Tcc II - 2014 Victor

UNIVERSIDADE VILA VELHA

CURSO DE ENGENHARIA METALRGICA E DE MATERIAIS

VICTOR BATISTA FEREGHETTI

AVALIAO DOS AOS PARA TRABALHO A QUENTE

VILA VELHA 2014

ii



Monografia apresentada ao Curso de Engenharia

Metalrgica e de Materiais da Universidade Vila

Velha UVV, como requisito para obteno do grau

de Bacharel em Engenharia Metalrgica e de

Materiais.

Orientador: Prof. M. Sc. Eduardo Alves Machado.

VILA VELHA 2014

iii



Monografia apresentada ao Curso de Engenharia Metalrgica e de Materiais na Universidade Vila

Velha, como requisito parcial para obteno do Grau de Bacharel em Engenharia Metalrgica e

Materiais.

Aprovado em ___ de ______ de 2014.

COMISSO EXAMINADORA

____________________________________

Prof. M. Sc. Eduardo Alves Machado

Universidade Vila Velha

Orientador

____________________________________

Prof. M. Sc. Jlio Cezar Bellon

Universidade Vila Velha

____________________________________

Eng. Ricardo Jos Tauffer Barros

ArcelorMittal Tubaro

iv

DEDICATRIA

Aos meus pais, minha irm e a todos

que colaboraram direta ou

indiretamente na elaborao deste

trabalho.

v

AGRADECIMENTOS

Agradeo ao Senhor Deus por me permitir chegar at aqui, por ter iluminado meu

caminho com sade e fora de esprito.

Ao Prof. Eduardo Alves Machado pela orientao, dedicao, pacincia e

compreenso das dificuldades que enfrentei durante a realizao deste trabalho.

Aos meus familiares pela pacincia que tiveram comigo nos momentos crticos deste

trabalho.

Aos colegas e amigos que contriburam, direta ou indiretamente, para o

aperfeioamento deste trabalho.

vi

LISTA DE FIGURAS

Figura 4.1 - Mudanas das curvas tenso-deformao de engenharia de ao doce

com a temperatura. ................................................................................................... 17

Figura 4.2 - Variao do mdulo de elasticidade com a temperatura. ...................... 18

Figura 4.3 - Variao do limite de resistncia com a temperatura. ............................ 18

Figura 4.4 - Variao do alongamento com a temperatura para o ao-carbono. ...... 19

Figura 4.5 - Curva tpica de fluncia mostrando os trs estgios do processo. Curva

A, ensaio de carga constante; curva B, ensaio de tenso constante. ....................... 21

Figura 4.6 - Curva de fluncia, determinada em ensaio sob carga constante. .......... 22

Figura 4.7 - Influncia da tenso e da temperatura T sobre o comportamento da

fluncia. ..................................................................................................................... 23

Figura 4.8 - Classificao dos diagramas de fase binrios de ferro: a) domnio- aberto;

b) domnio- expandido; c) domnio- fechado; d) domnio- contrado. ................... 26

Figura 4.9 - Poder estabilizador relativo dos elementos de liga: a) estabilizadores de

ferrita; b) estabilizadores de austenita. ...................................................................... 27

Figura 4.10 - Efeito de adies de liga no domnio da fase : (a) de Mn, (b), Mo (c) Cr;

(d) Ti. ......................................................................................................................... 28

Figura 4.11 - tomos de impurezas (a) Soluo Slida Substitucional e (b) Soluo

Slida Intersticial. ...................................................................................................... 30

Figura 4.12 - (a) Variao do limite de resistncia trao, (b) Variao do limite de

escoamento, e (c) Variao da ductilidade (percentual de alongamento) em funo do

teor de nquel para ligas cobre-nquel, mostrando o aumento da resistncia. .......... 31

Figura 4.13 - Efeito da adio de elementos de liga na dureza da ferrita. ................ 32

Figura 4.14 - Al (CFC) e AlCu2 (fase - ortorrmbica) ............................................. 33

Figura 4.15 - Microestrutura de um ao SAE 1060 esferoidizado, evidenciando os

precipitados incoerente de cementita (Fe3C). ........................................................... 34

Figura 4.16 - Liga de alumnio 7150 (6,2%Zn, 2,3%Cu, 2,3%Mn, 2,3%Mg e 0,12%Zr)

endurecida por precipitao coerente). ..................................................................... 35

Figura 4.17 - Discordncia cortando uma partcula. .................................................. 35

Figura 4.18 - Produtos da solubilidade de carbonetos e nitretos na austenita em funo

da temperatura. ......................................................................................................... 36

vii

Figura 4.19 - O movimento de uma discordncia medida que ela encontra um

contorno de gro, ilustrando como um contorno atua como uma barreira ao caminhar

da discordncia. ........................................................................................................ 38

Figura 4.20 - Ilustrao esquemtica de mudanas microestruturais na laminao

controlada. ................................................................................................................. 39

Figura 4.21 - Linhas isotrmicas de solubilidade de carboneto de nibio, carboneto de

titnio e nitreto de vandio em diferentes temperaturas. ........................................... 40

Figura 4.22 - Influncia do trabalho a frio sobre o comportamento tenso-deformao

para um ao com baixo teor de carbono. .................................................................. 41

Figura 4.23 - Para o ao 1040, lato e cobre, (a) o aumento no limite de escoamento,

(b) o aumento no limite de resistncia trao, e (c) reduo na ductilidade. .......... 42

Figura 4.24 - Variao das propriedades com a quantidade de trabalho a frio. ........ 43

Figura 4.25 Dureza de vrios produtos de transformao de aos. ....................... 45

Figura 4.26 Diagrama tempo-temperatura-transformao mostrando os passos no

processo de ausforming. ........................................................................................... 46

Figura 4.27 Efeito da martensita revenida no ao. ................................................. 47

Figura 6.1 Grfico ilustrando a passividade dos ao-cromo expostos durante 10 anos

a uma atmosfera industrial. ....................................................................................... 51

Figura 6.2 - Os resultados de medidas quantitativas de caractersticas microestruturais

P92 aps diferentes tratamentos trmicos: 2h/970C + 2h/1070 C, 2h/1070C +

2h/715 C, 2h1070C + 775 C (como recebido), 2h/1070C + 835C, 2h/1145C +

2h/775 C e depois da exposio de fluncia a 600 C para 1500, 10000 e 33000 h.

.................................................................................................................................. 54

Figura 6.3 - Densidades deslocamento e larguras de sub gros para P92 aps ensaio

de fluncia a 600 e 650C. ........................................................................................ 55

Figura 6.4 - Taxa de fluncia secundria para P91, P92 e E911. ............................. 55

Figura 6.5 - O efeito de molibdnio na tmpera dos aos com 0,1% em peso de C. 57

Figura 6.6 - Medidas estatsticas das partculas M23C6 e MX formados em P92 (cabea

e comprimentos medidos) aps a deformao de fluncia a 600C.......................... 58

viii

LISTA DE TABELAS

Tabela 4.1 - Efeitos dos elementos de liga nos aos. ............................................... 24

Tabela 4.2 - Principais elementos de liga e seus efeitos. .......................................... 25

Tabela 4.3 - Detalhes de aos de alto cromo, composies qumicas em peso %. .. 50

Tabela 6.1 - Parmetros microestruturais quantitativos para P92 em diferentes

condies de tratamento trmico e aps ensaio de fluncia. .................................... 52

Tabela 6.2 - Densidade de deslocamento e tamanho mdio de sub gro de como

recebeu P91, P92 e Aos E911. ............................................................................... 56

