Efeitos da Composição Química sobre a Resistência Mecânica ...· ∆σ [MPa] = 8.9 x 10 –4

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EFEITOS DA COMPOSIO QUMICA SOBRE A RESISTNCIA MECNICA DE AOS MICROLIGADOS COMERCIAIS

PROCESSADOS EM LAMINADOR PARA TIRAS A QUENTE

S.S. Campos1, J. Gallego2, E.V. Morales3 e H.-J. Kestenbach1

1Departamento de Engenharia de Materiais, Universidade Federal de So Carlos, 13565-905 So Carlos, SP 2Departamento de Engenharia Mecnica, UNESP Ilha Solteira

3Departamento de Fsica, Universidad Central de Las Villas, Santa Clara, Cuba

Resumo - Resistncia mecnica e microestrutura de cinco aos comerciais foram investigadas aps laminao industrial para tiras a quente, em funo da sua composio qumica. Microscopia tica e eletrnica de transmisso foram utilizadas para revelar a estrutura dos gros ferrticos, a precipitao de carbonitretos e a subestrutura de discordncias, com o objetivo de justificar limites de escoamento que variaram entre 310 a 638 MPa. Efeitos de endurecimento por soluo slida e tamanho de gro podiam justificar uma parte apenas da resistncia mecnica encontrada. Endurecimento adicional foi atribuido precipitao de carbonitretos nucleados na austenita durante a laminao, precipitao de carbonitretos durante a transformao (precipitao interfsica), e formao de discordncias que parece ocorrer mesmo durante a transformao para ferrita poligonal. A composio qumica bsica do ao afetou a microestrutura atravs do seu efeito sobre a temperatura de transformao. Por outro lado, mostrou-se que o endurecimento por precipitao foi controlado principalmente pela soma das adies dos elementos de microliga. Palavras-chave: Aos microligados, Tiras a quente, Endurecimento por precipitao, Carbonitretos. Abstract Microstructures of five commercial microalloyed steels were investigated as a function of chemical compostion after industrial rolling on a hot strip mill. Optical and transmission electron microscopy were used to reveal the ferrite grain structure, fine carbonitride precipitation and dislocation substructures, in an effort to explain yield strength values which varied between 310 and 638 MPa. It was found that the effects of solid solution and grain size hardening were not sufficient to justify the results of tensile testing. Additional strengthening was attributed to carbonitride precipitation in austenite, interphase precipitation during transformation, and the formation of dislocations which appeared to be significant even in a polygonal ferrite + pearlite microstructure. The base steel composition influenced the microstructure through its effect on the austenite-to-ferrite transformation temperature. Precipitation hardening, on the other hand, appeared to be mainly controlled by the total amount of microalloy additions.

Keywords: Microalloyed steels, Hot strip rolling, Precipitation hardening, Carbonitrides.

INTRODUO

Tiras a quente so produtos muito comuns de laminados planos, fabricados a partir de aos de baixo teor de carbono e geralmente fornecidos em forma de chapa bobinada. Quando observada por microscopia tica, a sua microestrutura costuma ser de gros de ferrita

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poligonal com pequenas quantidades de perlita. Conforme equaes empricas estabelecidas na dcada de 60 [1], mecanismos como o endurecimento por soluo slida e o refino de gro ferrtico podem ser utilizados para aumentar a resistncia mecnica desta estrutura. Para temperaturas mais baixas de transformao, aumenta a densidade de discordncias na ferrita que pode contribuir ao limite de escoamento do ao atravs do mecanismo de endurecimento por deformao [2]. Quantificao deste efeito precisa do microscpio eletrnico de transmisso. No caso de aos microligados, junta-se aos endurecimentos por soluo slida, refino de gro e discordncias o endurecimento por precipitao, provocado pela formao de carbonitretos durante o processamento termomecnico que, no caso de tiras a quente, inclui laminao a quente na fase austentica, resfriamento acelerado antes e resfriamento lento depois do bobinamento. Para gerar o efeito desejado de endurecimento por precipitao, os carbonitretos devem ser finos e, como no caso das discordncias, precisam do microscpio eletrnico de transmisso para serem vistos e quantificados.

Existe uma literatura muito ampla a respeito das relaes estrutura / propriedade em aos microligados, devido grande importncia tecnolgica destes materiais. Porm, a maioria dos trabalhos cientficos investigaram amostras processadas em escala de laboratrio. No caso das tiras a quente, fica particularmente difcil a simulao das condies de processamento industrial no laboratrio, por causa da sequncia muito rpida de passes durante a laminao final de acabamento. Portanto, nossas pesquisas na Universidade Federal de So Carlos (UFSCar) se dedicam ao estudo de aos comerciais, processados em linhas industriais das grandes empresas siderrgicas brasileiras.

Em investigaes recentes de cinco destes aos microligados comerciais, processados nos laminadores para tiras a quente da Cosipa e da Usiminas, condies semelhantes de processamento geraram propriedades mecnicas muito diferentes. Como as diferenas principais entre os aos ficaram por conta das suas composies qumicas, resolvemos investigar a microestrutura dos produtos finais em forma de bobinas a quente, numa tentativa de correlacionar os nveis dos mais importantes elementos de liga (C, Mn e Si) e de microliga (Nb, Ti e V) com os diversos mecanismos de endurecimento.

