Upload
internet
View
103
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Obtenção de grãos ultrafinos em aços hipereutetóides
Hélio Goldenstein Escola Politécnica da Universidade de São Paulo
[email protected]: FAPESP e CNPq
Obtenção de grãos ultrafinos em aços hipereutetóides
A idéia de trabalhar neste assunto surgiu a partir de sugestão do Prof. Oscar Balancin por ocasião de discussões no âmbito do
projeto CT-FVA/CNPq 01/2003, em 2004
Hélio Goldenstein Escola Politécnica da Universidade de São Paulo
[email protected]: FAPESP e CNPq
Em 1994, Oleg Sherby vem ao Brasil participar do CECIMAT, quando apresenta os trabalhos com aços de damasco que vinha desenvolvendo em Stanford desde a década de 70; visita a USP, DEMA-UFSCar,
PUC-Rio, UFRJ e UFMG
• Divulga a idéia de que aços hipereutetóides podem ter características únicas quando tratados de forma a apresentar uma dispersão fina de carbonetos
• Os carbonetos inibem o crescimento dos grãos, criando uma estrutura de grãos ultrafinos
• Esta estrutura de grãos ultrafinos melhora a tenacidade ao mesmo tempo que aumenta a resistencia
• Permite comportamento superplástico em temperaturas próximas à temperatura eutetóide
Sherby ao estudar superplasticidade,
re-descobriu e popularizou um conhecimento metalúrgico muito antigo: os aços de damasco
Espada Persa (Isfahan), Séc.XVIII. Damasco
Origem da “Ciência da Microestrutura”, a contribuição da Metalurgia à Ciência dos Materiais:
•conhecimentos empíricos sobre fratura e texturas macroscópicas em superfícies polidas de espadas e ferramentas:
• Macroestruturas de forjamento, expressões de aspectos estéticos e artísticos (Oriente), indicadores da qualidade do processo e das propriedades do produto, conhecimento “secreto’’de artesãos por 26 séculos
Kris – punhais malaios com textura de forjamento decorativas.Smith, C.S.
Por 26 séculos o aço de espada foi forjado artesanalmente-Aplicações: armas brancas e armaduras, ferramentas para trabalhar metal e madeira, anzóis, agulhas de costura, cordas de instrumentos.-Nos Séc XVIII e XIX: Tentativas de entender e reproduzir o aço Wootz e macroestruturas de forjamento dos aços de Damasco: -Reamur em 1722; Bergman 1773, Mushet em 1808; Faraday em 1818; Breant em 1823; Anossof 1841; Fisher 1851, Sorby 1863, culminaram no desenvolvimento da metalografia e simultaneamente no desenvolvimento dos processos de fabricação de aços de alto carbono.- Só na virada do Séc. XIX: processos Bessemer e Siemens demonstraram a superioridade dos aços homogêneos para fins estruturais - “ferro pudlado” no Colpaert
Aço de espada: a origem da metalografia!
A microestrutura das espadas
No Séc. XIX
Com o uso do microscópio
mistério é
desvendado:
• Espadas são de aços
de ultra alto carbono
hipereutetóide (UHC)
• Sua estrutura é
formada por
carbonetos
esferoidizados
finamente distribuídos
por forjamento
Carbonetos esferoidizados em espada
do Luristão (Pérsia), circa 800 AC
Smith, C.S. (1981) “A search for Structure”
O efeito colateral de uma dispersão de partículas no crescimento do grão:
ancoramento dos contornos de grão
Em aços hipereutetóides é possível obter uma grande quantidade de carbonetos de ferro Fe3C
Efeito do ancoramento permite manter grãos finos durante deformação em temperaturas intermediárias, resultando em
superplasticidade!