Tabela 6.3 - Densidade de discordncias em aos P91, P92 e E911 fluncia testado

a 600C. .................................................................................................................... 56

ix

LISTA DE ABREVIATURAS E SMBOLOS

Al Alumnio

ASTM - American Society for Testing and Materials

B Boro

BH Bake Hardening

C Carbono

Cr Cromo

Co Cobalto

Cu Cobre

Fe Ferro

FeC Cementita

H2S cido Sulfdrico

IF Intersticial Free

LE Limite de Escoamento

LR Limite de Resistncia

Mn Mangans

Mo Molibdnio

N Nitrognio

Nb Nibio

NBR Norma Brasileira

Ni Nquel

Si Silcio

V Vandio

V(CN) Carbonitreto de Vandio

Ti Titnio

TiN Nitreto de Titnio

Ti(CN) - Carbonitreto de Titnio

V Vandio

W Tungstnio

Zr Zircnio

Austenita

Ferrita

x

RESUMO

Neste projeto de concluso de curso estudou-se ligas apropriadas ao trabalho a

quente quando submetidas ao esforo mecnico simultaneamente. Nessas condies

as ligas ficam mais maleveis e escoam perdendo a resistncia mecnica que pode

levar uma estrutura ao colapso. Em ligas metlicas quando expostas por muito tempo

s altas temperaturas de trabalho, muitos fenmenos metalrgicos ocorrem que

culminam na perda de resistncia mecnica, mas algumas ligas quando adequadas

quimicamente apresentam uma resistncia satisfatria e estas ligas possuem

elementos formadores de carbonetos como o Mo, W, Nb, Ti, Cr e C. Os elementos

fortemente formadores de carbonetos melhoram a temperabilidade dos aos o que

facilita obter uma microestrutura com martensita que dura e resistente

mecanicamente e prprias para estruturas em fluncia. Foi identificado que as

condies trmicas de trabalho destas ligas culminavam com o fenmeno de

"endurecimento secundrio", o que melhora ainda mais a resistncia ao longo do

tempo.

Palavras-chave: Altas temperaturas. Ao. Fluncia. Resistncia mecnica.

xi

ABSTRACT

In this project course conclusion, we have studied the appropriate hot work when

subjected to mechanical stress leagues simultaneously. Under these conditions the

alloys are more malleable and seep losing mechanical strength which can lead to the

collapse of a structure. In alloys when exposed for a long time at high working

temperatures , many metallurgical phenomena occur which results in the loss of

mechanical strength, but some alloys when present an appropriate chemical

resistance and satisfactory these alloys have carbide forming elements such as Mo,

W, Nb, Ti, Cr and C. The strong carbide forming elements to improve the hardenability

of steels which facilitates obtaining a martensite microstructure with which is hard and

mechanically resistant structures suitable for fluency. It was identified that the thermal

working conditions these alloys culminated with the phenomenon of "secondary curing"

which further improves the resistance over time.

Keywords: High temperatures. Steel. Fluency. Mechanical strength.

12

SUMRIO

LISTA DE FIGURAS ................................................................................................. VI

LISTA DE TABELAS .............................................................................................. VIII

LISTA DE ABREVIATURAS E SMBOLOS ............................................................. IX

RESUMO .................................................................................................................... X

ABSTRACT ............................................................................................................... XI

1 INTRODUO ....................................................................................................... 13

2 OBJETIVOS ........................................................................................................... 15

2.1 OBJETIVO GERAL .............................................................................................. 15

2.2 OBJETIVOS ESPECFICOS ................................................................................ 15

3 JUSTIFICATIVA ..................................................................................................... 16

4 REVISO BIBLIOGRFICA .................................................................................. 17

4.1 EFEITOS DA TEMPERATURA NOS AOS ........................................................ 17

4.1 FENMENOS METALRGICOS NA FLUNCIA ................................................ 19

4.1.1 Estudo do ensaio de fluncia ........................................................................ 20

4.1.2 Influncia da temperatura e da tenso nos metais ...................................... 22

4.2 EFEITOS DOS ELEMENTOS DE LIGA NOS AOS ............................................ 23

4.3 MECANISMOS DE ENDURECIMENTO DE METAIS .......................................... 28

4.3.1 Endurecimento por soluo slida ............................................................... 29

4.3.2 Endurecimento por precipitao ou disperso de partculas .................... 32

4.3.3 Endurecimento por contornos de gros ...................................................... 37

4.3.4 Endurecimento por encruamento ................................................................. 40

5 METODOLOGIA .................................................................................................... 49

6 DISCUSSO DOS ESTUDOS DOS AOS PARA O CALOR .............................. 50

7 CONCLUSO ........................................................................................................ 59

REFERNCIAS ......................................................................................................... 61

13

1 INTRODUO

O termo ao compreende um grupo de ligas que difere em sua composio qumica e

tratamentos de fabricao de modo a obter uma variedade de propriedade mecnica

que se adequa s diferentes aplicaes.

Pela variedade de ligas que se pode ter, associado aos tratamentos trmicos que os

processos produtivos permitem, pode-se obter desde aos extremamente macios

como o grupo conhecido como IF (intersticial free), passando por aos dcteis que se

enrijecem, do grupo conhecido como BH (bake hardening), aos grupos estruturais de

mdia e alta resistncia, ligados que resultam tambm em adequada ductilidade para

atender diferentes aplicaes. Sem falar nos aos austenticos com elevado

mangans (ao Hadfield) que endurecem no trabalho a frio, aos da classe CORTEN

com boa resistncia corroso atmosfrica, aos Inoxidveis e suas variaes para

trabalho em ambientes agressivos quimicamente, alm dos aos modernos bainticos,

bifsicos e aos TRIP (transformation induced platicity).

Atualmente com o desenvolvimento econmico e os investimentos no parque

industrial dos pases, temos visto que diferentes estruturas so construdas e que

requerem o ao adequado para uma vida longa em servio.

Caldeiras e grelhas utilizadas na pelotizao de minrios e no processo siderrgico

de sinterizao, trocadores de calor, alm de vrios processos em refinarias e

plataformas de petrleo, so exemplos de aplicaes que requerem um ao estrutural

para o trabalho a quente.

Sabe-se que os metais de maneira geral, tm sua propriedade mecnica enfraquecida

quando a temperatura de servio se eleva. A dureza, limite de escoamento e

resistncia caem deixando a estrutura vulnervel ao colapso. A este fenmeno,

chama-se de fluncia e tem sido muito estudado.

Os desenvolvimentos cientficos e tecnolgicos tm permitido maior domnio na

elaborao de ligas que se adequam de maneira satisfatria ao trabalho em

14

temperaturas mais altas. Este projeto de estudo (TCC), foi feita uma reviso

bibliogrfica sobre os aos adequados ao trabalho a quente.

15

2 OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GERAL

Realizar uma reviso bibliogrfica no mecanismo de fluncia e nos aos

desenvolvidos no mercado para o trabalho em condies de temperaturas mais altas

do que a ambiente.

2.2 OBJETIVOS ESPECFICOS

1- Compreender a tcnica de utilizar o ao adequado para cada temperatura de

servio.

2- Realizar um estudo que permita o aprofundamento cientfico estudado na

universidade com as condies de oferta de aos no mercado para o trabalho a

quente.

16

3 JUSTIFICATIVA

Os aos passam por muitas modificaes ao passar do tempo relacionados a fatores

como: temperatura, tenso, tempo entre outros. Para cada aplicabilidade e

temperatura o ao se comporta de formas diferentes, devido a isso deve se analisar e

planejar para saber o que pode ocorrer ao decorrer do tempo, quais ligas possuem

maior benefcios e quais tratamentos trmicos deve-se aplicar em um determinado

tipo de ao. Fazendo isto e conhecendo o que elevadas temperaturas resultam no

ao, a sua durabilidade e qualidade ser bem maior, no acarretando prejuzos como

a diminuio da dureza, limite de escoamento e resistncia mecnica no material

exposto a temperaturas crticas, prevenindo defeitos e trocas em um curto perodo de

tempo de utilizao do ao.

Para que o ao possa apresentar uma boa qualidade deve-se atentar sobre a sua

composio qumica utilizando elementos de liga que possam adquirir propriedades

mecnicas favorveis a utilizao do ao em altas temperaturas aumentando assim

sua dureza, diminuindo o tamanho de gros o qual aumenta sua resistncia,

aumentando a fluncia do material, entre outros fatores.

