INFLUÊNCIA DO TRATAMENTO TERMOMECÂNICO ESPECIAL, TIPO AUFORMING, NAS
TEMPERATURAS DE TRANSFORMAÇÃO E NA RECUPERAÇÃO DE FORMA DE LIGAS COM EFEITO
MEMÓRIA À BASE DE FE-MN-SI
Luiz Carlos Santos Angrisano1
Andreia Bicalho Henriques2
Idalmo Montenegro de Oliveira3
RESUMO: Ligas com efeito memória de forma à base de Fe-Mn-Si têm sido estudadas devido ao
seu baixo custo e excelente trabalhabilidade, quando comparados às ligas do sistema Ni-Ti e as
ligas à base cobre. Com objetivo de melhorar a resistência à corrosão, tem sido adicionados Cr, Ni e
Co, a esta liga, visando a obtenção de aços inoxidáveis com efeito memória de forma. Nesses
sistemas de ligas, o efeito memória de forma, está relacionado com a reversão da fase martensítica
ε(ΗC) em γ(CFC), durante aquecimento. Neste trabalho buscou-se avaliar a influência de uma
tratamento termomecânico especial, tipo Ausforming, nas temperaturas de transformação e na
recuperação de forma em uma liga de composição nominal Fe-29%Mn-6%Si e duas outras ligas
com composição otimizada: Fe-14%Mn-6%Si-9%Cr-5%Ni e Fe-8%Mn-6%Si-13%Cr-7%Ni11%Co (% peso), com efeito memória de forma. Os resultados obtidos mostraram que os
tratamentos termomecânicos e de austenitização provocam marcantes modificações no
comportamento da transformação γ↔ε e um aumento significativo na recuperação de forma
alcançando até 100% em pré-deformações de até 3%.
Palavras-chave: Transformação Martensítica, Efeito Memória de Forma, ligas Fe-Mn-Si.
1. INTRODUÇÃO
No início da década de 80, foi observado que ligas do sistema Fe-Mn-Si apresentam EMF
comparável ao das ligas à base de cobre. A partir desta observação, a empresa japonesa NKK
iniciou estudos sobre adição de elementos de liga tais como Ni, Cr e Co às ligas Fe-Mn-Si, com o
objetivo de desenvolver uma liga ferrosa com EMF que apresentasse elevada resistência à corrosão.
Estes estudos deram origem a uma série de trabalhos de pesquisa que levaram ao desenvolvimento
de duas classes de “aços inoxidáveis com memória de forma”: i)ligas Fe-Mn-Si-Cr-Ni, contendo de
7 a 15% de Cr, Ni<10%, Mn<15% e Si<7% (% em peso) e ii) ligas Fe-Mn-Si-Cr-Ni-Co, de
composição química semelhante, porém com teor de Cr variando em uma faixa mais estreita, de 13
a 15%, e contendo adição de até 15% de Co, garantindo uma resistência à corrosão ainda mais
elevada.
As faixas de composições apresentadas acima conferem a este tipo de liga características
específicas, incluindo ampla faixa de temperaturas de transformação martensítica e reversa e boas
propriedades mecânicas, comparáveis às dos aços inoxidáveis ABNT 304. Estas ligas parecem
superar problemas associados às outras ligas com EMF, tendo como vantagens: i) alta resistência à
corrosão, comparáveis aos aços inoxidáveis ABNT 304; ii) facilidade de processamento em escala
industrial e iii) formabilidade superior comparada a outros tipos de LMF.
O obstáculo no desenvolvimento e aplicação das ligas com memória de forma à base de FeMn-Si é a limitação da deformação recuperável via EMF. Enquanto que nas ligas Ni-Ti
deformações de até cerca de 8% são recuperadas em 100%, nas ligas Fe-Mn-Si, Fe-Mn-Si-Cr-Ni e
Fe-Mn-Si-Cr-Ni-Co a recuperação total se dá apenas para deformações de até cerca de 2%.
