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EDUARDO CORASSINI INFLUÊNCIA DO GRAU DE ENCRUAMENTO E TRATAMENTOS TÉRMICOS DE RECOZIMENTO NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DO AÇO ABNT 1006 Trabalho de Final de Curso, apresentado ao Centro Universitário da FEI, como parte dos requisitos necessários para obtenção do título de Engenheiro de Materiais, orientado pelo professor Dr. Rodrigo Magnabosco. São Bernardo do Campo 2012

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EDUARDO CORASSINI

INFLUÊNCIA DO GRAU DE ENCRUAMENTO E TRATAMENTOS TÉRMICOS DE

RECOZIMENTO NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DO AÇO ABNT 1006

Trabalho de Final de Curso, apresentado ao Centro Universitário da FEI, como parte dos requisitos necessários para obtenção do título de Engenheiro de Materiais, orientado pelo professor Dr. Rodrigo Magnabosco.

São Bernardo do Campo

2012

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AGRADECIMENTOS

Gostaria de agradecer primeiramente a Deus e aos meus pais, por estarem presente em

minha vida, me dando forças para continuar sempre batalhando e vencendo em busca dos

meus objetivos.

Gostaria de agradecer também, ao Prof. Dr. Rodrigo Magnabosco, por toda orientação

e apoio para a realização deste trabalho com excelente qualidade e aos funcionários da

empresa Mangels Industrial S.A, em especial aos engenheiros metalúrgicos Sr. Carlos

Roberto Gianini Junior e ao Sr. Fernando Kawata, que colaboraram com informações

importantes e com os procedimentos experimentais deste trabalho.

A todas as pessoas que ajudaram de alguma forma, na viabilização deste trabalho.

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RESUMO

Baseado na norma ABNT NBR 5007, o presente trabalho consiste na análise da

influência de diferentes condições de encruamento e ciclos térmicos de recozimento subcrítico

nas propriedades mecânicas e tamanhos de grão do aço ABNT 1006, acalmado com alumínio

e sem silício, utilizado para estampagem. O material foi laminado a frio em diferentes graus

de encruamento e recozido em diferentes condições de tempo e temperatura. Para a

caracterização da matéria-prima, realizou-se análise de composição química e propriedades

mecânicas iniciais. Ao retirar amostras na direção longitudinal de cada redução, antes e após

recozimento, realizam-se ensaios de tração, dureza, embutimento Erichsen e análise

metalográfica. Após levantamento das propriedades mecânicas e tamanhos de grão do

material em todas as condições de encruamento, e todos os ciclos de recozimento, foi possível

obter curvas comparativas que auxiliam na interpretação do grau de encruamento e ciclo

térmico necessários para se obter as propriedades mecânicas desejadas ao produto final,

partindo-se de uma espessura inicial conhecida.

Palavras-chave: Aço ABNT 1006, estampagem, encruamento, ciclos térmicos de recozimento

subcrítico, tamanho de grão, propriedades mecânicas.

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ABSTRACT

Based on ABNT NBR 5007 standard, the present work evaluates the influence of different

conditions of work hardening and subcritical annealing thermal cycles on the mechanical

properties and grain sizes of ABNT 1006 steel, with aluminum and without silicon, used for

sheet metal forming. The material is cold rolled to varying degrees of strain hardening and

annealed under varying conditions of time and temperature. For the characterization of the

raw material, chemical composition and mechanical properties were obtained. By taking

samples in the longitudinal direction of each reduction, before and after annealing, tensile

mechanical properties, hardness, Erichsen draw ability and grain size were determined. It was

possible to obtain comparative curves which help in the interpretation of the degree of strain-

hardening and thermal cycle needed to obtain the mechanical properties desired in end

product, starting from a known initial thickness.

Key words: ABNT 1006 steel, stamping, hardening, thermal cycles subcritical annealing,

grain size, mechanical properties.

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LISTA DE TABELAS

TABELA 1 - Composição química do aço ABNT 1006 com alumínio sem silício, conforme

norma ABNT NBR ..................................................................................................................13

TABELA 2 - Composições químicas e propriedades mecânicas típicas de aços para

estampagem no Brasil...............................................................................................................19

TABELA 3 – Propriedades mecânicas do aço ABNT 1006 em função do tipo de

laminação..................................................................................................................................29

TABELA 4 - Porcentagens de redução de espessura e planos de passes originados no processo

de laminação.............................................................................................................................38

TABELA 5 - Ciclos de recozimento utilizados na Mangels para tratamento das amostras.....40

TABELA 6 - Composição química real da matéria-prima proveniente de usina.....................45

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LISTA DE ILUSTRAÇÕES

ILUSTRAÇÃO 1 - Diagrama de fase Fe-C mostrando as regiões de formação de austenita e

ferrita, para equilíbrio metaestável Fe-Fe3C............................................................................14

ILUSTRAÇÃO 2 – Aço SAE 1006 laminado a 845°C e bobinado a 620°C, resultando em

grãos finos de ferrita homogeneamente dispersos....................................................................15

ILUSTRAÇÃO 3 – Influência dos elementos de liga em solução sólida na fase ferrita na

mudança de resistência ao escoamento de aços baixo carbono................................................16

ILUSTRAÇÃO 4 – Microestrutura de um aço baixo carbono sem recozimento, com matriz

ferrítica e presença de perlita em contorno de grão. 2% de Nital e 4% de Picral, 1000X.......17

ILUSTRAÇÃO 5 – Microestrutura de um aço plano de baixo carbono recozido, com

cementita em contorno de grão. 2% de Nital e 4% de Picral, 1000X......................................17

ILUSTRAÇÃO 6 – Efeito endurecedor de diferentes elementos de liga, dissolvidos na ferrita

de aços com baixo teor de carbono...........................................................................................18

ILUSTRAÇÃO 7 – Relação entre o tamanho de grão ferrítico e qualidade da superfície,

através do ensaio de embutimento Erichsen de chapas de aço baixo carbono. A última

amostra, com granulação grosseira, resultou em superfície rugosa, diferentemente da primeira

amostra......................................................................................................................................20

ILUSTRAÇÃO 8 – Aço SAE 1006 laminado a 790°C e bobinado a 620°C. A temperatura de

laminação resultou em grãos finos no interior do material, porém ocorreu crescimento

exagerado dos grãos de ferrita na superfície. Nital,100X.........................................................22

ILUSTRAÇÃO 9 – Aço SAE 1006 com precipitação de cementita. Picral,1000X.................22

ILUSTRAÇÃO 10 - Orientação dos planos de deslizamento (PD) e as direções preferenciais

de deslizamento (DD) atuantes no reticulado cristalino do material, ao serem submetidos a

uma tensão axial (TA) de deformação, que definirá a anisotropia de propriedades do

material......................................................................................................................................24

ILUSTRAÇÃO 11 - Valores de anisotropia normal em função do grau de encruamento

anterior ao recozimento para três tipos de aços para estampagem distintos............................25

ILUSTRAÇÃO 12 – Microestruturas de um aço SAE 1010 laminado a frio, de 10 a 90% de

redução, mostrando o encruamento dos grãos à medida que se intensifica, sem operações de

recozimento intermediário. As setas pretas indicam a sequência de laminação.......................26

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ILUSTRAÇÃO 13 – Gráfico da porcentagem de redução de espessura por laminação a frio

para um aço baixo carbono, em função das propriedades mecânicas......................................26

ILUSTRAÇÃO 14 – Efeito sobre a curva tensão deformação em função do aumento do

trabalho mecânico a frio de um aço baixo carbono, indicando o aumento da resistência

mecânica e diminuição da ductilidade do material..................................................................28

ILUSTRAÇÃO 15 – Influência do grau de encruamento na ductilidade, de um aço SAE 1005

laminado a frio..........................................................................................................................28

ILUSTRAÇÃO 16 - Curva tensão-deformação, mostrando o aparecimento do escoamento

descontínuo para um aço de baixo teor de carbono.................................................................29

ILUSTRAÇÃO 17 - Comparação de microestruturas com recozimento subcrítico posterior a

laminação a frio, mostrando a recuperação e recristalização dos grãos de ferrita, para um aço

SAE 1010.................................................................................................................................32

ILUSTRAÇÃO 18 - Distribuições de tamanho de grão durante o crescimento de grão normal

e anormal, em função da frequência de grãos de um determinado diâmetro e do tempo de

recozimento “t”.........................................................................................................................33

ILUSTRAÇÃO 19 – Efeito da temperatura de recozimento na dureza, para um aço baixo

carbono, recozido a 1h..............................................................................................................34

ILUSTRAÇÃO 20 – Microestrutura de um aço 0.08C-1.5Mn-0.21Si. a) laminado a frio com

50% de encruamento b) 50% de encruamento a frio e recozido a 700°C por 20min, com

cementita esferoidizada............................................................................................................34

ILUSTRAÇÃO 21 – Forno de recozimento tipo sino de alta convecção da Mangels Industrial

S.A............................................................................................................................................35

ILUSTRAÇÃO 22 - – Campânulas de proteção de atmosfera, utilizadas nos fornos de

recozimento da Mangels...........................................................................................................36

ILUSTRAÇÃO 23 - Forno a gás de alta convecção com atmosfera de 100% H2. O

rendimento é aproximadamente 80%........................................................................................37

ILUSTRAÇÃO 24 - Campânula de resfriamento rápido, colocada sobre a campânula de

proteção da carga......................................................................................................................37

ILUSTRAÇÃO 25 - Laminador 13 da Mangels, utilizado para relaminação do material em

estudo........................................................................................................................................38

ILUSTRAÇÃO 26 – Esquema de retirada da amostra...........................................................39

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ILUSTRAÇÃO 27 - Espectrômetro Spectromax do Instituto de Pesquisas e Estudos

Industriais (IPEI), utilizado para análise de composição química do material em

estudo........................................................................................................................................39

ILUSTRAÇÃO 28 - Esquema e dimensões do corpo de prova usinado para ensaio de

tração.........................................................................................................................................40

ILUSTRAÇÃO 29 – Equipamento MTS do Centro Universitário da FEI, utilizado para os

ensaios de tração.......................................................................................................................41

ILUSTRAÇÃO 30 - Durômetro Fsclerometer da Mangels, utilizado para os ensaios de

dureza Vickers com carga de 5 kgf..........................................................................................41

ILUSTRAÇÃO 31 - Equipamento do Centro Universitário da FEI utilizado para os ensaios de

embutimento Erichsen do material em estudo.........................................................................42

ILUSTRAÇÃO 32 – Equipamento Allied Techpress 2 utilizado para embutimento em

baquelite, dos corpos de prova utilizados para metalografia....................................................43

ILUSTRAÇÃO 33 - Equipamento Struers Abramin do Centro Universitário da FEI, utilizado

para preparação metalográfica das amostras............................................................................43

ILUSTRAÇÃO 34 - Microscópico óptico Olympus...............................................................44

ILUSTRAÇÃO 35 - Microestrutura do aço ABNT 1006 com Al sem Si, proveniente da usina.

