Cálculo da fraçÃo de amaciamento dos aços sae 4340 e sae 1518 utilizando ensaios de torçÃo a quente



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CÁLCULO DA FRAÇÃO DE AMACIAMENTO DOS AÇOS SAE 4340 E SAE 1518 UTILIZANDO ENSAIOS DE TORÇÃO A QUENTE

M.B.Silva; L.Nogueira; H.K.A.Ambo; M.L.P.Machado; A.Marques; M.R.B.Tasca.

Av. Vitória, 1729 - Bairro Jucutuquara - 29040-780 - Vitória - ES.

Instituto Federal do Espírito Santo




RESUMO

O estudo dos fenômenos metalúrgicos que ocorrem durante os processos de conformação mecânica é importante, pois determinarão as propriedades mecânicas dos materiais. O ensaio de torção a quente é um método capaz de estudar o comportamento mecânico do material quando deformado a quente. Ele consiste de uma técnica experimental que possibilita a simulação do processo de laminação a quente, sendo possível avaliar a influência de parâmetros, como temperatura e taxa de deformação. O objetivo desse trabalho foi o cálculo da fração de amaciamento, avaliando as influências dos parâmetros termomecânicos que ocorrem durante o processo de deformação a quente. Assim, analisando a evolução da curva de escoamento plástico em conjunto com observações microestruturais foi possível determinar o mecanismo de amaciamento dominante em cada uma das etapas de processamento, e também se permitiu, determinar os eventos característico da laminação a quente e projetar sequencias de deformações que aperfeiçoam o processamento.

Palavras chave: Torção a quente; laminação; fração de amaciamento.

  1. INTRODUÇÃO

Os principais processos industriais de conformação a quente são a laminação, a extrusão e o forjamento. Esses processos podem ser caracterizados em termos das variáveis relevantes à simulação por torção a quente sendo essas, em geral, a temperatura, a deformação, a taxa de deformação e o tempo entre deformações [1].

O processo de conformação a quente consiste, inicialmente, em aquecer o material até a temperatura de encharque para a austenitização, realizar deformações programadas nas etapas de desbaste e de acabamento e em seguida promover o resfriamento controlado do material. A etapa de acabamento, durante o processo de tiras a quente na laminação de aços livres de intersticiais, é realizada com curtos tempos de espera entre passes. Sendo o intervalo entre passes pequenos, a recristalização estática não se completa, podendo ter o acúmulo de deformação de um passe para o outro e, consequentemente, o processo passa a ser controlado pela recristalização dinâmica ou metadinâmica, quando os últimos passes são efetuados no campo austenítico e ou pela recuperação dinâmica no campo ferrítico.

Uma técnica experimental capaz de reproduzir estas condições de processamento e que permite investigar os mecanismos que estão operando é o ensaio de torção a quente, através das curvas de escoamento plástico e do acompanhamento microestrutural. Com ensaios de torção a quente pode-se realizar sequencias de passes impondo parâmetros de processamento tais como a temperatura de reaquecimento, a taxa de resfriamento, a quantidade de deformação, a taxa de deformação e o tempo de espera entre passes.

Os ensaios de torção funcionam da seguinte forma: O eixo da máquina é dividido em duas partes, um eixo torçor e um eixo fixo que executa apenas o movimento de translação para permitir a colocação e a retirada dos corpos-de-prova. O controle, bem como o sistema de aquisição de dados, é feito através de uma interface com um computador.

As vantagens do ensaio de torção para determinação das curvas de escoamento plástico são inúmeras em relação a outros tipos de ensaios [5].

Analisando a evolução da curva de escoamento plástico em conjunto com observações microestruturais pode-se determinar o mecanismo de amaciamento dominante em cada uma das etapas de processamento, permitindo assim, determinar os eventos característico da laminação a quente e projetar sequencias de deformações que aperfeiçoam o processamento [2].

