ESCOLA SUPERIOR TECNOLOGIA GESTÃO
DE LEIRIA
DEPARTAMENTO ENGENHARIA MECÂNICA
DEFORMAÇÃO AÇO INOXIDÁVEL
AUSTENÍTICO AISI 304
EM TRAJECTÓRIAS SIMPLES E COMPLEXAS
Milena Maria Nogueira Vieira
Outubro
2002
Objectivos
- Estudo da microestrutura desenvolvida em
trajectórias de deformação simples
e
complexas.
- Observar desenvolvimento de micromaclas
mecânicas: morfologia e nº de sistemas/grão
a εmédios.
- Compreender se a adaptação maclagem
mecânica ao modelo de Taylor permite
descrever o comportamento microestrutural.
- Estudar
comportamento
trajectórias
deformação
(laminagem→tracção).
mecânico
em
complexas
Introdução
-
Conhecer
aspectos
físicos
deformação
⇒
desenvolvimento leis descrevam comportamento.
- Deformação plástica ⇒ evolução microestrutural e
comportamento mecânico.
- Escorregamento deslocações/Maclagem (certos CFC).
- A EFE governa ≠s aspectos microestruturais. depende:
a)composição (C, Ni, Cu ↑EFE; N, Mn, Cr, Co, Si
↓ EFE),
b) temperatura (↓T ⇒ ↓EFE) e velocidade,
c) taxa de deformação.
- Cu (média EFE), macla a ↓T ↑ Vdefor.
- Ag, ligas (latão, prata, aço inox aust.) (↓ EFE) maclam
para ε ≅ 15%;
Deslocações parciais
(Parcial de Shockley)
-Escorregamento deslocações: planos/direcções densas.
- Nos CFC ({111}<110>) empilhamento át. do tipo
ABC
-Deslizamento de uma deslocação perfeita no 2º plano
Efectua 2 deslizamentos em zig-zag ao invés de 1
⇒ + favorável que subir os átomos camadas
subjacentes.
Deslocações parciais
(Parcial de Shockley)
r
r
r
b1 → b2 + b3
a
[110] → a [211] + a [12 1 ] ,
2
6
6
2
b1 +
b22
<
bt2
En α b2
1 2
1 2
a
⇔ 3 < 2 a (energetic. favorável)
r
- As 2 parciais, com b no mesmo plano, a formar
pequeno ângulo⇒repelem-se (interacções elásticas).
Força de repulsão:
-
A
separação
das
r r
G (b2 • b3 )
F=
2πd
parciais
⇒
falha
de
empilhamento, c/ En. característica: EFE (opõe-se
afastamento.
Modelo de Taylor
- Cada
grão
sujeito
deformação
plástica
homogénea = policristal: eij = εij
εij, eij-Tensor deformações plásticas macroscópicas
e locais.
- Mínimo 5 sistemas escorregamento activos/
grão.
- Preferida combinação com En. deformação mín
(orientação cristal e trajectória ):
Wmín = ( ∑(i) τ γ (i))mín
(i)
c
- Factor de Taylor M de um grão:
M=
( ∑ ( i ) γ ( i ) ) mín
ε
Modelo de Taylor Incluindo Maclagem
En. deformação mínima
[
W = τ e ∑ γ e( i ) + τ m ∑ γ m( j )
]
mín .
[
= τ e ∑( γ e( i ) + αγ m( j ) )
τ
= m
α
com
τe .
Factor Taylor
[
M = ∑( γ e(i ) + αγ m( j ) )
]
mín .
]
mín
MATERIAL E MÉTODOS EXPERIMENTAIS
Material
- Aço inox austenítico (AISI 304), 2mm espessura
- Composição química:
Material C
Cr
Si Mn Sn
Ni
Cu
P
S
Mo Co
AISI304 0.05 18.14 0.37 1.53 0.017 8.07 0.27 0.032 0.002 0.27 0.27
- Grãos forma equiaxial, diâmetro médio ≈
20µm.
Ensaios Mecânicos
- Trajectórias deformação simples: tracção e
laminagem.
- Trajectórias deformação complexas:
laminagem→tracção.
Observações por Microscopia Electrónica
Transmissão.
Observações por Microscopia Óptica.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Microscopia Electrónica de Transmissão
Tracção
- Microestrutura Deslocações: distribuição deslocações
uniforme,
paredes
deslocações
rectilíneas,
deslocações dissociadas e estruturas celulares pouco
acentuadas.
-
≠ do Cu e Al: as deslocações organizam-se paredes
bem definidas que delimitam células onde ρ é baixo.
1µm
Microestrutura deslocações desenvolvida grão com eixo
〈0 1 1〉 normal plano chapa após 10% deformação
tracção.
- 1as maclas aparecem 10-15%;
- ↑ε⇒↑nº de grãos maclados
- De modo geral observa-se desenvolvimento de
1 sistema;
- Maclas dispersas ou sob a forma de feixes;
-
Algumas atravessam as fronteiras originando
cortes na zona de ∩.
1µm
Cortes fronteira grão provocados pelas maclas
após 25% deformação tracção.