Nital 2%, 500X........................................................................................................................46

ILUSTRAÇÃO 36 - Distribuição de tamanhos de grão da matéria-prima proveniente da

usina..........................................................................................................................................46

ILUSTRAÇÃO 37 - Embutimento Erichsen da amostra referente ao material original

proveniente da usina.................................................................................................................47

ILUSTRAÇÃO 38 - Micrografias após laminação, desde 5% até 80%, mostrando a

comparação de microestruturas e formatos de grão. Nital 2%, 200X.......................................47

ILUSTRAÇÃO 39 – Gráfico do comportamento da dureza do material em função da

porcentagem de redução de área, anterior ao processo de recozimento...................................50

ILUSTRAÇÃO 40 – Gráfico do comportamento do limite de escoamento do material em

função do porcentagem de redução de área, anterior ao processo de recozimento...................50

ILUSTRAÇÃO 41 – Gráfico do comportamento do limite de resistência do material em

função da porcentagem de redução de área, anterior ao processo de recozimento...................51

ILUSTRAÇÃO 42 – Gráfico do comportamento do alongamento do material em função da

porcentagem de redução de área, anterior ao processo de recozimento...................................51

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ILUSTRAÇÃO 43 - Microestruturas obtidas de 4 condições de tempo e temperatura distintos,

em função do grau de encruamento anterior ao recozimento...................................................52

ILUSTRAÇÃO 44 – Gráfico do diâmetro médio planar dos grãos em função do grau de

encruamento, após recozimento a 630 °C durante 6 horas de encharque.................................54

ILUSTRAÇÃO 45 - Gráfico do diâmetro médio planar dos grãos em função do grau de

encruamento, após recozimento a 650 °C durante 8 horas de encharque.................................54

ILUSTRAÇÃO 46 - Gráfico do diâmetro médio planar dos grãos em função do grau de

encruamento, após recozimento a 670 °C durante 8 horas de encharque.................................55

ILUSTRAÇÃO 47 - Gráfico do diâmetro médio planar dos grãos em função do grau de

encruamento, após recozimento a 700 °C durante 9 horas de encharque.................................55

ILUSTRAÇÃO 48 - Microestruturas das superfícies das amostras laminadas com 10% de

encruamento e recozidas através dos ciclos G, H-I e J, respectivamente. Nital 2%, 100X......56

ILUSTRAÇÃO 49 - Gráfico da profundidade de estampagem em função do encruamento,

para as amostras recozidas a 630 °C durante 6 horas de encharque (ciclo F)...........................58

ILUSTRAÇÃO 50 - Gráfico da profundidade de estampagem em função do encruamento,

para as amostras recozidas a 650 °C durante 8 horas de encharque (ciclo G)..........................58

ILUSTRAÇÃO 51 - Gráfico da profundidade de estampagem em função do encruamento,

para as amostras recozidas a 670 °C durante 8 horas de encharque (ciclo H-I).......................59

ILUSTRAÇÃO 52 - Gráfico da profundidade de estampagem em função do encruamento,

para as amostras recozidas a 700 °C durante 9 horas de encharque (ciclo J)...........................59

ILUSTRAÇÃO 53 – Profundidade de estampagem em função da espessura, para todos os

ciclos de recozimento................................................................................................................60

ILUSTRAÇÃO 54 - Fotografias da superfície estampada, mostrando a aparência superficial

das amostras estudadas. As fotografias com bordas vermelhas correspondem às condições que

apresentaram “casca de laranja” acentuada...............................................................................61

ILUSTRAÇÃO 55 - Superfície que relaciona o tamanho de grão em função do grau de

encruamento e ciclo de recozimento subcrítico........................................................................63

ILUSTRAÇÃO 56 - Gráfico que relaciona o limite de escoamento com o tamanho de grão,

para todas as condições de recozimento e encruamento estudadas..........................................64

ILUSTRAÇÃO 57 - Gráfico que relaciona o limite de resistência com o tamanho de grão,

para todas as condições de encruamento e recozimento estudadas, com a respectiva equação

de Hall-Petch obtida..................................................................................................................65

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ILUSTRAÇÃO 58 - Gráfico que relaciona a dureza com o tamanho de grão, para todas as

condições de encruamento e recozimento estudadas, com a respectiva equação de Hall-Petch

obtida........................................................................................................................................65

ILUSTRAÇÃO 59 - Gráfico do alongamento em 50 mm em função do inverso da raiz

quadrada do diâmetro médio dos grãos posterior ao recozimento, para todas as condições

estudadas, com a respectiva equação de Hall-Petch obtida.....................................................66

ILUSTRAÇÃO 60 – Gráfico do limite de escoamento em função do encruamento, para todas

as amostras recozidas através dos ciclos F, G, H-I e J.............................................................67

ILUSTRAÇÃO 61 - Gráfico do limite de resistência em função do encruamento, para todas as

amostras recozidas através dos ciclos F, G, H-I e J..................................................................68

ILUSTRAÇÃO 62 - Gráfico da dureza em função do encruamento, para todas as amostras

recozidas através dos ciclos F, G, H-I e J.................................................................................70

ILUSTRAÇÃO 63 - Gráfico do alongamento em função do encruamento, para todas as

amostras recozidas através dos ciclos F, G, H-I e J.................................................................70

ILUSTRAÇÃO 64 - Superfície que relaciona o limite de escoamento em função do grau de

encruamento e ciclo de recozimento subcrítico........................................................................71

ILUSTRAÇÃO 65 - Superfície que relaciona o limite de resistência em função do grau de

encruamento e ciclo de recozimento subcrítico........................................................................71

ILUSTRAÇÃO 66 - Superfície que relaciona a dureza em função do grau de encruamento e

ciclo de recozimento subcrítico.................................................................................................72

ILUSTRAÇÃO 67 - Superfície que relaciona o alongamento em função do grau de

encruamento e ciclo de recozimento subcrítico........................................................................72

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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO E OBJETIVO ..................................................................................... 12

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ...................................................................................... 13

2.1 Aços Baixo-Carbono ................................................................................................... 13

2.2 Laminação a quente .................................................................................................... 20

2.3 Laminação a frio ......................................................................................................... 22

2.4 Tratamento térmico de recozimento subcrítico ......................................................... 30

2.4.1 Fornos de recozimento da Mangels .............................................................................. 35

3 MATERIAL E MÉTODOS .......................................................................................... 38

4 RESULTADOS EXPERIMENTAIS E DISCUSSÃO .................................................. 44

5 CONCLUSÕES ............................................................................................................. 73

REFERÊNCIAS ................................................................................................................. 74

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1 INTRODUÇÃO E OBJETIVO

Os aços baixo carbono são de longe o material metálico mais produzido no mundo.

Embora grande parte da sua produção seja utilizada em aplicações simples, sua tecnologia de

processamento e propriedades tem ganhado interesse.

O foco deste trabalho é o aço ABNT 1006 acalmado com alumínio e sem silício, na

forma de chapas, destinado principalmente a aplicações que envolvam estampagem profunda

ou conformação mecânica a frio, como por exemplo, carrocerias de automóveis de um modo

geral.

Por se tratar de aplicações que exijam determinada resistência mecânica, dureza e

diferentes espessuras, é preciso conhecer o processo de relaminação pelo qual o material vai

ser submetido para chegar à espessura e às propriedades mecânicas desejadas para o produto

final, a partir de uma espessura inicial conhecida. É preciso conhecer também o efeito de

diferentes ciclos de recozimento sobre as propriedades mecânicas e tamanho de grão deste.

A laminação a frio provoca o encruamento do material, sendo que quanto maior for o

grau deste, espera-se que menor seja o tamanho de grão após recozimento e melhores as

propriedades mecânicas alcançadas. O recozimento é um tratamento térmico intermediário,

realizado com o intuito de facilitar o trabalho mecânico a frio posterior, melhorar as

propriedades mecânicas e promover a estabilidade dimensional, através de fenômenos como

recuperação, recristalização e crescimento de grão.

Este trabalho tem como objetivo verificar a influência de diferentes graus de

encruamento e ciclos de recozimento sobre a microestrutura e propriedades mecânicas do aço

ABNT 1006, com a finalidade de se obter o melhor conjunto de propriedades para a espessura

final desejada, partindo-se de uma bitola inicial específica.

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13

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Nesta seção serão abordadas as principais características do aço baixo carbono,

principalmente o ABNT 1006, com foco na aplicação em estampagem.

2.1 Aços Baixo-Carbono

Aço é uma liga metálica composta basicamente por ferro e carbono, com teores de

outros elementos que variam conforme a aplicação e solicitação mecânica. Os aços são

geralmente classificados segundo o teor de carbono, que pode chegar até aproximadamente

2,1%C. A primeira classe destes é o de baixo carbono, a qual contém até 0,3%C e engloba o

material em estudo, que contém em média 0,06%C. A composição química do aço segundo a

“Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT” está indicada na Tabela 1.

Tabela 1 - Composição química do aço ABNT 1006 com alumínio sem silício, conforme norma ABNT NBR 5007.

Número

ABNT

Limites e faixas de composição química (%)

Carbono Manganês

Máx %

Fósforo

Máx %

Enxofre

Máx %

Alumínio

Min %

1006 0,04 – 0,08 0,50 0,03 0,035 0,020

Em todos os aços-carbono existem pequenas quantidades de elementos residuais provenientes

das matérias-primas utilizadas na fabricação do aço, como cobre, níquel, molibdênio e cromo.

São considerados residuais quando não interferem na aplicação final do produto.

Fonte: Autor “adaptado de” ABNT NBR 5007, 2008, p. 9.

O segmento mais importante dos aços baixo carbono, sob o ponto de vista econômico,

é voltado para a estampagem, particularmente estampagem profunda ou conformação

mecânica a frio, sendo as principais aplicações: no ramo automobilístico, fabricação de

embalagens, formas estruturais (vigas I, canaletas, ferros angulados), chapas utilizadas em

tubulações, edificações, pontes e outros produtos que não envolvam grandes solicitações

mecânicas posteriores. (CALISTER, 2008)

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14

No Brasil e em muitos países, bobinas laminadas a quente, com espessuras na faixa de

aproximadamente 2 a 10 mm são fornecidas para as empresas relaminadoras. O

processamento nestas envolvem etapas de decapagem, corte, laminação a frio e recozimento

e, em alguns casos, tratamentos da superfície.

Para alcançar as propriedades mecânicas desejadas e resistir a esforços mecânicos

aplicados ao produto após fabricação, é necessário compreender uma série de fatores, que

serão discutidos a seguir.

Quanto à microestrutura, o aço com teor de carbono baixo apresenta estrutura

predominante ferrítica, a qual não responde a tratamentos térmicos que visem à formação de

martensita para aumento de resistência mecânica, que é alcançado somente através do

trabalho mecânico a frio. Ferrita é uma solução sólida de ferro no estado alotrópico alfa, com

baixos teores de carbono ou mais elementos de liga dissolvidos, que ocupam posições

específicas no reticulado cristalino de célula cúbica de corpo centrado do aço. Possui

microestrutura de grãos poligonais irregulares de alta ductilidade e resistência mecânica da

ordem de 270 MPa. A Figura 1 mostra o diagrama de fase Fe-C, onde é possível identificar as

regiões de estabilidade das fases existentes em função do teor de carbono do aço e da

temperatura. (ANDRESEN, P. et al, 1997)

Figura 1 - Diagrama de fase Fe-C mostrando as regiões de formação de austenita e ferrita, para equilíbrio metaestável Fe-Fe3C.

Fonte: Autor, “adaptado de” Arai, T. et al, 1991, p. 103.

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A resistência mecânica da ferrita é determinada também pelo seu tamanho de grão,

sendo que quanto menor o tamanho destes, maior é a resistência mecânica, seguindo a relação

de Hall-Petch. Para aços com baixo teor de carbono, a resistência ao escoamento varia em

função do diâmetro dos grãos, também segundo a equação 1. (G. AGGEN, et al, 1993)

σy = σ0 + κy d -1/2 ...(1)

onde σy é a resistência ao escoamento, σ0 é a resistência ao escoamento de um único cristal de

condição e pureza equivalentes, κy é o coeficiente de resistência do contorno de grão e d é o

diâmetro médio do grão. A equação acima mostra que a resistência ao escoamento é

inversamente proporcional à raiz quadrada do diâmetro médio do grão. O limite de

escoamento representa a média dos limites de escoamento de todos os cristais que compõem a

microestrutura. A Figura 2 mostra um exemplo da microestrutura de um aço SAE 1006, com

grãos finos de ferrita, que certamente apresenta resistência ao escoamento elevada. (G.

AGGEN, et al, 1993)

Figura 2 – Aço SAE 1006 laminado a 845°C e bobinado a 620°C, resultando em grãos finos de ferrita

homogeneamente dispersos. Nital, 100x. Fonte: Autor, “adaptado de” Aaronson, H., et al, 1985, p. 304.

Quanto a maioria dos elementos de liga, ao entrarem em solução sólida na ferrita

aumentam a resistência ao escoamento desta, como mostra a Figura 3, destacando-se

principalmente o carbono, nitrogênio e fósforo, que aumentam aproximadamente até 300

MPa, mesmo em baixos teores. (ANDRESEN, P. et al, 1997)

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16

Figura 3 – Influência dos elementos de liga em solução sólida na fase ferrita na mudança de resistência ao escoamento de aços baixo carbono.

