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EDUARDO CORASSINI
INFLUÊNCIA DO GRAU DE ENCRUAMENTO E TRATAMENTOS TÉRMICOS DE
RECOZIMENTO NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DO AÇO ABNT 1006
Trabalho de Final de Curso, apresentado ao Centro Universitário da FEI, como parte dos requisitos necessários para obtenção do título de Engenheiro de Materiais, orientado pelo professor Dr. Rodrigo Magnabosco.
São Bernardo do Campo
2012
AGRADECIMENTOS
Gostaria de agradecer primeiramente a Deus e aos meus pais, por estarem presente em
minha vida, me dando forças para continuar sempre batalhando e vencendo em busca dos
meus objetivos.
Gostaria de agradecer também, ao Prof. Dr. Rodrigo Magnabosco, por toda orientação
e apoio para a realização deste trabalho com excelente qualidade e aos funcionários da
empresa Mangels Industrial S.A, em especial aos engenheiros metalúrgicos Sr. Carlos
Roberto Gianini Junior e ao Sr. Fernando Kawata, que colaboraram com informações
importantes e com os procedimentos experimentais deste trabalho.
A todas as pessoas que ajudaram de alguma forma, na viabilização deste trabalho.
RESUMO
Baseado na norma ABNT NBR 5007, o presente trabalho consiste na análise da
influência de diferentes condições de encruamento e ciclos térmicos de recozimento subcrítico
nas propriedades mecânicas e tamanhos de grão do aço ABNT 1006, acalmado com alumínio
e sem silício, utilizado para estampagem. O material foi laminado a frio em diferentes graus
de encruamento e recozido em diferentes condições de tempo e temperatura. Para a
caracterização da matéria-prima, realizou-se análise de composição química e propriedades
mecânicas iniciais. Ao retirar amostras na direção longitudinal de cada redução, antes e após
recozimento, realizam-se ensaios de tração, dureza, embutimento Erichsen e análise
metalográfica. Após levantamento das propriedades mecânicas e tamanhos de grão do
material em todas as condições de encruamento, e todos os ciclos de recozimento, foi possível
obter curvas comparativas que auxiliam na interpretação do grau de encruamento e ciclo
térmico necessários para se obter as propriedades mecânicas desejadas ao produto final,
partindo-se de uma espessura inicial conhecida.
Palavras-chave: Aço ABNT 1006, estampagem, encruamento, ciclos térmicos de recozimento
subcrítico, tamanho de grão, propriedades mecânicas.
ABSTRACT
Based on ABNT NBR 5007 standard, the present work evaluates the influence of different
conditions of work hardening and subcritical annealing thermal cycles on the mechanical
properties and grain sizes of ABNT 1006 steel, with aluminum and without silicon, used for
sheet metal forming. The material is cold rolled to varying degrees of strain hardening and
annealed under varying conditions of time and temperature. For the characterization of the
raw material, chemical composition and mechanical properties were obtained. By taking
samples in the longitudinal direction of each reduction, before and after annealing, tensile
mechanical properties, hardness, Erichsen draw ability and grain size were determined. It was
possible to obtain comparative curves which help in the interpretation of the degree of strain-
hardening and thermal cycle needed to obtain the mechanical properties desired in end
product, starting from a known initial thickness.
Key words: ABNT 1006 steel, stamping, hardening, thermal cycles subcritical annealing,
grain size, mechanical properties.
