Jonathan Francciesco Ribeiro Araújo - USP...Figura 8 - Corpos de Ensaio de Tração segundo Norma...
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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA Jonathan Francciesco Ribeiro Araújo AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE UM AÇO COM BAIXO TEOR DE CARBONO SUBMETIDO A PROCESSO TERMOMECÂNICO PARA REFINO DOS GRÃOS São Carlos 2014
Transcript of Jonathan Francciesco Ribeiro Araújo - USP...Figura 8 - Corpos de Ensaio de Tração segundo Norma...
UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Jonathan Francciesco Ribeiro Araújo
AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE UM AÇO COM BAIXO TEOR
DE CARBONO SUBMETIDO A PROCESSO TERMOMECÂNICO PARA REFINO
DOS GRÃOS
São Carlos
2014
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JONATHAN FRANCCIESCO RIBEIRO ARAÚJO
AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE UM AÇO COM BAIXO TEOR
DE CARBONO SUBMETIDO A PROCESSO TERMOMECÂNICO PARA REFINO DOS
GRÃOS
Trabalho de conclusão de curso apresentado à Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, como parte dos requisitos para obtenção do título de
Engenheiro Mecânico.
Área de Concentração: Fabricação e Ensaios
Mecânicos
Orientador: Profa. Dra. Luciana Motanari.
São Carlos
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AUTORIZO A REPRODUÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.
Araújo, Jonathan Francciesco Ribeiro A658a AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE UM AÇO COM
BAIXO TEOR DE CARBONO SUBMETIDO A PROCESSO
TERMOMECÂNICO PARA REFINO DOS GRÃOS / Jonathan
Francciesco Ribeiro Araújo; orientadora Luciana
Montanari. São Carlos, 2014.
Monografia (Graduação em Engenharia Mecânica) --
Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de
São Paulo, 2014.
1. Aço com Granulação Submicrométrica. 2. Ensaio de
Tração. 3. Ensaio de Impacto Charpy. 4. Ensaio de
Fadiga. I. Título.
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AGRADECIMENTOS
Dedico este trabalho aos meus amados pais, Jânio e Isabel, que são meu alicerce e
minha razão de crescimento. Dedico, também, à minha amada noiva, Alinne, por
sua compreensão e força nesses cinco anos de luta. Aos meus familiares que tanto
amo e ao meu avô, Amadeus, que hoje, enquanto descansa, me empresta seu
interminável fôlego.
Agradeço pelo apoio e dedicação dos Professores e funcionários da USP. Ao
Departamento de Mecânica e ao Departamento de Materiais da EESC. Agradeço,
também, aos Professores Dr. Waldek Filho e Dr. Cassius Ruchert pelo auxílio e
disponibilidade. Aos companheiros de graduação Ricardo, Dhiego, Rafael e Danilo
que foram de grande importância nos momentos calmos e nos conturbados. E, em
especial, aos meus mentores e amigos Dr. Cleiton Fazolo, Profa. Dra. Luciana
Montanari, técnico Adolfo Ferrarin e ao Prof. Dr. Alessandro Rodrigues.
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Uma paixão forte por qualquer objeto
assegurará o sucesso, porque o desejo pelo
objetivo mostrará os meios.
William Hazlitt
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RESUMO
ARAÚJO, J. F. R. Avaliação das Propriedades Mecânicas de um Aço Com Baixo
Teor de Carbono Submetido a Processo Termomecânico para Refino dos
Grãos – Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São
Carlos, 2014.
Para aumentar simultaneamente a resistência mecânica e a tenacidade de aços
recorre-se ao mecanismo de refinamento dos grãos da microestrutura. Os aços
com grãos ultrafinos podem ser explorados em aplicações que podem substituir
aços com maior quantidade de carbono e elementos de liga que encarecem o
produto. Sendo assim, há vários estudos que buscam o refino de grãos em aços
de baixo carbono. É dentro deste contexto que se propõe, neste trabalho, o
estudo da caracterização mecânica de um aço processado termomecanicamente
para o refino dos grãos, com tamanho médio dos grãos em cerca de 0,7 µm, e
que apresenta baixo teor de carbono (0,16% C) através dos ensaios de tração,
de fadiga e de impacto Charpy e compará-lo com o material de mesma
composição química, laminado a frio e com grãos maiores, cerca de 10,8 de
diâmetro médio dos grãos. O material com grãos ultrafinos apresentou limite de
escoamento de 510 MPa contra 474 MPa do material como recebido, a tensão
de resistência a tração foi elevada de 628 MPa para 663 MPa e a tensão de
ruptura também superou a do material como recebido, tendo sido elevada de
402 MPa para 654 MPa. O ensaio de impacto do material “como recebido”
apresentou carga de escoamento geral de 13,5 kN e carga máxima de 15,8 kN.
Além disso, a energia absorvida para o carregamento máximo foi de 47 J. Já
para o material com grãos ultrafinos verificou-se carga de escoamento geral de
13,3 kN e carga máxima de 16,1 kN e a energia absorvida para o carregamento
máximo de 60 J. O material como recebido sofreu amolecimento cíclico durante
o ensaio de fadiga invalidando os resultados obtidos. O material com granulação
ultrafina apresenta vida infinita por volta de 50 MPa de tensão superficial
máxima.
Palavras-chave: Aço com Granulação Submicrométrica, Ensaio de Tração, Ensaio de Impacto Charpy, Ensaio de Fadiga.