A laminação é um exemplo de trabalho mecânico a quente, sendo uma etapa de extrema importância, pois é através dela que se obtêm as formas adequadas dos produtos em aço para uso comercial (chapas, perfis, barras) [3].

O aço carbono é a liga metálica mais largamente utilizada para construção de estruturas e equipamento devido as suas excelentes propriedade mecânica. Em geral define-se metalurgicamente, “aço-carbono” como sendo uma liga de ferro contendo entre 0,05 e 2,0% em massa de carbono. Além do ferro e do carbono, esse aços contêm sempre alguma quantidade de manganês, enxofre e fósforo, podendo apresentar ainda pequena quantidade de silício, alumínio e cobre [4].



  1. MATERIAIS E MÉTODOS



    1. MATERIAL UTILIZADO

Foi utilizado um aço do tipo SAE 4340 e do tipo SAE 1518, cujas composições químicas estão apresentadas na Tabela I seguinte. A análise química foi realizada utilizando um espectrômetro Oxford Instruments, modelo Foundry-Master Pro do laboratório de redução do IFES.

Tabela I – Composição química do aço SAE 4340 e do aço SAE 1518




%C

%Mn

%P

%S

%Si

%Cr

%Mo

%Ni

%Al

%Cu

SAE 4340

0,4330

0,7100

0,0129

0,0181

0,2320

0,7310

0,2410

1,6500

-

-

SAE 1518

0,2080

1,2480

0,0127

0,0249

0,1870

0,0760

0,0130

0,0380

0,0420

0,0640



    1. PREPARAÇÃO DOS CORPOS DE PROVA

Os corpos de prova de torção foram usinados a partir de barras cilíndricas de 15,88mm, com diâmetro útil de 5mm e comprimento útil de 20mm, como representado na Fig. 1. O dimensionamento dos corpos de prova, diâmetro e comprimento úteis, foram otimizados para atender à capacidade de máximo torque do equipamento de torção e, assim, obter maiores taxas de deformação.



Figura 1 - Desenho esquemático do corpo de prova.

    1. ENSAIOS ISOTÉRMICOS INTERROMPIDOS COM DUAS DEFORMAÇÕES

Esses ensaios são realizados com o objetivo de se descobrir o que acontece nos intervalos entre os passes na conformação mecânica

Os ensaios foram interrompidos após uma deformação (ε1= 0,2) menor do que a deformação crítica ou (ε1= 0,3) maior do que a deformação crítica obtida no ensaio de torção a quente que foi de 0,24 (εc=0,36).

Os corpos de prova foram aquecidos até 1200°C a uma taxa média de 3ºC/s, e mantidos nessa temperatura durante 3 minutos, em seguida resfriados até a temperatura de ensaio a uma taxa média de 1ºC/s e mantidos nesta temperatura por 1 minuto para eliminação dos gradientes térmicos antes do início da deformação.

A temperatura de ensaio foi mantida constante em 1050°C para os dois aços e tempo entre passes variando em intervalo de 1, 5, e 40 para o aço SAE 4340 e com taxa de deformação de 0,2 s-1. Já para o SAE 1518, os tempos de espera entre passes foram de 1, 5, 20, 59 segundos, com taxa de deformação de 0,2 s-1.



  1. RESULTADOS E DISCUSSÃO

Os ensaios foram realizados de acordo com o procedimento explicitado no item 2.3. Com este tipo de experimento foi possível investigar os fenômenos de amaciamento que ocorrem nos intervalos entre passes em sequências de deformações.

A fração de amaciamento que ocorre entre os passes, foi determinada pelo parâmetro de amaciamento PA (%), que é expresso pela equação 1 [2]:



(1)

Onde σm é a tensão na primeira interrupção do teste, σ0 é a tensão de início de escoamento plástico na primeira deformação e  a tensão na segunda deformação.

Para cada ensaio foram obtidas as curvas de escoamento plástico que podem ser vistas nas Fig. 2 e 3.