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 - Composição química do aço ABNT 1006 com alumínio sem silício, conforme
norma ABNT NBR ..................................................................................................................13
TABELA 2 - Composições químicas e propriedades mecânicas típicas de aços para
estampagem no Brasil...............................................................................................................19
TABELA 3 – Propriedades mecânicas do aço ABNT 1006 em função do tipo de
laminação..................................................................................................................................29
TABELA 4 - Porcentagens de redução de espessura e planos de passes originados no processo
de laminação.............................................................................................................................38
TABELA 5 - Ciclos de recozimento utilizados na Mangels para tratamento das amostras.....40
TABELA 6 - Composição química real da matéria-prima proveniente de usina.....................45
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
ILUSTRAÇÃO 1 - Diagrama de fase Fe-C mostrando as regiões de formação de austenita e
ferrita, para equilíbrio metaestável Fe-Fe3C............................................................................14
ILUSTRAÇÃO 2 – Aço SAE 1006 laminado a 845°C e bobinado a 620°C, resultando em
grãos finos de ferrita homogeneamente dispersos....................................................................15
ILUSTRAÇÃO 3 – Influência dos elementos de liga em solução sólida na fase ferrita na
mudança de resistência ao escoamento de aços baixo carbono................................................16
ILUSTRAÇÃO 4 – Microestrutura de um aço baixo carbono sem recozimento, com matriz
ferrítica e presença de perlita em contorno de grão. 2% de Nital e 4% de Picral, 1000X.......17
ILUSTRAÇÃO 5 – Microestrutura de um aço plano de baixo carbono recozido, com
cementita em contorno de grão. 2% de Nital e 4% de Picral, 1000X......................................17
ILUSTRAÇÃO 6 – Efeito endurecedor de diferentes elementos de liga, dissolvidos na ferrita
de aços com baixo teor de carbono...........................................................................................18
ILUSTRAÇÃO 7 – Relação entre o tamanho de grão ferrítico e qualidade da superfície,
através do ensaio de embutimento Erichsen de chapas de aço baixo carbono. A última
amostra, com granulação grosseira, resultou em superfície rugosa, diferentemente da primeira
amostra......................................................................................................................................20
ILUSTRAÇÃO 8 – Aço SAE 1006 laminado a 790°C e bobinado a 620°C. A temperatura de
laminação resultou em grãos finos no interior do material, porém ocorreu crescimento
exagerado dos grãos de ferrita na superfície. Nital,100X.........................................................22
ILUSTRAÇÃO 9 – Aço SAE 1006 com precipitação de cementita. Picral,1000X.................22
ILUSTRAÇÃO 10 - Orientação dos planos de deslizamento (PD) e as direções preferenciais
de deslizamento (DD) atuantes no reticulado cristalino do material, ao serem submetidos a
uma tensão axial (TA) de deformação, que definirá a anisotropia de propriedades do
material......................................................................................................................................24
ILUSTRAÇÃO 11 - Valores de anisotropia normal em função do grau de encruamento
anterior ao recozimento para três tipos de aços para estampagem distintos............................25
ILUSTRAÇÃO 12 – Microestruturas de um aço SAE 1010 laminado a frio, de 10 a 90% de
redução, mostrando o encruamento dos grãos à medida que se intensifica, sem operações de
recozimento intermediário. As setas pretas indicam a sequência de laminação.......................26
ILUSTRAÇÃO 13 – Gráfico da porcentagem de redução de espessura por laminação a frio
para um aço baixo carbono, em função das propriedades mecânicas......................................26
ILUSTRAÇÃO 14 – Efeito sobre a curva tensão deformação em função do aumento do
trabalho mecânico a frio de um aço baixo carbono, indicando o aumento da resistência
mecânica e diminuição da ductilidade do material..................................................................28
ILUSTRAÇÃO 15 – Influência do grau de encruamento na ductilidade, de um aço SAE 1005
laminado a frio..........................................................................................................................28
ILUSTRAÇÃO 16 - Curva tensão-deformação, mostrando o aparecimento do escoamento
descontínuo para um aço de baixo teor de carbono.................................................................29