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Lista de Figuras
Figura 1 - Elevação simultânea da tenacidade e resistência mecânica pelo refino de grão. .................. 11 Figura 2 - Esquema das variadas formas de aumento da resistência mecânica (ASSIS et al., 2011). . 15 Figura 3 - Esquemas de métodos de Deformação Plástica Severa (modificado WENG, 2009) ............ 18 Figura 4 - Microscópio Eletrônico de Varredura Philips modelo XL30-TMP .............................................. 23 Figura 5 - Durômetro .......................................................................................................................................... 24 Figura 6 - Máquina para ensaio de tração ....................................................................................................... 25 Figura 7 - Máquina para ensaio de fadiga rotativa ......................................................................................... 25 Figura 8 - Corpos de Ensaio de Tração segundo Norma ASTM E8-01. ..................................................... 26 Figura 9 - Corpos de Ensaio Charpy segundo Norma ASTM E23 .............................................................. 26 Figura 10 - Corpos de Ensaio de fadiga rotativa segundo norma ASTM E466 utilizando D = 5 mm ..... 27 Figura 11 - Corpos de prova material como recebido (esquerda), material com granulação ultrafina (direita).................................................................................................................................................................. 28 Figura 12 – Micro estrutura do material “como recebido” (ataque Nital 2%) por microscopia óptica ..... 29 Figura 13 - Microestrutura do material "como recebido" (ataque Nital 2%) por Microscopia Eletrônica de Varredura ........................................................................................................................................................ 30 Figura 14 - Microestrutura do material com grãos ultrafinos (ataque Nital 2%) ........................................ 31 Figura 15- Comparação dos limites de tensão dos materiais em estudo ................................................... 33 Figura 16 - Curvas obtidas através do ensaio de tração ............................................................................... 34 Figura 17 - Comparação das energias absorvidas quasi-estaticamente pelos materiais em estudo .... 35 Figura 18 - Gráfico do ensaio de Impacto Charpy Instrumentado do material "como recebido" ............ 36 Figura 19 - Gráfico do ensaio de Impacto Charpy Instrumentado do material processado ..................... 37 Figura 20 - Comparação entre as energias absorvidas dinamicamente pelos materiais em estudo ..... 38 Figura 21 - Comparação entre cargas dinãmicas aplicadas aos materiais em estudo ............................ 38 Figura 22 - Representação de 3 ciclos de histerese que ocorrem no fenômeno de amolecimento ....... 40 Figura 23 - Gráfico de Wöhler para o material com grãos ultrafinos .......................................................... 41
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Lista de Tabelas
Tabela 1 - Especificação do material utilizado no estudo. ............................................................................ 27 Tabela 2 - Tamanho médio dos grãos das amostras .................................................................................... 31 Tabela 3 - Dureza média amostras .................................................................................................................. 32 Tabela 4 - Ensaio de fadiga rotativa para o material como recebido .......................................................... 39 Tabela 5 - Ensaio de fadiga rotativa para o material com grãos ultrafinos ................................................ 40
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Sumário
1. INTRODUÇÃO E OBJETIVOS ................................................................. 10
2. REVISÃO DA LITERATURA .................................................................... 13 2.1. AÇOS COM GRÃOS ULTRAFINOS .................................................... 13
2.1.1. DEFINIÇÕES ............................................................................... 13 2.1.2. PROCESSAMENTO .................................................................... 16 2.1.3. APLICAÇÕES .............................................................................. 20
3. MATERIAIS E MÉTODOS ......................................................................... 23 3.1. BANCO DE ENSAIOS ......................................................................... 23 3.2. MATERIAL E PROCESSAMENTO ...................................................... 27 3.3. PREPARAÇÃO METALOGRÁFICA .................................................... 28
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ................................................................. 29 4.1. ANÁLISE MICROESTRUTURAL ......................................................... 29 4.2. ENSAIOS MECÂNICOS ...................................................................... 31
4.2.1. ENSAIO DE DUREZA ................................................................. 31 4.2.2. ENSAIO DE TRAÇÃO ................................................................ 32 4.2.3. ENSAIO DE IMPACTO CHARPY ............................................... 35 4.2.4. ENSAIO DE FADIGA .................................................................. 38
5. CONCLUSÕES ......................................................................................... 42
REFERÊNCIAS .............................................................................................. 44
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1. INTRODUÇÃO E OBJETIVOS
Os aços com baixo teor de carbono ocupam hoje cerca de 70% da
produção mundial de ligas ferrosas, objetivando aplicações industriais das mais
variadas, desde imensos componentes estruturais, até pequenas peças e
dispositivos mecânicos (NEVES et al., 2006). As necessidades tecnológicas do
mercado vêm no sentido de se obter materiais com características especiais para
aplicações específicas. Para os aços destinados para fins estruturais, por exemplo,
são requisitos importantes: resistência mecânica associada à boa tenacidade,
resistência à fadiga, ao desgaste e à corrosão atmosférica. Alguns aspectos da
produção destes aços devem ainda ser considerados, tais como: serem facilmente
conformados e soldados (ABDALLA et al., 2006).
Neves et al. (2006) afirmam que a obtenção de estruturas ferríticas cada
vez mais refinadas em aços baixo carbono são metas da pesquisa atual,
possibilitando a obtenção de excelentes propriedades mecânicas, mantendo
considerável tenacidade. Grãos de ferrita de ordem micrométrica e submicrométrica
aumentam a tenacidade e a resistência do aço, bem como a relação entre
desempenho e custo (GAO et al., 2009). Suas aplicações estariam na fabricação de
componentes para a indústria automobilística e elaboração de aços estruturais.
O refinamento de grãos tem sido um dos assuntos mais importantes no
controle da microestrutura de materiais metálicos. Tsuji (2009) complementa que o
desequilíbrio entre a resistência mecânica e ductilidade é o maior problema dos
materiais de grãos ultrafinos em aplicações práticas. Com a superação desse
problema, os materiais de grãos ultrafinos tornam-se atraentes, pois alta resistência
pode ser conseguida em composições químicas simples, sem elementos de liga
especiais.
Li, Cui e Chen (2009) citam que o refino de grão é um método eficiente
para o aumento da resistência mecânica, tenacidade, resistência à fratura e
resistência à fadiga. Um dos pontos chave no desenvolvimento desses aços é o
refinamento da ferrita, geralmente conseguido pela interação entre processamentos
termomecânicos e tratamentos térmicos (BELADI et al., 2004). A Figura 1 mostra
uma comparação do comportamento da resistência mecânica e tenacidade entre
materiais com grãos ultrafinos e grosseiros.
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Figura 1 - Elevação simultânea da tenacidade e resistência mecânica pelo refino de grão.
De acordo com Narayana et al. (2008), aços com grãos ultrafinos, com
composições relativamente simples, apresentam potencial para o aumento da
resistência mecânica. Os benefícios atraentes desta abordagem são: evitar adições
de elementos de liga, facilitando assim a reciclagem; evitar tratamentos térmicos
adicionais como a têmpera, reduzindo assim o custo do produto, bem como tornar o
processo ambientalmente sustentável; melhorar a soldabilidade devido ao menor
teor de carbono e de elementos de liga; e a obtenção de superplasticidade a altas
taxas de deformação em temperaturas moderadas.
Dentro desse contexto, sabendo-se que o tamanho de grão tem influência
decisiva no desempenho, nas propriedades e na segurança de um componente e
que, além disso, tendo em vista a oportunidade de estudar conceitos modernos de
refino de grão para melhorar as propriedades mecânicas do material, os objetivos
deste Trabalho de Conclusão de Curso são:
Caracterizar o efeito do tamanho de grão nas propriedades
mecânicas de: limite de resistência à fadiga, limite de resistência e energia
absorvida no ensaio de impacto de um aço ferrítico com grãos ultrafinos,
concebido em escala laboratorial por laminação a morno com controle dos
ciclos termomecânicos. Mais detalhadamente, a meta é estudar as
propriedades mecânicas desse material confrontando-as com a do material
“como recebido”.