MATERIAIS E MTODOS

Foram recebidos cinco aos comerciais, incluindo um ao microligado apenas ao nibio (denominado ao Nb), tres aos utilizando nibio e titnio (denominados aos NbTi- 1, 2 e 3, respectivamente), e um ao contendo nibio, titnio e vandio (denominado ao NbTiV). Composies qumicas, condies de processamento termomecnico e propriedades mecnicas foram gentilmente fornecidas pelas empresas e aparecem nas Tabelas 1, 2 e 3. Como mostra claramente a Tabela 3, as propriedades mecnicas poderiam servir para dividir os cinco aos em dois grupos bem distintos: No primeiro grupo, os aos Nb e NbTi-1 apresentaram baixos limites de escoamento e de resistncia e uma ductilidade maior. No segundo grupo, os aos NbTi-2, NbTi-3 e NbTiV se destacaram pelo forte aumento da sua resistncia mecnica acompanhado por alguma reduo na ductilidade.

Tabela 1: Composio Qumica dos Aos Comerciais em Porcentagem por Peso

Ao C Mn Si P S Al Nb Ti V N Nb 0.07 0.68 0.01 0.012 0.009 0.04 0.04 - - 0.009

NbTi-1 0.05 0.55 0.02 n.d. n.d. 0.02 0.02 0.06 - 0.006 NbTi-2 0.12 1.20 0.33 0.023 0.008 0.05 0.06 0.05 - 0.008 NbTi-3 0.11 1.54 0.28 0.026 0.007 0.01 0.04 0.11 - n.d. NbTiV 0.14 1.38 0.25 0.018 0.007 0.07 0.04 0.04 0.03 0.008

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Tabela 2: Processamento dos Aos Comerciais

Ao Treaquecimento Tdesbaste Tacabamento Resfriamento Bobinamento Espessura Nb 1150C 1080C 890C 10C/min 650C 10 mm

NbTi-1 1230C 1100C 870C 20C/min 630C 8 mm NbTi-2 1150C 1070C 870C 10C/min 650C 7 mm NbTi-3 1225C 1100C 895C 10C/min 650C 8 mm NbTiV 1225C 1100C 895C 10C/min 670C 3 mm

Tabela 3: Propriedades Mecnicas dos Aos Comerciais

Ao LE [MPa] LR [MPa] Alongamento [%] Nb 310 395 39

NbTi-1 332 423 NbTi-2 534 644 24 NbTi-3 638 733 22 NbTiV 599 704 22

Os nossos estudos microestruturais utilizaram microscopia tica para determinar o

tamanho mdio dos gros ferrticos, e microscopia eletrnica de transmisso para investigar as contribuies das discordncias e dos carbonitretos ao endurecimento. Em algumas amostras, medidas quantitativas foram realizadas para determinar tamanho e frao volumtrica de precipitados e a densidade de discordncias. Nestes casos, a espessura local da amostra foi medida contando o nmero de franjas geradas em contornos de gro sob condies controladas de contraste [3].

Equaes bem estabelecidas da literatura foram utilizadas para avaliar as contribuies dos diversos mecanismos de endurecimento. Assim, a equao de Pickering [1] foi utilizada para determinar os efeitos diretos dos elementos em soluo slida (em % por peso) e do tamanho de gro d (em mm) da ferrita:

[MPa] = 15.4 ( 3.5 + 2.1Mn + 5.4Si + 23Nf + 1.13d-1/2 ) (1) onde Nf o teor de nitrognio livre em soluo slida na ferrita. Devido presena dos elementos de microliga e a sua preferncia de formar nitretos e carbonitretos, Nf foi considerado igual a zero.

Para o endurecimento por discordncias, foi utilizada a equao de Keh [4] que, para ligas de ferro, foi escrita quantitativamente como [5] [MPa] = 8.9 x 10 4 1/2 (2) onde a densidade de discordncias em cm -1/2 . Finalmente, foi utilizado o modelo de Orowan-Ashby para calcular o endurecimento por precipitao atravs da equao [6] [MPa] = (12.2 f 1/2 / D) ln (1630 D) (3) onde f a frao volumtrica dos carbonitretos e D o seu dimetro mdio.

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RESULTADOS

Todos os aos apresentaram uma estrutura de ferrita poligonal, Fig.1, com uma presena de aproximadamente 5 a 10% de perlita. O tamanho mdio do gro ferrtico j se mostrou como primeiro parmetro microestrutural que acompanhou o nvel das propriedades mecnicas: Os dois aos de menor resistncia (Nb e NbTi-1) apresentaram gros de aproximadamente 10 m de dimetro, enquanto os outros tres aos de resistncia maior mostraram gros numa faixa menor de 5m. Estas e outras medidas dos parmetros microestruturais podem ser vistas na Tabela 4.

(a) (b) (c)

(d) (e)

Figura 1: Microestrutura tica dos aos aps o bobinamento. Ao Nb em (a), ao NbTi-1 em (b), ao NbTi-2 em (c), ao NbTi-3 em (d), ao NbTiV em (e). Aumento 500X.

Exemplos da