ILUSTRAÇÃO 17 - Comparação de microestruturas com recozimento subcrítico posterior a
laminação a frio, mostrando a recuperação e recristalização dos grãos de ferrita, para um aço
SAE 1010.................................................................................................................................32
ILUSTRAÇÃO 18 - Distribuições de tamanho de grão durante o crescimento de grão normal
e anormal, em função da frequência de grãos de um determinado diâmetro e do tempo de
recozimento “t”.........................................................................................................................33
ILUSTRAÇÃO 19 – Efeito da temperatura de recozimento na dureza, para um aço baixo
carbono, recozido a 1h..............................................................................................................34
ILUSTRAÇÃO 20 – Microestrutura de um aço 0.08C-1.5Mn-0.21Si. a) laminado a frio com
50% de encruamento b) 50% de encruamento a frio e recozido a 700°C por 20min, com
cementita esferoidizada............................................................................................................34
ILUSTRAÇÃO 21 – Forno de recozimento tipo sino de alta convecção da Mangels Industrial
S.A............................................................................................................................................35
ILUSTRAÇÃO 22 - – Campânulas de proteção de atmosfera, utilizadas nos fornos de
recozimento da Mangels...........................................................................................................36
ILUSTRAÇÃO 23 - Forno a gás de alta convecção com atmosfera de 100% H2. O
rendimento é aproximadamente 80%........................................................................................37
ILUSTRAÇÃO 24 - Campânula de resfriamento rápido, colocada sobre a campânula de
proteção da carga......................................................................................................................37
ILUSTRAÇÃO 25 - Laminador 13 da Mangels, utilizado para relaminação do material em
estudo........................................................................................................................................38
ILUSTRAÇÃO 26 – Esquema de retirada da amostra...........................................................39
ILUSTRAÇÃO 27 - Espectrômetro Spectromax do Instituto de Pesquisas e Estudos
Industriais (IPEI), utilizado para análise de composição química do material em
estudo........................................................................................................................................39
ILUSTRAÇÃO 28 - Esquema e dimensões do corpo de prova usinado para ensaio de
tração.........................................................................................................................................40
ILUSTRAÇÃO 29 – Equipamento MTS do Centro Universitário da FEI, utilizado para os
ensaios de tração.......................................................................................................................41
ILUSTRAÇÃO 30 - Durômetro Fsclerometer da Mangels, utilizado para os ensaios de
dureza Vickers com carga de 5 kgf..........................................................................................41
ILUSTRAÇÃO 31 - Equipamento do Centro Universitário da FEI utilizado para os ensaios de
embutimento Erichsen do material em estudo.........................................................................42
ILUSTRAÇÃO 32 – Equipamento Allied Techpress 2 utilizado para embutimento em
baquelite, dos corpos de prova utilizados para metalografia....................................................43
ILUSTRAÇÃO 33 - Equipamento Struers Abramin do Centro Universitário da FEI, utilizado
para preparação metalográfica das amostras............................................................................43
ILUSTRAÇÃO 34 - Microscópico óptico Olympus...............................................................44
ILUSTRAÇÃO 35 - Microestrutura do aço ABNT 1006 com Al sem Si, proveniente da usina.
Nital 2%, 500X........................................................................................................................46
ILUSTRAÇÃO 36 - Distribuição de tamanhos de grão da matéria-prima proveniente da
usina..........................................................................................................................................46
ILUSTRAÇÃO 37 - Embutimento Erichsen da amostra referente ao material original
proveniente da usina.................................................................................................................47
ILUSTRAÇÃO 38 - Micrografias após laminação, desde 5% até 80%, mostrando a
comparação de microestruturas e formatos de grão. Nital 2%, 200X.......................................47
ILUSTRAÇÃO 39 – Gráfico do comportamento da dureza do material em função da
