ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DA DEFORMAÇÃO NO PROCESSAMENTO TERMOMECÂNICO DE UM AÇO BAINÍTICO POR DILATOMETRIA

Tâmie de Souza Perozzo, Rodrigo Afonso Hatwig, Rafael Menezes Nunes e Alexandre da Silva Rocha(*)

Resumo

A indústria metal mecânica é uma das maiores responsáveis pelo elevado consumo energético resultante de etapas de aquecimento e reaquecimento de metais e de fornos para tratamentos térmicos. No forjamento convencional, as peças são austenitizadas, deformadas e então submetidas a uma sequência de tratamentos térmicos para melhoria de propriedades mecânicas. Com o objetivo de tornar as indústrias mais competitivas através de uma manufatura energicamente eficiente, diminuindo o impacto ambiental gerado, novas tecnologias no desenvolvimento de processos termomecânicos e de materiais foram desenvolvidas. Neste contexto, está o forjamento controlado que consiste em processar termomecanicamente um material visando bons valores de resistência mecânica e tenacidade através do controle do resfriamento contínuo posterior ao forjamento, substituindo os tratamentos térmicos subsequentes. A possibilidade de obter microestrutura bainítica durante o resfriamento contínuo em baixas velocidades também torna os aços bainíticos uma alternativa para se alcançar melhores propriedades mecânicas economizando energia. Para entender como ocorre a transformação bainítica durante o processamento termomecânico, a dilatometria é um recurso poderoso na simulação física do processo de forjamento controlado. O objetivo deste estudo é determinar as influências de diferentes parâmetros do processamento termomecânico na caracterização metalúrgica e mecânica no aço DIN 18MnCrSiMo6-4 por dilatometria.

  1. Introdução

O forjamento, processo de conformação mecânica por deformação é convencionalmente realizado a quente. O aquecimento do componente para posterior operação de conformação é responsável pela redução do limite de escoamento do material aumentando sua forjabilidade [1]. As etapas de tratamento térmico como têmpera, revenido, e estágios subsequentes para alívio de tensões garantem melhoria nas propriedades mecânicas, mas resultam em um elevado consumo energético proveniente dos fornos.

Uma alternativa para eliminação das etapas de tratamento térmico convencionais e otimizando o tempo de processo, proporcionando maior flexibilidade da produção e menor consumo energético, é a substituição pelo resfriamento controlado imediatamente após a realização do forjamento [2], como mostra a Figura 1. Através do controle dos parâmetros de deformação plástica a quente e das posteriores condições de resfriamento dos tratamentos termomecânicos, é possível obter aços com uma boa combinação de propriedades mecânicas que atendam aplicações industriais [3].

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Figura 1 Rotas de Forjamento (a) Forjamento convencional e (b) Forjamento controlado

Neste contexto, o emprego de aços bainíticos no forjamento controlado é ótima alternativa na substituição dos processos convencionais, visto que a microestrutura bainítica pode ser obtida durante resfriamento isotérmico ou resfriamento contínuo a partir da temperatura de forjamento, economizando energia proveniente dos tratamentos térmicos e custos referentes a outros processos de fabricação [4]. O resfriamento contínuo para obtenção da bainita possibilita uma ampla faixa de velocidades de resfriamento resultando em uma ampla variação de morfologias que a caracterizam, as quais estão diretamente relacionadas ao comportamento mecânico do aço [5]. A microestrutura bainítica obtida por resfriamento contínuo pode apresentar resultados ainda melhores de resistência mecânica e tenacidade do que os aços martensíticos revenidos [6].

Para entender melhor como ocorrem as modificações microestruturais durante o processamento termomecânico de um aço bainítico a dilatometria é uma importante técnica de análise experimental da cinética das transformações de fase [7]. As curvas dilatométricas obtidas durante o resfriamento contínuo resultantes da contração térmica do material, permitem a definição dos microconstituintes presentes nos aços por meio dos intervalos de temperatura e tempo de transformação, caracterizando uma simulação física confiável do forjamento controlado [8].

