Transcript
ESTUDO VIA METALOGRAFIA COLORIDA DOS ESTADOS INTRAGRANULARES DE UM AÇO IF LAMINADO A QUENTE (1) André Luis de Brito Baptísta
(2)
Ivaldo Assis do Nascimento (3)
Resumo Nos últimos anos, o comportamento individual dos grãos em materiais policristalinos tem dispertado um crescente interesse nos cientistas de materiais. Técnicas de determinação de orientação cristalográfica têm sido desenvolvidas associadas ao MEV. Por outro lado, a técnica de metalografia ótica colorida é uma importante ferramenta que permite distinguir os diferentes estados entre os grão de um policristal. No presente trabalho, utilizou-se a técnica de metalografia colorida, aliada à análise por microdureza dos grãos individualmente, com o objetivo de investigar os estados intragranulares, de uma chapa de aço IF laminado a quente.
Diversos experimentos foram realizados para determinação da melhor solução para revelar adequadamente os contornos dos grãos ferríticos e os parâmetros ideais para tingimento dos grãos. Os resultados obtidos permitiram estabelecer uma correlação entre as diferentes cores dos grãos e suas microdurezas. Estes resultados que são interpretados sob a ótica de diferenças de orientação cristalográfica e grau de encruamento granulares, servirão de base para uma análise posterior por técnica de microtextura com o MEV.
Palavras chave : metalografia colorida, microdureza, aço IF
1
1. INTRODUÇÃO O principal material usado pela indústria automobilística é a chapa de aço, onde as propriedades mecânicas é determinante no processo de conformação de peças internas e externas. O mercado automobilístico sempre exigiu o máximo de qualidade, segurança e custo dos seus produtos. O contínuo desenvolvimento de aços especiais para aplicação neste seguimento atende, sem dúvida, as exigências da engenharia de produtos, no que se refere a redução de espessura (redução de peso), aumento da resistência mecânica e aumento da resistência à corrosão. Conhecendo-se as fontes das propriedades mecânicas, faz-se uma análise das variáveis de processo e produto na aciaria, laminação a quente, recozimento e laminação de encruamento. As propriedades são então melhoradas pelo ajuste dos parâmetros de processo e produto, dando origem a um novo produto adequado à conformação extra-profunda. Melhores propriedades de estampabilidade são cada vez mais exigidas para utilização de chapas de aço em condições excepcionais, especialmente em painéis de automóveis onde são empregados perfis complexos e há necessidade de redução de estágios de conformação, etc. Nesta área os aços denominados Livres Intersticiais (IF) foram desenvolvidos como uma excelente alternativa. Aço IF [1] A idéia de criar laminados a frio de aço IF teve sua origem no Japão quando, em 1960, durante testes efetuados para o desenvolvimento de chapas grossas, observou-se que ligas com baixo teor de carbono e titânio apresentavam valores de limite de escoamento inferiores ao esperado. O desenvolvimento desse produto no Japão resultou no seu patenteamento em 1966 e início de sua comercialização em 1977. A denominação IF, provém do fato do aço não ter átomos de carbono e nitrogênio livres para migrarem pelos interstícios da rede cristalina de átomos de ferro. Essa característica do aço é obtida basicamente por grande redução do teor de carbono e adição de elementos formadores de carbonitretos estáveis tais como titânio e nióbio. Os fatores mais importantes para a obtenção de um bom produto de aço IF através da formação de texturas mais favoráveis á conformação são: - Teor ultra-baixo de carbono (menor que 80 ppm) - Quantidade de titânio em excesso em relação ao valor estequiométrico - Temperatura de acabamento e bobinamento na laminação a quente - Temperatura e tempo de recozimento O aço IF foi a grande solução para o problema de se obter laminados de alta estampabilidade com o processo de recozimento contínuo, muito empregado no Japão desde 1972. O rápido crescimento da produção de aços IF no Japão foi puxado pela industria automobilística devido às vantagens de 2
sua maior estampabilidade em relação aos aços comuns acalmados ao alumínio. As chapas galvanizadas de aços IF produzidos apenas com adição de titânio apresentam falta de aderência do revestimento quando conformadas o que não ocorre com aços produzidos com titânio e nióbio. Coeficiente de Anisotropia [2] A estampabilidade dos materiais, normalmente quantificada em termos _
do coeficiente de Landford R , é extremamente dependente da textura cristalográfica. Um parâmetro útil para quantificar o grau de anisotropia plástica de um material é a razão entre a deformação na largura e espessura. Este parâmetro assim designado, denomina-se coeficiente de anisotropia plástica R é calculado:
R
w y t z
onde: w ln w w e t ln t t 0 0
sendo: W= largura final , W o= largura inicial , t= espessura final e to= espessura inicial.