17

4 REVISO BIBLIOGRFICA

4.1 EFEITOS DA TEMPERATURA NOS AOS

As aplicaes dos aos so muitas, e algumas delas so crticas pois envolvem

condies com altas temperaturas que pode resultar em perda de propriedade

mecnica e tambm perda metlica por corroso.

Neste projeto foi revisado a bibliografia presente que aborda fatores a serem

controlados para minimizar os problemas gerados pela alta temperatura.

Via de regra os metais tornam-se dcteis quando expostos temperaturas elevadas,

isso pode se ver no grfico da Figura 4.1 abaixo do comportamento de alguns

parmetros mecnicos do ao obtidos no ensaio de trao.

Figura 4.1 - Mudanas das curvas tenso-deformao de engenharia de ao doce com a temperatura.

Fonte: Dieter (1981).

H uma reduo no limite de resistncia, limite de escoamento, dureza e mdulo de

elasticidade dos materiais, conforme Figura 4.2, expostos a temperaturas elevadas.

Na Figura 4.3 abaixo, o ao-carbono nota-se que a temperatura e o limite de

resistncia so diretamente proporcionais quando h um pequeno aumento da

temperatura influenciando tambm num pequeno aumento de limite de resistncia

mas logo aps h uma reduo drstica (TELLES, 2003).

18

Figura 4.2 - Variao do mdulo de elasticidade com a temperatura.

Fonte: Telles (2003).

Figura 4.3 - Variao do limite de resistncia com a temperatura.


Atravs da Figura 4.4 a seguir, nota-se que por consequncia da reduo da

resistncia mecnica h um aumento na ductilidade dos materiais causada pela

elevao de temperatura.

19

Figura 4.4 - Variao do alongamento com a temperatura para o ao-carbono.


A este fenmeno de perda de propriedade mecnica com a temperatura, chama-se

fluncia, que limitam muito as aplicaes. Entretanto j existe muito conhecimento

para aumentar a resistncia dos aos a estas condies.

Os metais ao serem colocados em servio a temperaturas elevadas, que podem ser

consideradas acima de temperaturas homlogas e expressada pela razo entre a

temperatura de teste e o ponto de fuso na escala absoluta de temperatura (Kelvin) e

sob cargas constantes sofre uma deformao conhecida como fluncia.

Abordou-se nos pargrafos abaixo a explicao do fenmeno de fluncia e as

contramedidas j conhecidas.

4.1 FENMENOS METALRGICOS NA FLUNCIA

Fluncia o estudo do comportamento dos metais em temperaturas altas. As variveis

que influenciam este fenmeno so: tenso, deformao, tempo e temperatura, o que

indica a sua relativa complexidade e a possibilidade de ser traado um grande nmero

de curvas representativas do fenmeno. bastante visto em materiais que so

expostos a temperaturas elevadas e carga constante se deformando como por

exemplo rotores de turbinas em motores a jato e geradores a vapor (DIETER, 1981).

20

Fluncia definida como sendo a deformao permanente e dependente do

tempo de materiais, quando estes so submetidos a uma carga ou tenso

constante, a fluncia em geral um fenmeno indesejvel e, com frequncia,

o fator de limitao na vida til de uma pea. Ela observada em todos os

tipos de materiais; para os metais, ela se torna importante apenas a

temperaturas superiores a aproximadamente 0,47} (7} = temperatura

absoluta de fuso). (CALLISTER, 2002)

A fluncia no material acontece aps um certo tempo em que o mesmo est sendo

forado por uma carga ininterrupta sempre em altas temperaturas facilitando sua

deformao plstica (CHIAVERINI, 2005).

4.1.1 Estudo do ensaio de fluncia

O mecanismo do ensaio de fluncia feito pela descrio de uma norma E139-69 da

ASTM para encontrar a curva de fluncia. Atravs de uma trao em que a pea

(corpo de prova) submetida sem variao de temperatura adquirida sua

deformao ao longo de um certo perodo. Na Figura 4.5 a seguir verifica-se que no

comeo h uma drstica deformao do material utilizado (0) porm no continua

durante todo o tempo, diminuindo esta deformao e neste perodo encontrada a

taxa mnima de fluncia at que aps mais um certo perodo esta deformao a qual

conhecida como taxa de fluncia volta a crescer ocorrendo a fratura. A tenso e a

temperatura possui uma forte influncia nos estgios do ensaio (DIETER, 1981).

21

Figura 4.5 - Curva tpica de fluncia mostrando os trs estgios do processo. Curva A, ensaio de carga constante; curva B, ensaio de tenso constante.


Na fluncia primria o material aumenta sua resistncia por consequncia de sua

prpria deformao, na fluncia secundria por j ter sofrido uma certa deformao o

material fica mais difcil de ocorrer deformao havendo uma certa recuperao do

material e na fluncia terciria a taxa de deformao aumenta devido ao aumento da

temperatura e tenses ocorrendo alteraes microestruturais como por exemplo, a

separao do contorno de gro e a formao de trincas (DIETER, 1981).

Complementanto Dieter (1981), a fluncia primria caracterizada por uma taxa de

fluncia continuamente decrescente. A fluncia secundria, a taxa de fluncia se torna

constante, ou seja, o grfico se torna linear e possui um tempo maior. J na fluncia

terciria, existe uma acelerao da taxa de fluncia at sua fratura (CALLISTER,

2002).

Reforando a teoria de Dieter (1981) e Callister (2002), o ao se alonga em um

determinado perodo sob carga ininterrupta e temperatura acima de 400C. O

alongamento do ao ao ser submetido ao fenmeno de fluncia acontece em trs

perodos como mostrado na Figura 4.6 abaixo. No primeiro (AB) h uma rpida

deformao, no segundo (BC) o alongamento ainda aumenta porm com menos

intensidade em um tempo maior comparado aos outros. No terceiro (CD) o

alongamento aumenta novamente at a sua ruptura (CHIAVERINI, 2005).

22

Figura 4.6 - Curva de fluncia, determinada em ensaio sob carga constante.

Fonte: Chiaverini (2005).

4.1.2 Influncia da temperatura e da tenso nos metais

Tanto a temperatura como a tenso aplicada influenciam as caractersticas da

fluncia, como pode-se observar na Figura 4.7. Quando o ao submetido a uma

temperatura abaixo da temperatura de fuso (0,47Tf), a qual uma temperatura

homloga para os metais, no se leva em considerao o tempo, pois abaixo desta

temperatura sua deformao continua inalterada. Aps o ao sofrer uma certa

deformao inicial, apenas a temperatura e a tenso influencia aumentando a

deformao por fluncia e reduzindo assim o tempo de vida til at sua fratura

(CALLISTER, 2002).

23

Figura 4.7 - Influncia da tenso e da temperatura T sobre o comportamento da fluncia.

Fonte: Callister (2002).

Nos itens a seguir ir ser abordado os efeitos dos elementos de liga e os mecanismos

adotados metalurgicamente para produzir aos de elevada resistncia mecnica.

4.2 EFEITOS DOS ELEMENTOS DE LIGA NOS AOS

Os aos quando submetidos a elevadas temperaturas sem a presena de elementos

de liga no possvel adquirir propriedades mecnicas desejveis. Devido a isso h

a necessidade de se adicionar elementos de liga para que os aos possam adquirir

tais tipos de propriedades como:

Aumentar a dureza e resistncia mecnica;

Conferir resistncia uniforme atravs de toda a seco em peas de grandes

dimenses;

Diminuir o peso (como consequncia do aumento da resistncia);

Conferir resistncia corroso;

Aumentar resistncia ao calor;

Aumentar a resistncia ao desgaste;

Aumentar a capacidade de corte e

Melhorar as propriedades eltricas e magnticas (CHIAVERINI, 2005).

24

Cada elemento de liga possui efeitos diferentes quando adicionados aos aos e para

cada tipo de aplicabilidade necessita de um tipo de liga detalhado na Tabela 4.1.

Tabela 4.1 - Efeitos dos elementos de liga nos aos.

