Mecanismos de endurecimento do aço microligado
A microligação consiste em adicionar alguns centésimos de por cento de nióbio, titânio ou vanádio a um aço de baixo carbono, e é a razão pela qual uma tira laminada a quente comum pode atingir um limite de escoamento de 500 MPa ou mais sem qualquer tratamento de têmpera. As adições atuam formando carbonitretos, e essas partículas elevam o limite de escoamento de duas maneiras distintas. Elas retêm os contornos de grão da austenita durante a laminação a quente, de modo que os grãos de ferrita terminam menores, e as partículas remanescentes no aço após a transformação de fase atuam como obstáculos que as discordâncias em movimento precisam contornar. Esta página apresenta como esses dois efeitos são separados e medidos em aços microligados de tira laminada a quente comerciais, usando a relação entre estrutura e propriedades de Pickering e Gladman como linha de base. As composições químicas e os esquemas de laminação dos mesmos aços estão reunidos na composições de aço de tira microligado página.
A resistência base de um aço de baixo carbono
Qualquer discussão sobre endurecimento por precipitação parte de uma linha de base, o limite de escoamento que um aço da mesma composição química teria sem nenhum carbonitreto. A relação publicada por Pickering e Gladman fornece esse número apenas a partir da composição química e do tamanho de grão ferrítico, e tem sido usada para tiras laminadas a quente microligadas desde a década de 1970.
σy (MPa) = 15,4 [ 3,5 + 2,1 (%Mn) + 5,4 (%Si) + 23 (%Nf) + 1,13 d-1/2 ]
Os termos (%Mn), (%Si) e (%Nf) são as porcentagens em peso de manganês, silício e nitrogênio livre em solução na ferrita, e d é o tamanho de grão ferrítico em milímetros. A quantidade de nitrogênio livre é o termo difícil de determinar, porque a maior parte do nitrogênio em um aço microligado já foi capturada pelas partículas de carbonitreto, e para o aço ao nióbio abaixo resultou em 0,0025 % em peso. Subtrair o valor base calculado do limite de escoamento medido em um ensaio de tração deixa a parte da resistência que precisa ser explicada por outros mecanismos, que é o número sobre o qual o restante desta página trata.
| Tratamento do aço ao Nb | Tamanho de grão ferrítico (µm) | Limite de escoamento calculado (MPa) | Limite de escoamento medido (MPa) | Endurecimento adicional (MPa) |
|---|---|---|---|---|
| Bobina | 10.0 | 252 | 310 | 58 |
| Normalizado | 10.0 | 252 | 312 | 60 |
Fonte, Tabela 1 do capítulo fonte. Comparação entre as previsões de limite de escoamento da equação acima e os resultados de ensaio de tração no aço microligado ao nióbio. A normalização foi realizada a 900 °C por 30 minutos.
O aço ao nióbio mantém sua resistência através do tratamento de normalização quase exatamente, a 310 MPa antes e 312 MPa depois. Esse comportamento é, por si só, a descoberta. Carbonitretos muito finos que precipitam na ferrita durante o bobinamento cresceriam e perderiam coerência durante uma permanência de 30 minutos a 900 °C, e o limite de escoamento cairia com eles. Isso não ocorre, portanto não houve tal precipitação na ferrita deste aço, e a resistência extra deve vir de partículas que se formaram antes, na austenita, onde a permanência as deixa em grande parte como estavam.
As duas equações que explicam a resistência extra
As partículas de carbonitreto elevam o limite de escoamento forçando as discordâncias a se curvar entre elas, e o modelo de Orowan e Ashby expressa isso em função de quanto do aço as partículas ocupam e de seu tamanho.
Δσ = [ 10,8 f1/2 / D ] ln (1630 D)
Aqui Δσ é o incremento de endurecimento por precipitação em MPa, f é a fração volumétrica do precipitado e D é o diâmetro médio da partícula em micrômetros. O termo da fração volumétrica é fraco, pois o endurecimento aumenta apenas com a raiz quadrada de f, enquanto o termo do diâmetro é forte, de modo que o engrossamento das partículas é a maneira mais rápida de perder resistência. Aplicada à precipitação na austenita no aço ao nióbio acima, a equação retorna cerca de 65 MPa, o que concorda com os 58 a 60 MPa que os ensaios de tração deixaram sem explicação.
As discordâncias introduzidas pela transformação de fase contribuem através da segunda equação, que a literatura inicial atribui a Keh.