1
Doutor em Engenharia Metalúrgica e de Minas
Doutor em Engenharia Metalúrgica e de Minas
3
Doutor em Engenharia Metalúrgica e de Minas
2
Este trabalho tem como objetivo avaliar a influência de um tratamento termomecânico especial,
tipo ausforming, nas temperaturas de transformação e na recuperação de forma destes três tipos de
ligas.
2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
As ligas utilizadas neste trabalho foram fundidas no IPT-SP (Instituto de Pesquisas Tecnológicas do
Estado de São Paulo) em forno de indução a vácuo, sob atmosfera inerte de argônio. Os lingotes
obtidos foram cortados em pastilhas de 60x40x15mm3, submetidas a um tratamento térmico de
1100°C por 1h para as ligas com adição de Cr e Ni e Cr, Ni e Co, e de 1000°C por 1h para a liga FeMn-Si, nestas temperaturas as ligas não sofrem liquação e fratura durante a laminação do material.
Após solubilização, as ligas foram laminadas a 1050°C e ao final da laminação resfriadas em água.
As ligas com adição de Cr e Ni e Cr, Ni e Co foram laminadas em oito passes de laminação com
redução de espessura de aproximadamente 10% em cada passe, enquanto que as amostras da liga
Fe-Mn-Si sofreram 17 passes de laminação, com redução de espessura em cada passe de
aproximadamente 5,3%. A espessura final das chapas das três ligas obtidas nesta etapa foi de
2,0mm. Visando a obtenção de maiores deformações recuperáveis via EMF, foram realizados
ensaios de quantificação deste efeito por tração longitudinal à temperatura ambiente, em amostras
processadas de maneira especial: as tiras laminadas para 2,0mm de espessura foram aquecidas a
1050°C e laminadas à quente em três passes consecutivos, sem aquecimento, com temperatura final
de laminação em torno de 600°C em seguida aquecidas no forno a 1050°C, laminadas à quente em
três passes consecutivos, sem aquecimento, outra vez, repetindo-se esta seqüência até espessura
final de 0,6mm.
Após a laminação, as amostras medindo 60x2x0,25mm3 foram recozidas a 1050°C por 30
minutos e resfriadas em água.
Ressalta-se que, de acordo com a literatura (Kajiwara, 1999 e Miyazaki e Otsuka, 1989) este
tipo de tratamento térmico possibilita a formação de uma microestrutura, constituída de finas
variantes de martensita ε intercaladas com a matriz austenítica γ.
Após austenitização, uma estrutura de deslocações forma-se nos locais onde existia a estrutura
intercalada de martensita ε e austenita. Está estrutura de deslocações em forma de pinça, seria
responsável pelo aumento da percentagem de recuperação de forma por facilitar a maclação da
martensita ε durante a aplicação de tensão.
Dentro do comprimento útil de 50 mm, as amostras foram subdivididas em marcações de
12,5mm. Em seguida, submetidas a ensaios de tração na máquina de teste universal marca
INSTRON modelo 5581, equipada com uma câmara para controle de temperatura de ensaios entre –
60 e 250ºC e extensômetros. As amostras sofreram deformações de 1, 3, 5 e 10% em temperatura
ambiente com uma taxa de deformação de 1,0x10-3 s-1. Posteriormente foram cortadas com disco
adiamantado em baixa velocidade com resfriamento em água, visando não reverter a martensita ε
induzida por deformação. Em seguida foram aquecidas em temperaturas de 200, 400, 600 e 800°C
com tempo de permanência no forno de 30 min. O resfriamento foi feito ao ar, evitando possíveis
mudanças de linearidade na superfície das amostras devido às tensões provocadas durante a têmpera
em água. Por fim, as dimensões das amostras foram medidas em um projetor de perfis.
A fração da deformação recuperável foi determinada pela seguinte expressão:
 L − L1
%Rec =  2
 L2 − L0

 x100

(eq. 01)
onde L2 é o comprimento de referência medido na amostra deformada, L1 é o comprimento de
referência medido após aquecimento e L0 é o comprimento de referência da amostra antes da
deformação.
