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ESTUDO TRAA RELAES ENTRE MICROESTRUTURA E

PROPRIEDADES MECNICAS EM AOS ESTRUTURAIS

Antonio Augusto Gorni

Analista de Processos da Gerncia de Suporte Tcnico da Laminao a Quente da

Companhia Siderrgica Paulista COSIPA

Editor Tcnico das Revistas Corte e Conformao de Metais e Plstico Industrial

Trabalho apresentado no 5 Congresso de Corte e Conformao de Metais,

Aranda Eventos, So Paulo, Outubro de 2009.

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RESUMO

H uma relao bastante significativa entre as microestruturas e propriedades mecnicas dos

aos, particularmente os do tipo estrutural. A compreenso e quantificao dos efeitos microes-

truturais sobre as propriedades mecnicas o caminho para o desenvolvimento de produtos cada

vez mais otimizados. Dessa forma pode-se atender de maneira cada vez mais econmica aos re-

quisitos cada vez mais severos impostos pelos seus usurios.

3

- INTRODUO

As enormes presses econmicas, ambientais e polticas que caracterizam o mundo mo-

derno refletem-se na rea dos materiais numa busca constante por alternativas que ofeream bai-

xo custo, boas propriedades de engenharia, construo leve e fcil manufatura. Portanto, no

toa que nas ltimas dcadas verificou-se uma progressiva aplicao de conceitos metalrgicos na

concepo e processamento das ligas metlicas no sentido de se otimizar esses materiais e garan-

tir sua posio privilegiada como materiais de engenharia, em especial na indstria automobils-

tica, cuja enorme escala garantia de alta lucratividade.

A otimizao de ligas metlicas particularmente aos, tema deste trabalho requer um conhecimento aprofundado sobre seus mecanismos microestruturais de endurecimento. O princ-

pio bsico por trs desses mecanismos consiste em dificultar ao mximo a mobilidade das dis-

cordncias presentes na estrutura cristalina do metal, j que so justamente esses defeitos que

fazem com que a resistncia mecnica dos materiais reais seja menos de 10% do valor que seria

teoricamente possvel.

A resistncia mecnica de um ao estrutural corresponde somatria das contribuies dos

diversos mecanismos de endurecimento atuantes em sua microestrutura. Os principais tipos so

[1]:

- Resistncia bsica dos tomos de ferro;

- Endurecimento por soluo slida proporcionado pelos elementos de liga solubilizados (C, N, P, Mn, Si, Cr, Mo, etc.);

- Endurecimento por refino do tamanho de gro;

- Endurecimento por precipitao de compostos intermetlicos;

- Endurecimento por segunda fase.

- Endurecimento por discordncias.

A contribuio desses mecanismos de endurecimento varia conforme o tipo de ao consi-

derado. Todos eles elevam as propriedades mecnicas determinadas sob condies estticas, ou

seja, as que so medidas sob baixas velocidades de deformao, como o caso dos limites de

escoamento e resistncia, levantados atravs de ensaios de trao. Infelizmente, a maioria dos

mecanismos de endurecimento tende a degradar as propriedades mecnicas determinadas sob

condies dinmicas, ou seja, as medidas sob altas velocidades de deformao, como a tenacida-

de ou capacidade que o material tem para resistir nucleao e avano de uma trinca por e-xemplo, a energia absorvida durante um ensaio de impacto Charpy ou a temperatura de transio

entre fratura dctil e frgil.

O endurecimento por soluo slida decorre da presena de tomos de elementos de liga

solubilizados no reticulado do elemento solvente no caso, o Fe. Com exceo do P, todos os demais provocam dilatao no reticulado. A intensidade de seu efeito no endurecimento funo

dos seguintes fatores:

- Diferena de tamanho entre os tomos de soluto e o de solvente;

- Perturbaes na estrutura eletrnica, que podem estar presentes em termos da diferena no mdulo de cisalhamento entre o soluto e solvente;

- Concentrao do soluto.

4

Do ponto de vista prtico o efeito do endurecimento por soluo slida diretamente pro-

porcional ao teor em peso do soluto. A tabela 1 mostra o efeito de endurecimento por soluo

slida de diversos elementos de liga comumente presentes no ao.