12
O estudo de fadiga é imprescindível pela possível aplicação do material
em estudo às cargas flutuantes ou repetidas (SUYAMA, 2010).
Será usado nos estudos (a) o aço 0,16C ferrítico com grãos ultrafinos
obtidos pela simulação física do processo metalúrgico (laminação a morno com
controle dos ciclos termomecânicos); e (b) o aço 0,16C que deu origem ao material
modificado, adotando os ensaios de tração convencional, o de impacto e o de fadiga
rotativa para obtenção das propriedades mecânicas.
13
2. REVISÃO DA LITERATURA
É apresentada a fundamentação inerente a este trabalho de conclusão de
curso, bem como um histórico dos avanços tecnológicos sobre aços com grãos
ultrafinos. Além disso, são descritas algumas aplicações propostas para o material
em estudo.
2.1. AÇOS COM GRÃOS ULTRAFINOS
2.1.1. DEFINIÇÕES
Na história dos materiais, o século vinte pode ser considerado como o
século do aço. A produção mundial de aço bruto em 1900 foi de 31,04 milhões de
toneladas enquanto que no ano 2000 alcançou 846 milhões de toneladas. Já nos
primeiros anos do século vinte e um, devido ao rápido desenvolvimento econômico
da China e de outros países emergentes, a produção mundial de aço alcançou 1220
milhões de toneladas em 2006, que representa uma produção quarenta vezes maior
que a de 1900. Dentre os aços produzidos aqueles para fins estruturais ocupam
mais de 90% do total consumido (WENG, 2009).
Segundo Abdalla (2006) os aços destinados a fins estruturais devem
apresentar apreciável resistência mecânica aliada à boa tenacidade, resistência à
fadiga, ao desgaste e à corrosão atmosférica. Além disso, devem apresentar
características como serem produzidos facilmente por deformação, bem como
trabalháveis por conformação, corte e solda, entre outros. Nesse sentido, o
refinamento dos grãos tem sido um assunto bastante estudado, posto que aços com
grãos finos apresentam propriedades favoráveis tais como boa resistência mecânica
aliada à resistência a fratura e a fadiga (HODGSON et al, 1998).
O conceito tradicional de granulação fina usada na indústria de muitos
países é a seguinte: de acordo com a especificação de avaliação ASTM GSN, o aço
de GSN 1-3 (tamanho de grão 250~150 µm) é considerado como aço de granulação
14
grosseira; o aço de GSN 4-6 (tamanho de grão 88~44 µm) é considerado um aço
com granulação de tamanho médio; o aço de GSN 7~8 (tamanho de grão 31~22
µm) é considerado como aço com grãos finos. Já para o tamanho de grão ultrafino,
desde o início das pesquisas, nos anos noventa, ainda não existe uma definição
claramente unificada. É consenso levando em consideração pesquisas que
verificaram a melhora das propriedades mecânicas, como resistência mecânica e
tenacidade, com relação à diminuição do tamanho de grão, considera-se para aços
de baixo-carbono um tamanho médio de grão igual ou inferior a 5 μm para definir
um aço de grãos ultrafinos (WENG, 2009).
Segundo Weng (2009) países europeus, começando pelo Reino Unido, já
aplicavam as tecnologias de deformação para refino dos grãos já na segunda
década do século vinte. Li (2009) disserta que a deformação a quente causa
considerável mudança na microestrutura austenítica bem como aumenta a
densidade de discordâncias refinando o grão austenítico que acaba por afetar a
transformação da ferrita.
Em 1951, E. O. Hall, na Universidade de Sheffield, Reino Unido, escreveu
uma série de três artigos que foram publicados no volume 64 do Proceedings of the
Physical Society, aonde no terceiro evidenciou que o comprimento das bandas de
deslizamento corresponde à ordem de tamanho do grão estabelecendo a relação
entre essas variáveis (HALL, 1951).
Poucos anos depois, na Universidade de Leeds, Inglaterra, N. J. Petch, em
seu trabalho relacionado à fratura frágil, conseguiu medir a variação da tensão de
clivagem com relação ao tamanho do grão ferrítico em temperaturas muito baixas.
Dessa forma ele encontrou de modo independente a relação exata do fenômeno
descrito anteriormente por Hall (PETCH, 1953).
Kimura e Takaki (1997) publicaram seus resultados experimentais de
laboratório sobre a relação entre resistência mecânica e o tamanho de grão. Eles
mostraram que caso o material apresente a estrutura cúbica de corpo centrado ou
cúbico de face centrada e, além disso, caso o tamanho de grão esteja em uma
escala micrométrica ou submicrométrica a fórmula de Hall-Petch mostra-se
adequada.
Weng (2009) expõe que a história da evolução do processo de aumento da
resistência dos aços começou a partir do entendimento das imperfeições cristalinas
15
e continuou com a aplicação das interações das imperfeições de diferentes cristais.
Na primeira metade do século passado, antes do amadurecimento da Teoria das
Discordâncias, procurava-se um cristal completo o que demandou muito trabalho na
preparação de cristais de whisker. No final, com o volume crescente de novos
materiais, vários defeitos cristalinos não puderam ser removidos. Então, o rumo dos
esforços passou para o aumento da densidade de discordâncias, até o atual uso
das interações das discordâncias para o aumento da resistência mecânica.
Como mostrado na Figura 2, quando a resistência do aço aumenta,
contribuição do aumento da resistência mecânica pelo refino dos grãos aumenta. A
partir disso conclui-se que o método predominante para a melhoria da resistência
mecânica e da tenacidade dos aços é o refino dos grãos (WENG, 2009). Dessa
forma, aços com grãos ultrafinos de composições químicas relativamente simples,
aonde o aumento da resistência mecânica deve-se principalmente ao refino dos
grãos, têm um grande potencial para substituir alguns aços de alta resistência e
baixas ligas convencionais (SONG, 2006).
Figura 2 - Esquema das variadas formas de aumento da resistência mecânica (ASSIS et
al., 2011).
16
Li et al. (2009) citam que o refino de grão é um método eficiente para o
aumento da resistência mecânica, tenacidade, resistência à fratura e resistência à
fadiga. Além disso, também foi demonstrada, de acordo com a relação de Petch
com a diminuição da temperatura de transição frágil-dúctil, melhora na resistência à
fratura e alta resistência dinâmica (suportando elevadas taxas de deformação, em
torno de 103 s
-1) no aço com grãos refinados (OKITSU et al.,2006). Os outros
métodos, diferentemente do refino dos grãos, diminuem a tenacidade enquanto
aumentam a resistência. Isso significa que o refinamento dos grãos proporciona
maior segurança.
