Fluência e Amolecimento em Aço Ferramenta para Trabalho a Quente

Uma ferramenta para trabalho a quente falha a uma temperatura na qual o mesmo aço estaria seguro em uma aplicação de trabalho a frio, e a razão é que a propriedade que a limita já não é o limite de escoamento. Acima de aproximadamente um terço do ponto de fusão na escala absoluta, um metal deforma-se com o tempo sob uma carga que de outra forma suportaria, e a microestrutura que conferiu à ferramenta sua dureza começa a mudar por si mesma. Esta página aborda a temperatura na qual a fluência se torna a propriedade limitante, os estágios da curva de fluência e o número usado para estimar a vida restante, as mudanças que silenciosamente removem dureza de uma matriz para trabalho a quente, e como uma fratura por fluência difere de uma causada por sobrecarga.

Onde a fluência se torna a propriedade limitante

A fluência começa onde os átomos na rede se tornam suficientemente móveis para se rearranjar sob carga, e a regra prática fornecida pela fonte é que isso ocorre a aproximadamente um terço a metade do ponto de fusão medido em escala absoluta. A regra é um ponto de partida e não um critério de projeto, porque o que importa na prática é a temperatura na qual a resistência do metal passa a ser limitada pela fluência e não pelo seu limite de escoamento, e essa transição tem de ser determinada para cada liga separadamente. As duas não são a mesma questão, e para um aço podem diferir por uma margem ampla.

Para um aço ferramenta para trabalho a quente a consequência é direta. Na classificação abaixo, um aço cromo para trabalho a quente é um aço de baixa liga, e sua temperatura de serviço em uma matriz de fundição sob pressão ou em uma matriz de forjamento a quente situa-se acima do valor de início nessa linha. A ferramenta opera, portanto, em um regime no qual a carga que pode suportar depende de há quanto tempo a vem suportando, razão pela qual uma ferramenta para trabalho a quente é especificada por sua dureza a quente e sua resistência ao amolecimento, e não por um valor de tração à temperatura ambiente.

Metal ou liga	Temperatura para o início da fluência, °C	°F	Como fração do ponto de fusão, T/TM
Ligas de alumínio	150 a 200	300 a 400	0,48 a 0,54 TM
Ligas de titânio	315	600	0,3 TM
Aços de baixa liga	370	700	0,36 TM
Ligas resistentes ao calor de base ferro austenítico	540	1000	0,49 TM
Ligas resistentes ao calor de base níquel e cobalto	650	1200	0,56 TM
Metais refratários e suas ligas	980 a 1540	1800 a 2800	0,4 a 0,45 TM

A temperatura na qual a fluência se torna uma consideração de engenharia para cada grupo de ligas, expressa tanto em graus quanto como fração do ponto de fusão em escala absoluta. Fonte, Tabela 1 do artigo Creep and Stress Rupture Failures.

A curva de fluência, e o número que prevê a vida

A curva de fluência clássica tem três estágios. A fluência primária é o período de ajuste logo após o carregamento, quando a taxa cai à medida que as discordâncias se emaranham e endurecem o material. A fluência secundária, também chamada de fluência em regime estacionário, é um equilíbrio entre o encruamento e a recuperação, e sua taxa mínima é o número que se relaciona empiricamente com a vida até a ruptura e é usado em trabalhos de engenharia com materiais resistentes à fluência. A fluência terciária é a região acelerada que termina em fratura. Em muitas ligas comerciais resistentes à fluência o estágio terciário começa com uma deformação por fluência de 0,5 por cento ou menos, de modo que o projeto de um componente para serviço em temperatura elevada baseia-se no tempo e no alongamento que o precedem, e a duração do próprio estágio terciário é a margem que permite detectar uma peça em falha antes que ela se rompa.

