EFEITO DOS CAMINHOS DE DEFORMAÇÃO NA FORMAÇÃO DE
MARTENSITA INDUZIDA POR DEFORMAÇÃO EM UM AÇO INOXIDÁVEL
AUSTENÍTICO 304N
Leonidas Cayo Mamani Gilapa, [email protected]
Carlos Augusto Silva de Oliveira, [email protected]
Manoel Ribeiro da Silva, [email protected]
1
Instituto Federal de Santa Catarina, Rua Pavão, 1337, bairro Costa e Silva Joinville-SC, CEP 89220-200
Universidade Federal de santa Catarina,
3
Universidade Federal de Itajubá,
2
Resumo: O presente trabalho estudou o efeito dos caminhos de deformação na formação de martensita induzida por
deformação, em chapas de aço inoxidável austenítico (A.I.A.)304N. A formação de martensita foi avaliada através da
variação das medidas magnéticas, o estudo inclui também a análise da variação de microdureza. Os vários caminhos de
deformação foram obtidos através de ensaios, com ferramental Nakajima, para obtenção da curva limite de conformação
(CLC). Os resultados obtidos para os diversos corpos de prova (CP’s) mostraram um incremento gradual do magnetismo
do material (aumento da porcentagem de martensita α’) com o aumento do grau de deformação. Em relação a
microdureza, observou-se um aumento com o grau de deformação, independente do caminho percorrido.
Palavras chaves: Ensaio Nakajima, conformação mecânica, transformação de fases.
1.
INTRODUÇÃO
Os aços inoxidáveis austeníticos são, amplamente, utilizados na produção de uma grande quantidade de produtos
conformados para aplicação em utensílios domésticos, em arquitetura (Santos, et. al, 2006), na indústria de alimentos e
medicamentos, na indústria química, como válvula e trocadores de calor, entre outros. Muitas dessas aplicações requerem
bom desempenho dos aços durante as etapas de fabricação, devido a severidade das operações.
Aços inoxidáveis austeníticos exibem uma combinação de resistência e ductilidade necessárias aos materiais que
precisam de alta resistência e boa conformabilidade (alta taxa de endurecimento e ductilidade) aliada à boa resistência a
corrosão (Talonen, 2004; Lichttenfeld, 2006) em uma larga faixa de temperatura de trabalho e boa soldabilidade (Spencer,
2003; Andrade, 2003). Os A.I.A. 304N são metaestáveis e podem sofrer transformação da fase austenítica inicial (γ) CFC
em martensita (α΄) CCC por deformação plástica, comumente referida como martensita induzida por deformação. A
estabilidade da austenita é principalmente dependente da composição química do aço e da temperatura. Outros fatores que
podem afetar a extensão da transformação são; a deformação plástica, a taxa de deformação, o estado de tensão e o tamanho
de grão. A transformação de fases resulta em um incremento na resistência e ao mesmo tempo na ductilidade quando o
material é submetido a severas deformações (Lichtenefeld, 2006).
O presente trabalho estudou o comportamento de uma chapa de A.I.A 304N através do ensaio de conformabilidade
Nakajima, avaliando o comportamento das deformações principais e a microdureza nos seus diversos caminhos de
deformação, assim como seu comportamento magnético.
2.
MATERIAIS E PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL.
No presente trabalho foi estudado o A.I.A. 304N, cuja composição química é mostrada na tabela (1).
Tabela 1. Composição química do A.I.A. 304N
1
Aço
304N1
C
0,038
Mn
0,884
Si
P
0,46 0,033
S
0,003
Cr
18,020
Ni
8,060
Mo
0,072
Al
0,0045
Cu
1,5690
Co
0,115
V
0,047
Nb
0,015
Ti
0,0071
N2(ppm)
0367
ACESITA - Resultado de análise química - 21/10/03 11.58.22 - 305390G - ACE P304N
Ensaio de microdureza
Foram realizadas medidas de microdureza nas amostras, antes e após as deformações aplicadas. A carga aplicada foi de
500gf por um tempo mínimo de 15 segundos (ASTM A370). Este ensaio foi realizado em um microdurômetro Vickers,
marca SHIMADZU – mod. HMV.