Song et al. (2006) explicitam que os principais benefícios abordados pelos
grãos ultrafinos estão em evitar elementos de liga adicionais; evitar tratamentos
térmicos adicionais; e melhorar a soldabilidade devido à sua menor quantidade de
carbono e elementos de liga quando comparado com outros aços de alta
resistência.
As altas resistências proporcionadas por grãos de tamanho micrométrico
podem ser obtidas enquanto satisfazem ainda mais critérios. Entre eles, facilitar a
reciclagem diminuindo os gastos, racionalizar o número de composições distintas
que a siderurgia precisa produzir para alcançar a variedade de especificações de
propriedades e, de fato, promover a imagem high-tech com um produto original
(HOWE, 2009).
2.1.2. PROCESSAMENTO
Na busca pela otimização da razão resistência/custo de produtos, com o
propósito de economizar energia, tornou-se muito importante a aplicação de
tecnologias avançadas visando reduzir o consumo de energia e materiais,
minimizando as emissões e atendendo ao desenvolvimento sustentável amigável.
Quando se trata da laminação, por exemplo, é necessário produzir novas gerações
de produtos de aço de alto desempenho com baixo custo, usando tecnologias mais
econômicas com base na otimização do processamento (XIANGHUA et al., 2009).
17
Embora nos últimos 25 anos tenham ocorrido mais entendimento de
importantes fatores metalúrgicos relacionados ao refinamento dos grãos ferríticos,
comercialmente houve apenas um limitado progresso no desenvolvimento de
técnicas mais eficientes para processamento de refino dos grãos (HURLEY;
HODGSON, 2001). Em adição, apesar dos enormes esforços empregados, o
refinamento da ferrita em aços com baixo teor de carbono, sem a utilização de
elementos microligantes, ainda é uma tarefa difícil tanto científica quanto
tecnologicamente (SUN et al., 2002).
Han e Yue (2003) explicitam que, atualmente, existem duas rotas de
processamento estabelecidas em escala de laboratório capazes de refinar grãos até
tamanhos ultrafinos: através de deformações plásticas severas e por processamento
termomecânico.
Weng (2009) escreve que cientistas na área de materiais têm trabalhado
com métodos de deformação plástica severa para a produção de materiais com
granulação ultrafina. Segundo Padap et al. (2009) entre os métodos mais
comumente utilizados de deformação plástica severa estão o Equal Channel
Angular Process (ECAP), Additive Roll Bonding (ARB) e Multi-axes Forging (MAF). A
Figura 3 mostra, esquematicamente, os métodos ECAP e ARB.
18
Figura 3 - Esquemas de métodos de Deformação Plástica Severa (modificado WENG, 2009)
Baldissera et al (2006) relatam que o estudo de materiais processados por
deformação plástica severa recebe atenção especial devido às grandes mudanças
que ocorrem nas propriedades e na microestrutura dos materiais. Song et al. (2006)
dissertam que as técnicas de deformação plástica severa impõem grande acúmulo
de tensões no material em um ambiente com temperatura elevada, e o acúmulo é
ainda maior em um regime de temperatura de deformação a morno. Em adição,
essas técnicas podem ser usadas para produzir aços com granulação ultrafina com
seu tamanho médio por volta de 1 µm. Não obstante, para Takaki (2005), alcançar
grãos menores que 1 µm provavelmente é difícil em chapas que são produzidas
através de laminação. Para alcançar tamanho de grão ultrafino em escala
nanométrica outros processos terão que ser desenvolvidos.
Yanagimoto et al. (2009) explicam que a fabricação de aços e outros
metais com grãos refinados pode ser conduzida por deformação a morno, com
redução da espessura e velocidade de deformação adequada, pois a densidade
elevada de discordâncias atinge tal condição que é possível promover a
recristalização estática acelerada para os grãos mais finos. Além disso, a
transformação acelerada com elevada densidade de discordâncias é também útil
para promover o refinamento de grãos adicionais de aços, o que leva a maior valor
do limite de escoamento e menor temperatura de transição dúctil-frágil sem
sacrificar a conformabilidade dos produtos.
Embora os métodos de deformação plástica severa sejam capazes de
obter escalas submicrométricas ou nanométricas, a necessidade de equipamentos
especiais para alcançar a enorme pressão necessária torna inadequada e não
rentável a produção em massa de materiais com grãos ultrafinos (XIANGHUA et al,
2009). Park et al. (2000) citam que, além disso, tensões residuais consideráveis
ainda permanecem mesmo depois de uma grande parcela da energia interna ter
sido dissipada para o refinamento dos grãos, sendo necessário posterior tratamento
para alívio dessas tensões, normalmente um tratamento térmico para assegurar sua
aplicação prática.
Os métodos mais comuns de obtenção de estruturas refinadas na indústria
metalúrgica são processamentos termomecânicos envolvendo sequências de
deformação plástica e tratamento térmico (COSTA et al., 2005). Comparado às
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técnicas de deformação plástica severa, métodos termomecânicos avançados são
processos industriais de larga escala e podem ser mais facilmente melhorados para
operar em regimes de temperatura, onde se pode explorar, beneficamente, a
transformação de fase e o resfriamento controlado (SONG, 2006).
Em 2001, Niikura et al. introduziram brevemente novos métodos para obter
aços com grãos ultrafinos baseados na tecnologia de deformação
termomecanicamente controlada (NIIKURA et al., 2001). Song et al. (2006) explicam
que em contraste à deformação plástica severa onde o fator principal são as altas
tensões, os processos termomecânicos avançados procuram estratégias
alternativas para produzir grãos de ferrita ultrafinos. Dessa forma, esses processos
exploram a recristalização dinâmica da austenita durante a deformação a quente
com subsequente transformação da austenita em ferrita; recristalização dinâmica da
ferrita (CHOI et al., 2003); laminação a quente na região intercrítica (MATSUMURA
et al., 1987); laminação a morno na região ferrítica (NAJAFI-ZADE et al, 1992)
envolvendo ainda a recristalização dinâmica ou a recuperação da ferrita durante a
deformação a morno (TSUJI et al., 1997); ou deformação a frio e recozimento a
partir de uma microestrutura martensítica (SON, 2005).