Fonte: Autor, “adaptado de” Andresen, P. et al, 1997, p. 855

Elementos intersticiais como o carbono e o nitrogênio se difundem mais rapidamente

na ferrita, quando comparado com elementos substitucionais, resultando em uma resposta

mais rápida ao tratamento térmico. (ANDRESEN, P. et al, 1997)

No caso da quantidade de carbono exceder o limite de solubilidade de

aproximadamente 0,0218%C na ferrita a 727°C, o carbono remanescente precipita na matriz e

constitui uma segunda fase denominada cementita. É uma fase composta pela combinação de

ferro com o carbono (Fe3C), muito dura e com 6,67%C, responsável por elevar a dureza e

resistência mecânica da matriz de aços baixo carbono, em que cada partícula é totalmente

envolvida pela matriz. Também pode ser um constituinte da perlita, na qual o tamanho das

partículas de segunda fase é da ordem do tamanho de grão da matriz, composta por 88,5% de

ferrita e 11,5% de cementita na forma lamelas alternadas com a mesma orientação, formada a

partir da transformação eutetóide de austenita com 0,76%C, e que apresentam resistência à

tração, em média, de 740 MPa. As Figuras 4 e 5 mostram microestruturas típicas de aço baixo

carbono na presença de perlita e cementita, respectivamente. (ANDRESEN, P. et al, 1997)

Mu

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(MP

a)

Teor de liga (% peso)

e

e

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17

Figura 4 – Microestrutura de um aço baixo carbono sem recozimento, com matriz ferrítica e presença de

perlita em contorno de grão. 2% de Nital e 4% de Picral, 1000X. Fonte: Andresen, P. et al, 1997, p. 854

Figura 5 – Microestrutura de um aço plano de baixo carbono recozido, com cementita em contorno de

grão. 2% de Nital e 4% de Picral, 1000X. Fonte: Andresen, P. et al, 1997, p. 854

Um fator também importante a ser considerado é o conhecimento da composição

química da matéria-prima, que deve ser mantida dentro da faixa de especificação, para evitar

o aparecimento de eventuais precipitados e inclusões não metálicas. Os aços carbono

geralmente apresentam impurezas, metálicas ou não, resultantes do processo de fabricação, e

que geralmente estão presentes na composição química da matéria-prima, sendo que as mais

comuns são o enxofre, o manganês, o silício e o alumínio. A maioria destas reage entre si

formando inclusões não metálicas, normalmente prejudiciais às aplicações. (CHIAVERINI,

1990).

Page 18: Acesse o trabalho

18

O manganês, quando não combinado com o enxofre, contribui para o aumento da

dureza e resistência mecânica de aços com baixo teor de carbono, ao se dissolver na ferrita,

com diminuição insignificante da tenacidade. (CHIAVERINI, 1990).

O alumínio atua como elemento controlador do crescimento de grãos e em solução

sólida na ferrita endurece-a consideravelmente, enquanto o enxofre apresenta um efeito

significativo sobre as propriedades mecânicas do aço baixo carbono, porém deve possuir teor

máximo de 0,05%S para evitar a formação de sulfetos prejudiciais às propriedades mecânicas.

(CHIAVERINI, 1990).

O silício dissolve-se na ferrita e não afeta de maneira significativa a ductilidade,

também contribui para o aumento de dureza e resistência mecânica, porém em teores elevados

combina-se com outros elementos formando os silicatos. É responsável por expandir a região

de estabilidade da ferrita no diagrama de fase Fe-C a temperatura ambiente, através da

diminuição da quantidade de austenita. (CHIAVERINI, 1990).

Inclusões de silicatos e sulfetos, resultantes ou não do processo de fabricação, se

alongam na direção da laminação. Como exemplo dessas, têm-se o sulfeto de manganês

(MnS), que prejudica a maleabilidade da fase ferrita por comprometer a continuidade de

deformação da matriz. (CHIAVERINI, 1990)

A Figura 6 mostra a influência do teor de elementos de liga que se dissolvem na ferrita

sobre o aumento da resistência mecânica, sem comprometer de maneira significativa a

ductilidade.

Figura 6 – Efeito endurecedor de diferentes elementos de liga, dissolvidos na ferrita de aços com baixo teor de

carbono. Fonte: Chiaverini, 1990, p. 172.

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19

Quanto à estampabilidade, quanto menor o teor de carbono do aço, que não deve

ultrapassar 0,1%C, e o teor de elementos de liga, que somados não devem ultrapassar 1%,

melhor é a formabilidade do aço. Elementos de liga dissolvidos na ferrita aumentam a

resistência mecânica dessa e prejudicam a formabilidade. Os elementos de liga com maior

influência na estampabilidade dos aços baixo carbono são: carbono, manganês, alumínio,

titânio e nióbio. Teores de fósforo e enxofre para chapas com destino a estampagem devem

estar abaixo de 0,035%P e 0,04%S, pois aumentam a probabilidade de nucleação de trincas,

prejudicando a formabilidade. O teor de silício geralmente deve ser inferior a 0,1%Si, pois em

maiores quantidades pode formar inclusões de silicatos prejudiciais a formabilidade, além de

aumentar a resistência do aço, diminuindo a ductilidade necessária. O alumínio tem um papel

importante em aços baixo carbono, pois ajuda no desenvolvimento da orientação preferencial

dos grãos, resultando em uma melhor estampabilidade. (CHIAVERINI, 1990)

A Tabela 2 apresenta valores típicos de composição química e de propriedades

mecânicas de aços para estampagem. (FILHO, A. F. et al, 2001)

Tabela 2 - Composições químicas e propriedades mecânicas típicas de aços para estampagem no Brasil.

Aço

Baixo Carbono

Composição Química (% Peso) Propriedades Mecânicas

C Mn P S Al LE LR AL LE/LR rm

Estampagem

Média (EM) 0,05 0,23 0,018 0,015 0,043 210 335 39 0,66 1,5

Estampagem

Profunda (EP) 0,05 0,23 0,017 0,015 0,043 195 320 41 0,62 1,5

Estampagem

Extra-Profunda

(EEP)

0,04 0,23 0,016 0,015 0,044 180 314 42 0,59 1,7

Estampagem

Extra-Profunda

Crítica (EEP- PC)

0,04 0,21 0,014 0,014 0,042 170 308 43 0,58 1,8

Fonte: Autor “adaptado de” Filho, A. F. et.al, 2001, p. 190.

Outros fatores que também interferem na estampabilidade é o tamanho, o formato e a

orientação dos grãos (textura) em relação à direção de laminação, e a existência de

microconstituintes que influenciam na profundidade e qualidade da superfície estampada. O

tamanho de grão influencia muito a resistência ao escoamento de um aço baixo carbono,

sendo que grãos finos possuem resistência ao escoamento e expoentes de encruamento

elevados, porém formabilidade limitada. Já uma granulação grosseira tem melhor

estampabilidade em função da menor resistência ao escoamento, porém gera superfície áspera

(casca de laranja). A Figura 7 mostra esses dois extremos. Geralmente grãos na faixa de

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20

tamanho entre 7 ou 8, classificados conforme norma ASTM E112, apresentam um bom

compromisso entre conformabilidade e aparência de superfície. Tamanho de grão abaixo de 5

são considerados inaceitáveis para muitas aplicações. Quanto ao formato, geralmente grãos de

ferrita equiaxiais, associados com a orientação preferencial destes, resultam em excelente

formabilidade. A existência de microconstituintes a temperatura ambiente, como carbonetos

e inclusões não metálicas (sulfetos, silicatos e óxidos) podem prejudicar a formabilidade da

chapa de aço por estimularem a nucleação de trincas durante a estampagem. (G. AGGEN, et

al, 1993)

Figura 7 – Relação entre o tamanho de grão ferrítico e qualidade da superfície, através do ensaio de embutimento Erichsen de chapas de aço baixo carbono. A última amostra, com granulação grosseira, resultou em superfície

rugosa, diferentemente da primeira amostra. Fonte: Autor, “adaptado de” G. Aggen, et al, 1993, p. 1346.

2.2 Laminação a quente

O controle do processo de laminação a quente é de grande importância para o aumento

das propriedades mecânicas do aço baixo carbono, após laminação a frio e recozimento. Serve

tanto para evitar o aparecimento de precipitados e inclusões exógenas que induzam a ruptura

durante a conformação ou corte do material, quanto ao controle da temperatura, tempo e taxa

de aquecimento para evitar crescimentos anormais de grãos. O controle do resfriamento

também é muito importante. Quando o produto de transformação da austenita consiste em

grande parte de ferrita, o resfriamento rápido impede o crescimento dos grãos de ferrita e a

possibilidade de formação de precipitados, embora algumas partículas sejam inevitavelmente

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21

formadas durante a transformação austenita-ferrita, por conta da menor solubilidade de

carbono na ferrita em relação a austenita. (G. AGGEN, et al, 1993)

A temperatura de acabamento é também um parâmetro importante e exerce influência

no produto laminado a frio. Normalmente é utilizada para controlar o tamanho de grão

austenítico e a precipitação de carbonitretos. Por sua vez, estabelece a granulação ferrítica

bastante fina encontrada nestes aços. A temperaturas elevadas, bastante acima da temperatura

Ar3 (temperatura de início da transformação da fase austenita para ferrita), além dos

elementos formadores de carbonetos, nitretos ou carbonitretos estarem em solução sólida, o

tamanho de grão austenítico torna-se muito grande. A temperaturas mais baixas, próximas à

temperatura Ar3, finos precipitados irão se formar a partir da austenita, devido à reduzida

solubilidade dos solutos a baixas temperaturas. Estes precipitados inibem o crescimento de

grão austenítico ou até mesmo a recristalização. A intensidade deste efeito depende, no

entanto, da concentração de elementos de liga, da quantidade de deformação e da temperatura

de laminação. (G. AGGEN, et al, 1993)

A temperatura de bobinamento é outro parâmetro que afeta significativamente o

produto final laminado a frio. Baixas temperaturas produzem precipitados finos e

aleatoriamente distribuídos, que elevam a temperatura de recristalização durante a etapa do

recozimento, tendendo com isto aumentar a resistência do produto final. Por outro lado, o

aumento da temperatura de bobinamento leva a uma diminuição da temperatura de

recristalização, pelo decréscimo da fração volumétrica de carbonetos e pelo atraso na sua

dissolução (devido ao tamanho grosseiro dos mesmos). (G. AGGEN, et al, 1993)

A Figura 8 mostra a microestrutura de um aço SAE 1006 laminado a quente, em que

se verificou o crescimento excessivo de grão na superfície devido à temperatura elevada de

laminação.

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22

Figura 8 – Aço SAE 1006 laminado a 790°C e bobinado a 620°C. A temperatura de laminação resultou em grãos finos no interior do material, porém ocorreu crescimento exagerado dos grãos de ferrita na superfície. Nital,100X

Fonte: Autor, “adaptado de” Aaronson, H., et al, 1985, p. 304

A Figura 9 mostra a microestrutura do mesmo aço, porém laminado a 890°C e

bobinado a 655°C com matriz ferrítica contendo partículas de cementita.

Figura 9 – Aço SAE 1006 com precipitação de cementita. Picral,1000X.