Fonte: Chiaverini (2005). Nota: Dados adaptados pelo autor.

ElementoInfluncia sobre

a ferrita

Influncia sobre a

austenita

(Endurecibilidade)

Principais funes

No ferro gama No ferro alfaTendncia formadora

de carbonetos

Ao durante o

revenido

Cr12,8% (20% com

0,5% C) Sem limites

Endurece

ligeiramente;

aumenta a

resistncia

corroso

Aumenta a

endurecibilidade

moderadamente

Maior que o Mn, Menor

que o W

Moderada; Resiste

diminuio de

dureza

1- Aumenta a resistncia

corroso e oxidao

2- Aumenta a endurecibilidade

3- Melhora a resistncia a altas

temperaturas

4- Resiste ao desgaste (com

alto C)

Mn Sem limites 3%

Endurece

acentuadamente -

reduz um tanto a

plasticidade

Aumenta e

endurecibilidade

moderadamente

Maior que o Fe, Menor

que o Cr

Muito pequena nos

teores normais

1- Contrabalana a fragilidade

devida ao S

2- Aumenta a endurecibilidade

economicamente

Mo 3% (8% com

0,3% C) 37,5%

Produz o

sistema

endurecvel por

precipitao nas

ligas Fe-Mo

Aumenta a

endurecibilidade

fortemente (Mo>Cr)

Forte; maior que o Cr

Ope-se

diminuio de

dureza criando a

dureza secundria

1- Eleva a temperatura de

crescimento de gro da

austenita

2- Produz maior profundidade de

endurecimento

3- Contrabalana a tendncia

fragilidade de revenido

4- Eleva a dureza a quente, a

resistncia a quente e a fluncia

5- Melhora a resistncia

corroso dos aos inoxidveis

6- Forma partculas resistentes

abraso

Ti 0,75% (1% com

0,20% C) 6%

Produz sistema

endurecvel por

precipitao em

ligas Ti-Fe com

alto Ti

Provavelmente

aumenta muito a

endurecibilidade no

estado dissolvido.

Os efeitos de

carbonetos

reduzem-na.

A maior conhecida

Carbonetos

persistentes

provavelmente no

afetados. Algum

endurecimento

secundrio

1- Reduz a dureza martenstica

e a endurecibilidade em aos ao

Cr de mdio Cr

2- Impede a formao de

austenita em aos de alto Cr

W 6% (11% com

0,25% C) 33%

Idem em ligas W-

Fe com alto W

Aumenta a

endurecibilidade

fortemente em

pequenos teores

Forte

Ope-se

diminuio de

dureza por

endurecimento

secundrio

1- Forma partculas duras e

resistentes ao desgaste em

aos-ferramenta

2- Promove dureza e resistncia

a altas temperaturas

V 1% (4% com

0,20% C) Sem limites

Endurece

moderadamente

por soluo

slida

Aumenta muito

fortemente a

endurecibilidade do

estado dissolvido

Muito forte

(V

25

A Tabela 4.2 mostra o efeito de alguns elementos de liga na microestrutura dos aos.

Tabela 4.2 - Principais elementos de liga e seus efeitos.

Fonte: Metals Handbook (1983).

Os elementos de liga tem influncia nas fases austentica e ferrtica, tanto expandindo

o domnio formando austenita como contraindo o domnio formando ferrita. O

nquel e o mangans em altas concentraes eliminam totalmente a fase- ccc, a qual

substituda pela fase a temperatura ambiente ampliando-a como na Figura 4.8 (a).

Com a adio de carbono e nitrognio h expanso do domnio , conforme Figura

4.8 (b), permitindo a formao de uma soluo slida homognea (austenita),

contendo 2,0 %p de carbono e 2,8 %p de nitrognio. O silcio, o alumnio, o berlio e

o fsforo em conjunto com os elementos formadores de carbonetos, como o titnio, o

vandio, o molibdnio e o cromo restringem a formao de ferro , originando uma

ilha ilustrada na Figura 4.8 (c), formando ferro . O elemento boro em conjunto com

os elementos tntalo, nibio e zircnio faz com que a ilha se contrai como na Figura

4.8 (d) (HONEYCOMBE, 1984).

26

Figura 4.8 - Classificao dos diagramas de fase binrios de ferro: a) domnio- aberto; b) domnio- expandido; c) domnio- fechado; d) domnio- contrado.

Fonte: Honeycombe (1984).

Na Figura 4.9 a seguir, mostra o poder relativo dos elementos de liga (H) em que os

estabilizadores de ferrita , como se ver na Figura 4.9 (a), so os elementos

formadores de ferrita e os estabilizadores de austenita como na Figura 4.9 (b) so

os elementos formadores de austenita.

27

Figura 4.9 - Poder estabilizador relativo dos elementos de liga: a) estabilizadores de ferrita; b) estabilizadores de austenita.

Fonte: Maalekkian (2007).

Os elementos de liga podem formar ou no carbonetos dependendo de sua

solubilidade. O Ni, Si, Co, Al, Cu e N no so formadores de carbonetos no ao, devido

a isso no altera as microestruturas formadas aps transformao, assim a cementita

no substituda por carbonetos. J o Cr, Mn, Mo, W, V, Ti, Zr, e Nb h uma forte

formao de carbonetos (MAALEKKIAN, 2007).

Pode-se notar que o Ti por possuir uma Entalpia de formao (H) muito maior do

que os elementos Cr e Mo que por sinal tambm so estabilizadores de ferrita ,

conforme ilustra na Figura 4.9, alm de mudanas na temperatura e composio

eutetide, apenas 1% em peso de Ti elimina a ilha , entretanto 20% em peso de Cr

necessrio para chegar a este ponto e 7% em peso de Mo aproximadamente, j o

Mn diminui a fase ferrita por ser estabilizador de austenita, conforme mostra a Figura

4.10 (HONEYCOMBE, 1984).

28

Figura 4.10 - Efeito de adies de liga no domnio da fase : (a) de Mn, (b), Mo (c) Cr; (d) Ti.

Fonte: Maalekkian (2007). Nota: Dados adaptados pelo autor.

4.3 MECANISMOS DE ENDURECIMENTO DE METAIS

Os metais respondem muito facilmente s alteraes em sua qumica ou aos

tratamentos trmicos, que os fazem mudar seu comportamento mecnico, seja

ganhando resistncia, ductilidade, tenacidade, entre outras propriedades.

O aumento da resistncia mecnica baseia-se nos conhecimentos tradicionais

cientficos, como:

Endurecimento por soluo slida;

29

Endurecimento por precipitao ou disperso de partculas;

Endurecimento por contornos de gro;

Endurecimento por encruamento, entre outros.

Nos itens a seguir ir ser abordado estes mecanismos importantes.

4.3.1 Endurecimento por soluo slida

Para aumentar a resistncia e endurecer metais, devem ser formadas ligas com

tomos de impurezas para que entrem em soluo slida substitucional ou intersticial.

Os tomos de soluto ocupam lugares da rede cristalina de um metal, os quais

provocam distoro na rede e para diminuir a energia do material procuram lugares

onde se acomodam mais facilmente que so junto s discordncias, com isso h

dificuldades de movimentao das discordncias aumentando a resistncia no

material.

Os tomos de soluto ocupam parte da rede cristalina do tomo solvente que se

diferenciam pelo tamanho. Quando os tamanhos dos tomos de soluto for maior ou

semelhante do que do solvente, os tomos de soluto ocupam parte da rede cristalina

do tomo solvente e exercer deformaes compressivas sobre a vizinhana, o qual

chamada de soluo slida substitucional. Uma outra forma, a qual chama-se

soluo slida intersticial, os tomos de impurezas (soluto) so bem menores que os

tomos do metal base (solvente), ocupando assim as posies intersticiais na rede

cristalina do solvente e exercer deformao de trao sobre a mesma. Os elementos

que geralmente formam as solues slidas intersticiais so: carbono, nitrognio,

oxignio, hidrognio e boro. As Figuras 4.11 (a) e 4.11 (b) abaixo mostram como so

ocupados os vazios deixados pelos tomos (DIETER, 1981).