Figura 1 - Corpo de prova de tração para medida da razão R=w/t Podemos observar que o sentido físico do coeficiente de R é a resistência ao “afinamento” da chapa quando esta está sujeita à tensões de tração.
3
_
O valor de R tem grande influência nas propriedades de estampagem dos materiais pois representam a resistência ao afinamento da chapa quando esta flui para dentro da matriz Do ponto de vista metalúrgico a produção de aços com qualidade estampagem depende do controle das características microestruturais (tamanho de grão, morfologia de segunda fase, etc...) e da textura cristalográfica. Desta forma, a tecnologia de produção de aços com qualidade de estampagem deve ser encarada de uma forma abrangente, envolvendo cuidados e medidas específicas desde a área de aciaria até o recozimento contínuo propriamente dito. Influência da Composição Química do Aço IF [2] A tabela I mostra a composição típica de um aço IF.
C
TABELA I - Composição química típica dos aços IF ( dados em % peso). Si Mn P Al N Nb Ti S
0.00 20.00 8
0,01 0,03
0,10 0.34
0.01 0,02
0,03 0,07
0.001 0.005
0.005 0.040
0.01 0.11
0.00 40.01 0
Efeito do Carbono - Devido ao seu marcante efeito sobre a textura cristalográfica, tamanho de grão e as características de envelhecimento, o carbono é sem duvida o elemento mais importante para o controle das propriedades dos aços recozidos. De um modo geral, a redução do teor de C provoca uma consequentemente melhoria na estampabilidade, embora seja _
possível observar uma queda no valor de R para teores menores que 0.0005% (5 ppm). Efeito do Nitrogênio - O nitrogênio quando não combinado com outros elementos tem um efeito similar ao do carbono. O efeito do Nitrogênio em solução (ou quase que totalmente em solução sólida) mostra-se sobre o valor _
_
de R . Observa-se que existe um valor máximo de R para um teor de N de 10 ppm e que para teores mais elevados o efeito sobre as propriedades de estampabilidade é bastante alto. Nos aços IF o efeito benéfico dos baixos teores de N é atribuído ao fato de que os núcleos provenientes dos grãos deformados, durante a recristalização, têm grande facilidade de crescimento pois a diferença de orientação destes núcleos e a matriz deformada é pequena quando o teor de átomos intersticiais também é pequena.
4
Efeito do Manganês - O manganês que invariavelmente representa a maior quantidade de elementos ligantes nos aços com qualidade de estampagem e talvez o de efeito sobre a textura de recristalização mais complexo. Para os aços IF o teor de C é muito baixo, e o Mn está praticamente todo combinado na forma de MnS, desta forma o efeito do manganês sobre o valor
de R é pouco significativo. Efeito do Enxofre - O enxofre, encontra-se normalmente nos aços na forma de MnS. Para os aços IF, as partículas de MnS têm um efeito detrimental sobre o valor _
de R . Efeito do Titânio - A adição de Ti aos aços livres intersticiais, tem por objetivo a formação de precipitados retirando de solução o C e o N que não foram totalmente removidos no processo de desgaseificação à vácuo, melhorando significativamente as propriedades de estampabilidade da chapa. A adição de elementos estabilizadores retarda a recristalização. Este retardo se deve a formação de precipitados de Ti durante a laminação a quente, que posteriormente irão restringir a mobilidade dos contornos de grão durante a recristalização. A quantidade de Ti necessária para estabilizar (retirar de solução) o C e o N, e consequentemente melhorar a estampabilidadedos aços livre intersticiais, pode ser expressa pelas equações (1) e (2). Ti*(%) = Ti(%) - (48/32)S(%) - (48/14)N(%) (1) [TI](%)=Ti*(%) - (48/12)C(%) (2) Onde: Ti é o conteúdo total de Ti no aço, Ti* (Titânio efetivo) é a quantidade de Ti necessária para se combinar com o C, N e S e [Ti] (Titânio em excesso) é a quantidade de Ti acima do necessário para estabilizar o C, N. Influência do Tamanho de Grão Inicial [2] De uma maneira geral para o aço livre intersticial, a redução do tamanho de grão ferrítico do material laminado a quente tem um efeito benéfico sobre o _
valor de R . É importante ressaltar que o tamanho de grão do laminado a quente está relacionado com a composição química e condições de processamento, não podendo ser considerado um parâmetro independente. Materiais e Métodos A amostra de aço IF do Lab. da EEIMVR foi preparada metalograficamente, utilizando-se de lixas 320, 500, 800, 1000 e 1200, seguindo de polimento intermediario em diamante 6, 3 e 1 micron, o polimento final foi executado com silica coloidal. A microestrutura inicial foi revelada com ataques em solução 1:1 de nital 4% e picral 4% com repolimentos sucessivos. O contraste colorido foi obtido com a solução de Behara [3,4,5,6]. 5
gf/m2
Os ensaios de microdureza seguiu a norma ASTM, utilizando-se 25 em tempo de aplicação de carga de 10 segundos [7].