Fonte: Autor, “adaptado de” Aaronson, H., et al, 1985, p. 305

2.3 Laminação a frio

O processo de laminação a frio é normalmente realizado à temperatura ambiente e é

utilizado como processo de deformação subsequente a laminação a quente e decapagem,

servindo tanto para aumento de resistência mecânica, quanto para redução de espessura e

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23

melhoria da qualidade superficial, em função da necessidade do produto final. (G. AGGEN, et

al, 1993)

Consiste na passagem do material entre dois cilindros que giram com a mesma

velocidade periférica e em sentidos opostos. O espaçamento entre esses cilindros é menor do

que a espessura inicial do material que se deseja laminar, reduzindo sua espessura e

aumentando seu comprimento. O controle do atrito é fundamental para definir o plano de

passes, a fim de obter o máximo de redução possível por passe, garantindo a viabilidade do

processo e controle da quantidade de deformação imposta ao material. (G. AGGEN, et al,

1993)

Durante a laminação a frio ocorre a movimentação e criação de discordâncias no

reticulado cristalino do metal. Discordâncias são defeitos lineares intimamente ligados ao

encruamento, responsáveis pelo fenômeno de deslizamento entre planos de átomos na rede

cristalina do metal e determinam a quantidade de deformação plástica máxima imposta. Por

apresentar vários sistemas de escorregamento e alta energia de defeito de empilhamento, o

aço baixo carbono possui grande propensão à formação de um arranjo celular de

discordâncias após deformação plástica. (FILHO, A. F. et al, 2001)

Na ausência de obstáculos como contornos de grão com orientações cristalográficas

distintas, defeitos pontuais, lacunas, precipitados, entre outros, e sob ação de uma pequena

força aplicada, uma discordância pode se movimentar facilmente promovendo o deslizamento

de planos cristalográficos específicos de maior densidade atômica, originando bandas de

deformação. Bandas de deformação, também chamadas de bandas de transição, são

heterogeneidades frequentemente encontradas na microestrutura de metais deformados a frio

e são caracterizadas por deformações heterogêneas do reticulado, devido a partes diferentes de

um mesmo grão sofrerem rotações distintas durante a deformação. (DIETER, 1981)

Inokuti e Doherty, com auxílio da técnica de difração de raios-X, estudaram as

heterogeneidades de deformação do ferro puro, cujo estado encruado é muito similar ao

estado encruado do aço baixo carbono. Constataram que após 40% de redução por

compressão em ferro puro com granulação grosseira, há a presença de grande quantidade de

bandas de deformação, que estão confinadas dentro dos grãos e os subdividem ou fragmentam

em várias regiões e também são locais preferenciais para a nucleação da recristalização.

(INOKUTI, et al, 1978)

Por outro lado, apesar da quantidade de soluto em solução sólida dos aços baixo

carbono para estampagem ser muito baixa, os campos de tensão elástica dos elementos em

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24

solução sólida, principalmente dos solutos intersticiais, interagem com os campos de tensão

das discordâncias, diminuindo sua mobilidade, aumentando sua densidade e homogeneidade

de distribuição. A presença de partículas indeformáveis plasticamente também contribui para

o aumento da densidade de discordâncias na matriz ao redor destas partículas e podem

facilitar a nucleação da recristalização, que será discutido no próximo item. (FILHO, A. F. et

al, 2001)

É relevante ressaltar que a textura presente antes da deformação também influencia a

energia armazenada na deformação e, portanto, a dependência com a orientação influencia a

textura de recristalização. (FILHO, A. F. et al, 2001)

Outro fator que ocorre durante a laminação a frio é a anisotropia. O índice de

anisotropia plástica está relacionado com o quociente da deformação real na largura pela

deformação real na espessura. É um fenômeno no qual as propriedades mecânicas variam

conforme a direção de solicitação mecânica, que é causada pela orientação cristalográfica dos

grãos, ao submetê-lo a tensões axiais. A Figura 10 mostra a orientação preferencial dos grãos

do material e da orientação dos planos de deslizamento paralelos de alta densidade atômica,

juntamente com as forças de ligação interatômicas do metal no reticulado cristalino. (SILVA,

2010)

Figura 10 - Orientação dos planos de deslizamento (PD) e as direções preferenciais de deslizamento (DD)

atuantes no reticulado cristalino do material, ao serem submetidos a uma tensão axial (TA) de deformação, que definirá a anisotropia de propriedades do material.

Fonte: Silva, André V. da Costa, 2010, p.321.

Um parâmetro importante relacionado com a estampabilidade é a anisotropia normal

média (rm), que representa a média dos valores de anisotropia para corpos de prova retirados a

0°, 90° e ± 45° da direção de laminação da chapa.

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25

Ferreira-Filho et al (2001) comprovaram que a alta estampabilidade dos aços baixo

carbono está associada a grande quantidade de planos {111} paralelos à superfície da chapa,

enquanto que a baixa estampabilidade está associada a grande repetição de planos {100}

paralelos à superfície da chapa. O grau de redução que precede o recozimento influencia

diretamente e fortemente a textura de recozimento ou de recristalização. Para baixas reduções

aparece junto com a textura {111} // ND, a textura de Goss (011) <100>. Com o aumento do

grau de encruamento, a textura de Goss é enfraquecida e a textura {111} // ND é fortalecida.

Para reduções subsequentes muito altas antes do recozimento, aparecem componentes de

textura indesejável <100>. Portanto, existe um grau de redução ótimo para cada aço destinado

a estampagem, que varia para os aços acalmados ao alumínio entre 65 e 80% para as

obtenções dos maiores valores de rm, conforme a Figura 11.

Figura 11 - Valores de anisotropia normal em função do grau de encruamento anterior ao recozimento

para três tipos de aços para estampagem distintos. Fonte: Filho, A. F. et al, 2001, p. 197.

Lavigne et al (1981) mostraram que a quantidade de carbono, em solução sólida ou

presente na cementita, influencia muito pouco as componentes de textura de deformação dos

aços. Portanto, a textura varia com a porcentagem de redução a frio e recristalização.

Page 26: Acesse o trabalho

26

À medida que o encruamento vai se intensificando, como mostra a Figura 12, é

necessário um aumento da tensão para produzir o deslizamento, as linhas de discordâncias se

interceptam umas às outras e se multiplicam, servindo como barreiras ao movimento de novas

discordâncias. Quanto menor o tamanho de grão, maior é o encruamento e, portanto maior é a

introdução de linhas de discordâncias na estrutura do aço, maior será a orientação e o

estiramento do grão no sentido da deformação, que se torna cada vez mais dificultada, e

menor é a diferença de dureza entre a periferia e o centro do grão, resultando em uma

deformação mais homogênea do material. A redução total por laminação a frio direta

geralmente varia entre 50 a 90%. (DIETER, 1981)

Figura 12 – Microestruturas de um aço SAE 1010 laminado a frio, de 10 a 90% de redução, mostrando o

encruamento dos grãos à medida que se intensifica, sem operações de recozimento intermediário. As setas pretas indicam a sequência de laminação.

Fonte: Autor, “adaptado de” Aaronson, H., et al, 1985, p. 306-307.

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27

O trabalho mecânico a frio, sob as condições descritas acima, resulta no aumento

progressivo resistência ao escoamento, com diminuição também progressiva da ductilidade e

tenacidade, que limita a quantidade de deformação longitudinal imposta ao material,

conforme mostra a Figura 13. Já a dureza, apesar de também aumentar com o aumento do

encruamento do material, não segue paralelamente ao aumento de resistência ao escoamento,

ou seja, aumenta mais rapidamente nos primeiros 10% de redução e com menor intensidade

para as reduções subsequentes. (G. AGGEN, et al, 1993)

Figura 13 – Gráfico da porcentagem de redução de espessura por laminação a frio para um aço baixo carbono,

em função das propriedades mecânicas. Fonte: Autor, “adaptado de” G. Aggen, et al, 1993, p. 677.

O limite de deformação do material ocorre quando a resistência à deformação é

máxima e a ductilidade é praticamente nula. A Figura 14 ilustra curvas tensão-deformação de

um aço baixo carbono à medida que o encruamento se intensifica, notando-se claramente o

desaparecimento do fenômeno de escoamento, após uma determinada redução de área.

(CHIAVERINI, 1990).

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28

Figura 14 – Efeito sobre a curva tensão deformação em função do aumento do trabalho mecânico a frio de um aço baixo carbono, indicando o aumento da resistência mecânica e diminuição da ductilidade do material.

Fonte: Chiaverini, 1990, p. 169.

A Figura 15 mostra o efeito recíproco do encruamento sobre a ductilidade, de um aço

baixo carbono, com aproximadamente 0,05%C.

Figura 15 – Influência do grau de encruamento na ductilidade, de um aço SAE 1005 laminado a frio.

Fonte: Chiaverini, 1990, p. 169.

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29

A Tabela 3 mostra a comparação de propriedades mecânicas do aço SAE 1006 em

função do tipo de laminação. Ocorre um aumento da resistência mecânica do material na

laminação a frio com o aumento do encruamento, em comparação com a laminação a quente,

mas há redução da ductilidade, que está representada pelo alongamento do corpo de prova em

50 mm.

Tabela 3 – Propriedades mecânicas do aço ABNT 1006 em função do tipo de laminação

Aço

ABNT

Processo de

laminação

Valores mínimos estimados

Limite de

resistência

(MPa)

Limite de

escoamento

(MPa)

Alongamento

em 50 mm (%)

Redução

em área

(%)

Dureza

(HB)

1006 A quente 300 170 30 55 86

A frio 330 280 20 45 95

Fonte: Autor, “adaptado de” Aggen, G. et al, 1993, p. 700

Muitos metais, principalmente os aços de baixo teor de carbono, apresentam uma

transição de deformação elástica para a plástica localizada e heterogênea, que produz um

escoamento descontínuo na curva tensão-deformação, após passar por um limite superior de

escoamento. Nessa transição, surgem bandas de deformação em pontos de concentração de

tensão, denominadas de bandas de Lüders, que se propagam ao longo do corpo-de-prova a

medida que a carga aumenta, causando escoamento descontínuo antes da ocorrência de

deformação plástica uniforme pelo material, como mostra a Figura 16. (DIETER, 1981).

Figura 16 - Curva tensão-deformação, mostrando o aparecimento do escoamento descontínuo para um aço de

baixo teor de carbono. Fonte: Dieter, 1981, p. 178.

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30

Normalmente associado ao fenômeno de escoamento descontínuo ocorre o

envelhecimento por deformação. A deformação a frio do aço promove seu aquecimento a

baixas temperaturas causando o envelhecimento por deformação, o que leva ao aumento de

resistência mecânica e diminuição de ductilidade. Após determinado tempo, o envelhecimento

provoca o reaparecimento do escoamento descontínuo, devido à difusão dos átomos de

carbono e nitrogênio do reticulado cristalino para as discordâncias, ancorando-as. Na prática,

esses fenômenos devem ser controlados, para evitar o aparecimento de marcas de deformação

(bandas de Lüders), prejudiciais à estampagem profunda. São eliminadas ou atenuadas por

meio de um passe de encruamento superficial no laminador, ou através da adição de

elementos de liga como alumínio, titânio, vanádio ou boro, que irão remover os intersticiais

de solução sólida, formando precipitados. (DIETER, 1981)

2.4 Tratamento térmico de recozimento subcrítico

Um dos principais tratamentos térmicos de recozimento, utilizados para aços de baixo

carbono, é o recozimento subcrítico. Este tratamento não envolve a formação de austenita,

pois é realizado logo abaixo da temperatura A1 do diagrama Fe-C, indicada na Figura 1, que

varia de 650°C a 720°C de acordo com a composição química do aço, e serve para

manutenção da microestrutura do material, após resfriamento a uma taxa controlada.

Utilizando a composição química do aço, é possível calcular, através da equação 2, a

temperatura crítica inferior no aquecimento de um aço hipoeutetóide , chamada de Ac1, válida

para aços de até aproximadamente 0,8%C, em função não somente do teor de carbono, mas de

outros elementos que também influenciam e afetam esta temperatura. (ARAI, Tohru et al,

1991)

Ac1(°C) = 723 - 20.7(% Mn) - 16.9(%Ni) + 29.1(%Si) - 16.9(%Cr) ......................... (2)

Desvio Padrão = ± 11.5 °C (ARAI, Tohru et al, 1991 , p. 104)

Durante o aquecimento ocorre dissolução parcial da cementita, liberando carbono, que

se difunde na matriz. Durante o tratamento (na temperatura de encharque) ocorrem processos

termicamente ativados na microestrutura do metal, como recuperação de grãos anteriormente

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31

encruados durante a laminação a frio, recristalização da matriz deformada, com posterior

crescimento dos grãos e esferoidização de carbonetos, em tempos mais longos ou

temperaturas mais altas. 1 (TOHRU ARAI, et al, 1991)

Geralmente o recozimento em temperaturas mais baixas de materiais levemente

encruados causa apenas recuperação e pequena ou nenhuma modificação da textura. A

recuperação acentuada desempenha um papel importante de restauração de propriedades. É

um fenômeno que engloba vários processos termicamente ativados que reduzem a energia

armazenada no metal durante a deformação a frio, pela redução e rearranjo dos defeitos

aglomerados ou puntiformes existentes, aniquilamento de discordâncias de sinais opostos ou

rearranjo destas formando sub-contornos. Não envolve a migração de contornos de alto

ângulo, portanto o grão deformado retém sua textura. (PADILHA, 1996) Em temperaturas mais altas, causa frequentemente recristalização, que pode ou não

gerar uma orientação cristalográfica preferencial (textura), completamente diferente daquela

gerada pela deformação. O material encruado é o estado de partida para o processo de

recristalização, que é definido como a eliminação de discordâncias por migração de contornos

de alto ângulo, pré-existentes na microestrutura encruada ou formados durante o recozimento.