O presente estudo é parte do projeto “Manufatura Energeticamente Eficiente para Aços Bainíticos Avançados Baseada no Processamento Termomecânico” desenvolvido em cooperação com o Laboratório de Transformação Mecânica – LdTM da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) e o Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien – IWT, em Bremen na Alemanha, através do Programa BRAGECRIM. No âmbito do projeto, os parâmetros de processo que resultam na transformação bainítica estão sendo estudados através de simulação computacional, física e de experimentos reais de forjamento controlado na indústria. A microestrutura obtida está sendo analisada por meio de caracterização metalúrgica através de técnicas como: Dilatometria, Análise in-situ, Difração de raios-X, metalografias ópticas e de varredura e a caracterização mecânica está sendo realizada por meio de diversos ensaios mecânicos. Nesta pesquisa será apresentado resultados de experimentos de dilatometria na determinação da janela de processamento do forjamento controlado. O aço bainítico DIN 18MnCrSiMo6-4 foi submetido a ciclos termomecânicos no Dilatômetro Dil 805 A para análise da influência de parâmetros grau de deformação e temperatura de deformação na caracterização metalúrgica e mecânica do material.

  1. Materiais e métodos

O aço ligado DIN 18MnCrSiMo6-4 foi o material utilizado para a confecção das amostras para os experimentos de dilatometria. A Figura 1 apresenta a caracterização da microestrutura e o valor de dureza obtido da amostra na condição inicial de recebimento. A microestrutura predominante é a bainita granular e percebe-se presença de ferrita, nas áreas brancas entre os pacotes de bainita. O valor de dureza encontrado é o característico para essa microestrutura.

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Figura 2 Metalografia do aço 18MnCrSiMo6-4

 

  • Experimentos de Dilatometria

Os experimentos de dilatometria foram realizados no Dilatômetro Dil 305A localizado no IWT (Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien) – Bremen, na Alemanha. As amostras na forma cilíndrica obtidas por eletro erosão nas seguintes dimensões: φ = 5mm e  foram austenitizadas a 1210°C a uma taxa de aquecimento de 10°C/s, deformadas em 40% e 20% em relação ao comprimento inicial em 3 diferentes temperaturas de deformação: 1050°C, 950°C e 850°C, e resfriadas a uma taxa de resfriamento de 2°C/s. Também foi realizado um ensaio sem deformação com os mesmos parâmetros a fim de comparar os efeitos da deformação.

O intervalo de temperaturas em que ocorre a transformação bainítica foi determinado pela análise das curvas obtidas nos experimentos. As curvas relacionam a variação dimensional (ΔL/Lo), resultante da expansão ou contração térmica, temperatura (°C) e/ou tempo (s). A transformação bainítica pode ser identificada através das deflexões presentes nas curvas durante a etapa de resfriamento, as temperaturas de início e fim da transformação de fase são indicadas pelos pontos de início e fim das deflexões.

  1. Resultados e discussões

Através dos resultados dos experimentos dilatométricos foi possível analisar a influência de dois parâmetros na cinética da transformação de fase: a variação dos graus de deformação entre 40% e 20% e de diferentes temperaturas de deformação, 1050°C, 950°C e 850°C.

Na Figura 3 curvas para os experimentos com diferentes graus de deformação são mostradas, e percebe-se que o aumento da deformação atrasa o início da transformação microestrutural na etapa de resfriamento, além desta acontecer de forma mais lenta e em um intervalo maior de temperaturas. As curvas das amostras que foram deformadas possuem o final da deflexão em temperaturas mais baixas que pertencem ao campo martensítico neste aço. Portanto, mesmo que a taxa de resfriamento aplicada nestes experimentos seja 2°C/s, uma taxa lenta que usualmente resulta em transformação bainítica, a aplicação de uma deformação muda a cinética da transformação, possibilitando a transformação martensítica, que originalmente ocorre em taxas de resfriamento mais rápidas. O efeito da deformação, que atrasa a transformação bainítica, pode ser explicado pelos mecanismos de refino de grão e estabilização mecânica que em alguns aços ligados são responsáveis por dificultar a formação da bainita [9].

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Figura 3 Curvas dilatométricas dos experimentos com diferentes graus de deformação.

A presença da microestrutura martensítica nas amostras deformadas é indicada nas metalografias da Figura 4 a) e b). Na amostra que foi deformada em 40%, percebe-se quase que unicamente microestrutura bainítica, com base na morfologia de feixes e no elevado valor de dureza. Na segunda amostra, deformada em 20%, constata-se uma microestrutura mista, que possui martensita, bainita e ferrita como microconstituintes, e valor de dureza intermediário. Por fim, a última amostra, que não foi deformada, apresenta bainita com morfologia granular e um pouco de ferrita em sua composição, além do valor de dureza inferior ao das demais amostras. Esse resultado indica que o aumento do grau de compressão acelera o mecanismo de refino do grão retardando a taxa da reação da bainita, visto que em alguns aços ligados que possuem taxa de crescimento dos feixes de bainita superior a taxa de nucleação nos contornos do grão austenítico, uma redução no tamanho do grão resulta em um número limitado de pontos de nucleação, reduzindo o volume total transformado [10] [11].