Estes tomos de soluto tendem a se difundir e se agregar ao redor das discordncias

de modo a diminuir a energia global de deformao, ou seja, anulando parte da

deformao na rede no entorno de uma discordncia (CALLISTER, 2002).

30

Figura 4.11 - tomos de impurezas (a) Soluo Slida Substitucional e (b) Soluo Slida Intersticial.

(a) (b)

Fonte: Oliveira (2002).

Os fatores que contribuem para o endurecimento por soluo slida so:

Fator de tamanho relativo;

Fator do mdulo relativo;

Interao eltrica;

Interao qumica;

Interao configuracional.

Para o aumento da resistncia e endurecimento de metais pode ser adquirido atravs

de ligas com tomos de impurezas, estes tomos so mais duros e mais fortes

comparados com as ligas compostas pelo mesmo metal como base. Ao aumentar a

concentrao de impurezas, consequentemente o limite de resistncia trao e

limite de escoamento aumentam conforme ilustram as Figuras 4.12 (a) e 4.12 (b) para

o nquel no cobre. A Figura 4.12 (c) mostra a importncia da ductilidade em funo da

concentrao de nquel (CALLISTER, 2002).

31

Figura 4.12 - (a) Variao do limite de resistncia trao, (b) Variao do limite de escoamento, e (c) Variao da ductilidade (percentual de alongamento) em funo do teor de nquel para ligas

cobre-nquel, mostrando o aumento da resistncia.


Os elementos que no formam carbonetos no ao como o nquel, silcio, cobalto e

alumnio, ou seja, no se dissolvem no ao formando compostos qumicos com o ferro

tem a possibilidade de estar presente no ao como soluo slida. O cobre e o

nitrognio tambm so considerados no formadores de carbonetos porm o cobre

se dissolve no ferro em at 1% em temperaturas consideradas normais, se o teor de

cobre for maior que 7%, o cobre fica no estado livre como incluso metlica. O

nitrognio tem uma solubilidade de at 0,015% na ferrita, quando ultrapassa este valor

o nitrognio se encontra na microestrutura sob forma de nitretos com o ferro ou com

outros elementos como: vandio, alumnio, titnio e cromo. J os elementos de liga

que formam carbonetos estveis como o cromo, mangans, molibdnio, tungstnio,

vandio, titnio, zircnio e nibio, podem ser encontrados no ao na forma de

compostos qumicos de carbono e ferro ou estarem presentes como soluo slida.

Isto depende da quantidade de carbono e de outros elementos de liga presentes. Se

32

um ao contm pouco carbono e uma grande quantidade de elementos de liga, o

carbono formar carbonetos e os elementos de liga no sero totalmente consumidos

formando soluo slida por estar em excesso (MAALEKIAN, 2007).

Os elementos de liga que formam solues slidas na ferrita afetam a sua dureza

provocada pela soluo slida substitucional conforme mostrado na Figura 4.13

abaixo. O Si e Mn concede um efeito maior sobre a dureza da ferrita, enquanto Cr d

menor aumento da dureza (MAALEKIAN, 2007).

Figura 4.13 - Efeito da adio de elementos de liga na dureza da ferrita.

Fonte: Maalekian (2007).

4.3.2 Endurecimento por precipitao ou disperso de partculas

Uma segunda fase com composio e caractersticas distintas so apresentadas no

material acarretando distoro na rede, consequentemente dificultando as

discordncias em se movimentarem atravs destas partculas (ex: carbonetos).

33

O endurecimento por precipitao ocorre quando partculas finamente dispersas de

uma segunda fase precipitam no interior da matriz da fase principal, atravs de

tratamentos trmicos de solubilizao, seguida de tmpera para saturar a soluo

slida e o envelhecimento ou formao de precipitados os quais so duros e finos que

dificultam o movimento de discordncias e aumentam a resistncia mecnica. H dois

tipos de disperso de partculas:

Disperso de partculas incoerentes: este tipo de disperso mais encontrado.

Os precipitados ou fases incoerentes no apresentam uma ordenao entre os

reticulados cristalinos do precipitado e matriz como pode-se observar na Figura 4.14

e Figura 4.15 abaixo (MOREIRA, acesso em 14 nov. 2013).

Figura 4.14 - Al (CFC) e AlCu2 (fase - ortorrmbica)

Fonte: Moreira (acesso em 14 nov. 2013). Nota: Dados adaptados pelo autor.

34

Figura 4.15 - Microestrutura de um ao SAE 1060 esferoidizado, evidenciando os precipitados incoerente de cementita (Fe3C).

Fonte: Moreira (acesso em 14 nov. 2013).

Disperso de Partculas Coerentes: os precipitados coerentes apresentam a

mesma estrutura cristalina da matriz. Os precipitados coerentes esquematizados na

Figura 4.16 so mais endurecedores que precipitados incoerentes, pois so bem

menores podendo se dispersar mais e assim restringindo o movimento de

discordncias. Isto pode ocorrer por dois meios: uma discordncia pode cortar ou

contornar uma partcula de segunda fase (Figura 4.17). Em ambos os casos, ocorre

um aumento de resistncia ao deslizamento da discordncia, ou seja, um

endurecimento do material (MOREIRA, acesso em 14 nov. 2013).

35

Figura 4.16 - Liga de alumnio 7150 (6,2%Zn, 2,3%Cu, 2,3%Mn, 2,3%Mg e 0,12%Zr) endurecida por precipitao coerente).

Fonte: Moreira (acesso em 14 nov. 2013). Nota: Dados adaptados pelo autor.

Figura 4.17 - Discordncia cortando uma partcula.


A formao de uma segunda fase insolvel distribuda na matriz aumenta a resistncia

mecnica devido ao endurecimento por disperso de partculas. Para o

endurecimento por precipitao ocorrer necessrio que a segunda fase seja solvel

36

em temperaturas elevadas mas que diminua a sua solubilidade com o decrscimo da

temperatura (DIETER, 1981).

Na austenita possvel realizar a redistribuio da cementita ao aquecer o ao at a

regio austentica para que ocorra a sua solubilizao, devido a solubilidade da

austenita ser maior do que na ferrita. A Figura 4.18 abaixo, mostra os produtos de

solubilidade de carbonetos e nitretos na austenita em funo da temperatura. Os

carbonetos e nitretos de vandio, titnio e nibio so menos solveis na austenita do

que a cementita. J os carbonetos de cromo, molibdnio e vandio so mais solveis

na austenita do que os outros carbonetos, ou seja, para que estes carbonetos se

precipitem deve-se adicionar uma quantidade maior do que 10%p, o qual uma

quantidade bastante elevada, portanto estes carbonetos se precipitam em maiores

quantidades na ferrita. O nibio e titnio em concentraes superiores a 0,25%p

formam carbonetos de liga alm do necessrio, consequentemente o excesso de

elemento metlico ficar em soluo slida tanto na ferrita como na austenita, portanto

ao se dissolver na austenita estando em temperaturas elevadas de solubilizao h

um efeito prejudicial nas estruturas dos materiais (HONEYCOMBE, 1984).

Figura 4.18 - Produtos da solubilidade de carbonetos e nitretos na austenita em funo da

temperatura.

Fonte: Honeycombe (1984).

37

4.3.3 Endurecimento por contornos de gros

O contorno de gro o limite entre dois gros vizinhos, que possuem orientaes

cristalinas diferentes, devido a isto h distores na rede cristalina. Um material com

granulometria mais refinada h menos movimentos de discordncias alm de elevada

dureza por ter uma rea total de contornos de gros maior dificultando o

escorregamento dos tomos e isso leva a uma resistncia mecnica e tenacidade

elevada por restringir este movimento (MOREIRA, acesso em 14 nov. 2013).

Complementando Moreira (acesso em 14 nov. 2013), os materiais metlicos

apresentam correlao do limite de escoamento com o inverso do tamanho de gro

como pode-se notar na equao de Hall-Petch abaixo (DIETER, 1981).