As heterogeneidades de deformação são regiões que contêm grande quantidade de defeitos

cristalinos e distorções no reticulado e são locais preferenciais para a ocorrência da nucleação

da recristalização. A ductilidade original do material é totalmente restaurada pelo

aquecimento acima de certa temperatura especificada para cada tipo de aço, formando-se

novos grãos com baixa densidade de discordâncias, que crescem continuamente até que a

estrutura toda esteja recristalizada. (FILHO, A. F. et al, 2001)

A microestrutura resultante é equiaxial, muito embora possa ser retida ou mesmo

desenvolvida uma textura cristalográfica. Dentre as variáveis que influenciam este processo

destacam-se a temperatura e tempo de tratamento térmico de recozimento subcrítico do

material. A temperatura depende de cada material, pois mesmo pequenos teores de elementos

de liga podem retardar substancialmente a formação de novos grãos, elevando a temperatura

de recristalização. A Figura 17 mostra a diferença de microestruturas entre os fenômenos de

recuperação e recristalização. (AARONSON H., et al, 1985)

1 Encharque é a permanência do material na mesma temperatura durante um determinado intervalo de tempo,

estipulado para cada ciclo.

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32

Figura 17 - Comparação de microestruturas com recozimento subcrítico posterior a laminação a frio, mostrando a recuperação e recristalização dos grãos de ferrita, para um aço SAE 1010.

Fonte: Autor, “adaptado de” Aaronson, H., et al, 1985, p. 307

O único caso em que a presença de soluto ou impurezas acelera a recristalização é

quando elas estão presentes na forma de partículas grosseiras espaçadas entre si, antes da

deformação e recozimento. Dispersões finas de precipitados presentes antes da deformação ou

precipitação durante a recuperação ou recristalização atrasam a recristalização. (FILHO, A. F.

et al, 2001)

De um modo geral, materiais com grãos mais finos tendem a apresentar uma estrutura

de deformação mais homogênea e, consequentemente, uma distribuição mais homogênea do

potencial termodinâmico para recristalização. Do contrário, materiais com estrutura de grãos

grosseiros apresentam heterogeneidades de deformação e maior densidade de defeitos

cristalinos, exibindo maiores diferenças de orientação dos grãos e influindo decisivamente nos

processos de recuperação e recristalização, uma vez que elevadas diferenças de orientação

associadas a estas heterogeneidades favorecem a nucleação de novos grãos na recristalização.

(FILHO, A. F. et al, 2001)

O recozimento em temperaturas mais altas e após baixos graus de encruamento, pode

levar ao fenômeno de crescimento normal ou anormal de grãos. O crescimento normal ou

contínuo de grão ocorre gradualmente e resulta em um aumento do diâmetro médio dos grãos,

não ocorrendo mudanças significativas na textura, mas sim um fortalecimento desta. Por outro

lado, no crescimento anormal de grãos, também chamado de recristalização secundária,

apenas alguns contornos de grão migram de maneira heterogênea e crescem muito mais

rapidamente do que a média dos grãos normais, modificando significativamente a textura. Tal

fenômeno pode se desenvolver tanto em uma matriz uniforme quanto em uma matriz em que

já estejam presentes grãos grandes. Vale ressaltar que a aplicação de pequenas ou médias

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33

reduções a frio, antes do recozimento, na faixa de 5 a 30% de redução de espessura, pode

ocasionar o aparecimento de grãos enormes após o recozimento, ou seja, a textura de

recozimento ou de recristalização depende fortemente do grau de redução a frio que precede o

recozimento. Portanto, existe um grau de redução ótimo para cada aço para estampagem,

situado entre 65 e 80% para aços acalmados ao alumínio. (FILHO, A. F. et al, 2001)

A Figura 18 ilustra esquematicamente a diferença na distribuição de tamanho de grão,

quando ocorre crescimento de grão normal e anormal, respectivamente.

Figura 18 - Distribuições de tamanho de grão durante o crescimento de grão normal e anormal, em função da

frequência de grãos de um determinado diâmetro e do tempo de recozimento “t”. Fonte: Filho, A. F. et al, 2001, p. 197.

O recozimento subcrítico também acentua a diminuição da dureza do material à

medida que se aproxima da temperatura crítica, facilitando o posterior trabalho mecânico a

frio, como mostra a Figura 19. A taxa de resfriamento possui pouca influência na

microestrutura e propriedades mecânicas do aço baixo carbono, quando resfriado a partir da

temperatura de recozimento subcrítico. Porém resfriamentos muito bruscos devem ser

evitados, para eliminar a possibilidade do aparecimento de tensões residuais no material.

(ARAI, Tohru et al, 1991)

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34

Figura 19 – Efeito da temperatura de recozimento na dureza, para um aço baixo carbono, recozido a 1h.

Fonte: ARAI, Tohru et al, 1991, p. 1839.

Quanto à estrutura obtida após recozimento subcrítico, a Figura 20 ilustra a

comparação entre microestruturas características de um aço SAE 1008, laminado e recozido.

Na Figura 20 a tem-se matriz ferrítica deformada a frio com colônias de perlita alongadas na

direção de laminação, com ausência de tratamento térmico de recozimento posterior. Na

Figura 20 b tem-se ferrita poligonal, típica de recozimento subcrítico após laminação a frio,

com a cementita da perlita esferoidizada na direção preferencial de laminação. (G. AGGEN,

et al, 1990)

Figura 20 – Microestrutura de um aço 0.08C-1.5Mn-0.21Si. a) laminado a frio com 50% de encruamento b) 50%

de encruamento a frio e recozido a 700°C por 20min, com cementita esferoidizada. Fonte: Autor, “adaptado de” Aggen, G. et al, 1993, p. 312

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35

O aço SAE 1008 acima apresenta resistência mecânica e dureza superiores ao aço SAE

1006 em estudo, por conta de o primeiro possuir maior teor de carbono e consequentemente

formar maior quantidade de perlita e/ou cementita; no entanto, menores ductilidades,

tenacidade e alongamento podem ser alcançados com esse aço.

Como neste trabalho os ciclos de recozimento empregados no material em estudo são todos

do tipo subcrítico, apenas esta modalidade de recozimento será discutida.

2.4.1 Fornos de recozimento da Mangels

Os fornos de recozimento da Mangels Industrial S.A., como o mostrado na Figura 21,

são do tipo sino, a gás de alta convecção e utilizam 100% de hidrogênio (H2) como atmosfera

de tratamento térmico de recozimento da carga.

Figura 21 – Forno de recozimento tipo sino de alta convecção da Mangels Industrial S.A. Fonte: Autor

Antes da colocação do forno, uma campânula de proteção é fixada sobre a carga,

responsável pelo isolamento da atmosfera, impedindo a entrada de oxigênio e de umidade em

contato com o material e evitando sua oxidação. Possui superfície corrugada, como mostra a

Figura 22, para aumentar a área de contato com a água de resfriamento e obter melhor

rendimento de extração de calor da carga, sem comprometer o material.

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36

Figura 22 – Campânulas de proteção de atmosfera, utilizadas nos fornos de recozimento da Mangels. Fonte: Autor

O hidrogênio molecular, utilizado como atmosfera do forno, reduz o óxido de ferro da

superfície e é extremamente eficiente na limpeza e remoção de impurezas da superfície do

metal. É extremamente leve, o que proporciona melhor rendimento térmico e como

consequência, menor tempo de recozimento.

O efeito da descarbonetação causada pelo hidrogênio no aço depende da temperatura

do forno e é desprezível quando o tratamento é realizado abaixo de 705°C. Depende também

do teor de umidade na atmosfera, do tempo que a carga permanece na temperatura de

tratamento e, obviamente, do teor de carbono existente no aço, considerando-se que para

teores muito baixos esse fenômeno torna-se menos provável.

Os fornos trabalham com até 90 toneladas de carga na forma de bobinas de aço

empilhadas e isoladas, com a atmosfera descrita acima. O gráfico da Figura 23 indica as

temperaturas e potência elétrica em função do tempo de recozimento subcrítico da carga. A

curva verde indica a pressão do recirculador da base. A curva vermelha indica a temperatura

em pontos quentes, ou seja, na parte superior do forno que concentra maior quantidade de

calor. A curva azul indica a temperatura da carga em pontos “frios”, ou seja, na parte inferior

do forno. A curva tracejada indica a temperatura efetiva do forno medida pelos termopares. É

necessário certo tempo até estabilizar a temperatura entre forno, pontos quentes e pontos frios,

para recozimento da carga na temperatura real do ciclo térmico. 2

2 Recirculador da base é um ventilador de alta potência e possui a função de recircular o(s) gás(es) da atmosfera

do forno, promovendo alta convecção de calor do diâmetro interno para o diâmetro externo das bobinas e

homogeneizando a temperatura no interior da campânula de proteção.

Page 37: Acesse o trabalho

37

Figura 23 - Forno a gás de alta convecção com atmosfera de 100% H2. O rendimento é aproximadamente 80%.

Fonte: Mangels Industrial S.A, 2011.

O resfriamento é realizado por meio de uma campânula de resfriamento rápido (à

água), conforme mostra a Figura 24, colocada sobre a campânula de proteção após completar

o encharque, o que reduz muito o tempo da carga no interior do forno, aumentando seu

rendimento.

Figura 24 - Campânula de resfriamento rápido, colocada sobre a campânula de proteção da carga.

Fonte: Autor

Page 38: Acesse o trabalho

38

3 MATERIAL E MÉTODOS

Partindo-se do material de bitola inicial 5 mm e largura de 65 mm, fornecido pela

empresa Mangels Industrial S.A unidade aços, 5 rolos de um aço ABNT 1006 foram

relaminados a frio no laminador 13 da empresa, mostrado na Figura 25, em diferentes graus

de encruamento e em cilindro 6C2 de acabamento fosco.

Figura 25 - Laminador 13 da Mangels, utilizado para relaminação do material em estudo.

Fonte: Autor

Cada metade de rolo passou por diferentes condições de encruamento, sendo estas na

faixa de 0 a 80% e passes de laminação de 1 a 8, respectivamente, como mostra a Tabela 4.

Tabela 4: Porcentagens de redução de espessura e plano de passes originados no processo de laminação.

ROLOS METADE %

REDUÇÃO ESPESSURA

INICIAL (mm) ESPESSURA FINAL (mm)

QUANTIDADE DE PASSES

R1 1 MP 5,00 5,00 0 2 5 5,00 4,75 1

R2 1 10 4,75 4,50 1 2 20 4,50 4,00 2

R3 1 30 4,00 3,50 3 2 40 3,50 3,00 4

R4 1 50 3,00 2,50 5 2 60 2,50 2,00 6

R5 1 70 2,00 1,50 7 2 80 1,50 1,00 8

Fonte: Autor

Page 39: Acesse o trabalho

39

Foram cortadas 5 amostras de 1 m da matéria prima (espessura de 5 mm) e 8 amostras

de 1 m de cada redução de espessura através da máquina de recorte RT 45 da empresa,

conforme esquematizado na Figura 26.