2.1. Ensaio Nakajima
O ensaio Nakajima foi realizado de acordo com a norma ASTM E2218-02, tendo sido utilizadas 03 CP`s para cada
largura de chapa de A.I.A. 304N. Os CP`s foram cortados, em guilhotina, paralelos à direção de laminação. As dimensões
foram iguais a 195, 175, 155, 115, 95, 75 e 55mm na largura, comprimento de 215 mm e espessura igual a 0,5mm.
Antes da realização do ensaio foram gravadas na superfície das chapas, pelo método eletrolítico, uma rede de círculos
para permitir a posterior leitura das deformações. A opção por uma rede de círculos foi decorrente da maior precisão e
facilidade para a verificação dos eixos principais de deformação nas regiões deformadas. O diâmetro dos círculos impressos
foi igual a 3mm.
O ferramental utilizado foi montado em uma máquina de tração-compressão (ZDM U 30T – Laboratório de
Conformação Mecânica/UFSC – Figura 1), tendo sido utilizado como lubrificante bissulfeto de molibdênio (Molikote). As
chapas foram fixadas com uma placa de aperto com um draw bead para evitar o escorregamento da chapa durante a
deformação. A pressão de aperto dos parafusos no draw bead foi controlada com o auxílio de um torquímetro.
Figura 1: Ferramental utilizado para o ensaio de Nakazima
Figura 2: Seqüência de embutimento realizado no ensaio de Nakazima para produzir peças com diferentes níveis de
deformação
Para cada largura, foram deformados CP’s com três alturas diferentes, sendo um deformado até a altura máxima ou
seja; até o aparecimento de trincas visíveis. Os outros dois CP`s foram deformados a 70 e 40% da altura máxima. A figura
(2) apresenta esquematicamente estes CP’s.
Após o ensaio, as amostras foram preparadas (retirada do lubrificante da superfície, fixação de um papel milimetrado
na região de leitura e digitalização da imagem) para a leitura das deformações. As medidas dos maiores (Df1) e menores
(Df2) diâmetros das circunferências (elipses) deformadas foram realizadas através do software IMAGE PLUS. Foram
selecionadas três regiões para realização das leituras das deformações, conforme mostrado na figura (3); a região de maior
deformação ou aquela que estava próxima da região de ruptura (base), uma região intermediária de deformação (meio raio)
e o topo do CP (topo). A seleção do local de leitura foi visual.
As maiores e menores deformações (e1 e e2, respectivamente) foram calculadas por uma média de três leituras das
deformações Df1 e Df2. A partir destes valores, as deformações principais, ε1, ε2 e ε3, e as deformações equivalentes foram
determinadas pelas equações 1 a 4, respectivamente.
ε1 = ln ( e1 + 1)
(1)
ε 2 = ln ( e2 + 1)
(2)
ε 3 = ln ( e3 + 1)
(3)
ε eq =
2
{(ε1 − ε 2 ) 2 + (ε 2 − ε 3 ) 2 + (ε 3 − ε1 ) 2
9
(4)
Figura 3: CP deformado mostrando o local de leitura das deformações base, meio e topo (Rocha, 2006).
2.2. Microscopia ótica e de varredura
As amostras (com diâmetros aproximados de 8mm) foram preparadas pelo método convencional (lixa com
granulometria igual a 100, 220, 320, 600, 800 e 1200 mesh), polidas com pasta de alumina (granulometria de 1µm ). Para a
revelação das fases presentes, as amostras foram atacadas com água régia, sendo o tempo de ataque variável.
As análises metalográficas foram realizadas em um microscópio óptico (Olympus modelo BX60M), com uma câmera
digital acoplada (Olympus P11) e em um microscópio eletrônico de varredura (JEOL JSM-6390LV) disponobilizado pelo
Laboratório Central de Microscopia da Universidade Federal de Santa Catarina.
2.3. Medidas Magnéticas
Para a caracterização magnética foi utilizado um magnetômetro de amostra vibrante - VSM (Lake Shore mod. 7400),
tendo como objetivo obter a magnetização de saturação de cada amostra. As amostras com 8 mm de diâmetro foram
submetidas a um campo magnético indutor máximo (±) 14000G, com frequência de 60 Hz. em temperatura ambiente.