Duas ressalvas acompanham esses números. A deformação medida em um ensaio não é a deformação total na peça, porque a deformação total na temperatura é a soma da deformação elástica, da deformação por expansão térmica e da deformação por fluência, e em uma análise de falha as duas primeiras não podem ser omitidas. E os dados de fluência são geralmente obtidos sob carga constante, na qual a tensão na seção de referência aumenta à medida que o corpo de prova se alonga, de modo que uma vida até a ruptura medida dessa forma é mais curta do que o mesmo material apresentaria sob tensão constante. Nenhum dos pontos altera a forma da curva, mas ambos alteram a resposta quando a curva é lida de volta sobre um componente real.

O que muda no aço na temperatura

A microestrutura de uma peça após um longo período na temperatura raramente se assemelha à estrutura com que foi entregue, e para um aço para trabalho a quente a mudança é a falha. A exposição prolongada traz precipitação de novas fases, dissolução ou crescimento das fases desejadas, crescimento de grão e, sob a influência combinada de tensão e temperatura, mudanças que um simples tratamento térmico não consegue reproduzir. Um carboneto que conferiu à matriz sua dureza a quente coalesce em uma forma que já não a confere. Uma fase que estava finamente dispersa se aglomera. Um carboneto que deveria ter permanecido dentro do grão migra para o contorno, onde um filme dele atua como caminho de trinca.

A fonte é cuidadosa quanto a um ponto que importa quando uma peça suspeita é examinada. A presença de uma fase como a sigma não prova por si só que a fase causou a falha, porque a mesma fase pode fortalecer, enfraquecer ou nada fazer dependendo de quanto dela existe, onde se situa e que forma assume, e porque outras fases geralmente estão presentes ao mesmo tempo. Uma conclusão desse tipo exige trabalho metalográfico que separe a fase que causou a falha das que apenas a acompanharam, razão pela qual a microestrutura próxima a uma fratura tem de ser comparada com a microestrutura distante dela.

Mudança no aço	O que ela faz	Onde é observada
Sobreenvelhecimento de uma matriz endurecida por precipitação	A resistência cai porque a fase que a sustenta coalesce e a matriz continua a envelhecer sob carga	Aços ferríticos de endurecimento secundário e outras ligas que endurecem por decomposição de uma solução sólida supersaturada
Esferoidização de carbonetos	Os carbonetos coalescem e perdem a forma que conferia à estrutura sua dureza	Qualquer aço contendo carbonetos mantido na faixa de revenimento por longo tempo, o que inclui toda matriz para trabalho a quente
Grafitização in situ	O carboneto de ferro decompõe-se em grafite e ferro, pelo que o carbono que fazia o endurecimento já não está num carboneto	Ligas de base ferro sem crómio suficiente para estabilizar o carboneto, com o teor de molibdénio e a prática de desoxidação também a influenciar
Filmes de carboneto nos limites de grão	Reduzem substancialmente a vida à rotura por fluência da liga	Detetado por replicação ou corte nos limites de grão, não na superfície de fratura
Conversão do carboneto MC em M23C6	O novo carboneto tende a formar-se ao longo do limite de grão, o que desloca o endurecimento do interior do grão para a sua periferia	Aços e ligas resistentes ao calor mantidos à temperatura em serviço, numa sequência específica de cada sistema de liga
Sigma e outras fases topologicamente compactas	Os precipitados em forma de agulha reduzem a tenacidade e a resistência à fluência, e as fases também podem reduzir drasticamente a ductilidade ao arrefecer até à temperatura ambiente	Ligas austeníticas e de alta temperatura, onde a quantidade, a localização e a forma da fase determinam se esta endurece, enfraquece ou não faz nada
Recristalização sob carga	Promove um aumento rápido da deformação e é uma das formas como começa a fluência terciária	Geralmente observado como grãos que permanecem equiaxiais após grande deformação plástica, em contraste com os grãos alongados de uma rotura transgranular
Formação de óxidos e nitretos nas superfícies de fenda	Pode reforçar o material no final da vida útil ao unir fendas abertas, o que se manifesta como um segundo patamar estacionário na curva de fluência	Ambientes de serviço oxidantes a alta temperatura

As alterações que a fonte enumera num aço mantido à temperatura sob carga, o que cada uma faz à resistência da peça e onde é encontrada. Compilado a partir da secção de instabilidades metalúrgicas do artigo.