Onde:

y - limite de escoamento;

d - tamanho mdio do gro;

0 e ky - constantes particulares do material.

A Figura 4.19 mostra que o tamanho ou dimetro mdio de gros podem possuir

direes cristalogrficas diferentes e planos de escorregamentos no alinhados,

formando uma barreira impedindo a passagem dos gros (CALLISTER, 2002).

38

Figura 4.19 - O movimento de uma discordncia medida que ela encontra um contorno de gro, ilustrando como um contorno atua como uma barreira ao caminhar da discordncia.


Em contornos de gro de alto ngulo, se as discordncias no ultrapassarem o

contorno de gro durante a deformao, podem gerar uma concentrao de tenso

frente do plano de escorregamento em um gro, criando novas discordncias em um

gro adjacente. Ao contrrio dos contornos de gro em alto ngulo os contornos de

baixo ngulo no so eficazes em dificultar o movimento das discordncias, devido

leve mudana na direo cristalogrfica atravs do contorno de gro. (CALLISTER,

2002).

O refino de gro no processo de laminao controlada proporciona aos aos melhores

propriedades mecnicas, boa tenacidade e boa soldabilidade (NUNEZ, 2006).

A Figura 4.20 mostra que o processo de laminao controlada possui trs etapas:

regio de recristalizao, regio de no-recristalizao e laminao na regio bifsica

(+) (NUNEZ, 2006).

39

Figura 4.20 - Ilustrao esquemtica de mudanas microestruturais na laminao controlada.

Fonte: Nunez (2006).

Elementos como nibio, vandio, titnio e alumnio so muito utilizados em laminao

controlada para refino de gro sendo que o nibio o mais favorvel, sua solubilidade

na austenita menor, favorecendo a formao de carbetos e nitretos, assim, um

considervel refino de gro pode ser atingido. A Figura 4.21 apresenta um ao

contendo cerca de 0,05 % em peso de Ti ou Nb e 0,2% em peso de C, o nibio e

carbonetos de titnio no se dissolvem at que a temperatura ultrapasse 1200 C

(MAALEKIAN, 2007).

40

Figura 4.21 - Linhas isotrmicas de solubilidade de carboneto de nibio, carboneto de titnio e nitreto de vandio em diferentes temperaturas.

Fonte: Maalekian (2007).

4.3.4 Endurecimento por encruamento

O mecanismo de encruamento que pode ser chamado de endurecimento a frio ("cold

hardening") pelo fato de o material ser deformado a uma temperatura abaixo da

temperatura de fuso ou endurecimento por trabalho mecnico ("work hardening"),

tem a finalidade de transformar um metal dctil mais resistente e com maior dureza

quando o mesmo sofre uma deformao plstica, pois a sua resistncia a deformao

aumenta. A Figura 4.22 abaixo mostra a influncia do trabalho a frio sobre o

comportamento tenso-deformao de um ao (MOREIRA, acesso em 14 nov. 2013).

41

Figura 4.22 - Influncia do trabalho a frio sobre o comportamento tenso-deformao para um ao com baixo teor de carbono.


Pode-se notar na Figura 4.23 (a) e 4.23 (b) que com o aumento do trabalho a frio

aumenta-se tambm o limite de escoamento e limite de resistncia trao dos

materiais, porm devido a este aumento acarreta prejuzo na ductilidade do material

tornando-o mais resistente e frgil como pode-se observar na Figura 4.23 (c)

(CALLISTER, 2002).

42

Figura 4.23 - Para o ao 1040, lato e cobre, (a) o aumento no limite de escoamento, (b) o aumento no limite de resistncia trao, e (c) reduo na ductilidade.


Utiliza-se o encruamento para o endurecimento de ligas ou metais que no apreciam

o tratamento trmico. H um grau de encruamento que pode ser visto pela inclinao

da curva de escoamento. Com o aumento da temperatura durante a deformao pode

diminuir a taxa de encruamento. Em ligas endurecidas por adio em soluo slida,

a taxa de encruamento pode ser aumentada ou diminuda, em comparao com o

metal no estado puro, mas o que se observa geralmente que as ligas apresentam

43

maior resistncia do que o metal puro sofrendo o mesmo trabalho frio (DIETER,

1981).

Atravs da Figura 4.24, pode-se observar a variao da resistncia e da ductilidade

com o aumento da quantidade de trabalho frio. No trabalho a frio, uma ou duas

dimenses so reduzidas devido ao aumento de outras, h elongao dos gros na

direo de trabalho. Ao ocorrer grandes deformaes, os gros se reorganizam em

uma orientao preferencial. Pode ocorrer uma pequena reduo na densidade, uma

perda considervel de condutividade eltrica pelo aumento da quantidade de centros

espalhadores, um pequeno aumento do coeficiente de expanso trmica ocorre

tambm da reatividade qumica devido ao aumento da energia interna. Isso possibilita

um decrscimo da resistncia corroso e pode causar trincas de corroso sob

tenso no material (DIETER, 1981).

Figura 4.24 - Variao das propriedades com a quantidade de trabalho a frio.


Altas taxas de encruamento acarretam vrias obstrues de discordncias deslizantes

nos sistemas de deslizamento que se cortam. Isso pode ocorrer:

44

Mediante interaes dos campos de tenso das discordncias e que

provocam discordncias bloqueadas;

Mediante interpenetrao de um sistema de deslizamento por outro que

originam a formao de degraus de discordncias.

A multiplicao do nmero de discordncias durante a deformao de um metal reduz

o caminho livre entre discordncias, reduzindo sua movimentao (DIETER, 1981).

Pode-se atentar que este mecanismo no se aplica para aos que iro trabalhar a

quente pois a temperatura pode promover um recozimento e reduzir a resistncia

mecnica do ao como por exemplo a densidade de discordncias.

Recozimento

o tratamento trmico realizado com o fim de alcanar um ou vrios seguintes

objetivos: remover tenses devidas ao tratamentos mecnico a frio ou a quente,

diminuir a dureza para melhorar a usinabilidade do ao, alterar as propriedades

mecnicas como resistncia, ductilidade, modificar os caractersticos eltricos e

magnticos, ajustar o tamanho de gro, regularizar a textura bruta, remover gases,

produzir uma microestrutura definida, eliminar enfim os efeitos de quaisquer

tratamento trmicos ou mecnicos a que o ao tiver sido anteriormente submetido

(CHIAVERINI, 2005).

Tmpera

Tem como objetivo obter estrutura martenstica para se obter aumento na dureza,

aumento na resistncia trao e reduo na tenacidade. Aps austenitizao o ao

resfriado rapidamente com velocidade maior ou igual a velocidade crtica de

resfriamento. A tmpera gera tenses ento deve-se fazer revenido posteriormente.

O nvel de resistncia alta da martensita favorecida pela reduzida espessura de

maclas no interior das placas e tambm pela alta densidade de discordncias, ou seja,

45

a cada 1 centmetro quadrado possui 1011 a 1012 discordncias contidas em blocos

que constroem barreiras para intervir o deslizamento. Uma outra caraterstica da

martensita a quantidade de carbono mostrado na Figura 4.25 abaixo, que adquire

uma elevada dureza com baixa concentrao em relao aos outros tipos de

transformao (KELLY ; NUTTING, 1955 apud DIETER, 1981).

Figura 4.25 Dureza de vrios produtos de transformao de aos.


Atravs de uma pesquisa desenvolvida, foi identificado que a martensita formada a

partir da matriz austentica a qual tem um expressivo aumento de dureza. Para que

acontea essa formao de martensita, a austenita precisa ser resfriada e deformada

em um curto intervalo de tempo, normalmente por laminao, e temperada a

temperaturas abaixo de Ms antes que seja transformada em perlita ou baianita para

46

que no torne o ao dctil por um processo chamado ausforming ilustrado na Figura

4.26, aumentando assim a sua densidade de discordncia se tornando bem

distribudas alm de aumentar o limite de escoamento (KELLY ; NUTTING, 1955 apud

DIETER, 1981).