Para a determinação da fração volumétrica de martensita-α´, Vα´(%), foi utilizada a equação sugerida por Shimozono
(1978):
(5)
Vα´(%) = (4.π.σ´S).100/104σS
Onde: σ´S é a saturação magnética da amostra ensaiada no VSM e σS é a saturação magnética da amostra considerando-se a
sua total transformação para martensita α´. σS foi calculada utilizando a equação (6) obtida da curva de Slater-Pauling
(Shimozono, 1978):
σS (Tesla) = {2,2 . (1 - x - y) + 0,6x}. 1,003
(6)
Onde: x e y são as frações molares de Ni e Cr, respectivamente.
3.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
A figura (4) apresenta o comportamento de nove CP`s que simulam os caminhos de deformação uniaxial, plana e
biaxial (larguras com 55mm, 115mm, e, 195mm respectivamente). Para o CP com 195mm de largura observa-se que a
maioria dos pontos se encontra na região de deformação biaxial. Os pontos que se encontram na região de deformação plana
são referentes às deformações ocorridas na seção denominada base.
O CP, com largura de 115 mm apresenta mais pontos na região de deformação plana e finalmente o CP, com largura
55mm, apresenta os pontos que vão da região plana a região uniaxial. Neste CP os pontos na região de deformação plana
foram observados nas amostras retiradas do topo do CP. Este fato pode ser devido à existência inicial de lubrificante entre o
punção e a chapa, o que permite uma deformação maior na direção de um dos raios (raio perpendicular à largura do CP),
após a ruptura da camada lubrificante, ocorrem deformações maiores na base e vão decrescendo na direção do topo. Esta
menor deformação no topo pode ser devido ao atrito existente entre o punção e a matriz (agora sem lubrificante na
interface), o que acaba dificultando a deformação desta região.
ε1
ε2
Figura 4: Gráfico de deformações principais mostrando os pontos obtidos dos CP`s deformados com larguras 195mm
(deformação biaxial), 115mm (deformação plana) e 55mm (deformação uniaxial)
Observa-se ainda na figura (4), uma tendência linear decrescente para as amostras com largura 115-100, 115-70, 55100 e 55-70 mm de largura e porcentagem de deformação respectiva. As amostras com larguras 195-100 e 70-100
apresentam um comportamento decrescente parabólico e finalmente as amostras com 195-40, 115-40 e 55-40 apresentam
um comportamento linear crescente.
A variação máxima da microdureza foi de ±1,5%. As médias das leituras de microdureza das amostras apresentadas na
figura (4) são mostradas na figura (5). Pode-se observar um comportamento semelhante de todas as amostras com exceção
da amostra com largura 195-70 que apresenta um comportamento parabólico invertido e a amostra 115-70 com um
comportamento linear decrescente. Ainda com relação aos valores de microdureza se observa que não acompanham os
valores (absolutos) crescentes das deformações principais.
O comportamento mostrado nas figuras (4) e (5) representa a tendência observada em todos os CP’s avaliados (195,
175, 155, 115, 95, 75 e 55mm).
Observando as figuras (4) e (5) pode-se verificar que os CP`s que simulam os caminhos de deformação uniaxial, plana
e biaxial, apresentam as suas deformações principais nas regiões uniaxial-plana, uniaxial-biaxial e plana-biaxial,
respectivamente. Observa-se também que os valores de microdureza (figura 4) não acompanham a tendência crescente dos
valores (absolutos) das deformações principais nos caminhos de deformação.
Os fatos observados acima indicam que o ensaio de conformabilidade Nakajima, que simula processos complexos,
como o de estampagem profunda não relaciona largura do CP com caminho de deformação nem o comportamento da
microdureza. Diferente dos resultados observados nos ensaio com tensões uniaxiais ou deformações por processos de
compressão (laminação) onde as deformações são homogêneas e há dependência do grau de deformação com o caminho de
deformação uniaxial e microdureza. (Shrinvas, 1995).
450
400
largura 195mm.
largura 115mm.
largura 55mm.
microdureza (Hv
350
300
250
200
150
100
0
base meio topo base meio topo base meio topo
100%
70%
40%
2
4
6
8
10
12
% def.
Figura 5: Microdureza dos CP`s com larguras de 195, 115 e 55mm, com altura máxima de deformação 100, 70 e 40% de
altura de deformação.