- Em dois grãos observou-se o desenvolvimento
de 2 sistemas
maclas que não coexixtem,
desenvolvem-se em zonas distintas do mesmo
grão.
1µm
Dois sistemas maclas desenvolvidos após 36%
deformação tracção grão eixo 〈 0 1 1 〉 normal
plano chapa.
Laminagem
- Microestrutura Deslocações não é muito ≠ da
tracção. Então, aparentemente não depende do
tipo de solicitação (≠ do Cu e Aço maçio)
-
Qto à maclagem parece existir um atraso no seu
desenvolvimento em laminagem comparado com
a tracção.
1µm
Microestrutura deslocações desenvolvida grão eixo
〈013〉 normal plano chapa após 15% deformação
laminagem.
Laminagem→Tracção
- Microestrutura Deslocações desenvolvida em
trajectórias complexas (L→T) não difere, no
essencial, do referido para a tracção.
-
Qto à maclagem observou-se uma evolução mais
rápida quando existe pré-deformacão.
0,5µm
desenvolvida grão eixo 〈011〉
normal plano chapa deformado tracção (ε=10%)
após pré-deformação laminagem a εp=15%.
Microestrutura
Microscopia Óptica
Confirmam
os
resultados
obtidos
nas
observações por microscopia electrónica de
transmissão.
10µm
Maclas desenvolvidas durante tracção (ε = 36%).
Comportamento Mecânico estudado em
tracção simples e após pré-deformação
σ (MPa)
em laminagem
1500
1200
σeo
σr
900
600
300
0
0
0,2
0,4
0,6
ε (MPa)
- Após pré-deformação a εUT = εP + εR ≥ εUTr
(≠ do que é habitual no Cu e Al).
Orientações
dos
Sistemas
activos
observados experimentalmente
A orientação dos sistemas activos observados são
avaliados relacionando as orientações dos grãos e
dos sistemas activos observados com a do eixo de
tracção:
D.T.(ε1)
np
β<0
ψ>0
β>0
[100] ≡ np’
(011) ≡ plano da chapa
Representação esquemática de uma micrografia de
um grão com eixo [011] normal ao plano da chapa.
ψ: Caracteriza a posição de cada grão
β: Caracteriza a orientação da normal aos traços dos
planos activos.
Orientação Sistemas Activos Calculados
A orientação dos sistemas activos calculados são
avaliados relacionando as orientações dos grãos e dos
sistemas activos calculados com a do eixo de tracção:
100
111
101
110
111
111
011
011
011
111
111
101
β1
<0
ψ
β
2 >0
110
111
100
β 3 >0
Τ
ψ: Caracteriza a posição de cada grão
β: Caracteriza a orientação da normal aos traços dos
planos activos.
Modelo de Taylor
- Utilizou-se Modelo de Taylor para calcular sistemas
escorregamento e maclagem activos.
-
Cálculo função da trajectória e orientação do grão em
relação eixos macroscópicos de deformação.
- O programa determina, para cada orientação do
grão, a ou as combinações de 5 sistemas +
favoráveis ponto de vista energético.
-
Separa as combinações em três casos distintos:
caso1 - O escorregamento é o único mecanismo
permitido.
caso2 - Intervêm escorregamento e maclagem num
só sistema. (α = τm/τe =1).
caso3 - Permite-se escorregamento e maclagem
livremente. (α = τm/τe = 1).
Resultados do Modelo de Taylor
Para os casos 1, 2 e 3:
- Curvas que representam a evolução dos ângulos
β em função de ψ para cada um dos quatro
planos de escorregamento.
-
Curvas
que
representam
a
evolução
da
deformação de corte em função de ψ para cada
um dos quatro planos de escorregamento.
Caso 1 - Só Escorregamento
90
(111)
70
(111)
β3
(111)
a)
50
(111)
β (º)
30
β2
10
-10
-30
(111)
β1
-50
-70
β3
-90
0
10
20
30
40
50
(º)
[211] ψ
[100]
60
70
80
90
[011]
[111]
3
2.5
b)
2
S
(111)
1.5
(111)
(111
1
(111)
0.5
0
0
10
20
30
40 ψ (º) 50
60
70
80
90
a) Evolução da orientação (β) da normal ao traço dos
planos escorregamento activos em função da
orientação grão (ψ).
b) Evolução deformação de corte sE de cada plano
escorregamento em função da orientação grão (ψ).
Caso 2 (α =1) - Maclagem num só Sistema
90
(111)
70
(111)
β3
(111)
50
(111)
β (º)
30
β2
10
a)
-10
-30
(111)
β1
-50
-70
β3
-90
0
10
20
[100]
30
40
[211]
ψ(º)
50
60
70
80
[111]
90
[011]
3
2.5
(111)
2
SM
b)
(111)
1.5
(111)
1
0.5
0
0
10
20
30
40
ψ(º)
50
60
70
80
90
a) Evolução da orientação (β) da normal ao traço dos
planos maclagem activos (linhas espessas) em função
da orientação grão (ψ).
b) Evolução deformação de corte sM de cada plano
maclagem em função da orientação grão (ψ).