Δσ = mαμbρ1/2
O termo m é o fator de Taylor para um policristal, α é um fator geométrico que depende do tipo de interação de discordâncias, μ é o módulo de cisalhamento, que é 82.300 MPa para a ferrita, b é o vetor de Burgers da discordância, 0,25 nm na ferrita, e ρ é a densidade de discordâncias medida. Um valor de mα de 0,4 é usado como valor intermediário. Para o aço ao nióbio a densidade de discordâncias medida foi cerca de 108 cm-2, o que retorna aproximadamente 8 MPa, pequeno o suficiente para ser chamado de desprezível ao lado dos 58 MPa de endurecimento por precipitação. A precipitação interfásica foi encontrada neste aço em apenas dois dos vinte grãos examinados e em escala grosseira, de modo que sua contribuição para a resistência global também foi desprezível.
Precipitação de carbonitreto que se forma na austenita
As partículas responsáveis pela resistência desses aços não são as que se formam após a transformação. Elas nucleiam na austenita enquanto ela ainda está sendo deformada, e acabam decorando os contornos da subestrutura de deformação. A difração de elétrons no aço ao nióbio confirmou que os carbonitretos se formaram na austenita e não na ferrita.
A distribuição não é uniforme. As partículas situam-se em lâminas e ao longo de contornos, em vez de se espalharem uniformemente pelo grão, porque é onde a subestrutura da austenita lhes deu um local para nuclear. Uma distribuição de partículas desse tipo é o que faz o diâmetro médio da partícula, e não apenas a fração volumétrica, ser o número que precisa ser medido para prever a resistência.
O aço de tira laminada a quente microligado ao NbTi
Um segundo aço de tira laminada a quente comercial, microligado com nióbio e titânio, foi estudado da mesma maneira e atingiu um limite de escoamento muito mais alto. Sua composição química e seu esquema de laminação são apresentados abaixo. Ambas as tabelas são da mesma investigação que os valores de limite de escoamento que se seguem.
O aço contém 0,12 % em peso de carbono e 1,21 % em peso de manganês, no limite superior da faixa normalmente laminada em um laminador de tiras a quente, com 0,057 % em peso de nióbio e 0,059 % em peso de titânio como adições de microligação.
| Aço | C | Mn | Si | P | S | Al | Nb | Ti | N |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| NbTi | 0.12 | 1.21 | 0.33 | 0.023 | 0.008 | 0.048 | 0.057 | 0.059 | 0.008 |
Fonte, Tabela 2 do capítulo fonte. Composição química do aço NbTi de tira laminada a quente em porcentagem de peso.
O esquema de laminação importa tanto quanto a composição química. A placa foi aquecida a 1150 °C para que os carbonitretos de nióbio e titânio fossem recolocados em solução, a laminação de acabamento começou a 1079 °C e terminou a 870 °C, que é a parte do esquema que refina a austenita por recristalização repetida, e a tira foi então resfriada a 10 °C por segundo e bobinada a 650 °C.
| Aço | Temperatura de aquecimento (°C) | Início da laminação de acabamento (°C) | Fim da laminação de acabamento (°C) | Taxa de resfriamento (°C/s) | Temperatura de bobinamento (°C) | Espessura final (mm) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| NbTi | 1150 | 1079 | 870 | 10 | 650 | 7 |
Fonte, Tabela 3 do capítulo fonte. Parâmetros de processamento do cronograma de laminação industrial de tira a quente. A fonte imprime as temperaturas de laminação de acabamento como valores inicial e final para a mesma sequência de passes.
O limite de escoamento do aço NbTi foi medido como a média de cinco ensaios de tração em cada condição. Subtraindo o valor base calculado a partir da composição e do tamanho de grão ferrítico, resta um endurecimento adicional de 177 MPa na tira como bobinada, que cai para 69 MPa após a normalização. Essa queda é a assinatura de uma contribuição real de precipitação. Enquanto o aço ao nióbio não perdeu nada durante a normalização, o aço NbTi perdeu 108 MPa da resistência extra, e o nível para o qual caiu, 69 MPa, é próximo dos 58 a 60 MPa que o aço ao nióbio mantém em ambas as condições. As partículas que sobrevivem a um aquecimento a 900 °C são as que se formaram na austenita, e são elas que respondem pela resistência remanescente.
| Tratamento do aço NbTi | Tamanho de grão ferrítico (µm) | Limite de escoamento calculado (MPa) | Limite de escoamento medido (MPa) | Endurecimento adicional (MPa) |
|---|---|---|---|---|
| Bobina | 5.0 | 367 | 534 | 177 |
| Normalizado | 5.5 | 357 | 426 | 69 |
Fonte, Tabela 4 do capítulo fonte. Comparação entre as previsões de limite de escoamento da equação de composição e tamanho de grão e os resultados de ensaio de tração no aço NbTi.