Aspeto de uma fratura por fluência

As fraturas por rotura sob tensão caracterizam-se por uma multiplicidade de vazios de fluência junto à fratura principal, e os vazios são geralmente fáceis de encontrar por exame ótico de microsecções. Se a fratura parece dúctil ou frágil macroscopicamente depende da liga, da temperatura e da taxa de deformação, e o padrão é o oposto do que uma oficina espera. Taxas de fluência mais baixas, tempos de rotura mais longos e temperaturas mais elevadas promovem fratura intergranular com pouco alongamento ou estricção, enquanto as fraturas transgranulares que apresentam alongamento e estricção pronunciados tendem a resultar de tensões aplicadas elevadas e taxas de deformação elevadas, falhando por um processo de vazios semelhante à rotura por alvéolos de um ensaio de tração comum. As fractografias apresentam frequentemente ambos os percursos ao mesmo tempo, e nesses casos as fissuras intergranulares surgiram geralmente primeiro, reduziram a secção e elevaram a tensão até o resto rasgar.

A temperatura à qual o percurso muda chama-se temperatura equicoesiva. Abaixo dela a região do limite de grão é mais resistente do que os grãos e a fratura atravessa os grãos, e acima dela o limite é mais fraco e a fratura corre ao longo dele. Essa temperatura não é uma propriedade fixa, pois desloca-se com o tempo de exposição e a tensão, pelo que o mesmo aço pode falhar de qualquer das formas consoante o serviço. Duas formas de cavidade transportam a mesma informação numa escala menor. Cavidades redondas que se formam ao longo das arestas de grão são a forma de baixa tensão e tempo longo, enquanto cavidades em forma de cunha nos pontos triplos dos limites de grão são promovidas pelo deslizamento dos limites de grão a alta tensão e temperatura mais baixa, e deixam uma superfície de fratura rugosa com precipitados de limite de grão identificáveis.

Para um componente ainda em serviço, o exame tem de ser feito sem o cortar, e o método de campo que a fonte descreve é a replicação de superfície, que é a forma estabelecida de avaliar a condição de instalações de alta temperatura a partir do seu dano por fluência. A replicação é o que torna utilizáveis os níveis de dano da tabela seguinte, porque converte uma população de cavidades numa superfície polida num número que pode ser acompanhado em inspeções sucessivas.

Estimativa da vida restante

São apresentadas duas abordagens. A primeira é a paramétrica, e o parâmetro mais amplamente utilizado é o parâmetro de Larson-Miller, escrito como a temperatura em graus Rankine multiplicada pela quantidade C mais o logaritmo do tempo em horas, com o resultado dividido por mil. A constante C é cerca de 20 para um aço de baixa liga. O parâmetro é usado para determinar a vida à rotura restante a uma dada tensão aplicada, comparando a exposição em serviço com dados de laboratório, e é a razão pela qual um ensaio de fluência pode ser realizado durante alguns milhares de horas e extrapolado para uma vida em serviço medida em anos.

A segunda abordagem é metalográfica, e é a que dá um número para uma peça que já está em serviço. Uma população de cavidades lida numa réplica é associada a um nível de dano, e cada nível de dano corresponde a um intervalo da fração de vida já consumida. O fator de vida restante é então calculado como o recíproco da fração consumida menos um. Como a mesma população de cavidades é lida em cada inspeção, a tendência entre inspeções é mais informativa do que qualquer leitura isolada, e a parte mais ampla do intervalo situa-se nos níveis de dano mais baixos, que é onde a estimativa é menos certa.

Nível de dano	Fração de vida consumida, intervalo X	Fator de vida restante, mínimo	Fator de vida restante, máximo
1	0,00 a 0,12	7.33	Desconhecido
2	0,04 a 0,46	1.17	24.00
3	0,30 a 0,50	1.00	2.33
4	0,30 a 0,84	0.19	2.33
5	0,72 a 1,00	0 significa falhado	0.39

Nível de dano em função da fração de vida já consumida, com o fator de vida restante calculado como 1/X menos 1. Os níveis de dano são lidos a partir da população de cavidades observada numa réplica, razão pela qual uma peça de nível 1 pode ser deixada em paz e uma peça de nível 5 já falhou. Fonte, Tabela 3 do artigo Creep and Stress Rupture Failures.

