Leonardo Barbosa Godefroid Eng. Met., M.Sc., D.Sc.

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1 Leonardo Barbosa Godefroid Eng. Met., M.Sc., D.Sc.
TENACIDADE À FRATURA E RESISTÊNCIA À FADIGA DE AÇOS APLICADOS NA INDÚSTRIA AUTOMOTIVA (BIFÁSICOS, BAINÍTICOS, INOXIDÁVEIS) Leonardo Barbosa Godefroid Eng. Met., M.Sc., D.Sc. Prof. DEMET / Escola de Minas / UFOP

2 ÍNDICE OBJETIVO O GRUPO GESFRAM MOTIVAÇÃO PARA O TRABALHO PARCERIAS COM INDÚSTRIAS PESQUISA 1 PESQUISA 2 PESQUISA 3 PESQUISA 4 PERSPECTIVAS CONSIDERAÇÕES FINAIS

3 ÍNDICE OBJETIVO O GRUPO GESFRAM MOTIVAÇÃO PARA O TRABALHO PARCERIAS COM INDÚSTRIAS PESQUISA 1 PESQUISA 2 PESQUISA 3 PESQUISA 4 PERSPECTIVAS CONSIDERAÇÕES FINAIS

4 OBJETIVO A palestra apresenta resultados de diversas pesquisas realizadas na UFOP nesta década, em conjunto com siderúrgicas nacionais sobre o comportamento mecânico de aços candidatos à aplicação na indústria automobilística. Enfatiza-se o desempenho destes materiais em termos de tenacidade à fratura, através da metodologia da integral J, e em termos da resistência à fadiga, através de mecanismos de iniciação e de propagação de trincas. Três aplicações são consideradas: rodas, tanque de combustível e sistema de exaustão. No primeiro caso, são apresentados resultados de aços bifásicos, em função de composição química e de efeitos de processamento termo-mecânico. São também comparados resultados de aços bainíticos com aços microligados e aços convencionais. No segundo e terceiro casos, são comparados aços inoxidáveis ferríticos, em função da presença de elementos de liga. São também apresentados resultados em função da temperatura e do ambiente.

5 ÍNDICE OBJETIVO O GRUPO GESFRAM MOTIVAÇÃO PARA O TRABALHO PARCERIAS COM INDÚSTRIAS PESQUISA 1 PESQUISA 2 PESQUISA 3 PESQUISA 4 PERSPECTIVAS CONSIDERAÇÕES FINAIS

6 GESFRAM 1993

7 ÍNDICE OBJETIVO O GRUPO GESFRAM MOTIVAÇÃO PARA O TRABALHO PARCERIAS COM INDÚSTRIAS PESQUISA 1 PESQUISA 2 PESQUISA 3 PESQUISA 4 PERSPECTIVAS CONSIDERAÇÕES FINAIS

8 Crescimento no consumo de petróleo
Indústria automobilística - desafios a partir de movimentos ambientais da década 1960. MOTIVAÇÃO Crescimento no consumo de petróleo Alterações climáticas globais Poluição urbana Fonte: Advanced High Strength Steel Workshop, October 22, 23, 2006, USA

9 Fonte: T.Gladman, The Physical Metallurgy of Microalloyed Steels, 2002
Conceitos teóricos para desenvolvimento de produtos:  Encruamento - Densidade de discordâncias  Solução sólida - C, Mn, Si, P - Átomos de C para “bake hardening”  Precipitação - Carbonetos, nitretos (Nb, Ti, V, etc)  Refino de grão - Equação de Hall-Petch  Transformação de fase - Simples, “dual-phase” - “Multi-phase”, TRIP Fonte: T.Gladman, The Physical Metallurgy of Microalloyed Steels, 2002

10 Indústria automobilística - utilização de materiais leves no setor de transportes.
Material candidato Material trocado Redução de peso (%) Custo relativo Aço ARBL Aço comum 1 Alumínio Aço, ferro fundido 1,3 - 2 Magnésio Aço ou ferro fundido 1,5 – 2,5 1 – 1,5 Compósito GFRC Aço Compósito CFRC 2 - 10 Compósito matriz Al 1,5 - 3 Titânio Aço ligado 1,5 - 10 Aço inox Aço carbono 1,2 – 1,7 Fonte: Advanced High Strength Steel Workshop, October 22, 23, 2006, USA

11 Projeto de chapas de aço
Balanço entre resistência e formabilidade Fonte: Advanced High Strength Steel Workshop, October 22, 23, 2006, USA

12 Fonte: Advanced High Strength Steel Workshop, October 22, 23, 2006, USA

13 Fonte: Advanced High Strength Steel Workshop, October 22, 23, 2006, USA

14 Fonte: Advanced High Strength Steel Workshop, October 22, 23, 2006, USA

15 Fonte: Advanced High Strength Steel Workshop, October 22, 23, 2006, USA

16 Fonte: Advanced High Strength Steel Workshop, October 22, 23, 2006, USA

17 Fonte: C.D.Wuppermann, Steel Institute VDEh 62nd ABM Congress, 2007.

18 ÍNDICE OBJETIVO O GRUPO GESFRAM MOTIVAÇÃO PARA O TRABALHO PARCERIAS COM INDÚSTRIAS PESQUISA 1 PESQUISA 2 PESQUISA 3 PESQUISA 4 PERSPECTIVAS CONSIDERAÇÕES FINAIS

19 GESFRAM PARCERIAS Aços bifásicos para rodas.
Aços inoxidáveis ferríticos para sistema de exaustão. Aços inoxidáveis para tanque de combustível. GESFRAM Tubarão Aços ARBL e bainíticos para rodas.