Os ensaios para determinação das temperaturas de transformação martensítica e reversa foram
realizados em amostras de 12mm de comprimento, cortada das amostras de espessura de 0,6mm,
em um dilatômetro de têmpera modelo LK 02 da Adamel Lhomargy.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
A influência da deformação por tração nas temperaturas de transformação reversa das três ligas
foi determinada por dilatometria. As amostras deformadas foram aquecidas da temperatura
ambiente até 800ºC e em seguida resfriadas até a temperatura do nitrogênio líquido para a formação
de martensita térmica. As temperaturas MS, MF, AS e AF pelo desvio da linearidade e os resultados
obtidos estão apresentados nas Tabelas 1 a 3.
Tabela 1 – Temperaturas de transformação reversa e de formação da martensita térmica para a liga Fe-Mn-Si.
Deformação (%)
AS (°C)
AF (°C)
MS (°C)
MF (°C)
0
-44
-88
1
85
255
-36
-81
3
80
350
-26
-64
5
75
360
-25
-61
10
75
370
-36
-74
Tabela 2 – Temperaturas de transformação reversa e de formação da martensita térmica para a liga 9Cr.
Defeformação (%)
AS (°C)
AF (°C)
MS (°C)
MF (°C)
0
-30
-80
1
70
220
-33
-81
3
65
248
-32
-80
5
60
305
-35
-74
10
60
380
-33
-75
Tabela 3 – Temperaturas de transformação reversa e de formação da martensita térmica para a liga 13CrCo.
Defeformação (%)
AS (°C)
AF (°C)
MS (°C)
MF (°C)
0
-63
-89
1
112
240
-62
-81
3
98
300
-73
-90
5
75
360
-63
-90
10
60
390
-63
-87
Observa-se, nesses resultados que a temperatura de início da transformação reversa, AS, da
martensita ε induzida por deformação em tração sofre um decréscimo, enquanto há uma clara
tendência de aumento da temperatura final de transformação reversa, AF, com a deformação.
Resultados semelhantes foram observados por Wang e Zhao (1992) em uma liga Fe-Mn-Si-Ni-Co e
atribuídos à deformação plástica da martensita ε. Segundo Andrade et al. (1999), este fenômeno é o
resultado da geração de deslocações e falhas de empilhamento que impedem o movimento das
deslocações parciais na interface de transformação, tornando a martensita ε menos estável e fazendo
com que o início da transformação reversa ocorra em temperaturas mais baixas. Ao mesmo tempo a
reversão completa requer temperaturas mais elevadas devido à dificuldade de movimento das
interfaces ε/γ. Assim, com o aumento da deformação observa-se um intervalo maior para que a
transformação reversa ocorra (AS – AF). Este comportamento reflete a ocorrência de estabilização
da martensita ε com a deformação, que é desfavorável à aplicação das ligas em dispositivos
sensores-atuadores, que necessitam de elevada estabilidade do EMF.
Com relação às temperaturas de formação da martensita térmica, observa-se que as
temperaturas de transformação martensítica, (MS e MF), permanecem aproximadamente constantes.
Dois aspectos podem ser ressaltados em relação ao comportamento das temperaturas de
transformação reversa. O primeiro é em relação às faixas de temperaturas, onde observa-se, das
tabelas 1, 2 e 3, que as três ligas estão com as temperaturas finais de transformação reversa (AF) na
faixa de 220 à 390°C. Com relação à temperatura MS, em uma análise qualitativa, a liga FeMnSi
possui apenas o Mn como redutor e a liga 9Cr tem, além do Mn, o Cr e o Ni, por isto, a liga FeMnSi
tem Ms mais elevado que a liga 9Cr. Já a liga 13CrCo possui um MS mais baixo que as outras duas
ligas, devido, possivelmente, ao aumento no teor de Cr em 4%.
