4.1. Material
O material a ser utilizado neste trabalho é um aço de baixo carbono, microligado com Nb, com a composição química (% em massa) mostrada na tabela.
Tabela 4.1. Composição química (% em massa) do aço.
C Mn Si Al P S Nb N
0,15 1,42 0,37 0,052 0,023 0,009 0,031 0,0042
A figura 4.1 mostra as micrografias óptica e eletrônica de varredura da amostra do aço na condição como recebido da indústria. A micrografia desta amostra é constituída de ferrita proeutetóide e perlita que são indicadas pelas letras α e P, respectivamente.
Figura 4.1. Micrografias do aço na condição como recebido da indústria; a) micrografia óptica. Ataque: nital 2%; b) micrografia eletrônica de varredura. Ataque: nital 4%. A ferrita e
4.2. Procedimento Experimental
4.2.1. Processamento Térmico das Amostras
As amostras foram submetidas a tratamentos térmicos intercríticos para obter microestruturas constituídas de martensita e ferrita com diferentes frações volumétricas de martensita.
Para obter frações volumétricas de 0 a 100% de martensita, as amostras foram aquecidas no forno tipo mufla em temperatura de austenitização de 750, 760, 770, 950 e 1100°C com um tempo de permanência de 15 minutos e resfriadas em mistura de água e gelo até atingir a temperatura ambiente. Foram utilizadas 5 amostras para cada temperatura de tratamento.
4.2.2. Análise Microestrutural
Após os tratamentos térmicos, as amostras foram preparadas para análise microestrutural que consistiu em submetê-las nas etapas de lixamento (granulometria de 180, 220, 320, 400, 500, 600, 800, 1200, 2400) e polimento convencional a base de pasta de alumina (1 µm) e pasta de diamante (0,25µm).
Na sequência da etapa de lixamento e polimento, foi realizado ataque químico nas amostras para revelar a microestrutura dos aços tratados. Este ataque consistiu na imersão da superfície polida da amostra em um reagente para distinguir a martensita presente na microestrutura dos demais microconstituintes. O reagente usado para revelar a microestrutura foi o nital:
• Nital: o uso consiste em imergir a superfície da amostra por, aproximadamente, 10s, tempo necessário para que a superfície espelhada da amostra após o lixamento e polimento torne-se fosco. O reativo Nital é composto de uma solução de 2% de ácido nítrico em álcool etílico.
As análises qualitativa e quantitativa da microestrutura inicial foram realizadas por meio de um programa computacional que possibilita a determinação do valor das áreas das regiões claras e escuras das micrografias ótica, em amostras submetidas a ataques químicos com
A figura 4.2 ilustra o ciclo de tratamento térmico para estudo do revenimento. Este ciclo é dividido em duas etapas: tratamento térmico intercrítico e revenimento. Na primeira etapa, uma amostra é aquecida à temperatura de 1100ºC com tempo de permanência de 900s (15 min) e resfriada em uma mistura de água e gelo até a temperatura ambiente. Após a etapa do tratamento intercrítico, a amostra é aquecida a 600ºC com tempo de permanência de 900s (etapa de revenimento) e resfriada rapidamente em uma mistura de água e gelo. A microestrutura da martensita revenida foi avaliada por microscopia eletrônica de varredura.
0 150 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 1500 900s Água + gelo Revenimento Tratamento térmico intercrítico 900s Aquecimento Têmpera (água + gelo) 1100ºC 600ºC T e m p e ra tu ra ( ºC ) Tempo
Figura 4.2. Ciclo do tratamento térmico
4.2.3. Ensaios Dilatométricos
As amostras com diferentes frações volumétricas de martensita foram submetidas a ensaios dilatométricos a diferentes taxas de aquecimento (0,1; 1,0; 5,0 e 13ºC/s) até a temperatura de 950ºC, e determinadas às temperaturas de início e fim de formação da austenita, Ac1 e Ac3, respectivamente.
Os ensaios foram realizados em um dilatômetro de têmpera do tipo Adamel-Lhomargy LK.02. O dilatômetro é equipado com um forno de radiação para o aquecimento, que possui duas lâmpadas de filamento de tungstênio focalizadas na amostra de dimensões de 12mm de comprimento e 2mm de diâmetro. A figura 4.3 mostra a geometria da amostra padrão usada
resfriamento, são transmitidas através de uma haste de sílica amorfa a um transdutor linear diferencial variável (linear variable differential transformer – L.V.D.T.), e as medidas armazenadas em computador. A temperatura é medida por meio de um termopar do tipo cromel-alumel, soldado na superfície da amostra, sendo a margem de erro de ± 5ºC. Os sistemas de registro podem reproduzir as curvas do ensaio de ciclo térmico (T =f(t)), as curvas de variação do comprimento da amostra em função da temperatura (∆L/L0 =f(T)),
do tempo (∆L/L0 =f(t))e as curvas de derivada da análise térmica e de expansão, tanto em
termos de tempo e temperatura, f(T) dt dT = e f(T) dT L d∆ = , respectivamente.
Figura 4.3. Geometria das amostras usadas nos ensaios dilatométricos.
A partir dos valores de ∆L/L0 avaliados diretamente das curvas dilatométricas, foi calculada a fração volumétrica de austenita formada como uma função da temperatura e do tempo. Isto permitiu fazer o estudo da cinética de formação da austenita no aquecimento contínuo em um aço de baixo carbono para diferentes taxas de aquecimento.
A regra da alavanca foi utilizada para determinar a fração volumétrica de austenita formada, como ilustrado na figura 4.4. As linhas tracejadas são extensões das curvas dilatométricas da fase austenítica (linha mais baixa) e da mistura de ferrita e martensita (linha acima). A partir dos segmentos verticais x e y, acima e abaixo da curva dilatométrica, é possível determinar a fração formada de austenita para cada temperatura intermediaria entre Ac1 e Ac3:
y x x f + = γ (4.1)
Figura 4.4. Método de aplicação da regra da alavanca à curva dilatométrica que consiste em determinar os valores de x e y para várias temperaturas entre Ac1 e Ac3.
4.3. Cinética de Austenitização
No estudo da cinética de austenitização, foi avaliada a fração volumétrica de austenita formada como uma função do tempo, para as várias taxas de aquecimento e diferentes frações volumétricas de martensita, supondo que:
• a fração de austenita formada como uma função do tempo, supondo uma taxa de aquecimento constante e que o tempo zero corresponde à temperatura Ac1 (temperatura de início de formação da austenita); o tempo final corresponde à temperatura Ac3 (temperatura de fim de formação da austenita).
A partir dos valores das frações de austenita transformada como uma função do tempo foi utilizada a equação de JMAK (eq. 3.3 e 3.4) para se estudar a cinética austenitização, para as diferentes taxas de aquecimento e diferentes frações volumétricas de martensita.
Com base nos dados das energias de ativação aparente obtidas através do uso das equações JMAK, para o ajuste das curvas que relaciona as frações de austenita formada com o tempo para cada taxa de aquecimento, foi determinada a equação da energia de ativação aparente em função da taxa de aquecimento descrita pela equação 3.5.