O efeito da deformação plástica sobre a cinética de transformação é
considerada a partir de três aspectos: a mudança na energia livre, a mudança na
taxa de nucleação e a mudança na área de contorno eficaz para a nucleação (LI et
al., 2009). Han e Yue (2003) relatam que na recristalização controlada do material, a
precipitação de carbonetos estáveis finos restringe o crescimento dos grãos
austeníticos após a deformação, favorecendo a nucleação da ferrita, que tende a
crescer menos, uma vez que a ferrita nucleia preferencialmente nos contornos de
grão austeníticos.
Algumas pesquisas demonstram que a transformação dinâmica induzida
pela tensão, gerada pela deformação, pode produzir ferrita com granulometria
média de 1 a 3 µm, ou menos, e tem tido significativa atenção devido à sua
simplicidade e eficiência no refinamento de grão (ZHENG et al., 2008). Além disso, o
controle da temperatura do material durante a deformação é fundamental para
produzir uma região uniforme de ferrita equiaxial ultrafina. Nesse sentido, estruturas
ferríticas ultrafinas podem gerar materiais estruturais avançados devido à suas altas
resistências mecânicas (RODRÍGUEZ-BARACALDO et al., 2008).
20
Weng, 2009, explica que outra preocupação inerente ao processo é a
dispersão de uma segunda fase na estrutura ferrítica refinada. A formação de grãos
ultrafinos em aços baixo-carbono é influenciada não somente pela deformação, mas
também pela temperatura de trabalho e pelo tempo/velocidade de resfriamento do
material após o término do processo. A formação de fases como a martensita, em
decorrência de resfriamentos bruscos, tende a conferir ao material alta resistência e
redução da tenacidade. Já a formação de bainita tende a aumentar a resistência
mecânica, em menor grau se comparada a martensita, porém continua a conferir
boa tenacidade ao material. Estas fases dispersas na matriz microestrutural tendem
a se formar devido a velocidades de resfriamento distintas que ocorrem em
diferentes partes do material.
2.1.3. APLICAÇÕES
Yanagimoto et al. (2009) escrevem que o refinamento de grãos é um dos
assuntos mais importantes no controle da microestrutura de materiais metálicos. As
propriedades mecânicas de um produto são fortemente dependentes da
microestrutura final, que evolui através da recuperação, recristalização e
transformação de fase.
Segundo Weng (2009) os aços com grãos ultrafinos de alta resistência e
alta tenacidade já são aplicados experimentalmente e comercialmente nas áreas da
construção civil, manufatura automobilística e engenharia de máquinas. Abdalla et
al. (2006) cita que os aços destinados a fins estruturais devem apresentar requisitos
mecânicos importantes como resistência à fadiga, ao desgaste, à corrosão
atmosférica e resistência mecânica associada à boa tenacidade, além de possuir
boa conformabilidade e soldabilidade.
Zhuang (2009) menciona que aços conformados a frio são amplamente
utilizados na indústria da construção. É necessário que o material ofereça alta
resistência mecânica, a fim de atender às demandas para a construção civil. Uma
possibilidade é a utilização dos aços de médio carbono. No entanto, é difícil para o
aço de médio carbono resistir à deformação pesada durante a solicitação mecânica.
21
Além disso, o uso de tratamentos térmicos nesses materiais torna a produção mais
cara. Assim, recentemente, muitos estudos em grãos ultrafinos são conduzidos com
o propósito de elaborar aços estruturais (YOKODA et al., 2005).
Em relação à usinagem, o aumento da dureza pela redução do tamanho
médio dos grãos tende a dificultar o encruamento do material em virtude da
aplicação dos parâmetros de corte. Assim sendo, a variação da micro dureza é
relativamente baixa ou quase nula, dadas algumas condições de corte, como a de
acabamento, na qual a taxa de cisalhamento é maior ou condições nas quais há
ocorrência de maiores forças de corte (ASSIS, 2010).
Weng (2009) afirma que o aprimoramento de métodos para refino de grão
por processamento termomecânico está no controle da taxa e níveis de deformação,
nas temperaturas de operação e nos tempos/velocidades de resfriamento,
culminando no controle da microestrutura final. Vários estudos são realizados com
este propósito, e a melhoria das propriedades mecânicas de aços com composições
simples poderá ser um viés para solução de problemas relacionados a custos e
tecnologias atuais de fabricação.
Segundo Gorni et al. (2007), apesar desses primeiros avanços serem
ainda muito limitados, já existem, há mais de dez anos, produtos comerciais que
fazem uso das vantagens que o tamanho de grão ultrafino proporciona às chapas
de aço. As aplicações concentram-se onde são priorizadas resistência mecânica e
tenacidade, e em que a conformabilidade não é um requisito fundamental.
Por suas diferentes características e comportamentos, os materiais com
microestrutura refinada não possuem correspondentes quando trabalhando com
tamanhos de grão considerados convencionais (MUGHRABI; HOPPEL, 2010).
Nessa linha, mostra-se importante a determinação das características do
material com grãos ultrafinos fornecidas pelo ensaio de tração e pelo ensaio de
impacto que são usadas para controle de qualidade na produção, para categorizar a
performance de materiais estruturais, para avaliação de novas ligas e para lidar com
as forças estáticas requeridas pelo design (HANDBOOK, 2000).
Apesar da grande importância dos ensaios de impacto como indicadores
da resistência ao entalhe na seleção de materiais, os resultados obtidos não podem
ser usados diretamente nos cálculos de projetos de engenharia. Isto porque, nestes
ensaios, não há medidas em termos do nível de tensão, o que dificulta correlacionar
22
a energia absorvida com o desempenho em serviço. Apesar das limitações, o ensaio
Charpy conserva um importante papel em muitas aplicações de engenharia. Na
verdade, a adequabilidade do ensaio depende do objetivo de engenharia
(TOKIMATSU, 1999).
Segundo Höppel et al. (2006), a resistência à fadiga de materiais de grãos
ultrafinos comparados aos de grãos convencionais é de considerável interesse. Uma
vez que os mecanismos microscópicos do processo de fadiga em metais de grãos
ultrafinos não são bem compreendidos até o momento, um conhecimento teórico
mais profundo é requerido com a finalidade de tornar apto o seu melhor uso.
Segundo Hanlon et al. (2005), o refino de grão promove aumento nas
propriedades de fadiga em testes em que o controle é feito por meio de tensão
(fadiga de alto ciclo) e nos quais os corpos de prova são levados até a falha.
Comparando metais de grãos convencionais e metais de grãos ultrafinos,
os últimos apresentam deterioração da vida em fadiga em fadiga de baixo ciclo
(elevadas amplitudes de deformação plástica). Por outro lado, no regime de fadiga
de alto ciclo (baixas amplitudes de deformação plástica), a vida é fortemente
melhorada em no mínimo uma ou mais ordens de grandeza (HOPPEL, 2006).