Observa-se que a tensão de recarregamento da segunda deformação das Fig. 2-a e 3-a (tempo de passe igual a 1s) está muito superior da tensão de recarregamento da primeira deformação para os dois aços SAE 4340. Já na Fig. 2-b e 3-b (com um tempo de passe igual a 5s), essa diferença diminui, mostrando que o material amaciou mais do que a situação anterior.

As curvas 2-c e 3-c mostram um amaciamento maior com um tempo de passe também maior (40s e 20s). É visto também uma completa recristalização na figura 3-d, que corresponde a um tempo de passe maior (59s), pois as tensões de recarregamento tanto na primeira deformação, quanto na segunda deformação, são de mesmo módulo. Por fim, as Fig. 2-d e 3-e comparam todos os fenômenos ocorridos no aço SAE 4340 e SAE 1518 em uma só imagem.



Figura 2: Ensaios isotérmicos com duas deformações realizados a 1050ºC do aço SAE 4340, taxa de deformação 0,2 s-1, deformação 0,2 e tempo entre passes (tip) de: (a) 1s, (b) 5s e (c) 40s. Sendo (d) curva de comparação entre todos os tempos.





Figura 3: Ensaios isotérmicos com duas deformações realizados a 1050ºC do aço SAE 1518, taxa de deformação 0,2 s-1, deformação 0,2 e tempo entre passes (tip) de: (a) 1s, (b) 5s , (c) 20s, (d) 60s e (e) curva de comparação entre todos os tempos.

Com base nas curvas de escoamento plástico mostrado nas Figuras 2 e 3, observa-se que à medida que o tempo entre passes aumenta, a tensão de recarregamento (σr) diminui. Isto ocorre porque o tempo entre passes é suficiente para que a recuperação e a recristalização estática restaurem o material, provocando assim amaciamento significativo após a deformação a quente. Podemos observar ainda que não houve recristalização total, uma vez a fração de recristalização não chegou a 95%.



  1. CONCLUSÃO

Nos ensaios isotérmicos dos aços SAE 4340 e SAE 1518, os dois materiais recristalizam dinamicamente acima da deformação crítica, e foi possível observar um aumento da tensão de pico à medida que a temperatura decresce.

Também se pode concluir que quanto maior o tempo entre passes, maior a fração de amaciamento dos materiais estudados. Os materiais que foram submetidos a uma deformação de 0,2, se recristalização estaticamente nos intervalos entre os passes.



  1. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
  1. BARBOSA, R. Simulação de processos industriais a partir do ensaio de torção a quente, Minas Gerais, Brasil, Escola de Engenharia da Universidade Federal de Minas Gerais, 1989.


  2. REGONE, W. Simulação da laminação a quente de um aço livre de intersticiais (if) através de ensaios de torção, São Paulo, FAPESP, 2001.

  3. FERRAZ, H. Aço na construção civil, São Paulo, Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo, 2005.

  4. BOSSARDI, K. Nano tecnologia aplicada a tratamentos superficiais para o aço carbono 1020 ao fosfato de zinco, Rio Grande do Sul, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 2007.

  5. JARRETA, D, D. SOUZA, N, E. BALANCIN, O. BARBOSA, A, C. Análise crítica da base de dados de software de simulação numérica para conformação a quente da liga VAT 718, Tecnologia em Metalurgia e Materiais – ABM, São Paulo, 2008.

Abstract

The study of the metallurgical phenomena during forming process is important to determine the steel mechanical properties. The hot torsion testing studies the steel behavior at hot forming temperatures. This experimental technique allows the simulation of the hot rolling process, and therefore enables to assess the influence of a few parameters such as: temperature and strain rate. The aim of this study is to assess the mean flow stress of the material, calculate the fractional softening and then relate those with the influence of thermomechanical parameters that occur during the hot forming; such as: static and dynamic recrystallization, mean flow stress and microstructure.

Key words: hot torsion, rolling mill, fraction of softening



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