Elemento P Sn Cu Mo Cr Ni

Fator

[MPa/% peso] 680 124 39 12 0 -31

Tabela 1: Coeficientes de endurecimento por soluo slida para vrios elementos de liga nor-

malmente presentes nos aos [1].

O endurecimento por refino de tamanho de gro tg quantificado pela j consagrada equao de Hall-Petch, sendo proporcional ao inverso da raiz quadrada do dimetro mdio dos

gros:

d

ktgtg

onde kTG uma constante que depende da liga e d seu tamanho de gro.

Este o nico mecanismo de endurecimento que aumenta tanto a resistncia mecnica co-

mo a tenacidade dos metais. Por esse motivo o refino de gro geralmente o primeiro mecanis-

mo de endurecimento cogitado ao se definir processos metalrgicos de conformao e tratamen-

to trmico de aos estruturais.

O endurecimento por precipitao ppt muito comum nos aos microligados, em fun-o das partculas extremamente finas que se precipitam na ferrita durante o resfriamento lento

desses aos aps laminao a quente ou tratamento trmico. A intensidade desse endurecimento

depende das caractersticas das partculas precipitadas, tais como resistncia mecnica, estrutura,

espaamento, tamanho, formato e distribuio. Ele pode ser quantificado a partir do modelo de

Ashby-Orowan:

)4000ln(9,5

xx

X pppt

onde PPT o endurecimento por precipitao, Xp a frao de precipitados na microestrutura e x o dimetro mdio do intercepto planar dos precipitados. Esta frmula deixa claro que o

endurecimento por precipitao diretamente proporcional quantidade dos precipitados e in-

versamente proporcional ao seu dimetro. Sua aplicao prtica restrita, j que nos aos micro-

ligados os precipitados que aumentam a dureza somente podem ser detectados atravs de mi-

croscopia eletrnica de transmisso, cuja complexidade dificulta muito a obteno das grandes

massas de dados necessrias para o ajuste estatstico das equaes experimentais.

O endurecimento por segunda fase decorre da presena de mais de uma fase ou constituin-

te na microestrutura do ao como a perlita, por exemplo. No caso especfico de uma microes-trutura ferrtico-perltica a resistncia mecnica pode ser calculada em funo da lei de misturas:

ypfyffy XX )1(3/13/1

onde y o limite de escoamento do ao, Xf a frao de ferrita, yf o limite de escoamento da

ferrita e yp o limite de escoamento da perlita.

5

O endurecimento por discordncias disc ocorre, por exemplo, em aos microligados que contenham constituintes formados sob temperaturas relativamente baixas como, por exemplo,

ferrita acicular ou bainita. A ferrita acicular, ao contrrio da poligonal, contm discordncias em

sua estrutura que aumentam sua resistncia mecnica. O efeito de endurecimento diretamente

proporcional raiz quadrada da densidade de discordncias presente na microestrutura:

discdisc k

onde kdisc uma constante que depende da liga.

Eventualmente esse tipo de endurecimento pode ocorrer na prpria ferrita poligonal que o-

riginalmente est isenta de discordncias. Por exemplo, em determinados aos a transformao

da austenita d origem grandes fraes de ferrita poligonal formada sob temperaturas relativa-

mente altas. Contudo, a ferrita rejeitada durante essa transformao se concentra numa pequena

frao de austenita remanescente, que assim ganha temperabilidade e se estabiliza momentanea-

mente. Dessa forma ela s ir se transformar posteriormente, sob temperaturas relativamente

baixas, formando constituintes aciculares, como ferrita acicular, bainita ou mesmo martensita. O

volume desses constituintes significativamente maior em relao austenita que lhes deu ori-

gem. Isso gera tenses de compresso na matriz de ferrita poligonal j existente, deformando-a

localmente e gerando discordncias na mesma, as quais tambm exercem efeito endurecedor.