porcentagem de redução de área, anterior ao processo de recozimento...................................50
ILUSTRAÇÃO 40 – Gráfico do comportamento do limite de escoamento do material em
função do porcentagem de redução de área, anterior ao processo de recozimento...................50
ILUSTRAÇÃO 41 – Gráfico do comportamento do limite de resistência do material em
função da porcentagem de redução de área, anterior ao processo de recozimento...................51
ILUSTRAÇÃO 42 – Gráfico do comportamento do alongamento do material em função da
porcentagem de redução de área, anterior ao processo de recozimento...................................51
ILUSTRAÇÃO 43 - Microestruturas obtidas de 4 condições de tempo e temperatura distintos,
em função do grau de encruamento anterior ao recozimento...................................................52
ILUSTRAÇÃO 44 – Gráfico do diâmetro médio planar dos grãos em função do grau de
encruamento, após recozimento a 630 °C durante 6 horas de encharque.................................54
ILUSTRAÇÃO 45 - Gráfico do diâmetro médio planar dos grãos em função do grau de
encruamento, após recozimento a 650 °C durante 8 horas de encharque.................................54
ILUSTRAÇÃO 46 - Gráfico do diâmetro médio planar dos grãos em função do grau de
encruamento, após recozimento a 670 °C durante 8 horas de encharque.................................55
ILUSTRAÇÃO 47 - Gráfico do diâmetro médio planar dos grãos em função do grau de
encruamento, após recozimento a 700 °C durante 9 horas de encharque.................................55
ILUSTRAÇÃO 48 - Microestruturas das superfícies das amostras laminadas com 10% de
encruamento e recozidas através dos ciclos G, H-I e J, respectivamente. Nital 2%, 100X......56
ILUSTRAÇÃO 49 - Gráfico da profundidade de estampagem em função do encruamento,
para as amostras recozidas a 630 °C durante 6 horas de encharque (ciclo F)...........................58
ILUSTRAÇÃO 50 - Gráfico da profundidade de estampagem em função do encruamento,
para as amostras recozidas a 650 °C durante 8 horas de encharque (ciclo G)..........................58
ILUSTRAÇÃO 51 - Gráfico da profundidade de estampagem em função do encruamento,
para as amostras recozidas a 670 °C durante 8 horas de encharque (ciclo H-I).......................59
ILUSTRAÇÃO 52 - Gráfico da profundidade de estampagem em função do encruamento,
para as amostras recozidas a 700 °C durante 9 horas de encharque (ciclo J)...........................59
ILUSTRAÇÃO 53 – Profundidade de estampagem em função da espessura, para todos os
ciclos de recozimento................................................................................................................60
ILUSTRAÇÃO 54 - Fotografias da superfície estampada, mostrando a aparência superficial
das amostras estudadas. As fotografias com bordas vermelhas correspondem às condições que
apresentaram “casca de laranja” acentuada...............................................................................61
ILUSTRAÇÃO 55 - Superfície que relaciona o tamanho de grão em função do grau de
encruamento e ciclo de recozimento subcrítico........................................................................63
ILUSTRAÇÃO 56 - Gráfico que relaciona o limite de escoamento com o tamanho de grão,
para todas as condições de recozimento e encruamento estudadas..........................................64
ILUSTRAÇÃO 57 - Gráfico que relaciona o limite de resistência com o tamanho de grão,
para todas as condições de encruamento e recozimento estudadas, com a respectiva equação
de Hall-Petch obtida..................................................................................................................65
ILUSTRAÇÃO 58 - Gráfico que relaciona a dureza com o tamanho de grão, para todas as
condições de encruamento e recozimento estudadas, com a respectiva equação de Hall-Petch
obtida........................................................................................................................................65
ILUSTRAÇÃO 59 - Gráfico do alongamento em 50 mm em função do inverso da raiz
quadrada do diâmetro médio dos grãos posterior ao recozimento, para todas as condições
estudadas, com a respectiva equação de Hall-Petch obtida.....................................................66
ILUSTRAÇÃO 60 – Gráfico do limite de escoamento em função do encruamento, para todas
as amostras recozidas através dos ciclos F, G, H-I e J.............................................................67
ILUSTRAÇÃO 61 - Gráfico do limite de resistência em função do encruamento, para todas as
amostras recozidas através dos ciclos F, G, H-I e J..................................................................68
ILUSTRAÇÃO 62 - Gráfico da dureza em função do encruamento, para todas as amostras
recozidas através dos ciclos F, G, H-I e J.................................................................................70