20 ÍNDICE OBJETIVO O GRUPO GESFRAM MOTIVAÇÃO PARA O TRABALHO PARCERIAS COM INDÚSTRIAS PESQUISA 1 PESQUISA 2 PESQUISA 3 PESQUISA 4 PERSPECTIVAS CONSIDERAÇÕES FINAIS

21 TENACIDADE À FRATURA E RESISTÊNCIA À FADIGA DE AÇOS BIFÁSICOS
Composição química dos aços bifásicos (% em peso) Código C Si Mn Cr DP-Cr 0,052 0,07 1,16 0,58 DP-Si 0,055 1,03 1,19 0,09

22 Microestruturas Aço ao Cr Aço ao Si

23 Características microestruturais e propriedades mecânicas
Código TG ferrita (m) FV martensita (%) C martensita (%) LE (MPa) LR ALO (%) DP-Cr-entrega 8,7  0,4 12,5  0,1 25,7  8,4 406  20 569  8 41  2,5 DP-Cr-tratado - 582  18 644  5 28  1,2 DP-Si-entrega 9,6  1,0 9,5  1,0 23,4  7,2 489  24 592  4 37  4,7 DP-Si-tratado 653  47 705  44 21  5,6

24 Fraturas por tração Aço ao Cr Aço ao Si

25 Tenacidade à fratura

26 Iniciação de trinca por fadiga

27 Iniciação de trinca por fadiga

28 Iniciação de trinca por fadiga

29 Iniciação de trinca por fadiga

30 Crescimento de trinca por fadiga

31 Crescimento de trinca por fadiga

32 Crescimento de trinca por fadiga

33 Aço ao Cr – região I Aço ao Cr – região II
Aço ao Si – região I Aço ao Si – região II

34 da/dN  10-7 mm/ciclos da/dN  10-5 mm/ciclos

35 ÍNDICE OBJETIVO O GRUPO GESFRAM MOTIVAÇÃO PARA O TRABALHO PARCERIAS COM INDÚSTRIAS PESQUISA 1 PESQUISA 2 PESQUISA 3 PESQUISA 4 PERSPECTIVAS CONSIDERAÇÕES FINAIS

36 RESISTÊNCIA À FADIGA DE AÇOS C-Mn, ARBL E BAINÍTICO
Composição química dos aços: Aço “comum” C + Mn; Aço ARBL C + Mn + Nb; Aço bainítico C (<0,15%) + Mn + Nb.

37 Microestruturas C-Mn ARBL Bainítico

38 Resultados de propriedades mecânicas de tração, direção longitudinal.
LE (MPa) LR ALO (%) Bainítico 470 598 40 C-Mn-Nb 411 542 42 C-Mn 358 427 50

39 Fraturas por tração C-Mn ARBL Bainítico

40 Iniciação de trinca por fadiga

41 Fraturas por fadiga C-Mn ARBL Bainítico

42 ÍNDICE OBJETIVO O GRUPO GESFRAM MOTIVAÇÃO PARA O TRABALHO PARCERIAS COM INDÚSTRIAS PESQUISA 1 PESQUISA 2 PESQUISA 3 PESQUISA 4 PERSPECTIVAS CONSIDERAÇÕES FINAIS

43 RESISTÊNCIA À FADIGA DE AÇOS INOXIDÁVEIS

44 Composição química C Si Mn P S Ni Cr Mo Nb Ti V 304 439 C-Mn IF 0,052
0,402 1,376 0,027 0,001 8,050 18,16 0,035 0,005 0,003 0,033 439 0,011 0,398 0,215 0,020 0,169 17,20 0,202 0,256 0,053 C-Mn 0,016 0,220 0,013 0,007 0,018 0,002 - IF 0,010 0,109 0,008 0,009 0,025 0,067

45 C-Mn 439 IF 304 304 Microestruturas

46 Resultados de propriedades mecânicas de tração, direção longitudinal.
Amostra LE (MPa) LR ALO (%) AISI 304 235 582 45,0 AISI 439 272 459 15,8 Aço-IF 132 290 25,6 Aço-C-Mn 167 310 24,8

47 Iniciação de trinca por fadiga

48 Redução na vida em fadiga de aços, após imersão em álcool combustível por 30 dias. Ensaios para carregamento correspondente a Nf = 1 x 106 ciclos. Aço Nf (%) 304 30 439 55 IF 80 C-Mn 90