- RELAES QUANTITATIVAS ENTRE PROPRIEDADES MECNICAS, MICROES-

TRUTURA E COMPOSIO QUIMICA DOS AOS ESTRUTURAIS

Sero expostas a seguir diversas equaes disponveis na literatura que aplicaram os

princpios descritos acima para permitir o clculo de propriedades mecnicas em funo dos pa-

rmetros microestruturais e da composio qumica para vrios tipos de ao estrutural. Na maio-

ria dos casos so apresentadas equaes para clculo dos limites de escoamento e de resistncia;

equaes para clculo de parmetros ligados ductilidade e tenacidade so um pouco mais raras.

. Aos Doces ao C-Mn para Estampagem [2]

dNSiMnYS sol

4.172.3542.833.329.53

dPearlSiMnTS

7.785.22.837.271.294

dNSnPSiMnC

d

dsol

4.1515091435541161.23120370

solunif NSnSiMnC 2.1039.0044.025.020.028.0

dSnPSSiMnCtot

017.025.09.32.216.020.090.240.1

dPearlNSiITT sol

5.112.27004419%50

6

OMnNY sol 4621621925032.12

Notao:

YS: Limite de Escoamento a 0,2% de Deformao [MPa]

TS: Limite de Resistncia [MPa]

d/d: Coeficiente de Encruamento a 0,2% de Deformao [1/MPa]

unif: Alongamento Uniforme, Expresso como Deformao Real

tot: Alongamento Total, Expresso como Deformao Real Pearl: Frao de Perlita na Microestrutura [%]

50% ITT: Temperatura de Transio para 50% de Fratura Dctil [C]

Y: Envelhecimento Aps 10 Dias sob Temperatura Ambiente [MPa] d: Tamanho de Gro [mm]

Este conjunto de equaes foi desenvolvido por Pickering para aos destinados es-

tampagem profunda, com teor de C entre 0,08 e 0,12%. interessante notar que a equao para

clculo do limite de escoamento leva em conta o endurecimento por soluo slida dos elemen-

tos de liga; o efeito do N solvel expresso pela raiz quadrada de seu teor. A contribuio do

tamanho de gro includa atravs de um termo similar equao de Hall-Petch. J a equao

do limite de resistncia no leva em conta o efeito do N, mas inclui o da frao de perlita multi-

plicado por um fator constante. Em ambos os casos o efeito do Si foi superior ao do Mn. Os

mesmos efeitos foram includos no clculo do coeficiente de encruamento, levando em conta

maior nmero de elementos de liga, com destaque para o papel do N solvel e P.

Os elementos de liga tenderam a reduzir a ductilidade dos aos ao C-Mn, exceto o Mn,

Si e Sn no caso do alongamento total. O efeito do refino de gro sobre a ductilidade tambm foi

positivo para esse parmetro. J a tenacidade no favorecida pela presena de Si, N solvel e

perlita mas, como j era esperado, promovida pelo refino de gro.

. Aos ao C-Mn com Microestrutura Ferrtico-Perltica [3]

dNSnPSiMnPearlYS sol

9.1437541699231386.4415.4246

dNCrPSSiMnPearlTS sol

6.446616246723261627724638.3492

dNSnPSiPearl

d

dsol

4.15136915246211139.1385

solunif NSnSiMnPearl 0.1043.0040.0015.0016.027.0

dSnPSSiMnPearltot

015.029.04.44.320.030.0020.030,1

dMnPearlTtrans

2.6375.143

7

Notao:

. YS: Limite de Escoamento a 0,2% de Deformao [MPa]

. TS: Limite de Resistncia [MPa]

. d/d: Coeficiente de Encruamento a 0,2% de Deformao [1/MPa]

. unif: Alongamento Uniforme, Expresso como Deformao Real

. tot: Alongamento Total, Expresso como Deformao Real . Pearl: Frao de Perlita na Microestrutura [%]

. Ttrans: Temperatura de Transio Dctil-Frgil [C]

. d: Tamanho de Gro [mm]

Este conjunto de equaes, tambm de autoria de Pickering, foi desenvolvido para aos

estruturais com at 0,25% C, sendo bastante similares s deduzidas para o ao doce visto no t-

pico anterior. A nica discrepncia ficou por conta dos efeitos contraditrios da frao de perlita

sobre o limite de escoamento e o de resistncia.