Figura 4.26 Diagrama tempo-temperatura-transformao mostrando os passos no processo de ausforming.


Este mecanismo no se aplica eficientemente em aplicaes que envolvem elevadas

temperaturas, pois o aquecimento funciona como o revenido da martensita que reduz

a sua propriedade mecnica.

Revenido da Martensita

A martensita por se tratar de uma estrutura supersaturada em carbono deve-se passar

por um tratamento trmico de revenido formando martensita revenida que nada mais

do que ferrita + cementita (perlita) a qual tambm bem dura porm suas

propriedades como a ductilidade e tenacidade so melhoradas, pois a ferrita

bastante dctil e tenaz alm de aumentar o nmero de contornos e a cementita por

apresentar partculas finas reforando os contornos da ferrita (barreiras de

47

discordncias), porm se aplicado por um perodo longo a elevadas temperaturas as

partculas de cementita se coalescem reduzindo a dureza. Na Figura 4.27 abaixo

mostra a relao do percentual de carbono e a dureza da martensita e perlita com

uma dureza intermediria da martensita temperada devido a explicao acima

(CANALE, acesso em 11 abr. 2014).

Figura 4.27 Efeito da martensita revenida no ao.

Fonte: Canale (acesso em 11 abr. 2014). Nota: Dados adaptados pelo autor.

Esferoidizao

A esferoidizao origina uma forma globular ou esferoidal de carboneto no ao atravs

de um aquecimento e resfriamento, tendo como finalidade melhorar a usinabilidade

principalmente de aos com elevado teor de carbono.

Algumas tcnicas de esferoidizar a estrutura so: aquecimento a uma temperatura

logo acima da linha inferior de transformao, seguido de esfriamento lento;

aquecimento por tempo prolongado a uma temperatura logo abaixo da linha inferior

de zona crtica, o qual este tratamento tambm chamado de recozimento subcrtico

48

e aquecimento e resfriamento alternados entre temperaturas que esto logo acima e

logo abaixo da linha de transformao inferior (CHIAVERINI, 2005).

Os meios de endurecimento ou mudana de comportamento revisados acima, servem

a entender como o metal tem sua propriedade alterada temperatura ambiente,

entretanto quando adiciona-se a varivel temperatura, mais elevada do que a

ambiente, mudanas so esperadas que aconteam e que podem tornar o

comportamento do metal, ora resistente por exemplo, tornar-se dctil e malevel,

perdendo suas propriedades originais.

49

5 METODOLOGIA

Este trabalho de concluso de curso no teve ensaios mecnicos mas sim foi focado

nos estudos recentes de aos desenvolvidos no mercado para o trabalho em

situaes que envolvam temperaturas altas e tenso aplicada.

Neste projeto foi feita uma reviso bibliogrfica extensa e foi analisado estudos de

outros autores e retirou-se as concluses das composies qumicas e

microestruturas mais adequadas para esta aplicao.

50

6 DISCUSSO DOS ESTUDOS DOS AOS PARA O CALOR

Os autores Ennis e Czyrska-Filemonowicz (2003) estudaram aos em testes de

fluncia, cujo objetivo foi analisar o comportamento de diferentes aos com suas

composies qumicas diversas, avaliando o efeito dos elementos microligantes (Nb,

V, Cr, Mo e W que so endurecedores formadores de carbonitretos alm de

aumentarem a temperabilidade, o que facilita obter a martensita dura e resistente) e

das condies de temperaturas do tratamento trmico de tmpera e revenido. Pode-

se notar que os melhores aos tem mais Cr e W endurecedores que o caso do P92

e E911.

A composio qumica destes aos pode ser vista na Tabela 4.3.

Tabela 4.3 - Detalhes de aos de alto cromo, composies qumicas em peso %.

Fonte: Ennis e Czyrska-Filemonowicz (2003).

Nota: Dados adaptados pelo autor.

Observa-se que os aos para o trabalho a quente possuem cromo adicionado

intencionalmente devido conhecida propriedade de resistncia oxidao conferida

por esse elemento como pode-se ver na Figura 6.1 abaixo.

51

Figura 6.1 Grfico ilustrando a passividade dos ao-cromo expostos durante 10 anos a uma atmosfera industrial.

Fonte: Chiaverini (2005).

Todos os aos estudados para o trabalho a quente foram tratados termicamente por

tmpera e apresentaram uma microestrutura martenstica cuja resistncia mecnica

foi elevada devido aos carbonetos precipitados que resultaram pela quantidade de

microligantes presentes. Esta microestrutura martenstica importante para esta

aplicao por tratar-se de aos estruturais.

As condies de austenitizao empregadas neste estudo, foram detalhadas pois os

pesquisadores observaram que a microestrutura e propriedade mecnica resultante

variavam em funo das condies trmicas da tmpera e revenido.

No tipo de ao P92, 3 condies de austenitizao foram empregadas, 970, 1070 e

1145C, e os pesquisadores observaram algumas importantes caractersticas que

podemos resumir abaixo:

As condies trmicas usadas resultaram na martensita com alta densidade de

discordncia, alm de ilhas isoladas de austenita retida;

52

Dentro das ripas de martensita foi observado precipitados de carbono do tipo

M3C;

As condies de revenido propiciaram a precipitao de carbonetos, nitretos e

carbonitretos;

Nos aos estudados observou-se que os carbonetos M23C6, continham Cr, Fe,

Mo e W e precipitavam preferencialmente nos contornos dos gros austenticos

prvios e nos limites das ripas de martensita.

A Tabela 6.1 abaixo resume algumas condies. Chama ateno ao analisarmos as

diferenas dos tratamentos ocorridos nas condies:

1 - Austenitizado a 970C e revenido a 775C;

2 - Austenitizado a 1070C e revenido a 775C e;

3 - Austenitizado a 1145C e revenido a 775C.

Tabela 6.1 - Parmetros microestruturais quantitativos para P92 em diferentes condies de tratamento trmico e aps ensaio de fluncia.



Observa-se que as larguras das ripas de martensita, chamada pelo autor de "sub-

grain width", resultaram mais finas, 0,38 micrometro, para a temperatura de

austenitizao a 970C e mais grossas com 0,58 micrometro para a mais alta condio

de austenitizao (1145C). Estes pesquisadores concluram que a razo deste refino

53

das larguras das ripas de martensita deveu-se aos carbonetos do tipo M23C6 que se

dissolveram em temperaturas mais altas de austenitizao permitindo o crescimento

do gro austentico primrio e isso afetou a largura da martensita final. Importante

salientar que a menor largura das ripas martensticas tem o mesmo efeito de

endurecimento mecnico que os tamanhos de gro refinados que ocorrem por

laminao controlada.

Os aos adequados para o trabalho a quente devem ser aqueles que apresentam a

maior resistncia ao "amolecimento", ou seja que resiste perda de resistncia

mecnica, que resultado de mudanas microestruturais que podem ocorrer no ao,

motivadas pela temperatura alta de servio. Exemplos do que pode ocorrer so:

Coalescimento de precipitados;

Precipitao de carbonetos reduzindo a saturao de carbono da martensita;

Recuperao de defeitos como lacunas;

Reduo da densidade de discordncias;

Recristalizao e;

Crescimento do gro.

Com intuito de observar essas possveis mudanas motivadas pela temperatura, os

pesquisadores observaram as alteraes geradas na microestrutura da martensita

revenida quando exposta s temperaturas de 600 e 650 C.

Em todos os casos estudados por Ennis e Czyrska-Filemonowicz (2003), observaram

uma queda acentuada da densidade de discordncias que foram geradas pela

transformao martenstica.

Um resumo do investigado por estes autores pode ser visto na Figura 6.2 abaixo.