Caso 3 (α =1) - Maclagem em todos os Sistemas
90
(111)
70
(111)
β3
a)
(111)
50
(111)
30
β2
β (º)
10
-10
-30
(111)
β1
-50
-70
β3
-90
0
10
20
[100]
30
[211]
40
ψ(º)
50
60
70
80
[111]
90
[011]
3
2.5
b)
(111)
2
SM
(111)
1.5
(111)
1
0.5
0
0
10
20
30
40
ψ(º)
50
60
70
80
90
a) Evolução orientação (β) da normal ao traço dos planos
de maclagem activos (linhas espessas) em função da
orientação grão (ψ).
b) Evolução deformação de corte sM de cada plano de
maclagem em função da orientação grão (ψ).
Resultados Experimentais
Evolução da orientação (β) das normais aos planos
activos observados experimentalmente, em função
da orientação do grão.
90
β3
(111)
β2
(111)
70
(111)
50
β1
30
β (º)
(111)
10
-10
-30
β3
-50
Tr(10%)
Tr(25%)
Tr(36%)
L(15%)
L(15%)
(111)
-70
-90
0
[100]
10
20
30
40
[211]
ψ(º)
50
60
[111]
70
80
Tr(4%)
Tr(10%)
90
[011]
- A orientação dos planos de escorregamento e
maclagem é muito próxima da orientação dos planos
do tipo {111}.
- ψ ≈< 20º não se observa maclagem: observam-se duas
ou três famílias de paredes de deslocações. Está de
acordo com o modelo de Taylor.
- Grãos com orientações tais que ψ > 45º maclam.
Evolução do factor de Taylor em função da orientação
do grão (ψ) para os casos 1, 2 e 3. (α↓ → ε↑)
3.8
3.6
3.4
α = 1 ,1 .
3.2
M
3
2.8
2.6
2.4
caso 1
caso 2
caso 3
2.2
2
0
10
20
30
40
ψ
50
60
70
80
90
3.8
3.6
3.4
3.2
α = 1 ,0
M
3
2.8
2.6
2.4
caso 1
caso 2
caso 3
2.2
2
0
10
20
30
40 ψ 50
60
70
80
90
3.8
3.6
3.4
3.2
3
M
α =0,866
2.8
2.6
2.4
caso 1
caso 2
caso 3
2.2
2
0
10
20
30
40
ψ
50
60
70
80
90
- ψ ≈ <15º:
M baixos e inferiores a cerca de 2,5;
Zonas “macias”;
Prevê-se que facilmente a τEF atinge τC desses sistemas.
Deformação preferencialmente por escorregamento de
deslocações.
(a maclagem ocorre tardiamente)
- ψ > 45º:
M altos e superiores a 3,0;
Zonas “duras”;
Difícil à τEF atingir τC desses sistemas.
Activação de um segundo mecanismo de deformação:
a maclagem mecânica. (solução que Taylor prevê mais
favorável).
- Maclagem num sistema ou maclagem livre:
Taylor: prevê + favorável maclar em + do que 1 sistema.
Observações experimentais: aparecimento de 1 sistema.
Maclagem Num Só Sistema
⇒ Encruamento mútuo entre sistemas maclagem qdo
coexistem mesma região.
⇒ O trabalho plástico p/ deformar policristal é↑ qdo ∃
interacções locais entre maclas diversos sistemas.
⇒ τm para activar 1 plano de maclagem < para activar
+1 plano de maclagem: explica os resultados (um único
sistema de maclagem )em aço inoxidável austenítico e
em latão (εm).
Conclusão: É lícito apontar a solução designada
por caso 2 como a que melhor se adapta ao
comportamento observado. (pelo menos até ε que
ocorrem em ensaios de tracção).
No mesmo sentido aponta o facto por nós
observado: 2 sistemas de maclagem ≠s não coexistem,
são observados em zonas distintas do grão.
Em Resumo
⇒ α: condiciona os mecanismos de
deformação.
⇒
τm:
aparentemente
tem
valores
diferentes consoante coexistem ou não na
mesma região vários sistemas de maclagem.
⇒ Estas diferenças não foram até
agora consideradas no modelo de Taylor
adaptado à maclagem.
Caso 3: será solução preferida para ε↑.
CONCLUSÕES
1 - Microestrutura deslocações do aço AISI 304
deformado à Tamb ≠ materiais CFC de alta (alumínio) e
média (cobre) EFE.
2 - Inicialmente, deformação por escorregamento
deslocações. A partir 10%-15% aparece o 1º sistema
maclagem e só mais tarde o 2º sistema (não coexistem
mesma região a ε < 36%).
As maclas aparecem dispersas ou sob a forma de feixes
paralelos, por vezes cortando fronteiras de grão.
3 - Evolução + rápida da microestrutura
maclagem
desenvolvida quando existe pré-deformação laminagem.
4 - Modelo Taylor limitado a 12 sistemas de
escorregamento + 1 sistema de maclagem parece o mais
adequado p/ descrever comportamento deste aço
5 – Uma pré-deformação em laminagem aumenta a
deformação total uniforme. (≠ doque é habitual).