. Aos Microligados [4]

pptsold

NSiMnYS 1.15

291883370

Notao:

YS: Limite de Escoamento a 0,2% de Deformao [MPa]

0: Tenso de Frico [MPa] d: Tamanho de Gro [mm]

ppt: Endurecimento por Precipitao para Aos com Nb, Ti e/ou V [MPa].

Este modelo, tambm proposto por Pickering, apresenta algumas diferenas em relao

aos dois j vistos anteriormente. Em primeiro lugar, ele inclui um termo de tenso de frico 0 que, na verdade, serve para incluir na equao o efeito do processamento do material, conforme

mostra a tabela II. Alm disso, a equao permite a incorporao da contribuio do endureci-

mento por soluo slida de outros elementos de liga dissolvidos na ferrita, cujos fatores de mul-

tiplicao encontram-se na tabela III. interessante notar que o Cr o nico elemento neste caso

que apresentou efeito negativo sob este aspecto.

Uma vez que se trata de ao microligado esta equao inclui a contribuio do endure-

cimento por precipitao interfsica na ferrita, ppt, similar ao modelo de Ashby-Orowan:

4105.2ln

9.5 x

x

fppt

Contudo, tendo-se em vista a difcil determinao quantitativa dos parmetros necess-

rios ao clculo da equao de Ashby-Orowan, Pickering props que o endurecimento por preci-

pitao fosse calculado atravs da simples multiplicao dos teores dos elementos de micro-liga

por fatores especficos B. A tabela IV mostra faixas sugeridas para esses fatores em funo do

precipitado envolvido. Por sinal, esta abordagem emprica bastante comum, ainda que restrinja

bastante a aplicabilidade do modelo matemtico, uma vez que geralmente ela determinada sob

condies muito especficas de processamento.

8

Condio 0 [MPa]

Mdia 70

Resfriado ao Ar 88

Super-Envelhecido 62

Tabela II: Valores de tenso de frico 0 para determinao do limite de escoamento para aos microligados [4].

Elemento Fator

[MPa/% peso]

Ni 33

Cr -30

P 680

Cu 38

Mo 11

Sn 120

C 5000

N 5000

Tabela III: Valores dos fatores de multiplicao para clculo do efeito de endurecimento por so-

luo slida de elementos solubilizados na ferrita para determinao da resistncia

mecnica de aos microligados [4].

Liga e

Precipitado

Bmn [MPa/% peso]

Bmx [MPa/% peso]

Faixa

[% peso]

V como V4C3 500 1000 0,00 ~ 0,15

V como VN 1500 3000 0,00 ~ 0,06

Nb como Nb(CN) 1500 3000 0,00 ~ 0,05

Ti como TiC 1500 3000 0,03 ~ 0,18

Tabela IV: Valores dos fatores de multiplicao B para clculo do efeito de endurecimento por

precipitao proporcionado por elementos de micro-liga [4].

. Aos Microligados [5]

pptsold

NCuPSiMnYS 7.19

0.32869.2120.7592.601.266.62

pptsold

NNiPSiMnCTS 0.11

4.33396.4729.6517.996.537.6349.164

197800700log57 solppt NVCR

Notao:

YS: Limite de Escoamento a 0,2% de Deformao [MPa]

9

TS: Limite de Resistncia [MPa]

d: Tamanho de Gro [mm]

ppt: Endurecimento por Precipitao para Aos ao V [MPa]. CR: Taxa de Resfriamento [C/s]

Este conjunto de equaes, proposto por Hodgson & Gibbs [5], especfico para aos

microligados ao V. O destaque aqui a equao emprica para clculo do endurecimento por

precipitao de VN, ppt, em funo no s dos teores de V e N, como tambm da velocidade de resfriamento do laminado aps a laminao a quente.