Precipitação interfásica em formação de fileiras
O aço NbTi apresenta um segundo modo de precipitação que o aço ao nióbio não apresenta. À medida que a austenita se transforma em ferrita, a interface entre as duas fases se move através da austenita e os carbonitretos nucleiam nessa interface em movimento, o que os deposita em lâminas cujo espaçamento acompanha o crescimento da ferrita. O resultado é uma microestrutura de fileiras paralelas de partículas finas, e é muito mais fina do que a precipitação na subestrutura da austenita.
As duas micrografias são o mesmo fenômeno em duas escalas diferentes, e a diferença entre elas é o ponto prático. No aço NbTi as fileiras estão suficientemente próximas para que as partículas entre elas ofereçam um obstáculo real ao movimento das discordâncias, de modo que o mecanismo contribui para a resistência dos grãos onde ocorre. Suas frações volumétricas foram medidas em 3,5 x 10-4 no aço NbTi-2, 4,9 x 10-4 no aço ao nióbio e 7,8 x 10-4 no aço NbTi-3, todas na mesma ordem de grandeza da precipitação na austenita e todas pequenas o suficiente para que a medição tenha de ser feita no microscópio eletrônico em vez de inferida a partir da química.
A precipitação interfásica não ocorre em todos os grãos de ferrita. É encontrada apenas em uma fração deles, razão pela qual sua contribuição para o limite de escoamento da peça inteira tem de ser reduzida por uma regra de mistura. Essa heterogeneidade é a razão pela qual o mecanismo é fácil de superestimar em um cálculo simples da fração volumétrica, e a razão pela qual a microdureza de grãos individuais é a medição que o resolve.
Separando as contribuições no aço NbTi-3
O relato mais detalhado no capítulo de origem acompanha um terceiro aço, NbTi-3, através de ambas as condições e separa cada contribuição para sua resistência extra. As medições são dadas abaixo, nas unidades em que as fontes as relatam, com o diâmetro de partícula em nanômetros e a fração volumétrica em unidades de 10-4.
| Condição da amostra | Origem da partícula | D (nm) | f, x 10-4 | Δσ (MPa) | ρ (cm-2) | Δσ (MPa) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Endurecimento por precipitação a partir da equação de Orowan e Ashby, e endurecimento por discordâncias a partir da equação de Keh | ||||||
| Como laminado após bobinamento | Austenita | 7.2 | 6.2 | 92 | 5,2 x 109 | 64 |
| Interfásica | 4.0 | 5.0 | 112 | |||
| Total | 5.2 | 11.2 | 145 | |||
| Após normalização | Austenita | 12.0 | 6.9 | 70 | 108 | <10 |
| Total | 11.0 | 13.0 | 102 | |||
Fonte, Tabela 9 do capítulo fonte. Contribuições de endurecimento substructural no aço NbTi-3. Uma célula em branco é uma célula que a fonte deixa vazia, significando que a entrada não se aplica àquela linha.
Leia a tabela por coluna. Na condição como bobinada, as partículas de austenita, com 7,2 nm de diâmetro e ocupando 6,2 x 10-4 do aço, valem 92 MPa, as partículas interfásicas com 4,0 nm e 5,0 x 10-4 valem 112 MPa, e a densidade de discordâncias de 5,2 x 109 cm-2 vale 64 MPa. O total dos termos de precipitação não é a soma dos dois, 204 MPa. É 145 MPa, porque uma discordância que se move através da ferrita não sabe se a partícula à sua frente se formou na austenita ou no contorno interfásico, de modo que as duas populações de partículas não podem ambas ser contadas integralmente. A fonte escala as contribuições locais pela razão 145 para 204, o que reduz o modo interfásico para cerca de 79,5 MPa e o modo austenítico para cerca de 65,5 MPa nos grãos onde ambos estão presentes.