Porém, segundo Cavaliere (2009), nos metais com grãos refinados, ocorre
aumento na taxa de propagação de trinca, quando comparado ao material de grãos
convencionais. Deste modo, a possível causa na melhoria do comportamento em
fadiga de materiais com microestrutura refinada está ligada ao retardamento da
nucleação de trincas.
A partir das observações feitas pelos autores supracitados, nota-se que os
materiais com grãos refinados apresentam surpreendentes propriedades de
resistência (obtidas em ensaios monotônicos) e de fratura. É interessante verificar
se estas excelentes propriedades se apresentarão também no comportamento em
fadiga de corpos de prova com superfícies usinadas (sem polimento) (SUYAMA,
2010).
23
3. MATERIAIS E MÉTODOS
A seguir são descritos os materiais e metodologias empregadas nesse
trabalho, bem como máquinas utilizadas.
3.1. BANCO DE ENSAIOS
Os processamentos temomecânicos de laminação a morno foram
realizados no laboratório de tratamentos termomecânicos do Departamento de
Materiais (DEMA) da Universidade Federal de São Carlos.
As fotomicrografias para a caracterização microestrutural do material
“como recebido” e do homólogo com grãos ultrafinos foram obtidas a partir de um
microscópio eletrônico de varredura (MEV) da marca Philips, modelo XL30-TMP.
Figura 4 - Microscópio Eletrônico de Varredura Philips modelo XL30-TMP
Também foi utilizado um microscópio óptico (MO) da marca Carl Zeiss
Jena, modelo Neophot 21 e uma câmera digital Sony, modelo Cyber-Shot DSC-W80
(7,2 mega pixels de resolução) para capturar imagens da microestrutura.
24
Os ensaios de dureza foram realizados em um durômetro da marca Leco,
modelo RT-240, e a escala de dureza adotada foi a Vickers.
Figura 5 - Durômetro
Os ensaios de tração foram realizados utilizando-se uma máquina de
ensaios da marca EMIC, modelo DL 10000, os ensaios de impacto foram realizados
numa máquina de ensaio Charpy instrumentado da marca Heckert, com capacidade
padrão de 300 J e os ensaios de fadiga rotativa foram realizadas em máquinas da
marca INSTRON modelo RR Moore.
25
Figura 6 - Máquina para ensaio de tração
Figura 7 - Máquina para ensaio de fadiga rotativa
26
A partir do material “como recebido” e do processado
termomecanicamente para refino dos grãos foram usinados corpos de prova para
realização dos Ensaios de Tração (Norma ASTM E8-01), dos Ensaios de Impacto
Charpy (Norma ASTM E23) e dos Ensaios de Fadiga Rotativa (ASTM E739) que
foram realizados em temperatura ambiente.
Figura 8 - Corpos de Ensaio de Tração segundo Norma ASTM E8-01.
Figura 9 - Corpos de Ensaio Charpy segundo Norma ASTM E23
27
Figura 10 - Corpos de Ensaio de fadiga rotativa segundo norma ASTM E466 utilizando D =
5 mm
MATERIAL E PROCESSAMENTO
O material “como recebido” foi fornecido pela Usiminas-Cubatão S/A na
forma de chapa grossa laminada e denomina-se, comercialmente, COSAR60.
Segundo o fornecedor o material caracteriza-se como um aço baixo-carbono com
resistência mecânica de 630 MPa, limite de escoamento de 530 MPa, alongamento
de 26% e energia Charpy de 176 J a 0 ºC. Em uma fração desse material foi
imposto processamento termomecânico com a intenção de obter uma estrutura com
granulação ultrafina.
Os corpos de prova que foram submetidos ao processamento
termomecânico de laminação a morno para refino dos grãos ferríticos foram
extraídos da chapa grossa e apresentavam dimensões de 25x25x100 mm. A
composição química do material é apresentada na Tabela 1.
Tabela 1 - Especificação do material utilizado no estudo.
Material Processo
Elementos (% em peso)
C Mn Cr Si Ni Cu Al V P S
Aço-Carbono
0,16C
Nenhum
0,16 1,34 0,01 0,46 0,23 0,01 0,04 0,03 0,02 0,01 Laminação a
morno
28
Já a Figura 11 apresenta imagens do material como recebido e depois de
processado termomecanicamente.
Figura 11 - Corpos de prova material como recebido (esquerda), material com granulação
ultrafina (direita).
3.2. PREPARAÇÃO METALOGRÁFICA
Tanto as amostras do material “como recebido” quanto do processado
termomecanicamente para refino dos grãos foram lixadas com MESH 120, 220, 320,
400, 600, 1000, polidas com alumina de 1 µm e pasta de diamante de ¼ µm. Após
isso, as amostras foram atacadas utilizando uma técnica de sucessivos ataques em
Nital 2% (MASSAOKA et al., 2010). As fotomicrografias foram obtidas através da
microscopia eletrônica de varredura utilizando-se contraste de elétrons secundários
para visualização dos contornos dos grãos ferríticos. A partir das fotomicrografias foi
utilizado o método do Intercepto Linear de Heyn descrito na norma ASTM E112 em
3 orientações distintas de 5 micrografias aleatórias para determinação do tamanho
médio dos grãos ferríticos.
29
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1. ANÁLISE MICROESTRUTURAL
A Figura 13 apresenta a microestrutura do material “como recebido” obtida
através da microscopia eletrônica de varredura e a Figura 12 a da microscopia ótica.
Pela fotomicrografia fica claro que o material trata-se de um aço de baixo-carbono
dado que sua matriz é, em sua maior parte, composta por grãos ferríticos e
apresenta sítios de perlita esparsos. O método para revelar os contornos dos grãos
através de sucessivos ataques com Nital 2% deixou-os bem definidos, mesmo nos
contornos ferrita-ferrita, permitindo a aplicação do método do Intercepto Linear de
Heyn para avaliar o tamanho médio dos grãos. Apesar de o material “como
recebido” ser proveniente de uma chapa previamente laminada, a morfologia de
seus grãos pode ser qualificada como equiaxial. Não obstante, percebe-se a
ocorrência de microconstituintes alongados em faixas delgadas onde se destacam
os sítios de perlita. Tal efeito pode ser atribuído ao processo de laminação do
material.
Figura 12 – Micro estrutura do material “como recebido” (ataque Nital 2%) por microscopia
óptica
30
A Figura 14 apresenta a microestrutura do material processado
termomecanicamente para refino dos grãos a qual fora obtida através da
microscopia eletrônica de varredura. Na imagem é possível observar uma
diversidade na morfologia de seus grãos de ferrita, varrendo de grãos alongados
(em maior número) até grãos equiaxiais. A microestrutura apresenta uma direção
preferencial de cristalização cuja causa é associada à laminação durante o
processamento para a obtenção da microestrutura ultrafina.