O outro aspecto é com relação às temperaturas de reversão da martensita ε induzida
termicamente, conforme pode ser visto na tabela 4. Todas as três ligas apresentaram temperaturas
AS constantes com o aumento da deformação, entretanto, as temperaturas AF têm comportamentos
diferenciados nas três ligas: as ligas FeMnSi e 13CrCo apresentam aumento de cerca de 20% destas
temperaturas com o aumento da deformação e a liga 9Cr apresenta um pequeno decréscimo, menor
que 5%, em AF com aumento da deformação. Estes resultados refletem a estabilização da martensita
ε térmica com a deformação e a diferença no comportamento da liga 9Cr pode ser atribuída à
composição química: baixos teores de Mn em relação a liga FeMnSi e de Cr em relação a liga
13CrCo.
Tabela 4 – Temperaturas de transformações reversa da martensita ε induzida termicamente nas ligas FeMnSi, 9Cr e
13CrCo.
Deformação (%)
FeMnSi
9Cr
13CrCo
As (°C)
AF (°C)
AS (°C)
AF (°C)
AS (°C)
AF (°C)
0
99
128
81
143
89
128
1
99
128
81
130
89
128
3
99
139
81
130
89
129
5
99
153
81
125
89
142
10
99
153
81
137
89
150
Ressalta-se que, a comparação entre os resultados das temperaturas de transformação reversa
das martensitas ε induzidas mecanicamente e termicamente, apresentados nas tabelas 1 à 3 e 4,
respectivamente, mostra não haver relação entre estes valores em função da deformação.
Na quantificação do EMF por tração, tiras das ligas FeMnSi, 9Cr e 13CrCo, processadas da
forma descrita anteriormente, foram laminadas para se obter amostras medindo 130x15x0,6mm3
que, em seguida, foram recozidas a 1050°C por 30 minutos e resfriadas ao ar.
As figuras 1, 2 e 3 apresentam as variações da deformação recuperável com a temperatura e
com a pré-deformação para as ligas FeMnSi, 9Cr e 13CrCo, respectivamente. Como pode ser
observado nestas figuras, a pré-deformação por tração proporcionou maiores deformações
recuperáveis do que na quantificação do EMF por dobramento feito para efeito de comparação. Isto
porque na deformação por tração as variantes da martensita ε tendem a crescer paralela ao sentido
da tração, resultando em uma martensita mais orientada que a obtida nos ensaios por dobramento.
Outro aspecto a ser observado é que a liga 9Cr mostrou deformações recuperáveis com uma
determinada pré-deformação em função da temperatura superiores as ligas FeMnSi e 13CrCo.
100% de deformação recuperável em pré-deformações de 1 e 3% contra 98% na liga FeMnSi em
1% de pré-deformação e 100% em 1% de pré-deformação e, aproximadamente, 97% em 3% para a
liga 13CrCo. Este fato pode ser atribuído à influência dos elementos de liga na EFE. Isto é, a liga
FeMnSi possui uma alta EFE por não possuir elementos de liga, a 9Cr possui uma EFE mais baixa
devido a presença do Cr e do Ni e a liga 13CrCo possui uma EFE intermediária devido a adição de
11% de Co que, possivelmente, neste teor, teve efeito contrário ao relatado por Xu et al. (2002),
aumentando a EFE. O que justifica, também, a baixa temperatura MS desta liga em relação às outras
duas.
100
100
90
90
80
a)
Deformação recuperável (%)
Deformação Recuperável (%)
80
70
60
50
40
30
b)
70
60
50
40
30
20
20
1%
3%
5%
10%
10
0
200
300
400
500
600
700
200°C
400°C
600°C
800°C
10
0
0
800
2
4
6
8
10
Pré-deform ação (%)
Temperatura (°C)
Figura 1 – Quantificação do EMF da liga FeMnSi, sendo: a) deformação recuperável em função da
temperatura e b) deformação recuperável em função da pré-deformação, por tração em tratamento
termomecânico especial com resfriamento em água.
