and processing
principles. ASM international, 1990, p.218. Materials
Se for entendido que é a evolução dinâmica da densidade
Park, Ohio 44073.
de discordâncias que vai determinar se há ou não a
nucleação de novos grãos, parece bastante improvável [3] P. A. Manohar; T. Chandra and C. R. Kilmore,
que partículas de uma segunda fase altere a facilidade ISIJ int., 36, 1996, pp. 1486-1493.
que as discordâncias têm em se arranjarem em forma de
subgrãos na ferrita. E, também, pode-se esperar que a [4] X. Liu; J. K. Solberg and R. Gjengendal, Mater.
recuperação intensa remova muitas discordâncias sci. technol., 12, 1996, pp. 345-350.
geometricamente necessárias criadas pelas partículas.
Assim, entendemos que os efeitos das partículas de [5] M. Niikura et al., Journal of materials processing
cementita na formação de grãos ultrafinos durante a technology, 117, 2001, pp. 341-346.
deformação a quente não sejam exatamente os mesmos
encontrados durante a recristalização estática de [6] A. Najafi-Zadeh; J. J. Jonas and S. Yue, Metall.
materiais metálicos. trans. A., 23A, 1992, pp. 2607-2616.
A partir dessas considerações, parece que a questão [7] G.H. Akbari; C. M. Sellars; J. A. Whiteman: Acta
imediata é a análise do papel das partículas de mater., 45, 1997, pp.5047-5058.
cementita na formação de grãos ultrafinos na ferrita.
Novamente estamos em frente a uma questão não bem [8] J. Baczynski: J. J. Jonas: Metall. mater. trans. A.,
entendida. Todavia, dois efeitos podem ser esperados. 29A, 1998, pp. 447-462.
Tendo em mente que o processo de amaciamento
dinâmico da ferrita é a recristalização dinâmica [9] A.M. Jorge Jr.; W. Regone and O. Balancin: J.
contínua, pode-se esperar que as partículas presentes Mater. proc. tecnol., 142, 2003, pp. 415-421.
(i) devam facilitar o processo de rotação dos subgrão,
acelerando o processo de formação dos novos grãos. [10] D. Chu and J. W. Moris Jr.: Acta mater., 44,
1996, pp. 2599-2610.
E, uma vez completada a deformação plástica, (ii) as
partículas presentes podem inibir o crescimento dos
grãos formados.
5. CONCLUSÕES
O tempo de revenimento apresentou pouca influência
no refinamento da microestrutura ferrítica. Em todos
os tempos de revenimento aplicados obteve-se grãos
ferríticos ultrafinos com tamanho médio próximo a
1,5 μm.
A obtenção de grãos ferríticos ultrafinos pode ser
associada ao processo de amaciamento dinâmico da
ferríta: recristalização dinâmica contínua.
As partículas de cementita devem interferir no
processo de rotação dos subgraos e inibir o
crescimento dos grãos formados.