49 RESISTÊNCIA À FADIGA DE AÇOS INOXIDÁVEIS FERRÍTICOS
T > 650ºC Fluência Oxidação Fadiga térmica Fadiga de baixo ciclo T < 650ºC Corrosão Fadiga ao ar Corrosão-fadiga

50 Composição química Cr C N Ti Nb DTi DNb 16Cr5Ti 16,26 0,026 0,011 0,47
0,34 --- 16Cr4Nb 16,23 0,019 0,021 0,36 0,05 17Cr2Ti2Nb 17,05 0,013 0,20 0,19 0,14 18Cr1Ti6Nb 18,01 0,014 0,009 0,13 0,56 0,08 0,49 Mono-estabilizados Bi-estabilizados DTi = Ti – 3,42 N – 4 C DNb = Nb – 7,74 (C+N) DTi = Ti – 3,42 N – (0,30 x 4C) DNb = Nb – (0,70 x 7,74C)

51 Microestruturas: laminados a frio; 1,5 mm.
16Cr4Nb (14,5mm) SL 16Cr5Ti (16,5mm) SL 17Cr2Ti2Nb (49,4mm) SL 18Cr1Ti6Nb (64,3mm) Microestruturas: laminados a frio; 1,5 mm.

52 Resultados de propriedades mecânicas de tração, direção longitudinal.
LE (MPa) LR ALO (%) 17Cr2Ti2Nb 278 437 37 16Cr4Nb 259 449 32 18Cr1Ti6Nb 284 443 34 16Cr5Ti 275 453

53 16Cr4Nb 17Cr2Ti2Nb Fraturas por tração 16Cr5Ti 18Cr1Ti6Nb

54 Iniciação de trinca por fadiga

55 Corrosão-fadiga

56 Fluência: SAG test.

57 Fadiga térmica

58 Fadiga térmica

59 Fadiga oligocíclica

60 ÍNDICE OBJETIVO O GRUPO GESFRAM MOTIVAÇÃO PARA O TRABALHO PARCERIAS COM INDÚSTRIAS PESQUISA 1 PESQUISA 2 PESQUISA 3 PESQUISA 4 PERSPECTIVAS CONSIDERAÇÕES FINAIS

61 PERSPECTIVAS GESFRAM/UFOP
Efeito do grau de deformação na resistência à fadiga de aços IF. Tenacidade à fratura e resistência ao trincamento por fadiga de aços bifásicos de elevada resistência mecânica. Desempenho em fadiga de aços para molas. Formação de textura em aços laminados a quente de baixa espessura e de alto grau de estampabilidade. Influência de elementos de liga na tenacidade à fratura de aços multifásicos laminados a quente.

62 ÍNDICE OBJETIVO O GRUPO GESFRAM MOTIVAÇÃO PARA O TRABALHO PARCERIAS COM INDÚSTRIAS PESQUISA 1 PESQUISA 2 PESQUISA 3 PESQUISA 4 PERSPECTIVAS CONSIDERAÇÕES FINAIS

63 CONSIDERAÇÕES FINAIS O aço possui uma história de aplicações de mais de 500 anos, e ainda suscita pesquisas importantes nas áreas de fabricação, conformação e relação estrutura-propriedades. Nas últimas décadas, o setor automotivo tem fomentado significativos avanços científicos e tecnológicos na siderurgia, gerando como conseqüência o desenvolvimento de aços de elevado valor agregado. Para atender à demanda por aços mais “nobres”, torna-se cada vez mais imprescindível a parceria universidade-empresa.

64 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Feliciano J.R. Cangue. Propagação de trinca de fadiga em aços bifásicos de emprego automobilístico Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais) - Universidade Federal de Ouro Preto. Elenice Maria Rodrigues. Avaliação da tenacidade à fratura através da integral J de dois aços bifásicos de emprego automobilístico Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais) - Universidade Federal de Ouro Preto. Marley de Souza Lemos. Estudo comparativo e de caracterização da vida em fadiga entre aços inoxidáveis ferríticos/austeníticos e aços carbono chumbado e aluminizado aplicados na fabricação de reservatórios de combustível de veículos de passeio Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais) - Universidade Federal de Ouro Preto. Fabiano Alcântara Machado. Efeito de pré-deformação e de tratamento térmico de bake hardening na propagação de trinca por fadiga em dois aços bifásicos de emprego automobilístico Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais) - Universidade Federal de Ouro Preto. Ricardo Augusto Faria. Efeito do titânio e do nióbio no comportamento em fadiga de aços inoxidáveis ferríticos utilizados no sistema de exaustão de veículos automotores Tese (Doutorado em Engenharia de Materiais) - Universidade Federal de Ouro Preto. Vanessa Gomes Santana. Efeitos da adição de Nióbio e Manganês na Resistência à Fadiga de um Aço ao Carbono utilizado em Rodas Automotivas. Dissertação em andamento (Mestrado em Engenharia de Materiais) - Universidade Federal de Ouro Preto.

65 AGRADECIMENTOS