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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.
CONGRESO CONAMET/SAM 2004




     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.

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  • 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
  • 2. CONGRESO CONAMET/SAM 2004 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
  • 3. CONGRESO CONAMET/SAM 2004 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.
  • 4. CONGRESO CONAMET/SAM 2004 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.
  • 5. CONGRESO CONAMET/SAM 2004 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
  • 6. CONGRESO CONAMET/SAM 2004 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.