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Figura 4 Metalografias as amostras ensaiadas por dilatometria com diferentes graus de deformação. a) amostra deformada em 40%; b) amostra deformada em 20%; c) amostra sem deformação.

Em contrapartida, sabe-se que os efeitos da deformação na microestrutura de um metal quando esta é aplicada em temperaturas menores são mais acentuados, ou seja, o aumento da temperatura da compressão pode amenizar os mecanismos que afetam a microestrutura resultantes da deformação, como estabilização mecânica e refino do grão.

A fim de minimizar a influência da deformação na cinética das transformações, o experimento com o grau de deformação de 40% foi replicado em duas temperaturas de deformação mais altas: 1050°C e 950°C. A análise das curvas, na Figura 5 permite sugerir que os efeitos da deformação foram reduzidos com o aumento da temperatura de deformação, visto que para as duas maiores temperaturas, a transformação microestrutural ocorreu em um intervalo de temperaturas que caracterizam o campo bainítico deste aço. Além disso, as metalografias das amostras deformadas em temperaturas mais elevadas, Figura 6 a) e b), apresentam morfologia granular, que caracteriza majoritariamente presença de bainita na composição. Diferentemente, a microestrutura da amostra deformada a 850°C, Figura 6 c) possui morfologia em formato de feixes e valor elevado de dureza, que caracteriza martensita.Assim, pode-se concluir que o aumento da temperatura de deformação foi eficaz em impedir o atraso da transformação bainítica, resultante dos mecanismos impulsionados pela compressão das amostras.

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Figura 5 Curvas dilatométricas dos experimentos em diferentes temperaturas de deformação.

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Figura 6 Metalografias as amostras ensaiadas por dilatometria em diferentes temperaturas de deformação. a) amostra deformada a 1050°C b) amostra deformada a 950°C; c) amostra deformada a 850°C.

  1. Conclusão

Os resultados mostram a possiblidade de se alcançar boas propriedades mecânicas em um aço processado termomecanicamente, substituindo as etapas convencionais de tratamento térmico pelo resfriamento controlado posterior a deformação.

No estudo, a dilatometria foi um eficiente recurso na simulação física do forjamento, permitindo concluir que a deformação exerce grande influência na cinética das transformações de fase durante o resfriamento. O aumento do grau de deformação favorece o refino do grão e promove a estabilização mecânica, sendo estes dois mecanismos responsáveis por retardar a transformação bainítica em aços em que a taxa de crescimento dos feixes de bainita é superiortaxa de nucleação nos contornos do grão austenítico, reduzindo o volume total de bainita com o refino do grão. O atraso da transformação bainítica e continuidade do resfriamento favoreceram a transformação martensítica, a qual ocorre em temperaturas menores e resulta em valores elevados de dureza, que podem comprometer a tenacidade do material. O aumento da temperatura de deformação foi eficaz em minimizar os efeitos desses mecanismos, garantindo microestrutura bainítica semelhante as das amostras não deformadas mesmo com o aumento do grau de deformação.

 

  1. Referências Bibliográficas

[1] DIETER, G. E. Metalurgia Mecânica. Editora Guanabara Dois, 2 ed, 1981.

[2] KASPAR, R., BAQUET, I. G., SCHRELBER, N., RICHTER, J., NUßBAUM, G., KOTHE, A. “Application of thermomechanical treatment on medium-carbonmicroalloyed steels continuosly cooled from forging from forging temperature”, Materials Technology, Steel Research, 68, No. 1, pp. 27-31, 1997.

[3] EL-BITAR, T., FOUAD, N., ZAKY, A. I., EL-RADY, S. A. “Effect of cooling rate after controlled forging on properties of low carbon multi-microalloyed steels”, Materials Science and Engineering A, v. 534, pp. 514–520, 2012.

[4] BHADESHIA, H. K. D. H., Bainite in Steels: Transformations, microstructure and properties, 2 ed, IOM Communications Ltd, 2001.

[5] BRAMFITT, B. L., SPEER, J. G., “A perspective on the Morphology of Bainite”, Mettallurgical Transactions A, v. 21, n. 3, pp. 817-829, Mar. 1990.