54

Figura 6.2 - Os resultados de medidas quantitativas de caractersticas microestruturais P92 aps diferentes tratamentos trmicos: 2h/970C + 2h/1070 C, 2h/1070C + 2h/715 C, 2h1070C + 775 C (como recebido), 2h/1070C + 835C, 2h/1145C + 2h/775 C e depois da exposio de fluncia a 600 C para 1500, 10000 e 33000 h.

Fonte: Ennis e Czyrska-Filemonowicz (2003). Nota: Dados adaptados pelo autor.

Nesta Figura 6.2 vemos alm da queda da densidade de discordncias, h um

aumento na largura das ripas de martensita, e um aumento do dimetro mdio dos

carbonetos (coalescimento de precipitados) do tipo M23C6 e carbonetos, nitretos e

carbonitretos do tipo M(C, N) exemplos de NbC, VC, VN, NbN. Numa anlise

detalhada os autores verificaram os carbonetos do tipo M23C6 contm Cr, Fe, Mo e W.

As alteraes apresentadas acima e que podem tambm ser vistas na Figura 6.3

fazem com que os aos percam a sua propriedade mecnica e ganhem ductilidade

deformando-se. Estes so efeitos indesejveis para a aplicao de ao que envolva

calor. Entretanto, mesmo com a deformao gerada pela maior ductilidade, existem

aos que tem melhor desempenho do que outros e este o ponto-chave desta

aplicao.

55

Figura 6.3 - Densidades deslocamento e larguras de sub gros para P92 aps ensaio de fluncia a 600 e 650C.



Ennis e Czyrska-Filemonowicz (2003) avaliaram a taxa de deformao por fluncia

(estgio secundrio) e sumarizou na Figura 6.4. Este grfico mostra que o ao P92

tem melhor desempenho do que os demais em qualquer temperatura de trabalho (600

ou 650C).

Figura 6.4 - Taxa de fluncia secundria para P91, P92 e E911.



Os autores mostraram uma comparao entre os aos P91, P92 e E911, o P92 tem

antes do ensaio de fluncia maior densidade de discordncias (Tabela 6.2) do que os

demais, e ainda tem a largura das ripas refinadas. Depois do teste de Fluncia, a

Tabela 6.3 mostra que os resultados indicam uma menor perda desta densidade de

discordncias ao longo do tempo para o P92.

56

Tabela 6.2 - Densidade de deslocamento e tamanho mdio de sub gro de como recebeu P91, P92 e Aos E911.



Tabela 6.3 - Densidade de discordncias em aos P91, P92 e E911 fluncia testado a 600C.

Nd no determinado

Fonte: Ennis e Czyrska-Filemonowicz (2003). Nota: Dados adaptados pelo autor.

Essa maior resistncia perda de resistncia mecnica do ao P92, foi atribuda aos

precipitados do tipo VN e Nb (C, N) que precipitam entre as ripas martensticas e

atuam como obstculos ao movimento das discordncias durante a deformao

ocorrida no ensaio de fluncia, alm disso os precipitados do tipo M23C6, retardam o

crescimento das ripas martensticas e dos gros reforando a resistncia mecnica.

A precipitao destes precipitados foi, durante o ensaio, induzida pela tenso aplicada

e houve um crescimento mdio destes precipitados (coalescimento) ilustrado na

Figura 6.6, este tipo de ocorrncia foi tambm relatado em aos ao cromo feita por

Eggeler et al., 1987; Schaffernak et al., 1998 ; Httesrand & Andrn, 2001 apud Ennis

e Czyrska-Filemonowicz, 2003.

O endurecimento comentado no pargrafo anterior um fato conhecido

cientificamente e mencionado no artigo de Maalekian (2007). Este fenmeno

conhecido como "endurecimento secundrio" que algumas ligas temperadas

apresentam quando tem a presena de elementos fortemente formadores de

carbonetos (Mo, W, Nb, Ti, Cr) como estas mencionadas neste projeto de TCC, e so

submetidas ao revenido em temperaturas da ordem de 500 a 600 C. Nesta condio

trmica ocorre a precipitao de carbonetos que resultam num aumento de resistncia

57

mecnica fluncia. Um exemplo desta situao est na Figura 6.5 abaixo que

demonstra o efeito do Mo.

Figura 6.5 - O efeito de molibdnio na tmpera dos aos com 0,1% em peso de C.

Fonte: Maalekkian (2007). Nota: Dados adaptados pelo autor

58

Figura 6.6 - Medidas estatsticas das partculas M23C6 e MX formados em P92 (cabea e

comprimentos medidos) aps a deformao de fluncia a 600C.

. Fonte: Ennis e Czyrska-Filemonowicz (2003).


Neste estudo os autores Ennis e Czyrska-Filemonowicz (2003) no identificaram pela

composio qumica a razo pela qual o ao P92 melhor do que os demais aos.

Alguma relao da qumica foi estudada por Mesquita e Barbosa (2005) que

estudaram aos para o trabalho a quente e relataram que o teor de cromo alto gera

carbonetos secundrios do tipo M7C3 que atrai o Mo em soluo slida e reduz a

formao dos carbonetos de Mo do tipo M2C, esse fato piora a resistncia fluncia.

59

7 CONCLUSO

Foi feita uma reviso bibliogrfica visando o estudo para aplicabilidade dos aos

expostos a elevadas temperaturas de servio atravs do abrangente conhecimento

sobre estes tipos de ao e tendo vrios autores como referncia.

A maior resistncia ao trabalho a quente obtida quando ocorre a precipitao de

carbonetos e nitretos finamente distribudos, do tipo VN e Nb (C, N) que dificultam a

deformao gerada durante o trabalho a quente sob tenso.

A presena de elementos fortemente formadores de carbonetos que tem baixa

dissoluo em elevadas temperaturas, do tipo M23C6 com Mo, W e Cr geram gros

austenticos primrios menores pois so obstculos ao crescimento do gro durante

a austenitizao e como consequncia geram ripas martensticas mais finas e de

maior resistncia mecnica deformao, mesmo em temperaturas elevadas de

trabalho.

A deformao que ocorre durante o trabalho a quente tem a sua resistncia

aumentada devido precipitao induzida pela tenso x deformao do carboneto

M23C6 com teores de Mo, W e Cr. Este fenmeno conhecido como "endurecimento

secundrio" que ocorre no revenido de ligas com elevadas concentraes de

elementos fortemente formadores de carbonetos.

A falha de estruturas pelo trabalho a quente sob tenso ocorre devido reduo da

densidade de discordncias geradas pela formao da martensita; pelo coalescimento

dos precipitados; pelo aumento da largura das ripas de martensita que so obstculos

ao deslizamento da deformao; pela recuperao e recristalizao da microestrutura

e ainda pela corroso do metal-base que reduz a massa resistiva.

Aos para esta aplicao estrutural em servios que envolvem temperaturas e

esforos mecnicos, tem que possuir na sua qumica elementos forte formadores de

carbonetos como o Mo e W por exemplo pois estes exercem um efeito endurecedor

durante a deformao que ocorre na fluncia no ao, e ainda elementos formadores

60

de carbonitretos que aumentam a resistncia pelos precipitados finamente distribudos

na martensita.

O Cr essencial por 2 razes, melhora a temperabilidade dos aos e melhora

significativamente a resistncia corroso a quente.

Estes aos tambm devem ser bastante duros por serem de aplicao estrutural, e

devem ter uma estrutura martenstica revenida que atende a esta condio de elevada

resistncia mecnica.

61

REFERNCIAS

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de Janeiro: LTC, 2002. CANALE, L. Revenido. Disponvel em: . Acesso em: 11 abr. 2014. CHIAVERINI, V. Aos e ferros fundidos. 6. ed. So Paulo: ABM, 1988. DIETER, G. E. Metalurgia mecnica. 2. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 1981. ENNIS, P. J. e CZYRSKA-FILEMONOWICZ, A. Recent advances in creep-resistant steels for power plant applications. Germany: Institute for Materials and

Processes in Energy Systems, 2003. HONEYCOMBE, R. W. K. Aos microestrutura e propriedades. Lisboa: Fundao Calouste Gulbenkian, 1984.

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