100
b)
100
90
90
a)
80
Deformação Recuperável (%)
Deformação Recuperável (%)
80
70
60
50
40
30
20
1%
3%
5%
10%
10
0
200
300
400
500
600
Temperatura (°C)
700
800
70
60
50
40
30
20
200°C
400°C
600°C
800°C
10
0
0
2
4
6
8
10
Pré-deformação (%)
Figura 2 – Quantificação do EMF da liga 9Cr, sendo: a) deformação recuperável em função da
temperatura e b) deformação recuperável em função da pré-deformação, por tração em tratamento
termomecânico especial com resfriamento em água.
100
100
90
90
80
a)
Deformação Recuperável (%)
Deformação Recuperável (%)
80
70
60
50
40
30
20
1%
3%
5%
10%
10
0
200
300
400
500
600
Temperatura (°)
700
800
b)
70
60
50
40
30
20
200°C
400°C
600°C
800°C
10
0
0
2
4
6
8
10
Pré-deformação (%)
Figura 3 – Quantificação do EMF da liga 13CrCo, sendo: a) deformação recuperável em função da
temperatura e b) deformação recuperável em função da pré-deformação, por tração em tratamento
termomecânico especial com resfriamento em água.
Pela análise apresentada acima pode-se conclui que a seqüência crescente de energia EFE das
ligas possivelmente pode ser FeMnSi, 9Cr e 13CrCo, que justifica os resultados obtidos quanto ao
EMF.
Outro fato a ser observado é que a liga FeMnSi obteve uma baixa deformação recuperável, <
100%, em todas as analises realizadas. De acordo com Maki (1998), Sato et al. (1984), Yang et al.
(1992a) e Otsuka et al. (1990), se a temperatura TN se encontra acima de MS, o EMF pode ser
prejudicado, assim possivelmente a liga FeMnSi tem uma temperatura TN superior a MS.
Com relação às ligas 9Cr e 13CrCo o EMF possivelmente foi otimizado devido à adição de
elementos de liga que diminuem a temperatura TN, de acordo com o que foi relatado por Jim e Hsu,
(1999), Hsu e Zuyao (1999), Wu e Hsu (2000), Chem et al. (1999) e Xuejun et al. (2000).
A figura 4 mostra uma comparação da deformação recuperável versus pré-deformação, em
temperatura ambiente, para as três liga com temperatura de recozimento de 600°C. Desta figua
nota-se que a liga 9Cr exibe melhor EMF seguida pela 13CrCo e FeMnSi. Esta seqüência indica,
possivelmente, haver um decréscimo nas EFE entre as três ligas. Isto é, ligas com menor EFE
possuem maior EMF.
Deformação Recuperável (%)
100
95
90
9Cr
13CrCo
FeMnSi
85
80
0
2
4
6
8
10
Pré-deformação (%)
Figura 4 – Deformação recuperável em função da pré-deformação por tração em temperatura
ambiente e recozimento a 600°C para as liga FeMnSi, 9Cr e 13CrCo.
4. CONCLUSÕES
As ligas 9Cr e 13CrCo apresentaram propriedades mecânicas bem semelhantes e superiores as
da liga FeMnSi, entretanto as três ligas são promissoras em aplicações com anéis para juntas de
tubos devido ao seus altos limites de escoamento e de resistência.
A recuperação de forma foi maior nas amostras pré-deformadas por tração do que nas
submetidas a dobramento. Este fato está relacionado com a formação de placas de martensita ε
paralelas ao eixo de tração produzindo uma orientação preferencial e facilitando a transformação
reversa.
A recuperação de forma por tração via tratamento termomecânico especial foi mais efetivo e
obteve 100% de recuperação de forma em até 3% de pré-deformação. Este excelente resultado é
atribuído além da formação de placas de martensita ε paralelas ao eixo de tração a presença de uma
estrutura de deslocações em forma de pinça que facilita a maclação da martensita ε durante a
aplicação de tensão.
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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