Figura 26 – Esquema de retirada da amostra. Fonte: Autor

Uma das amostras da matéria-prima foi separada para ensaio de composição química

do material em estudo, através do espectrômetro Spectromax de absorção atômica e emissão

óptica por fonte de arco elétrico, para determinação do teor dos seguintes elementos químicos:

C, Mn, S e Al. A Figura 27 mostra o equipamento utilizado para este ensaio.

Figura 27 - Espectrômetro Spectromax do Instituto de Pesquisas e Estudos Industriais (IPEI), utilizado para

análise de composição química do material em estudo. Fonte: Autor

Posteriormente montou-se 4 conjuntos iguais, contendo 1 amostra de cada

porcentagem de redução, que foram colocados na parte superior da pilha de bobinas, e cada

um deles foi submetido a diferentes condições de temperatura e tempo de tratamento térmico

de recozimento subcrítico. O forno utilizado na empresa Mangels Industrial S.A. está

1 m 65 mm

5 mm

Page 40: Acesse o trabalho

40

ilustrado na Figura 21. Os ciclos de recozimento utilizados, com temperaturas e tempos de

tratamento distintos estão mostrados na Tabela 5.

Tabela 5: Ciclos de recozimento utilizados na empresa Mangels para tratamento das amostras.

CLASSIFICAÇÃO DOS CICLOS TÉRMICOS DE RECOZIMENTO

SEM COALESCIMENTO

TEMPERATURA DO CICLO

(°C)

TEMPO DE ENCHARQUE

(h) F 630 6

G 650 8

H-I 670 8

J 700 9 Fonte: Autor

Para caracterização das propriedades mecânicas foram realizados ensaios de tração,

dureza Vickers e embutimento Erichsen.

Para os ensaios de tração, foram retiradas 3 amostras da matéria-prima e de cada

redução, após laminação e após cada um dos tratamentos térmicos, de dimensões 250 mm de

comprimento por 19 mm de largura. Os corpos de provas foram usinados conforme a

Figura 28, no Centro Universitário da FEI.

Figura 28 - Esquema e dimensões do corpo de prova usinado para ensaio de tração.

Fonte: Vitor Corassini, 2012.

O ensaio de tração foi realizado no Centro Universitário da FEI, com intuito de obter

as propriedades mecânicas principais do material em estudo, como limite de resistência a

tração, limite de escoamento e ductilidade (alongamento total), através do equipamento

Material Test System - MTS mostrado na Figura 29, conforme a norma ABNT NBR 6673 [4].

Page 41: Acesse o trabalho

41

Figura 29 – Equipamento MTS do Centro Universitário da FEI, utilizado para os ensaios de tração do material

em estudo. Fonte: Autor

Para os ensaios de dureza Vickers com carga de 5 kgf foram retiradas pequenas

amostras da matéria-prima e de cada redução, após a laminação e após cada ciclo térmico. As

medições foram realizadas na empresa Mangels, através do durômetro Fsclerometer mostrado

na Figura 30, conforme a norma ABNT NBR NM 188-1/2 [5].

Figura 30 - Durômetro Fsclerometer da Mangels, utilizado para os ensaios de dureza Vickers com carga de 5

kgf. Fonte: Autor

Para os ensaios de embutimento Erichsen foram retirados corpos de prova com

dimensões de 450 mm de comprimento por 65 mm de largura, da matéria-prima e de cada

Page 42: Acesse o trabalho

42

redução após cada ciclo térmico, para 3 estampagens cada, realizados através do equipamento

mostrado na Figura 31, disponível no Centro Universitário da FEI. O ensaio de embutimento

Erichsen é realizado conforme a norma ABNT NBR 5902 [6], com o intuito de verificar a

profundidade com que um punção penetra na chapa metálica com velocidade constante e

carga crescente, obtendo resultados que indicam as condições de estampabilidade do material.

Figura 31 - Equipamento do Centro Universitário da FEI utilizado para os ensaios de embutimento Erichsen do

material em estudo. Fonte: Autor

Para caracterização metalográfica, realizada no Centro Universitário da FEI, cortou-se

pequenas amostras na direção longitudinal através da cut-off, da matéria-prima e de cada

redução (após a laminação e após os ciclos térmicos), as quais foram embutidas em baquelite

através do equipamento mostrado na Figura 32.

Page 43: Acesse o trabalho

43

Figura 32 – Equipamento Allied Techpress 2 utilizado para embutimento em baquelite, dos corpos de prova

utilizados para metalografia. Fonte: Autor

As amostras embutidas foram lixadas com as lixas #220, #320, #400 e #600 e panos

de polimento com abrasivo de diamante de 6µm, 3µm e 1µm através do equipamento Struers

Abramin, mostrado na Figura 33.

Figura 33 - Equipamento Struers Abramin do Centro Universitário da FEI, utilizado para preparação

metalográfica das amostras. Fonte: Autor.

Foram posteriormente atacadas quimicamente com Nital 2% (98% de álcool etílico

absoluto e 2% de ácido nítrico). As microestruturas foram obtidas através microscópio óptico

Olympus, conforme mostra a Figura 34, com aumento de 100, 200 e 500X.

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44

Figura 34 - Microscópico óptico Olympus.

Fonte: Autor

Também foram realizadas medidas do tamanho de grão da matéria-prima inicial e de

cada redução para todas as amostras recozidas, através do programa Analysis, usando-se o

método do intercepto médio de grãos. As medidas foram obtidas conforme a norma ASTM

E112, e posteriormente convertidas para diâmetro médio planar, em micrometros, com

objetivo de melhor conhecimento da ordem de grandeza.

4 RESULTADOS EXPERIMENTAIS E DISCUSSÃO

Page 45: Acesse o trabalho

45

A composição química obtida para o aço ABNT 1006 em estudo é mostrada na Tabela

6 abaixo.

Tabela 6 - Composição química real da matéria-prima proveniente de usina.

Número

ABNT

Composição química (% peso)

Elementos Principais Elementos Residuais

C Mn S Al Cr Ni Cu Mo

1006 0,044 0,27 0,013 0,058 0,016 0,039 0,036 0,004

Fonte: Instituto de Pesquisas e Estudos Industriais (IPEI), 2012. Nota: Dados trabalhados pelo autor.

Ao comparar as porcentagens dos elementos químicos, obtidos através da análise

química, com os valores especificados na Tabela 1 pela norma ABNT NBR 5007 para esse

aço, observa-se que o carbono presente no aço está praticamente na mínima concentração,

contribuindo para diminuição do limite de resistência mecânica, aumento de tenacidade e

consequentemente maior formabilidade para este aço. Os demais elementos de liga, principais

e residuais estão dentro da faixa especificada para esse aço e somados, não ultrapassam o teor

máximo de 1%, contribuindo para melhor formabilidade na estampagem. Quanto ao enxofre,

abaixo do teor máximo de 0,035%, contribui para que o material apresente baixa

probabilidade de formação de sulfetos, prejudiciais às propriedades mecânicas e responsáveis

pela nucleação de trincas. O alumínio, em adições como a obtida neste aço, atua como

controlador do crescimento de grãos e auxilia no desenvolvimento do arranjo preferencial

destes.

Ao comparar os teores dos elementos com as especificações de composição química,

típicas para estampagem, conforme a Tabela 2, observa-se que os teores de carbono e enxofre

estão praticamente dentro dos valores especificados e, portanto propício para ser submetido a

um processo de estampagem extra-profunda. Porém, o teor de manganês está um pouco acima

do especificado, contribuindo para o aumento da dureza e resistência mecânica ao se dissolver

na ferrita, assim como o alumínio, que também a endurece consideravelmente.

A Figura 35 mostra a microestrutura original da matéria-prima proveniente da usina.

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46

Figura 35 - Microestrutura do aço ABNT 1006 com Al sem Si, proveniente da usina. Nital 2%, 500X.

Fonte: Autor

A microestrutura da matéria-prima apresenta grãos finos de ferrita com pouca perlita

presente preferencialmente em contorno de grão. Para conhecer o tamanho dos grãos de

ferrita deste aço, com a estrutura original proveniente de usina, foi obtida a distribuição de

tamanhos conforme mostra a Figura 36.

Figura 36 - Distribuição de tamanhos de grão da matéria-prima proveniente da usina.

Fonte: Autor

O gráfico acima mostra que o tamanho de grão médio é de aproximadamente 7,5

ASTM, que resulta num diâmetro médio planar de aproximadamente 21 µm, conferindo ao

Page 47: Acesse o trabalho

47

material original boas condições para o processamento de laminação a frio e recozimento

posterior, pois apresenta boa relação entre formabilidade e aparência de superfície de partida.

A Figura 37 mostra a comprovação das afirmações citadas acima, através do embutimento

Erichsen obtido para a amostra da matéria-prima.

Figura 37 - Embutimento Erichsen da amostra referente ao material original proveniente da usina.

Fonte: Autor.

Após etapas de decapagem química e relaminação a frio da matéria-prima, foram

obtidas as microestruturas das amostras laminadas na direção longitudinal, na sequência de

cada porcentagem de redução de espessura, desde 5% até 80%, conforme mostra a Figura 39,

a título de comparação entre as estruturas, à medida que se reduz a espessura.

5% ENCRUAMENTO 10% ENCRUAMENTO Figura 38 - Micrografias após laminação, desde 5% até 80%, mostrando a comparação de microestruturas e

formatos de grão. Nital 2%, 200X. Fonte: Autor

Page 48: Acesse o trabalho

48

20% ENCRUAMENTO 30% ENCRUAMENTO

40% ENCRUAMENTO 50% ENCRUAMENTO

60% ENCRUAMENTO 70% ENCRUAMENTO

Figura 39 - Continuação

Page 49: Acesse o trabalho

49

80% ENCRUAMENTO

Figura 39 – Continuação

Na medida em que o encruamento aumenta, observa-se o aumento da deformação dos

grãos de ferrita na direção principal de laminação (longitudinal), assim como também ocorre

o direcionamento e alinhamento da cementita e perlita presentes preferencialmente em

contorno de grão. Este comportamento é mais bem evidenciado nas microestruturas a partir de

30 e 40% de redução da espessura inicial, sendo a partir de 50%, reduções mais severas e

deformações mais significativas.

A partir das amostras com 20% até aproximadamente 50% de redução, observam-se

grãos com intensidades de deformações distintas, devido à distribuição de tamanho de grão,

sendo que quanto menor o tamanho deste, maior será sua deformação. Para deformações mais

severas, de 60 a 80% de encruamento, praticamente todos os grãos se deformam e essa

diferença não é observada.

Quanto maior a redução direta da espessura por laminação a frio, maior é a densidade

e consequente intercepto de linhas de discordâncias no reticulado cristalino, maior a formação

de bandas de deformação que causam fragmentação do grão e maior a energia armazenada em

contorno de grão, resultando em maior quantidade de núcleos para recristalização. Com isso,

ocorre aumento progressivo da dureza, limite de resistência e limite de escoamento, e

diminuição do alongamento, como pode ser evidenciada através das Figuras 40, 41, 42 e 43,

respectivamente.

Page 50: Acesse o trabalho

50

Figura 39 – Gráfico do comportamento da dureza do material em função da porcentagem de redução de área,

anterior ao processo de recozimento. Fonte: Autor

Figura 40 – Gráfico do comportamento do limite de escoamento do material em função do porcentagem de

redução de área, anterior ao processo de recozimento. Fonte: Autor

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51

Figura 41 – Gráfico do comportamento do limite de resistência do material em função da porcentagem de

redução de área, anterior ao processo de recozimento. Fonte: Autor

Figura 42 – Gráfico do comportamento do alongamento do material em função da porcentagem de redução de

área, anterior ao processo de recozimento. Fonte: Autor

Ao analisar os gráficos apresentados acima, observa-se que a dureza varia de

aproximadamente 140 HV5, valor original da matéria-prima de partida com espessura de

Al = 59,615(%Enc)2 - 74,806x(%Enc) + 27,301

R² = 0,9278

0

5

10

15

20

25

30

35

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80%

Alo

ng

am

en

to A

50

(%

)

% Redução de área

Amostras laminadas -Alongamento 50 mm x % Encruamento

Page 52: Acesse o trabalho

52

5mm, até aproximadamente 220 HV5, valor de dureza encontrado para a amostra com 80% de

redução na espessura. Quanto ao limite de escoamento, varia de aproximadamente 300 MPa,

valor original da matéria-prima, até aproximadamente 700MPa, valor encontrado para a

amostra com 80% de redução na espessura. Quanto ao limite de resistência, varia de

aproximadamente 360 MPa, valor original da matéria-prima, até aproximadamente 725MPa,

valor encontrado para a amostra com 80% de redução de espessura. Quanto ao alongamento,

varia de aproximadamente 33%, valor original da matéria-prima, até aproximadamente 4%,

valor encontrado para a amostra com 80% de redução na espessura.