[6] CABALLERO, F. G., CAPDEVILA, C., ROELOFS, H., CHAO, J., “Influence of bainite morphology on impact toughness of continuously cooled cementite free bainitic steels”, Materials Science Technology, v. 28, n.1, pp. 95-102, Dec. 2011.

[7] ANDRÉS, C. G., CABALLERO, F. G., CAPDEVILA, C., ÁLVAREZ, L. F., “Application of Dilatometric Analysis to the Study of solid-solid Phase Transformations in Steels”, Materials Caracterization, v. 42, n. 1, pp. 101-111, Feb. 2002.

[8] HUNKEL, M., HOLGER, S., STEINBACHER, M., “Dilatometry”, In: Vyazovkin, S., Koga, N., Schick, C. (eds), Handbook of Thermal Analysis and Calorimetry, 2 ed., chapter 3, USA, Elsevier B. V., 2018.

[9] YANG, Z. G., WANG, J. P., BAI, B. Z., FANG, H. S., “Grain refinement and microstructural evolution of grain boundary allotriomorphic ferrite/granular bainite steel after prior austenite deformation”, Materials Science and Engineering A, v. 369, pp. 112-118, 2004.

[10] YANG, J. R., HUANG, C. Y., HSIEH, W. H., CHIOU, C. S., “Mechanical Stabilization of austenite against bainitic reaction in Fe-Mn-Si-C Bainitic Steel”, Materials Transactions, JIM, v. 37, n. 4, pp. 579-585, 1996.

[11] MATSUZAKI, A., BHADESHIA, H. K. D. H., “Effect of austenite grain size and bainite morphology on overall kinetics of bainite transformation in steels”, Materials Science and Technology, v. 15, n. 5, pp. 518-522, 1999.

  1. Informações complementares

O projeto BRAGECRIM nomeado "Manufatura Energeticamente Eficiente para Aços Bainíticos Avançados Baseada no Processamento Termomecânico", esta sendo realizado em cooperação Brasil (UFRGS) e Alemanha (Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien - IWT).

 Tâmie de Souza PerozzoIngressou no programa de pós-graduação da UFRGS em 2017 e realizou os experimentos apresentados nesse artigo no período de março a novembro de 2018 no IWT, em Bremen, na Alemanha. Graduou-se em Engenharia Mecânica em 2017 pelo Instituto Federal Sul-Rio-Grandense (IFSul) com período sanduíche na University of Birmingham no Reino Unido. Mestranda no Programa de Pós-graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais (PPGE3M) da UFRGS, com ênfase em Processos de Fabricação. Realizou mestrado sanduíche no Leibniz-InstitutfürWerkstofforientierteTechnologien - IWT em Bremen, na Alemanha com foco na simulação física de processos termomecânicos por dilatometria e caracterização de aços bainíticos.

Rafael Menezes Nunes: Graduou-se em Engenharia Metalúrgica pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul em 2006, mestrado em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul com período sanduíche na Universität Bremen (2008). Fez doutorado em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul com período sanduíche na Universität Bremen (2012) atuando em processos de Conformação Mecânica e engenharia de distorção. Atualmente é professor adjunto A da UFRGS. É professor colaborador e orientador de Mestrado no PPGE3M - UFRGS.

Alexandre da Silva Rocha: Graduou-se em Engenharia Mecânica em 1994 pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). Em 1996 formou-se Mestre em Engenharia e em 2000 obteve o título de Doutor em Engenharia pelo Programa de Pós-graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais (PPGE3M) da UFRGS (conceito CAPES 7). Foi professor e pesquisador da Universidade do Vale do Rio dos Sinos de 1999 a 2001. De 2001 a 2004 atuou como pesquisador do Materials Science Institut (StiftungInstitutfuerWerkstofftechnik, IWT) em Bremen na Alemanha, tendo participado do projeto SFB 570 - DistortionEngineering do DFG, sendo responsável por desenvolvimentos na área de Análise de Tensões Residuais.

Rodrigo Afonso Hatwig: Doutorando em Processos de Fabricação pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais (PPGE3M) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). Entre os anos de 2018/2019 realizou atividades de pesquisa no Leibniz-InstitutFürWerkstofforientierteTechnologien – IWT, em Bremen, na Alemanha. Possui mestrado em Processos de Fabricação (PPGE3M - 2015) e graduação em Engenharia Metalúrgica (UFRGS - 2012).