A ductilidade à rotura é a propriedade que decide se algum desse tempo de aviso é real. Os projetos de componentes baseiam-se frequentemente numa deformação por fluência de um por cento, e a fonte observa que em ligas resistentes ao calor de base níquel fundidas convencionalmente é comum uma ductilidade à rotura sob tensão de cerca de um por cento a 760 °C, contra valores acima de cinco por cento para as ligas forjadas mais resistentes. Uma ductilidade à rotura baixa pode, portanto, impedir que uma liga seja utilizada até à sua resistência total, porque a peça romperia antes de se ter deformado visivelmente. Onde a quantidade de deformação não é crítica, vale a pena escolher uma ductilidade à rotura elevada por uma razão diferente, que é o facto de a falha chegar então com aviso em vez de sem ele. Têm ocorrido falhas prematuras exatamente por essa falta de ductilidade no estágio terciário.

O que isso significa em um pedido de aço ferramenta

Uma ferramenta de trabalho a quente é comprada em função de uma temperatura de serviço, e a especificação útil é a que indica o que o aço retém a essa temperatura e não o que atinge à temperatura ambiente. Vale a pena colocar quatro itens na ficha. A temperatura de serviço e o tempo a essa temperatura, porque ambos entram na decisão e um molde que vê 600 °C durante segundos comporta-se de forma diferente de um que vê 500 °C durante horas. A temperatura de revenido, porque um molde revenido abaixo da sua temperatura de serviço continuará a amolecer em uso. A limpeza do aço e a forma como foi fabricado, uma vez que as mudanças de fase que removem a resistência a quente são sensíveis ao controlo da composição e à quantidade de segregação na barra. E a tenacidade à temperatura, porque a fenda intergranular que termina a vida de um molde de trabalho a quente é a que cresce ao longo dos limites onde as fases se acumularam. As classes de trabalho a quente e os seus ciclos estão em Tratamento Térmico de Aço Ferramenta para Trabalho a Quente e Tratamento térmico de aço H13, a falha por aquecimento e arrefecimento repetidos que geralmente surge primeiro é abordada em Aços para ferramentas resistentes à fadiga térmica, e os dados físicos de que um modelo térmico necessita estão em constantes térmicas do aço para trabalho a quente e condutividade térmica do aço ferramenta. A forma como a dureza a quente é mantida à temperatura nos graus de alta velocidade está em tratamento térmico do aço rápido, o diagrama de transformação por trás da escolha do revenimento está em revenimento e transformação isotérmica, e os materiais utilizados para cada componente do molde estão listados em materiais dos componentes do molde de fundição sob pressão. A fragilização por revenimento, que ocorre através dos mesmos contornos de grão, está reunida em Tipos de fragilização em aços, e as causas etapa por etapa de uma falha de ferramenta ou molde estão apresentadas em Análise de falha de ferramentas e matrizes.

Antes de agir com base em uma avaliação de fluência

Página de referência, não é uma especificação da Aobo Steel, e as temperaturas e limites acima são os valores publicados para os grupos de ligas e componentes nomeados. O comportamento em fluência depende da liga, da tensão, da temperatura, do tempo e do ambiente em conjunto, e os valores de início são regras práticas de engenharia e não limites de projeto para uma ferramenta específica. Um nível de dano lido de uma réplica é uma leitura de uma pequena área, e uma única inspeção não consegue distinguir dano que cresceu lentamente de dano que acabou de começar. Quando um molde para trabalho a quente é mantido em serviço com base em uma estimativa de vida remanescente, a estimativa pertence ao intervalo de inspeção de onde veio.

Fonte: ASM Handbook, Volume 11, Failure Analysis and Prevention, ASM International, 2002.