Os gráficos de dureza, limite de escoamento e limite de resistência mostram um

aumento progressivo destas propriedades mecânicas em função do aumento do encruamento,

mais significativo nos primeiros 10% de redução. Já o gráfico de alongamento em função do

grau de encruamento, que representa a ductilidade do material, mostra a diminuição

progressiva desta propriedade mecânica, mais acentuada nos primeiros 10% de redução.

Após etapas de relaminação a frio e tratamentos térmicos de recozimento subcrítico,

em 4 diferentes condições de tempo e temperatura, foram obtidas as respectivas

microestruturas, conforme mostra a Figura 43.

CICLO F CICLO G CICLO H-I CICLO J

5%

10%

0

20%

Figura 43 - Microestruturas obtidas de 4 condições de tempo e temperatura distintos, em função do grau de

encruamento anterior ao recozimento. Nital 2%, 200X. Fonte: Autor

Page 53: Acesse o trabalho

53

30%

40%

50%

60%

70%

80%

Figura 44 - Continuação

Page 54: Acesse o trabalho

54

Para relacionar as microestruturas, mostradas acima, com seus respectivos tamanhos

de grão após diferentes ciclos de recozimento, foram obtidos os gráficos que relacionam o

diâmetro médio de grão planar com o grau de encruamento para cada um, conforme mostram

as 45 a 48.

Figura 44 – Gráfico do diâmetro médio planar dos grãos em função do grau de encruamento, após recozimento a

630 °C durante 6 horas de encharque. Fonte: Autor

Figura 45 - Gráfico do diâmetro médio planar dos grãos em função do grau de encruamento, após recozimento a

650 °C durante 8 horas de encharque. Fonte: Autor

Page 55: Acesse o trabalho

55

Figura 46 - Gráfico do diâmetro médio planar dos grãos em função do grau de encruamento, após recozimento a

670 °C durante 8 horas de encharque. Fonte: Autor

Figura 47 - Gráfico do diâmetro médio planar dos grãos em função do grau de encruamento, após recozimento a

700 °C durante 9 horas de encharque. Fonte: Autor

As amostras laminadas com 5% de encruamento (baixa deformação) e recozidas em

diferentes condições de tempo e temperatura apresentaram somente recuperação com

Page 56: Acesse o trabalho

56

diminuição da densidade de discordâncias, por conta destas amostras não apresentarem

potencial termodinâmico suficiente para a recristalização, mantendo a textura e o tamanho de

grão após recozimento praticamente igual à microestrutura original da matéria-prima

proveniente de usina, também com diâmetro médio planar de aproximadamente 22 µm.

Um fenômeno interessante de crescimento anormal de grão ocorreu somente próximo

da superfície, sendo evidenciado nas amostras laminadas com 10% de encruamento e

recozidas através dos ciclos G, H-I e J, como podem ser observados na Figura 48. Esse

fenômeno justifica o enorme desvio padrão evidenciado nos gráficos de tamanho de grão

acima, medidos para esse encruamento.

10 %

CICLO G CICLO H-I CICLO J

Figura 48 - Microestruturas das superfícies das amostras laminadas com 10% de encruamento e recozidas através dos ciclos G, H-I e J, respectivamente. Nital 2%, 100X.

Fonte: Autor.

Observa-se, através das micrografias mostradas na Figura 48 que, quanto maior a

temperatura e tempo de recozimento do ciclo pelo qual a amostra foi submetida, maior o

crescimento e consequentemente o tamanho do grão.

Observa-se também, através da Figura 38, que a microestrutura com 10% de

encruamento apresenta heterogeneidades de deformação entre a superfície (parte superior da

micrografia) e o núcleo (parte inferior), o que justifica o crescimento anormal de grão

evidenciado nas micrografias acima. A amostra com 10% de encruamento recozida através do

ciclo F de recozimento, a 630°C durante 6 horas não apresentou crescimento anormal de grão.

A amostra com 10% de encruamento recozida através do ciclo G de recozimento, a 650°C

durante 8 horas, apresentou grãos grosseiros na superfície, misturados com grãos finos. Já a

amostra com 10% de encruamento recozida através do ciclo H-I de recozimento, a 670°C

durante 8 horas, apresentou uma fina camada de grãos finos na superfície intercalada com

Page 57: Acesse o trabalho

57

grãos grosseiros logo abaixo, também misturados com grãos finos. A última amostra,

laminada com 10% de encruamento e recozida com o maior tempo e maior temperatura

através do ciclo J de recozimento, a 700°C durante 9 horas, apresentou maior crescimento

anormal de grão na superfície e em maior profundidade.

As amostras com 20% de encruamento, independente do ciclo de recozimento pelo

qual foram submetidas, apresentaram aumento no tamanho de grão muito intenso de

aproximadamente 30 µm, com relação à amostra anterior laminada com 10% de encruamento

para o mesmo ciclo. Isso ocorreu por conta do grau de deformação já ser suficiente para gerar

potencial termodinâmico necessário para a nucleação de novos grãos, porém a baixa

quantidade de defeitos cristalinos (baixa deformação) gerou poucos núcleos, possuindo maior

espaço para crescerem durante o recozimento.

O mesmo processo de recristalização ocorreu para as amostras laminadas com 30 a

60% de encruamento, porém quanto maior o grau de encruamento, maior é a introdução de

defeitos cristalinos na estrutura do metal e, portanto, maior é a quantidade de núcleos para

recristalização gerados durante o recozimento, com menor espaço para o crescimento destes.

Isso explica a diminuição do tamanho de grão com o aumento do grau de encruamento a partir

de 20%, evidenciada através dos gráficos das figuras 45 a 48.

Por fim, as amostras laminadas com 70 e 80% de encruamento também apresentaram

recuperação e recristalização total, porém com uma quantidade ainda maior de defeitos

gerados durante o processo de deformação, que levou a um maior número de núcleos,

resultando na diminuição do espaço para crescimento individual de cada núcleo durante o

recozimento. Observa-se nessas amostras, uma textura preferencial dos grãos com a direção

principal de laminação a frio anterior ao recozimento e mantiveram tamanho de grão muito

semelhante ao da microestrutura original da matéria-prima de aproximadamente 20 µm, como

pode ser observado através dos gráficos das figuras 45 a 48.

Os ensaios de embutimento Erichsen foram realizados com intuito de verificar a

profundidade de estampagem, para cada condição de encruamento e ciclo de recozimento, e

aparência de superfície após a estampagem. As Figuras 50 a 53 mostram a profundidade de

estampagem para todos os graus de encruamento e ciclos F, G, H-I e J, respectivamente, e

também as equações que regem esse comportamento, para determinar o grau de encruamento

para um valor de embutimento específico, em função do ciclo de recozimento.

Page 58: Acesse o trabalho

58

Figura 49 - Gráfico da profundidade de estampagem em função do encruamento, para as amostras recozidas a

630 °C durante 6 horas de encharque (ciclo F). Fonte: Autor.

Figura 50 - Gráfico da profundidade de estampagem em função do encruamento, para as amostras recozidas a

650 °C durante 8 horas de encharque (ciclo G). Fonte: Autor

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59

Figura 51 - Gráfico da profundidade de estampagem em função do encruamento, para as amostras recozidas a

670 °C durante 8 horas de encharque (ciclo H-I). Fonte: Autor

Figura 52 - Gráfico da profundidade de estampagem em função do encruamento, para as amostras recozidas a

700 °C durante 9 horas de encharque (ciclo J). Fonte: Autor

Page 60: Acesse o trabalho

60

Ao comparar os gráficos das figuras 50 a 53, observa-se que não houve mudança

significativa na profundidade de estampagem em função da mesma espessura, ao variar o

tempo e temperatura dos tratamentos térmicos de recozimento subcrítico das amostras

encruadas. Partindo-se de uma espessura de 4,5 até 3,5 mm, obtêm-se aproximadamente 19

mm de profundidade na estampagem, para qualquer que seja o ciclo de recozimento

submetido ao material. O gráfico da Figura 53 mostra a sobreposição das curvas de

embutimento Erichsen em função da espessura, para todos os ciclos térmicos estudados.

Figura 53 – Profundidade de estampagem em função da espessura, para todos os ciclos de recozimento.

Fonte: Autor

As maiores profundidades de estampagem evidenciadas foram das amostras com 5%

de encruamento, chegando a aproximadamente 19,5 mm e após 50%, observa-se uma queda

abrupta de aproximadamente 17 mm para 12 mm de profundidade, chegando a

aproximadamente 10 mm com 80% de encruamento. Isso ocorre por conta das amostras com

maior deformação apresentarem menor espessura, ou seja, menor quantidade de material por

unidade de volume, atingindo, portanto, menor profundidade durante a deformação na

estampagem.

Para verificar o aspecto visual da superfície após embutimento Erichsen, foram obtidas

as fotografias da superfície estampada, para cada grau de encruamento, dos 4 ciclos de

recozimento estudados, conforme mostra a Figura 54.

Page 61: Acesse o trabalho

61

Figura 54 - Fotografias da superfície estampada, mostrando a aparência superficial das amostras estudadas. As fotografias com bordas vermelhas correspondem às condições que apresentaram “casca de laranja” acentuada.

Fonte: Autor

CICLO F CICLO G CICLO H-I CICLO J

5%

10%

20%

30%

40%

50%

Page 62: Acesse o trabalho

62

CICLO F CICLO G CICLO H-I CICLO J

60%

70%

80%

Figura 55 - Continuação

De acordo com as fotografias mostradas acima, as amostras com 10% de encruamento,

para os ciclos H-I e J, apresentaram o fenômeno de “casca de laranja” mais acentuada na

amostra que passou pelo ciclo de recozimento J, de maior tempo e temperatura, comparando-

as com as demais. Isso ocorre devido à presença de grãos enormes na superfície, conforme

mostrou a Figura 48. A amostra com 10% de encruamento e ciclo de recozimento F não

apresentou grãos enormes na superfície, em função da menor temperatura e tempo de

tratamento térmico, o que proporcionou uma superfície estampada com ausência de “casca de

laranja”.

Outras amostras, laminadas com 20, 30 e 40% de encruamento, para todos os ciclos de

recozimento, principalmente o G, H-I e J, também apresentaram superfície “casca de laranja”,

que ocorre a partir de um tamanho de grão crítico de aproximadamente 35 µm, menos

acentuado que as amostras com 10% de encruamento, como pode ser verificado nas

respectivas microestruturas da Figura 38.

As demais amostras, laminadas de 50 a 80% de encruamento para todos os ciclos de

recozimento, não apresentaram “casca de laranja” de forma expressiva, e estas tem todas

tamanho de grão inferior a 35 µm.

Page 63: Acesse o trabalho

63

A Figura 55 mostra uma superfície que relaciona o diâmetro médio de grão planar para

todas as condições de encruamento e ciclos de recozimento estudados, com objetivo de

visualizar de maneira geral como varia o tamanho de grão.