Cabe ainda ressaltar que ocorreu a cristalização de cementita coalescida
grosseira nos contornos dos grãos, a qual se caracteriza como uma reação ao
acúmulo de tensões na microestrutura. Dessa forma, o coalescimento da cementita
causa uma redução da energia de superfície (GALLEGO, 2013). Por fim, a
microestrutura ultrafina foi obtida em toda a seção transversal do material das
amostras laminadas.
Figura 13 - Microestrutura do material "como recebido" (ataque Nital 2%)
por Microscopia Eletrônica de Varredura
31
Figura 14 - Microestrutura do material com grãos ultrafinos (ataque Nital 2%)
Foi realizada a mensuração do tamanho médio dos grãos de diversas
fotomicrografias semelhantes às apresentadas nas Figuras 12 e 14. Os resultados
são apresentados na Tabela 2. Dados os resultados, conclui-se que o material
processado termomecanicamente alcançou, de fato, a categoria de granulação
ultrafina.
Tabela 2 - Tamanho médio dos grãos das amostras
Condição da Amostra Tamanho de Grão [µm]
Como Recebido 10,8 ± 3,8
Processado
Termomecanicamente 0,70 ± 0,03
4.2. ENSAIOS MECÂNICOS
4.2.1. ENSAIO DE DUREZA
32
A Tabela 3 apresenta a média e a variância dos resultados referentes às
medidas de dureza do material “como recebido” e do homólogo com granulação
ultrafina. Houve aumento da dureza, cuja ocorrência já era esperada dada à
redução do tamanho médio dos grãos.
Tabela 3 - Dureza média amostras
Condição da Amostra Dureza [HV]
Como Recebido 198,0 ± 3
Processado
Termomecanicamente 216,0 ± 4
O aumento da dureza foi de 1%. No entanto, segundo a relação de Hall-
Petch seria esperado um aumento maior da dureza do material com grãos ultrafinos
dado que a redução no tamanho dos grãos ferríticos foi substancial. Tal fato será
mais bem explorado adiante.
4.2.2. ENSAIO DE TRAÇÃO
De acordo com os ensaios de tração o material com grãos ultrafinos
apresentou limite de escoamento de 510 MPa contra 474 MPa do material como
recebido, a tensão de resistência a tração foi elevada de 628 MPa para 663 MPa e a
tensão de ruptura também superou a do material como recebido, sendo elevada de
402 MPa para 654 MPa. A redução média dos grãos ao longo de toda seção do
corpo de prova afetou diretamente o comportamento mecânico do material ao
apresentar elevação nos valores de tensão de limite de escoamento em 8%,
resistência à tração em 6% e de ruptura em 16%, sendo esta última a alteração
mais significativa.
33
Apesar disso, seria esperado um aumento maior dos limites de
escoamento e de resistência à tração dado que o tamanho médio dos grãos foi
reduzido em quinze vezes. Esta projeção não ocorreu devido à formação de
particulado grosseiro nos contornos dos grãos ferríticos ultrafinos e nos pontos de
encontro triplo dos grãos como mostrado na Figura 14. A Figura 16 apresenta o
comportamento das curvas de tração dos materiais como recebido (CR) e com
grãos ultrafinos (GUF) para os ensaios de tração.
Figura 15- Comparação dos limites de tensão dos materiais em estudo
34
Figura 16 - Curvas obtidas através do ensaio de tração
A partir do sinal obtido através do ensaio de tração e de um programa de
Matlab foi possível calcular o Módulo de Young dos materiais utilizados neste
trabalho. Para o material “como recebido” obtivemos como resultado do seu Módulo
de Young o valor de 196 GPa e para o material com granulação ultrafina obtivemos
o valor de 188 GPa.
Utilizando um programa em MATLAB os dados obtidos a partir dos
ensaios de tração foram integrados. Dessa forma, obtivemos que a energia
absorvida pelo material de forma quasi-estática até a máxima carga correspondeu a
156 J para o material como recebido e 227 J para o material com grãos ultrafinos.
35
Dentro da área elástica integrando os dados obteve-se que o material
como recebido apresenta resiliência de 0,85 J e o material com grãos ultrafinos
apresenta resiliência de 1 J. Para tal resultado devem-se considerar os diferentes
limites de escoamento que, por sua vez, estão relacionados à redução no tamanho
médio dos grãos. Isso porque a redução do tamanho médio granular dificulta o
deslocamento das discordâncias da rede cristalina da ferrita e, dessa forma, retarda
o início da deformação plástica (CALLISTER, 2008).
Considerando-se todo o sinal colhido durante o ensaio de tração obtivemos
que a tenacidade quasi-estática do material como recebido é 400 J e a tenacidade
quasi-estática do material com grãos ultrafinos é 277 J. A razão disso relaciona-se
ao acúmulo de discordâncias nos limites dos grãos devido ao processamento
termomecânico que acaba propiciando a formação de trincas pelo acúmulo de
tensões, rompendo (WATANABE et al, 2004).
4.2.3. ENSAIO DE IMPACTO CHARPY
Figura 17 - Comparação das energias absorvidas quasi-estaticamente pelos materiais em
estudo
36
Os ensaios de impacto apontaram uma elevação de 230±15 J para 275±6
J na energia absorvida. Dessa forma, o refino dos grãos foi capaz de gerar um
aumento da resistência ao impacto mesmo com o aumento da dureza e dos limites
de carga. Em adição, a formação de particulado grosseiro como mostrado na Figura
14, aproximadamente esferoidal, nos contornos dos grãos ferríticos, auxiliou no
aumento da tenacidade ao esforço dinâmico. Isso porque, existe menor área de
interface por unidade de volume na forma esférica e, consequentemente, facilita o
escorregamento dos contornos dos grãos permitindo que a deformação plástica não
seja restringida.
Figura 18 - Gráfico do ensaio de Impacto Charpy Instrumentado do material "como recebido"
37
Figura 19 - Gráfico do ensaio de Impacto Charpy Instrumentado do material processado
O ensaio de impacto do material “como recebido” apresentou carga de
escoamento geral de 13,5 kN e carga máxima de 15,8 kN. Além disso, a energia
absorvida para o carregamento máximo foi de 47 J. Para o material com grãos
ultrafinos a carga de escoamento geral foi de 13,3 kN, carga máxima de 16,1 kN e a
energia absorvida para o carregamento máximo de 60 J. Dado que os materiais
estudados detêm carácter dúctil, ambos não apresentaram a carga de ruptura bem
definida posto que a fratura de materiais dúcteis não ocorra por clivagem (ASM
HANDBOOK, 2000).