ILUSTRAÇÃO 63 - Gráfico do alongamento em função do encruamento, para todas as
amostras recozidas através dos ciclos F, G, H-I e J.................................................................70
ILUSTRAÇÃO 64 - Superfície que relaciona o limite de escoamento em função do grau de
encruamento e ciclo de recozimento subcrítico........................................................................71
ILUSTRAÇÃO 65 - Superfície que relaciona o limite de resistência em função do grau de
encruamento e ciclo de recozimento subcrítico........................................................................71
ILUSTRAÇÃO 66 - Superfície que relaciona a dureza em função do grau de encruamento e
ciclo de recozimento subcrítico.................................................................................................72
ILUSTRAÇÃO 67 - Superfície que relaciona o alongamento em função do grau de
encruamento e ciclo de recozimento subcrítico........................................................................72
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO E OBJETIVO ..................................................................................... 12
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ...................................................................................... 13
2.1 Aços Baixo-Carbono ................................................................................................... 13
2.2 Laminação a quente .................................................................................................... 20
2.3 Laminação a frio ......................................................................................................... 22
2.4 Tratamento térmico de recozimento subcrítico ......................................................... 30
2.4.1 Fornos de recozimento da Mangels .............................................................................. 35
3 MATERIAL E MÉTODOS .......................................................................................... 38
4 RESULTADOS EXPERIMENTAIS E DISCUSSÃO .................................................. 44
5 CONCLUSÕES ............................................................................................................. 73
REFERÊNCIAS ................................................................................................................. 74
12
1 INTRODUÇÃO E OBJETIVO
Os aços baixo carbono são de longe o material metálico mais produzido no mundo.
Embora grande parte da sua produção seja utilizada em aplicações simples, sua tecnologia de
processamento e propriedades tem ganhado interesse.
O foco deste trabalho é o aço ABNT 1006 acalmado com alumínio e sem silício, na
forma de chapas, destinado principalmente a aplicações que envolvam estampagem profunda
ou conformação mecânica a frio, como por exemplo, carrocerias de automóveis de um modo
geral.
Por se tratar de aplicações que exijam determinada resistência mecânica, dureza e
diferentes espessuras, é preciso conhecer o processo de relaminação pelo qual o material vai
ser submetido para chegar à espessura e às propriedades mecânicas desejadas para o produto
final, a partir de uma espessura inicial conhecida. É preciso conhecer também o efeito de
diferentes ciclos de recozimento sobre as propriedades mecânicas e tamanho de grão deste.
A laminação a frio provoca o encruamento do material, sendo que quanto maior for o
grau deste, espera-se que menor seja o tamanho de grão após recozimento e melhores as
propriedades mecânicas alcançadas. O recozimento é um tratamento térmico intermediário,
realizado com o intuito de facilitar o trabalho mecânico a frio posterior, melhorar as
propriedades mecânicas e promover a estabilidade dimensional, através de fenômenos como
recuperação, recristalização e crescimento de grão.
Este trabalho tem como objetivo verificar a influência de diferentes graus de
encruamento e ciclos de recozimento sobre a microestrutura e propriedades mecânicas do aço
ABNT 1006, com a finalidade de se obter o melhor conjunto de propriedades para a espessura
final desejada, partindo-se de uma bitola inicial específica.
13
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Nesta seção serão abordadas as principais características do aço baixo carbono,
principalmente o ABNT 1006, com foco na aplicação em estampagem.
2.1 Aços Baixo-Carbono
Aço é uma liga metálica composta basicamente por ferro e carbono, com teores de
outros elementos que variam conforme a aplicação e solicitação mecânica. Os aços são
geralmente classificados segundo o teor de carbono, que pode chegar até aproximadamente
2,1%C. A primeira classe destes é o de baixo carbono, a qual contém até 0,3%C e engloba o
material em estudo, que contém em média 0,06%C. A composição química do aço segundo a
“Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT” está indicada na Tabela 1.