Tomando isso em conjunto com a constatação de que a precipitação interfásica ocorre em apenas cerca de metade dos grãos de ferrita do NbTi-3, e aplicando uma regra de mistura simples, obtém-se uma contribuição subestrutural total de 0,5 (92 + 64) + 0,5 (145 + 64) = 182,5 MPa. Esse número pode ser verificado contra o ensaio de tração, porque este aço aparece na mesma série que os dois anteriores.
| Condições de processamento | Aço | Tamanho de grão ferrítico (µm) | Limite de escoamento calculado (MPa) | Limite de escoamento medido (MPa) | Endurecimento adicional (MPa) |
|---|---|---|---|---|---|
| Como bobinado | |||||
| Nb | 10.0 | 252 | 310 | 58 | |
| NbTi-2 | 5.0 | 367 | 534 | 167 | |
| NbTi-3 | 4.2 | 393 | 603 | 210 | |
| Normalizado | |||||
| Nb | 10.0 | 252 | 312 | 60 | |
| NbTi-2 | 5.5 | 357 | 426 | 69 | |
| NbTi-3 | 4.5 | 386 | 462 | 76 | |
Fonte, Tabela 8 do capítulo fonte. Limite de escoamento e contribuições adicionais de endurecimento da equação de composição e tamanho de grão, nas condições como enrolado e após normalização.
O ensaio de tração deixa 210 MPa sem explicação no NbTi-3 como enrolado, e a regra da mistura acima explica 182,5 MPa disso. Os dois números são próximos o suficiente para que a fonte considere a concordância razoável. Retire a precipitação interfásica do cálculo, partindo do pressuposto de que ela nunca ocorre, e a contribuição subestrutural cai para 92 + 64 = 156 MPa. A diferença entre 182,5 e 156, cerca de 26,5 MPa, é, portanto, todo o valor que o modo interfásico acrescenta à resistência do aço como propriedade de volume, embora localmente, nos grãos onde está presente, valha muito mais.
Microdureza dos grãos de ferrita individuais
Um ensaio de tração de volume retorna um único número para um aço cujos grãos de ferrita não são todos iguais, portanto não consegue mostrar um mecanismo que atua em metade deles. A microdureza Vickers em grãos individuais consegue, e o capítulo de origem a utiliza para contar os grãos em cada população.
Dois picos de dureza separados aparecem em ambos os aços NbTi na condição como enrolado, e a separação é mais ampla no NbTi-3, em cerca de 40 HV. O segundo pico, mais duro, é a população de grãos de ferrita que carregam precipitação interfásica. A normalização remove esse pico em ambos os aços NbTi, o que é a mesma perda de resistência que os ensaios de tração registraram, e também abaixa o primeiro pico, que é a perda das discordâncias de transformação. O aço ao nióbio, no painel inferior esquerdo, tem um pico em ambas as condições e sua posição não se move, correspondendo à constatação de que ele mantém 310 a 312 MPa em qualquer caso.
A proporção de grãos sob o segundo pico fornece a fração a usar na regra da mistura. No NbTi-3 isso é 53% dos grãos, e o reforço adicional medido neles é em média 99 MPa. Os mesmos grãos foram estimados em cerca de 79,5 MPa pelas observações de microscópio eletrônico, portanto as duas medições independentes da contribuição local concordam dentro de cerca de 20%.
O que a análise significa na compra de tira
Três coisas decorrem para um comprador ou especificador de tira a quente microligada. O limite de escoamento de um aço microligado não é explicado apenas por sua química, portanto um certificado de usina que lista Nb e Ti não diz nada sobre a resistência que a tira realmente terá. O que entrega a resistência é a combinação da química com um cronograma de laminação controlada, e a mesma química laminada sem a baixa temperatura de laminação de acabamento e o resfriamento rápido sairá no valor base. Onde a resistência extra é produzida por precipitação, ela é parcialmente recuperável e parcialmente não. Aquecer a tira a 900 °C por meia hora retorna uma condição sobreenvelhecida, e a contribuição interfásica nos aços NbTi desaparece em grande parte enquanto a precipitação na austenita sobrevive. Essa diferença importa sempre que uma peça de tira for normalizada após a conformação, porque a resistência que sobrevive ao tratamento é os 60 a 76 MPa que a Tabela 8 registra, não os 167 a 210 MPa com que a tira foi vendida.
Os limites de escoamento medidos neste capítulo vão de 310 MPa para o aço ao nióbio simples a 603 MPa para o NbTi-3 na condição como enrolado, em aços que todos contêm menos de 0,15 % em peso de carbono e no máximo 1,54 % em peso de manganês. Uma adição de nióbio, portanto, substitui uma parte significativa do teor de liga que um grau temperado e revenido precisaria, que é a razão pela qual a família microligada é especificada onde uma peça pode ser feita de tira em vez de barra ou chapa. Onde a peça tem de ser feita de barra ou chapa e tem de manter sua dureza enquanto opera a quente, um aço ferramenta temperado e revenido é a resposta correta, e a dureza que um dado grau atinge em uma dada seção está apresentada na Têmpera e Tamanho de Seção do Aço Ferramenta página.
Fonte: Alloy Steel, Properties and Use, InTech, 2011.