38
Figura 20 - Comparação entre as energias absorvidas dinamicamente pelos materiais em
estudo
De acordo com os resultados de carga de escoamento e de carga máxima,
os dois materiais, apesar da diferença significativa do tamanho dos grãos,
apresentaram valores próximos, logo, para solicitações dinâmicas os materiais
aparentam possuir o mesmo comportamento para os limites de carga.
4.2.4. ENSAIO DE FADIGA
Figura 21 - Comparação entre cargas dinãmicas aplicadas aos materiais em estudo
39
A Tabela 4 apresenta os resultados para o ensaio de fadiga rotativa para o
material como recebido.
Tabela 4 - Ensaio de fadiga rotativa para o material como recebido
Ensaio Carga
(Kg) Ciclos (N)
Tensão Máx.
na Superfície
(Mpa)
1 12.0 0 484.0
2 11.5 5 465.0
3 11.0 57 444.0
4 9.6 389 387.0
5 7.4 2354 300.0
6 5.2 13000 210.0
7 4.8 9000 192.0
8 4.6 10000 189.0
9 3.8 23000 155.0
10 3.7 - 150.0
11 2.5 - 100.0
Analisando os resultados, é possível perceber que não foram obtidos os
valores condizentes com a vida em fadiga para materiais conhecidos. Isso ocorreu
porque o material em estudo é um aço baixo carbono que veio de um processo de
produção de laminação a frio. Tais fatos contribuem para a ocorrência do fenômeno
conhecido como amolecimento cíclico (NIP et al., 2010) que é ilustrado pela Figura
22.
Dessa forma, a cada ciclo a deformação do material aumentava
impossibilitando o teste por conta da ativação do disjuntor mecânico presente na
máquina de ensaio de fadiga rotativa que parava a rotação do corpo de prova. Esse
problema poderia ser resolvido realizando o ensaio em estado de deformação
constante e não o ensaio de tensão constante, evitando-se a região cujas
deformações plásticas predominam.
40
Figura 22 - Representação de 3 ciclos de histerese que ocorrem no fenômeno de amolecimento
Por outro lado, os ensaios realizados no material de grãos refinados
apresentaram resultados próximos à literatura. Os dados obtidos estão na Tabela 5.
Tabela 5 - Ensaio de fadiga rotativa para o material com grãos ultrafinos
Ensaio Carga
(Kg) Ciclos (N)
Tensão Máx.
na Superfície
(Mpa)
1 12.0 4000 484.0
2 11.5 5300 465.0
3 11.0 5800 444.0
4 9.6 10000 387.0
5 7.4 17000 300.0
6 5.2 60000 210.0
7 4.8 200000 192.0
8 4.6 400000 189.0
9 3.8 700000 155.0
10 3.7 3754000 150.0
11 2.5 7976000 100.0
41
Os ensaios de 1 a 5 apresentaram fratura clara nos corpos de prova, mas
sem ocorrer o rompimento total dado seu caráter dúctil. Os outros ensaios
apresentaram fraturas quase não visíveis sem auxílio de instrumentos. Através
desses dados é possível inferir que o “joelho” para esse material encontra-se por
volta de 50 MPa de tensão máxima na superfície, onde ele apresentará vida infinita.
Podemos, ainda, salientar que foi possível extrair resultados do material com
granulação ultrafina, apesar dele ser predominantemente ferrítico de forma similar
ao como recebido, porque ele sofreu outros processos termomecânicos de
fabricação diferentes da laminação a frio.
Figura 23 - Gráfico de Wöhler para o material com grãos ultrafinos
42
5. CONCLUSÕES
Depois da exploração e do discussão acerca dos resultados obtidos,
apresentam-se as seguintes considerações:
Foi possível obter grãos ultrafinos em toda a seção transversal de chapas de
aço baixo-carbono laminadas a morno.
O processamento termomecânico adotado apresentou granulação ferrítica
homogênea ao longo de toda a seção da amostra em uma escala
considerada ultrafina.
O tamanho médio dos grãos decresceu cerca de 12 vezes mudando de [10,8
± 3,8] µm no “como recebido” para [0,7 ± 0,03] µm no processado
termomecanicamente.
Em decorrência do processamento termomecânico houve a formação de
cementita globular grosseira dispersa nos contornos dos grãos ferríticos.
A dureza teve um aumento de [198,0 ± 3] Vickers no material “como
recebido” para [216,0 ± 4] Vickers no processado termomecanicamente.
O material com grãos ultrafinos apresentou limite de escoamento de 510 MPa
contra 474 MPa do material como recebido, a tensão de resistência a tração
foi elevada de 628 MPa para 663 MPa e a tensão de ruptura também
superou a do material como recebido, tendo sido elevada de 402 MPa para
654 MPa.
O material “como recebido” apresentou Módulo de Young de 196 GPa e o
material com granulação ultrafina apresentou de 188 GPa.
A energia absorvida pelo material de forma quasi-estática até a máxima carga
correspondeu a 156 J para o material como recebido e 227 J para o material
com grãos ultrafinos.
O material como recebido apresenta resiliência de 0,85 J e o material com
grãos ultrafinos apresenta resiliência de 1 J.
A tenacidade quasi-estática do material como recebido é 400 J e a
tenacidade quasi-estática do material com grãos ultrafinos é 277 J.
43
Os ensaios de impacto apontaram uma elevação da energia absorvida
dinamicamente de 230±15 J no material como recebido para 275±6 J no
material com grãos ultrafinos.
O refino dos grãos foi capaz de gerar um aumento da energia absorvida
dinamicamente mesmo com o aumento da dureza e dos limites de carga
quasi-estáticos.
O material como recebido apresentou carga de escoamento geral de 13,5 kN
e carga máxima de 15,8 kN, enquanto que o material com grãos ultrafinos a
carga de escoamento geral foi de 13,3 kN e a carga máxima de 16,1 kN.
A energia absorvida para o carregamento máximo dinâmico foi de 47 J no
material como recebido e de 60 J no material processado.
O material como recebido sofreu amolecimento cíclico durante o ensaio de
fadiga invalidando os resultados obtidos.
O material com granulação ultrafina apresenta vida infinita por volta de 50
MPa de tensão superficial máxima.
Não foi possível comparar os materiais de forma quanto à sua resposta à
fadiga, deixando para um trabalho futuro sua realização.
Com os resultados obtidos do ensaio de fadiga propõe-se realizar ensaios de
fadiga em deformação constante evitando problemas de amolecimento
cíclico.
44
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