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Obtenção de grãos ultrafinos em aços hipereutetóides Hélio Goldenstein Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Apoios: FAPESP e.

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1 Obtenção de grãos ultrafinos em aços hipereutetóides Hélio Goldenstein Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Apoios: FAPESP e CNPq

2 Obtenção de grãos ultrafinos em aços hipereutetóides A idéia de trabalhar neste assunto surgiu a partir de sugestão do Prof. Oscar Balancin por ocasião de discussões no âmbito do projeto CT-FVA/CNPq 01/2003, em 2004 Hélio Goldenstein Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Apoios: FAPESP e CNPq

3 Em 1994, Oleg Sherby vem ao Brasil participar do CECIMAT, quando apresenta os trabalhos com aços de damasco que vinha desenvolvendo em Stanford desde a década de 70; visita a USP, DEMA-UFSCar, PUC-Rio, UFRJ e UFMG Divulga a idéia de que aços hipereutetóides podem ter características únicas quando tratados de forma a apresentar uma dispersão fina de carbonetos Os carbonetos inibem o crescimento dos grãos, criando uma estrutura de grãos ultrafinos Esta estrutura de grãos ultrafinos melhora a tenacidade ao mesmo tempo que aumenta a resistencia Permite comportamento superplástico em temperaturas próximas à temperatura eutetóide

4 Sherby ao estudar superplasticidade, re-descobriu e popularizou um conhecimento metalúrgico muito antigo: os aços de damasco Espada Persa (Isfahan), Séc.XVIII. Damasco Origem da Ciência da Microestrutura, a contribuição da Metalurgia à Ciência dos Materiais: conhecimentos empíricos sobre fratura e texturas macroscópicas em superfícies polidas de espadas e ferramentas: Macroestruturas de forjamento, expressões de aspectos estéticos e artísticos (Oriente), indicadores da qualidade do processo e das propriedades do produto, conhecimento secretode artesãos por 26 séculos

5 Kris – punhais malaios com textura de forjamento decorativas. Smith, C.S. Por 26 séculos o aço de espada foi forjado artesanalmente -Aplicações: armas brancas e armaduras, ferramentas para trabalhar metal e madeira, anzóis, agulhas de costura, cordas de instrumentos. -Nos Séc XVIII e XIX: Tentativas de entender e reproduzir o aço Wootz e macroestruturas de forjamento dos aços de Damasco: -Reamur em 1722; Bergman 1773, Mushet em 1808; Faraday em 1818; Breant em 1823; Anossof 1841; Fisher 1851, Sorby 1863, culminaram no desenvolvimento da metalografia e simultaneamente no desenvolvimento dos processos de fabricação de aços de alto carbono. - Só na virada do Séc. XIX: processos Bessemer e Siemens demonstraram a superioridade dos aços homogêneos para fins estruturais - ferro pudlado no Colpaert Aço de espada: a origem da metalografia!

6 A microestrutura das espadas No Séc. XIX Com o uso do microscópio mistério é desvendado: Espadas são de aços de ultra alto carbono hipereutetóide (UHC) Sua estrutura é formada por carbonetos esferoidizados finamente distribuídos por forjamento Carbonetos esferoidizados em espada do Luristão (Pérsia), circa 800 AC Smith, C.S. (1981) A search for Structure

7 O efeito colateral de uma dispersão de partículas no crescimento do grão: ancoramento dos contornos de grão

8 Em aços hipereutetóides é possível obter uma grande quantidade de carbonetos de ferro Fe 3 C Efeito do ancoramento permite manter grãos finos durante deformação em temperaturas intermediárias, resultando em superplasticidade! Diagrama Fe-C ilustrando a região (pela área hachurada) em que é possível obter superplasticidade. AAC significa aços de alto carbono

9 Sherby na década de 70, demostrou superplasticidade em aços de damasco modernos, obtidos graças ao refino dos grãos pelos carbonetos, resultando em uma estrutura duplex ferrita/carbonetos Exemplo de estrutura microduplex, em aço de rolamento (Furuhara e Maki 2004)

10 Aços de alto carbono e de ultra alto carbono comerciais Aços ferramenta grupo W Aços de rolamento (52100, DIN 100Cr6) com 1% C e 1,5% Cr Pin Point carbide steels, DIN100 Cr 1, DIN125Cr1, etc com 1,2 a 1,4 %C

11 Como o Sherby obtinha carbonetos e grãos finos (US Patent de 1976)

12 A decomposição eutetóide divorciada

13 Outras rotas possíveis de obtenção de finas dispersões de carbonetos (Sato,Furimoto,Tsuzaki e Maki, 1999)

14 Trabalho experimental em andamento: explorar a possibilidade de refinar a estrutura apenas por tratamento térmico - projeto de IC Rodrigo Faveret Signorelli,-FAPESP processo Nº : 6/ Aço 100Cr6, solubilizado totalmente a 1050, temperado e depois revenido em alta temperatura (beneficiado) Objetivos: - obter dispersão de carbonetos diretamente a partir da estrutura martensítica, - eliminar heterogeneidades de distribuição espacial dos carbonetos decorrentes da rota de fabricação (lingotamento contínuo vs lingotamento convencional) - obter grão austenítico muito fino na têmpera final, de forma a obter uma fração majoritária de martensita escorregada (ripas) e restringir a fraçào de martensita em placas e blocos Melhorar a resistência sem diminuir a tenacidade Para isto, diferentes combinações de revenidos e tratamentos sub-zero foram testados, dando como resultado diferents tamanhos de grão ferrríticos e na austenitizaçào para têmpera, austeníticos

15 Processos que levam à formação de contornos de grande ângulo nos tratamentos em questão são: Recuperação da martensita escorregada na mistura α´+ O coalescimento da martensita escorregada em blocos A transição morfológica da martensita de escorregada para grãos equiaxiais

16 – Problema: Revelar contornos de grão Recobrimento da amostra com um filme de detergente neutro e aplicação, com um chumaço de algodão, de uma solução aquosa contendo 2 g de ácido pícrico e 2 g de cloreto férrico em 100 ml de água destilada. Apenas 30 segundos foram necessários para revelar os contornos de grão. Abaixo comparação entre amostra temperada a partir do material como recebido e amostr temperada a partir de material solubilizado, temperado e beneficiado a 620 por 0,5 hora

17 Relação entre o refino dos carbonetos e o tamanho de grão d = 5,3x10 -6 m d = 8,2x10 -6 m MEV – Elétrons Secundários Material: Aço AISI (a) austenitização e têmpera, e (b) beneficiamento, austenitização e têmpera, ataque nital. (a) (b)

18 Primeiros resultados: Tamanho de grão versus dureza Material: Aço AISI d m Dureza (HV) , , ,2944 d m Dureza (HV) Tabela 1 - Matriz martensítica Tabela 2 - Matriz ferrítica

19 Dureza x Tamanho de grão Gráfico 1- Dados obtidos para tamanho de grão e dureza, nas amostras temperadas (matriz martensítica), representados na tabela 1. A aproximação feita pelo polinômio segue a relação de Hall-Petch.

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21 Experimentos em andamento Austenitizar o material com dispersão fina de carbonetos em temperatura mais baixa do que a especificada normalmente para rolamentos Espera-se que o menor teor de carbono da martensita seja compensado pelo endurecimento através do mecanismo de Hall-Petch, obtendo-se a mesma dureza com maior tenacidade e resistência à fadiga


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