Diagrama Fe-C ilustrando a região (pela área hachurada) em que é possível obter superplasticidade. AAC significa “aços de alto carbono”
• Sherby na década de 70, demostrou superplasticidade em “aços de damasco modernos”, obtidos graças ao refino dos grãos pelos carbonetos, resultando em uma estrutura duplex ferrita/carbonetos
Exemplo de estrutura microduplex, em aço de rolamento (Furuhara e Maki 2004)
Aços de alto carbono e de ultra alto carbono comerciais
• Aços ferramenta grupo W
• Aços de rolamento (52100, DIN 100Cr6)
com 1% C e 1,5% Cr
• “Pin Point carbide steels”, DIN100 Cr 1, DIN125Cr1, etc
com 1,2 a 1,4 %C
Como o Sherby obtinha carbonetos e grãos finos (US Patent de 1976)
A decomposição eutetóide divorciada
Outras rotas possíveis de obtenção de finas dispersões de carbonetos (Sato,Furimoto,Tsuzaki e Maki, 1999)
Trabalho experimental em andamento: explorar a possibilidade de refinar a estrutura apenas por
tratamento térmico- projeto de IC Rodrigo Faveret Signorelli,-FAPESP processo •Nº : 6/03600-5
-Aço 100Cr6, solubilizado totalmente a 1050•, temperado e depois revenido em alta temperatura (beneficiado)
Objetivos:
- obter dispersão de carbonetos diretamente a partir da estrutura martensítica,
- eliminar heterogeneidades de distribuição espacial dos carbonetos decorrentes da rota de fabricação (lingotamento contínuo vs lingotamento convencional)
- obter grão austenítico muito fino na têmpera final, de forma a obter uma fração majoritária de martensita escorregada (ripas) e restringir a fraçào de martensita em placas e blocos
Melhorar a resistência sem diminuir a tenacidade
Para isto, diferentes combinações de revenidos e tratamentos sub-zero foram testados, dando como resultado diferents tamanhos de grão ferrríticos e na
austenitizaçào para têmpera, austeníticos
Processos que levam à formação de contornos de grande ângulo nos tratamentos em questão são:
Recuperação da martensita escorregada na mistura α´+
O coalescimento da martensita escorregada em blocosA transição morfológica da martensita de escorregada
para grãos equiaxiais
• – Problema: Revelar contornos de grão • Recobrimento da amostra com um filme de detergente neutro e
aplicação, com um chumaço de algodão, de uma solução aquosa contendo 2 g de ácido pícrico e 2 g de cloreto férrico em 100 ml de água destilada. Apenas 30 segundos foram necessários para revelar os contornos de grão.
• Abaixo comparação entre amostra temperada a partir do material
como recebido e amostr temperada a partir de material solubilizado, temperado e beneficiado a 620 por 0,5 hora
Relação entre o refino dos carbonetos e o tamanho de grão
d = 5,3x10-6 m d = 8,2x10-6 m
MEV – Elétrons Secundários
Material: Aço AISI 52100 (a) austenitização e têmpera, e (b) beneficiamento,
austenitização e têmpera, ataque nital.
(a) (b)
Primeiros resultados:Tamanho de grão versus dureza
Material: Aço AISI 52100
d m Dureza (HV)
13 811
8,2 862
5,3 929
4,2 944
d m Dureza (HV)
29 374
27 510
21 566
Tabela 1 - Matriz martensítica Tabela 2 - Matriz ferrítica
Dureza x Tamanho de grão
Gráfico 1- Dados obtidos para tamanho de grão e dureza, nas amostras temperadas (matriz
martensítica), representados na tabela 1. A aproximação feita pelo polinômio segue a relação
de Hall-Petch.
R2 = 0.981
800
820
840
860
880
900
920
940
960
0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55
D -1/2
HV HV
Linear (HV)
Experimentos em andamento
• Austenitizar o material com dispersão fina de carbonetos em temperatura mais baixa do que a especificada normalmente para rolamentos
• Espera-se que o menor teor de carbono da martensita seja compensado pelo endurecimento através do mecanismo de Hall-Petch, obtendo-se a mesma dureza com maior tenacidade e resistência à fadiga