Figura 55 - Superfície que relaciona o tamanho de grão em função do grau de encruamento e ciclo de

recozimento subcrítico. Fonte: Autor

Da superfície acima, observa-se que as amostras com 5% de encruamento

apresentaram grãos com diâmetro médio de 20 a 30 µm, assim como as amostras com 70%,

para todos os ciclos de recozimento estudados. As amostras com 20% de encruamento

apresentaram os maiores valores de diâmetro médio dos grãos, em função do excessivo

crescimento de grão, de 40 a 50 µm para o ciclo F e de 50-60 µm para os ciclos G e H-I e de

60-70 µm para o ciclo J, motivos pelos quais essas amostras apresentaram certo grau de

“casca de laranja”, mostrado na Figura 54. As amostras com 30% de encruamento, que

mostraram crescimento de grão apresentaram variação de 30 a 50 µm. O mesmo ocorreu para

as amostras com 40% de encruamento, com variação de 30 a 40 µm. Por fim, as amostras com

80% de encruamento apresentaram os menores valores de diâmetro médio dos grãos, com

variação de 18 a 21 µm.

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De um modo geral, as amostras do ciclo J foram as que apresentaram maiores

diâmetros médio de grãos, chegando a valores de até 70 µm para 20% de encruamento.

Através da superfície da Figura 55, pode-se afirmar que as condições de encruamento

e ciclo de recozimento que apresentam boa relação com o tamanho de grão obtido, ou seja,

diâmetro médio planar até no máximo 35 µm, são as amostras laminadas com 5% de

encruamento, para todos os ciclos de recozimento, as amostras laminadas com 40% para os

ciclos H-I e J e as amostras laminadas de 45 a 80% de encruamento, para todos os ciclos de

recozimento estudados.

Uma relação relevante para a análise das propriedades mecânicas em função do

tamanho de grão é a obtenção de gráficos que permitem exibir a equação de Hall-Petch para

esse aço, envolvendo todas as condições de encruamento e recozimento estudadas. As Figuras

57 a 60 mostram gráficos de limite de escoamento, limite de resistência, dureza e

alongamento, respectivamente, em função do tamanho de grão obtido, assim como as

respectivas equações de Hall-Petch.

Figura 56 - Gráfico que relaciona o limite de escoamento com o tamanho de grão, para todas as condições de

recozimento e encruamento estudadas, com a respectiva equação de Hall-Petch obtida. Fonte: Autor

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Figura 57 - Gráfico que relaciona o limite de resistência com o tamanho de grão, para todas as condições de

encruamento e recozimento estudadas, com a respectiva equação de Hall-Petch obtida. Fonte: Autor

Figura 58 - Gráfico que relaciona a dureza com o tamanho de grão, para todas as condições de encruamento e

recozimento estudadas, com a respectiva equação de Hall-Petch obtida. Fonte: Autor

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Figura 59 - Gráfico do alongamento em 50 mm em função do inverso da raiz quadrada do diâmetro médio dos

grãos posterior ao recozimento, para todas as condições estudadas, com a respectiva equação de Hall-Petch obtida.

Fonte: Autor

Observa-se que o limite de escoamento, limite de resistência e dureza do material são

inversamente proporcionais à raiz quadrada do diâmetro médio de grão, ou seja, quanto menor

o tamanho de grão obtido, maior serão os valores de limite de escoamento, limite de

resistência e dureza, sendo consequentemente menor o alongamento alcançado, como pode

ser observado nos gráficos mostrados acima. Porém, é necessário ressaltar que os valores de

R2 obtidos são baixos (menores do que 1) e portanto, as retas das propriedades mecânicas

obtidas acima não são bem representadas pelas respectivas equações.

Para análise das propriedades mecânicas finais, após recozimento das amostras, foram

obtidos gráficos do limite de escoamento, limite de resistência, dureza e alongamento em

função do grau de encruamento, respectivamente, para cada ciclo de recozimento estudado,

que serão mostrados e discutidos abaixo.

A Figura 60 mostra o gráfico de limite de escoamento em função do encruamento, de

modo comparativo para os ciclos de recozimento F, G, H-I e J.

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Figura 60 – Gráfico do limite de escoamento em função do encruamento, para todas as amostras recozidas

através dos ciclos F, G, H-I e J. Fonte: Autor

Pode-se observar que de um modo geral, para todas as condições de encruamento, as

amostras recozidas a 630°C durante 6 horas (ciclo F) apresentaram maiores valores de limites

de escoamento, por conta da menor temperatura e consequentemente menor tamanho de grão,

quando comparado com os demais ciclos térmicos. O mesmo não ocorreu com as amostras

laminadas a partir de 30% e posteriormente recozidas a 650°C durante 8 horas (ciclo G), as

quais apresentaram limites de escoamento inferiores às amostras recozidas a 670°C durante 8

horas (ciclo H-I), por conta de menores tamanhos de grãos destas. De um modo geral, os

menores valores de limite de escoamento foram evidenciados em todas as amostras recozidas

a 700°C durante 9 horas (ciclo J), por conta dos maiores tamanhos de grão.

A Figura 61 mostra o gráfico de limite de resistência em função do encruamento, de

modo comparativo para os ciclos de recozimento F, G, H-I e J.

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Figura 61 - Gráfico do limite de resistência em função do encruamento, para todas as amostras recozidas através

dos ciclos F, G, H-I e J. Fonte: Autor

Os mesmos comentários feitos para a Figura 60 podem ser feitos para o gráfico acima,

sendo que quanto maior o encruamento prévio ao recozimento maior o limite de resistência.

Vale chamar atenção para a amostra com 60% de encruamento e recozida através do ciclo H-

I, que apresentou os maiores valores de limite de escoamento e resistência, em função do

menor tamanho de grão, de aproximadamente 21 µm.

A Figura 62 mostra o gráfico de dureza em função do encruamento, de modo

comparativo para os ciclos de recozimento F, G, H-I e J.

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Figura 62 - Gráfico da dureza em função do encruamento, para todas as amostras recozidas através dos ciclos F,

G, H-I e J. Fonte: Autor

Pode-se observar que os menores valores de dureza foram encontrados nas amostras

com 20 e 30% de encruamento, que representas os maiores tamanhos de grão, e os maiores

foram encontrados para as amostras laminadas com 80% de encruamento e posteriormente

recozidas através do ciclo F de recozimento.

A Figura 63 mostra o gráfico de alongamento em função do encruamento, de modo

comparativo para os ciclos de recozimento F, G, H-I e J.

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Figura 63 - Gráfico do alongamento em função do encruamento, para todas as amostras recozidas através dos

ciclos F, G, H-I e J. Fonte: Autor

Pode-se observar que de um modo geral, todas as amostras laminadas de 20 a 70% de

encruamento e posteriormente recozidas nos respectivos ciclos térmicos apresentaram maiores

valores de alongamento, quando comparado com as demais amostras laminadas com 5, 10 e

70% de encruamento.

Vale ressaltar que as amostras recozidas a 700°C durante 9 horas (ciclo J)

apresentaram os maiores alongamentos em função de maiores tamanhos de grão comparados

aos demais ciclos, chegando a aproximadamente 53% para as amostras de 20 a 70%, apesar

da diferença de tamanho de grão existente entre elas.

Já as amostras com 80% de encruamento apresentaram uma queda de alongamento,

por conta da textura mais intensa de grãos recuperados, como pode ser observado na Figura

44.

As Figuras 65 a 68 mostram superfícies que relacionam o limite de escoamento, limite

de resistência, dureza e alongamento para todas as condições de encruamento e ciclos de

recozimento estudados, com objetivo de visualizar de maneira geral como variam essas

propriedades mecânicas.

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Figura 64 - Superfície que relaciona o limite de escoamento em função do grau de encruamento e ciclo de

recozimento subcrítico. Fonte: Autor

Figura 65 - Superfície que relaciona o limite de resistência em função do grau de encruamento e ciclo de

recozimento subcrítico. Fonte: Autor

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Figura 66 - Superfície que relaciona a dureza em função do grau de encruamento e ciclo de recozimento

subcrítico. Fonte: Autor

Figura 67 - Superfície que relaciona o alongamento em função do grau de encruamento e ciclo de recozimento

subcrítico. Fonte: Autor

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5 CONCLUSÕES

Do presente trabalho, pode-se concluir que:

� Os limites de escoamento e resistência, dureza, o alongamento total em 50 mm

e o embutimento Erichsen são dependentes do diâmetro médio de grão planar do aço

ABNT 1006 com alumínio sem silício, conforme equações de Hall-Petch obtidas.

� Partindo-se da matéria prima do aço ABNT 1006 com alumínio sem silício,

com espessura inicial de 5 mm, limite de escoamento de aproximadamente 306 MPa,

limite de resistência de aproximadamente 365 MPa e alongamento total em 50 mm

de aproximadamente 32,5%, laminando-se a frio de 30 a 70% de encruamento e

posteriormente recozendo-o de preferência a 700°C durante 9 horas (ciclo F), obtêm-

se os maiores valores de alongamento de aproximadamente 53%.

� Todas as amostras laminadas a frio com alto grau de encruamento de 50 a 80%,

não apresentam superfície “casca de laranja” de forma expressiva na superfície das

chapas, após estampagem.

� A profundidade de estampagem varia apenas com a espessura da chapa, não

havendo influência do ciclo de recozimento pelo qual as amostras encruadas foram

submetidas.

� As amostras laminadas com 10% de encruamento e recozidas através dos

ciclos G, H-I e J apresentam crescimento anormal de grão, com formação de grãos

enormes na superfície do material.

� A textura de recozimento ou de recristalização depende fortemente do grau de

redução a frio que precede o recozimento.

� É possível a obtenção de superfícies de tamanhos de grão e das propriedades

mecânicas de limite de escoamento, limite de resistência, dureza e alongamento em

função do grau de encruamento e ciclos térmicos de recozimento, como

representação da janela de processamento para o aço ABNT 1006.

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REFERÊNCIAS

AARONSON, Hubert. ASM Handbook: Metallography And Microstructures. Vol. 4, 10 ed. USA: Copyright, 1992.

AGGEN, G. et al.ASM Handbook: Properties and Selection: Irons Steels and High

Performance Alloys. Vol. 1, 10 ed. USA: Copyright, 1993. ARAI, Tohru et al.ASM Handbook: Heat Treating. Vol. 4, 10 ed. USA: Copyright,

1991. ANDRESEN, Peter, et al. ASM Handook: Material Selection and Design. Vol.20, 10

ed. USA: Copyright, 1997. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6673: Produtos

planos de aço – determinação das propriedades mecânicas a tração. Rio de Janeiro, 1981. 22 p.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR NM 188-1/2:

Materiais metálicos – Dureza Vickers. Rio de Janeiro, 1999. 8 p. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5902: Determinação

do índice de embutimento em chapas de aço pelo método Erichsen modificado. Rio de Janeiro, 1980. 7 p.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5007: Tiras

relaminadas de aço de baixo teor de carbono para estampagem. Rio de Janeiro, 2008. 15 p. CALLISTER, William D. Ciência e engenharia de materiais. Uma introdução. 7 ed.

Rio de Janeiro: LTC, 2008. cap. 11, p. 260. CHIAVERINI, Vicente. Aços e ferros fundidos. 6 ed. São Paulo: Associação

Brasileira de Metais, 1990. DIETER, George Ellwood. Metalurgia Mecânica. 2 ed. Rio de Janeiro: Guanabara

Koogan S.A., 1981. FILHO, Antenor Ferreira et al. Controle da microestrutura e da textura de chapas de

aço baixo carbono para estampagem. In: TSCHIPTSCHIN, A. P. et al. Textura e relações de orientação. Deformação plástica, recristalização e crescimento de grão. São Paulo: EPUSP, 2001. p. 189-203.

INOKUTI, Y.; DOHERTY, R. D. Trasmission Kossel study of the structure of

compressed iron and its recrystallization behavior. Acta Metallurgica, vol. 26, p. 61-80, 1978.

Page 75: Acesse o trabalho

75

PADILHA, A. F. et al. Encruamento, recristalização, crescimento de grão e textura. São Paulo: Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais, 1996.

SILVA, André V. da Costa; MEI, Paulo Roberto. Aços e ligas especiais. 3 ed. São Paulo: Edgard Blücher LTDA, 2010.

LAVIGNE, J. J. et al.: In Procedures 6th International Conference on “Textures of

Materials”, vol. 2, p. 749, Tokyo, Japan, 1981. Y. HINOJOSA, M.; ORTIZ, U. & COLÁS, Static recrystallization of low carbon

steels. Materials Science Forum, Vols. 113-115, p. 470.