. Aos Bifsicos [6,7]

LYS

1855203

d

f

LTS 1741

1548266

d

f

Ld

d1722

1590386

Launif

16432

Notao:

LE: Limite de Escoamento a 0,2% de Deformao [MPa]

LR: Limite de Resistncia [MPa]

d/d: Coeficiente de Encruamento no Alongamento Uniforme [1/MPa] aunif: Alongamento Uniforme [%]

L: Caminho Livre Ferrtico Mdio [m]

f: Frao Volumtrica Mdia de Martensita [%]

d: Dimetro Mdio das Ilhas de Martensita [m]

Os aos bifsicos foram desenvolvidos a partir da dcada de 1970 com o objetivo de a-

liar alta resistncia mecnica com boa estampabilidade. Eles apresentam uma microestrutura

peculiar, constituda de uma matriz de 80 a 85% de ferrita poligonal macia mais 15 a 20% de

martensita dura. As tenses de compresso induzidas na matriz de ferrita pelas ilhas de martensi-

ta facilitam o fluxo do material durante a deformao plstica, reduzindo o valor do limite de

escoamento e eliminando o patamar. medida em que a deformao plstica progride a restrio

ao fluxo de material imposta pelas ilhas de martensita proporciona um encruamento significativo

ao material, resultando num componente estampado com alta resistncia mecnica.

Essa abordagem microestrutural possui correlaes interessantes com as propriedades

mecnicas obtidas, as quais diferem um pouco do que normalmente se verifica nos aos comuns

ferrtico-perlticos. Em primeiro lugar, a relao de Hall-Petch ligeiramente diferente no caso

dos aos bifsicos: o caminho livre disponvel para as discordncias delimitado pelos contornos

ferrita-martensita e no mais pelos contornos de gro ferrticos [8]. Assim sendo, a equao de

10

Hall-Petch continua vlida, s que o valor do tamanho de gro d deve ser substitudo pela distn-

cia livre ferrtica mdia L. A diferena entre esses dois parmetros microestruturais pode ser

vista na figura 1. exatamente o que se v na equao para clculo do limite de escoamento [7].

O clculo do limite de resistncia para o caso dos aos bifsicos tambm deve levar em

conta o encruamento ou endurecimento por discordncias disc que ocorre no material. Foi constatado que esse encruamento pode ser expresso atravs do modelo de Ashby [9,10],

d

fkdisc

onde k uma constante emprica. Ou seja, o encruamento de um ao bifsico proporcional

raiz quadrada da frao de martensita presente na microestrutura e ao inverso de seu tamanho de

gro. Como se pode observar, a equao proposta para o clculo do limite de resistncia leva em

conta a relao de Hall-Petch usando a distncia livre ferrtica mdia e o modelo de Ashby.

Figura 1: Representao esquemtica do tamanho de gro ferrtico (d) e da distncia livre ferr-

tica mdia (L) numa microestrutura bifsica [7].

interessante notar que o coeficiente de encruamento tambm pode ser calculado por

uma equao com formato semelhante ao usado para o limite de resistncia. Por sua vez, o alon-

gamento uniforme inversamente proporcional ao caminho livre ferrtico mdio.

. Aos de Baixo C com Ferrita Acicular ou Bainita

pptdisc

L

sold

NSiMnYS 1.15

2900833788

)(3856512590185)(2301900246 TiVCuNiWMoCrMnCTS

dNSiITT pptdiscsol

5.11)(26.07004419

Notao:

11

YS: Limite de Escoamento para 0,2% de Deformao Real [MPa]

TS: Limite de Resistncia [MPa]

ITT: Temperatura de Transio para 50% de Fratura Dctil [C]

dL: Tamanho de Ripa para a Ferrita Acicular ou Bainita [mm]

d: Espaamento Mdio entre Contornos de Alto ngulo (Pacote ou Antigos Contornos de Gro Austenticos)

Mais uma vez o endurecimento por precipitao ppt pode ser calculado pelo modelo de Ashby-Orowan, expresso pela frmula

4105.2ln

9.5 x

x

fppt

Mas a novidade neste caso o termo que expressa o endurecimento por discordncias

disc, cuja frmula geral

bdisc

onde uma constante emprica, o mdulo de cisalhamento, b o vetor de Burgers e a densidade de discordncias expressa em linhas por cm. A determinao experimental dos par-

metros necessrios para o clculo dessa expresso difcil, tendo sido propostas equaes emp-

ricas alternativas. Uma delas a de Pickering [4]:

3102.1 disc

e outra foi proposta por Keh [11]:

4108 disc

. Aos Ferrtico-Perlticos com Mdio C [4-12]

solNSiS

fd

MnfYS 42638.3

17814.17

58350

33

SiS

fd

NfTS sol 975.3

72012.18

11402460

33

dNSnPSiPearl

d

dsol

4.151371152462111386.1385

solNSitpS

fd

fITT 7627.481048.33.136.5

33515.11

46 6

0

Notao:

12

YS: Limite de Escoamento a 0,2% de Deformao [MPa]

TS: Limite de Resistncia [MPa]

d/d: Coeficiente de Encruamento a 0,2% de Deformao [1/MPa] ITT: Temperatura de Transio para Fratura 50% Dctil [C]

f: Frao Volumtrica Mdia de Ferrita

d: Tamanho de Gro Mdio da Ferrita [mm]

S0: Espaamento Lamelar Mdio da Perlita [mm]

p: Tamanho da Colnia de Perlita [mm]

Pearl: Frao de Perlita na Microestrutura [%]

t: Espessura da Lamela de Carbonetos Perlticos [mm]

A frao de perlita presente na microestrutura proporcional ao teor de C. No presente

caso, um ao com mdio teor de C, j se faz necessrio aplicar a lei da mistura de fases para se

levar adequadamente em conta o endurecimento proporcionado pela perlita. interessante notar

que tanto o limite de escoamento como o de resistncia da perlita so expressos por uma lei simi-

lar de Hall-Petch, onde o tamanho de gro substitudo pelo espaamento entre as lamelas des-

se constituinte. Deve-se destacar tambm o efeito deletrio da espessura da lamela de carbonetos

perlticos sobre a tenacidade do material, uma vez que a temperatura de transio dctil-frgil

proporcional ao valor desse parmetro microestrutural.

- CONCLUSO

Como se pode observar, j foram desenvolvidas diversas equaes empricas para o cl-

culo de propriedades mecnicas a partir da composio qumica e parmetros microestruturais

observados em aos estruturais. Contudo, sua aplicabilidade a casos especficos no totalmente

garantida, j que inmeros detalhes associados ao processamento do material podem alterar as-

pectos sutis da estrutura cristalina do material e prejudicar a preciso dessas equaes. Alm

disso, a determinao experimental dos parmetros microestruturais quantitativos requer proce-

dimentos algo demorados e eventualmente complexos considerando nossa realidade industrial.

Ainda assim, essas equaes so muito importantes para se entender os principais fatores que

afetam o desempenho desses aos e para definir o rumo dos desenvolvimentos a serem feitos

para se obter materiais cada vez mais otimizados.

- REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

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13

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14

CURRCULO DO AUTOR

Engenheiro de Materiais pela Universidade Federal de So Carlos, 1981

Mestre em Engenharia Metalrgica pela Escola Politcnica da USP, 1990

Doutor em Engenharia Mecnica pela Universidade Estadual de Campinas, 2001

Analista de Processos da Companhia Siderrgica Paulista desde 1982

Editor Tcnico das Revistas Plstico Industrial (desde 1998) e Corte e Conformao de Metais

(desde 2005), da Aranda Editora; participao no Corpo Editorial da Revista Tecnologia em Me-

talurgia e Materiais, da Associao Brasileira de Metalurgia, Materiais e Minerao (desde 2009)

Autor de mais de 190 trabalhos tcnicos publicados no Brasil e exterior, nas reas de aciaria,

fundio, laminao a quente, tratamentos trmicos, polmeros, modelamento matemtico e inte-

ligncia artificial

4 patentes concedidas na rea de laminao a quente

Prmios da Associao Brasileira de Metalurgia e Materiais (ABM): COSIPA (1992, 1996), Lu-

iz Dumont Villares (1997 e 1999), Paulo Lobo Peanha (1999), Usina Presidente Vargas (2000)

Outros Prmios (ligados rea de patentes): Prmio Talento Brasileiro, Fase Estadual (1994 e

1998); Prmio Estadual FIESP de Conservao e Uso Racional de Energia (1998); Prmio Go-

vernador do Estado (1999).

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