Os valores de deformação equivalente foram calculados utilizando a equação (4). A figura (6) mostra o resultado para
todos os CP’s analisados do A.I.A 304N, onde se observa uma tendência linear crescente da microdureza (provocado pelo
encruamento do material e aumento da porcentagem de martensita) com um incremento da deformação equivalente. Se
observa ainda nesta figura pontos coincidentes ou muito próximos, que representam caminhos de deformações diferentes,
fato também observado no gráfico de deformações principais (fig. 4). Analisando os resultados da figura (6), pode-se dizer
que há uma relação linear crescente da microdureza com o aumento da deformação equivalente.
5
3
2
4
1
Figura 6: Tendência linear crescente da microdureza com a deformação equivalente para todos os CP’s analisados.
As micrografias mostradas na figura (7) correspondem aos pontos impares mostrados na figura (6). Os pontos
analisados representam caminhos de deformações diferentes. São mostradas ainda as deformações equivalentes (d.e) e
microdureza (Hv) respectivas.
(a)
(d)
d.e = 0,0663
Hv = 224,7
(b)
(e)
d.e = 0,3025
Hv = 286,3
(c)
(f)
d.e = 0,3828
Hv = 319,3
Figura 7: Micrografias das amostras correspondentes aos pontos impares da figura 6; obtidas por microscopia ótica, (a, b e
c) e microscopia eletrônica de varredura (d, e, f).
Observa-se na figura (7a) e (d) algumas placas finas de martensita no interiordo grão austenitico. Nas figuras (7b)-(e) e
(c)-(f) há um aumento das placas de martensita em função também do aumento da deformação equivalente, ou seja, há
mudança de fase (austenita para martensita) por deformação nas amostras de (a)-(d) à (c)-(f). O aumento da microdureza
com a deformação equivalente, observado na figura (6), pode ser confirmado na figura (7) onde se observa um incremento
da martensita (conseqüente aumento da dureza) com o aumento da deformação.
As placas finas de martensita α’ observada na figura (7) se nucleia nas bandas de cisalhamento, conseqüentemente o
crescimento da fase α’ ocorre preferencialmente ao lado das bandas de cisalhamento (Lichtenfeld, 2006, Talonen, 2005,
Umemoto, 1983). De acordo com Brooks apud Lichtenfeld (2006) observou que o crescimento das ripas da martensita α’
ocorre ao lado dos planos de deslizamento {111}γ.
Com relação a martensita ε, Rocha, (2006) observou a existência desta fase na matéria prima como recebido. Outras
técnicas utilizadas para caracterizar o A.I.A. 304N, não apresentadas neste trabalho, tem mostrado a existência desta fase.
No entanto, Rocha, (2006) observou também que a martensita ε não influencia nos valores de microdureza.
As curvas de histerese mostradas na figura (8) são referentes as amostras evidenciadas nas circunferências na figura (6),
sendo que estas são parte de caminhos de deformação diferentes (uniaxial, deformação plana e biaxial) observa-se na figura
(8) que a amostra com deformação equivalente igual a 0,063 apresentam pequeno grau de magnetização, já a amostra com
deformação equivalente igual a 0,3828 apresenta um grau de magnetização maior, ou seja as propriedades magnéticas
aumentam (incremento da formação da martensita α’) com o aumento das deformação equivalente.
Figura 8: Comportamento magnético do aço inoxidável 304N.
Este comportamento mostrado na figura (8) foi também observado nos resultados de campo magnético aplicado nas
amostras que simulam caminhos de deformação uniaxial e biaxial para os A.I.A. 304N.
Foi também calculada a fração volumétrica da martensita α’, a partir dos resultados obtidos na caracterização magnética
e utilizando a equação de Shimozono. A figura (9) apresenta o comportamento da fração volumétrica da martensita α’ em
função da deformação equivalente. Observa-se uma tendência inicial linear ligeiramente crescente até aproximadamente
uma deformação equivalente de 0,25. a partir deste ponto há um crescimento logarítmico da porcentagem de martensita α’
com o aumento da deformação equivalente. Este comportamento também foi observado por outros autores (Talonen, J.
2004).
Figura 9: Formação da martensita α’ para o aço inoxídavel austenitico 304N em função da deformação equivalente.
Foi calculado também a tendência de formação de martensita nos caminhos de deformação uniaxial e biaxial nos aços
inoxidáveis 304N. Na figura (10) observa-se inicialmente que a formação de martensita é praticamente igual em ambas os
caminhos, sendo que a biaxial apresenta valores um pouco maiores de martensita, mais com a mesma tendência da uniaxial.