Apresentação dos Resultados As fotomicrografias do material em estudo então apresentadas nas figuras : 1 à 5, são campos diferentes da mesma amostra Os valores do ensaio de microdureza podem ser vistos no grafico da figura : 6 Conclusão O contraste colorido baseia-se na deposição de filmes com espessura e composição variadas de acordo com reações desenvolvidas com o metal base, possibilitando assim diferentes colorações dos grãos. A microdureza diferenciada dos grãos coloridos reforça a teoria da ação do reagente, levando a crer na existência de condições fisico-químicas diferentes entre os grãos. Esta condição conduziria a um comportamente caracterítico, de acordo com a direção ou esforço aplicado.
Referência Bibliográfica [1] CURADO, L. S. ; YNOUE, M. ; DOI, S.N. - Desenvolvimento de Aço IF na Cosipa. In.: XXXIV Seminário de Laminação da ABM - Agosto de 1997, Belo Horizonte, MG. [2] BAPTÍSTA, A. L. B. - Aço I F. EEIMVR / UFF. [3] BAPTÍSTA, A. L. B. et all – Comparação da Metalografia Colorida com a Metalografia Tradicional Aplicada na Análise de Materiais Metálicos. XVI Cong. de Iniciação Científica e Tecnológica em Engenharia, São Carlos – SP. [4] BAPTÍSTA, A. L. B. et all – A Metalografia Colorida de Aços. 54º Congresso da ABM, 25 a 29 de Julho de 1999, São Paulo – SP. [5] BAPTÍSTA, A. L. B. - Reagentes para Metalografia . EEIMVR / UFF. [6] E. Beraha and B. Shpigler - Color Metallography, American Society for Metals, Metals Park, Ohio, 1977. [7] BAPTÍSTA, A. L. B. - O Ensaio Metalográfico no Controle da Qualidade. EEIMVR/UFF.
6
1
2
3
4
5
Fig.: 1 à 5 Fotomicrografias de Aço IF Laminado a Quente, com contraste por metalografia colorida aumento de 200x
7
Microdureza Vickers
95 90 Vermelho Verde Escuro Verde Claro Amarelo
85 80 75 70 Grãos de Ferrita
Figura 6 - Valores de microdureza dos grãos
8
The Study of Intra - granular States of a Type of IF Steel Laminated by Heat Through Color Metalography1 Ivaldo de Assis do Nascimento2 André Luis de Brito Baptista3
Abstract In the last few years, the individual behavior of grains in poli - crystalline materials has given rise to interest within the materials scientists. Techniques to determine crystallographic orientation have been developed associated to MEV. On the other hand, the technique of colored optical metalography is an important tool that allows us to distinguish the different stages among the grains of a poli- crystal. For the present paper, the technique of color metalography was used , combined with the analysis by micro hardness of individual grains, aimed at investigating the intra-granular stats of a sheet os IF steel laminated by heat . Several experimentswere conducted in order to determine the best solution for adequately revealing the contours of ferritic grains and the ideal parameters for the dying of the grains. The results obtained allow us to establish a correlation between the different colors of grains and their micro hardness. These results, which are interpreted though the point of view of the differences in crystallographic orientation and degree of granular hardness, will serve as a basis for further analysis of the micro texture with the MEV
KEY WORDS: color metalography, micro hardness, if steel
1. Paper presented to the 57th International Annual Conference of ABM - São Paulo SP, July 2002 2. Technical Director os Spectru Instrumental Científico Ltda. 3. Technician in Metalography - UFF/EEIMVR
9