A partir de deformação equivalente aproximada igual a 0,25. há um incremento acentuado da porcentagem de martensita,
sendo que a deformação biaxial mantem a tendência inicial observada em relação a uniaxial. Isto pode ser devido a que as
amostras que simulam caminhos de deformação biaxial a uma interseção de bandas de deslizamento (formação da
martensita) duas vezes e meia maior que na uniaxial (Lichtenfeld, 2006).
Figura 10: Comportamento da fração volumétrica da martensita α’ em função da deformação equivalente para os aços 304N
e 304H.
Os resultados das figuras (9) a (10) mostram um aumento da fase magnética (martensita α’) com o aumento da
deformação equivalente. Se observa também que até uma deformação equivalente igual a 0.25 há um leve crescimento da
fase martensitica. A partir deste ponto um aumento da deformação implica num aumento bastante acentuado da fase
martensitica. Este comportamento inicial (ate 0.25) pode ser devido a que a fase austenitica inicial esta sujeita a uma força
motriz de origem química que tende a transformá-la na fase martensitica. No entanto, a transformação não acontece
imediatamente pois para que a martensita se forme é necessário que esta forca química seja maior que as forcas não
químicas existentes no material (Krupp, 2010; Leutenecker, 1989).
4.
Agradecimentos
Aos autores agradecem ao Laboratório de Materiais da Universidade do Estado de Santa Catarina, a Universidade
Federal de Itajubá e a Universidade Federal de Santa Catarina pelo apoio.
5.
Conclusões
Analisando os resultados obtidos, algumas conclusões podem ser apresentadas com relação ao comportamento do
material durante o ensaio de conformabilidade Nakajima (em relação as deformações principais e microdureza) e em
relação ao comportamento magnético do material.
• Com relação as deformações principais, os CP`s apresentaram estados de deformação nas regiões uniaxial-plana, plana
e plana-biaxial (55, 75, 95, 115, 155, 175 e 195mm), respectivamente. Para uma altura com 40% de deformação, a
deformação principal (ε1) tem pouca variação (base, meio e topo) em relação a deformação principal (ε2) ela varia de
valores positivos a valores negativos, isto pode ser devido a existência de lubrificante no punção, o que permite no
inicio a deformação da chapa neste lugar, uma vez que a camada lubrificante é retirada a deformação e maior na base e
depois no meio. Quando a altura de deformação aumenta, a uma deformação maior na base e no meio respectivamente.
• Com relação a microdureza há um comportamento semelhante em relação ao comportamento as deformações
principais, mas se observa também que os valores de microdureza não acompanham os caminhos de deformação.
• Com relação ao crescimento das ripas de martensita observada nas micrografias, pode se dizer que elas crescem
paralelas as bandas de cisalhamento.
• Com relação as análises magnéticas, se observou um aumento do grau de magnetização do material com o aumento da
deformação. Inicialmente esse aumento é pouco expressivo até uma deformação equivalente igual a 0.25. a partir deste
ponto o aumento da magnetização é bastante expressivo, tendo um comportamento logarítmico, isto pode ser devido a
forca motriz química necessária para a transformação seja maior que as forcas não químicas.
6.
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EFFECT OF STRAIN PATHS OF FORMATION OF STRAIN INDUCED
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Leonidas Cayo Mamani Gilapa, [email protected]
Carlos Augusto Silva de Oliveira, [email protected]
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1
Instituto Federal de Santa Catarina, Rua Pavão, 1337, bairro Costa e Silva Joinville-SC, CEP 89220-200
Universidade Federal de santa Catarina,
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Universidade Federal de Itajubá,
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Abstract: This study investigated the effect of deformation paths in the formation of martensite by strain induced in
austenitic stainless steel plates (A.I.A) 304N. The formation of martensite was evaluated by change the magnetic
measurements, the study also includes analysis of the variation of microhardness. The various paths of deformation were
obtained by testing, Nakajima tooling, to obtain the forming limit curve (FLC). The results obtained for different specimens
(CPs) showed a gradual increase of the magnetism the material (increasing the percentage of martensite α ') with
increasing degree of deformation. With ragard to microhardness, there was an increase with the degree of deformation,
independent of the path.
Keywords: Test Nakajima, metal forming, phase transformation.