Tabela 1 - Composição química do aço ABNT 1006 com alumínio sem silício, conforme norma ABNT NBR 5007.
Número
ABNT
Limites e faixas de composição química (%)
Carbono Manganês
Máx %
Fósforo
Máx %
Enxofre
Máx %
Alumínio
Min %
1006 0,04 – 0,08 0,50 0,03 0,035 0,020
Em todos os aços-carbono existem pequenas quantidades de elementos residuais provenientes
das matérias-primas utilizadas na fabricação do aço, como cobre, níquel, molibdênio e cromo.
São considerados residuais quando não interferem na aplicação final do produto.
Fonte: Autor “adaptado de” ABNT NBR 5007, 2008, p. 9.
O segmento mais importante dos aços baixo carbono, sob o ponto de vista econômico,
é voltado para a estampagem, particularmente estampagem profunda ou conformação
mecânica a frio, sendo as principais aplicações: no ramo automobilístico, fabricação de
embalagens, formas estruturais (vigas I, canaletas, ferros angulados), chapas utilizadas em
tubulações, edificações, pontes e outros produtos que não envolvam grandes solicitações
mecânicas posteriores. (CALISTER, 2008)
14
No Brasil e em muitos países, bobinas laminadas a quente, com espessuras na faixa de
aproximadamente 2 a 10 mm são fornecidas para as empresas relaminadoras. O
processamento nestas envolvem etapas de decapagem, corte, laminação a frio e recozimento
e, em alguns casos, tratamentos da superfície.
Para alcançar as propriedades mecânicas desejadas e resistir a esforços mecânicos
aplicados ao produto após fabricação, é necessário compreender uma série de fatores, que
serão discutidos a seguir.
Quanto à microestrutura, o aço com teor de carbono baixo apresenta estrutura
predominante ferrítica, a qual não responde a tratamentos térmicos que visem à formação de
martensita para aumento de resistência mecânica, que é alcançado somente através do
trabalho mecânico a frio. Ferrita é uma solução sólida de ferro no estado alotrópico alfa, com
baixos teores de carbono ou mais elementos de liga dissolvidos, que ocupam posições
específicas no reticulado cristalino de célula cúbica de corpo centrado do aço. Possui
microestrutura de grãos poligonais irregulares de alta ductilidade e resistência mecânica da
ordem de 270 MPa. A Figura 1 mostra o diagrama de fase Fe-C, onde é possível identificar as
regiões de estabilidade das fases existentes em função do teor de carbono do aço e da
temperatura. (ANDRESEN, P. et al, 1997)
Figura 1 - Diagrama de fase Fe-C mostrando as regiões de formação de austenita e ferrita, para equilíbrio metaestável Fe-Fe3C.
Fonte: Autor, “adaptado de” Arai, T. et al, 1991, p. 103.
15
A resistência mecânica da ferrita é determinada também pelo seu tamanho de grão,
sendo que quanto menor o tamanho destes, maior é a resistência mecânica, seguindo a relação
de Hall-Petch. Para aços com baixo teor de carbono, a resistência ao escoamento varia em
função do diâmetro dos grãos, também segundo a equação 1. (G. AGGEN, et al, 1993)
σy = σ0 + κy d -1/2 ...(1)
onde σy é a resistência ao escoamento, σ0 é a resistência ao escoamento de um único cristal de
condição e pureza equivalentes, κy é o coeficiente de resistência do contorno de grão e d é o
diâmetro médio do grão. A equação acima mostra que a resistência ao escoamento é
inversamente proporcional à raiz quadrada do diâmetro médio do grão. O limite de
escoamento representa a média dos limites de escoamento de todos os cristais que compõem a
microestrutura. A Figura 2 mostra um exemplo da microestrutura de um aço SAE 1006, com
grãos finos de ferrita, que certamente apresenta resistência ao escoamento elevada. (G.
AGGEN, et al, 1993)
Figura 2 – Aço SAE 1006 laminado a 845°C e bobinado a 620°C, resultando em grãos finos de ferrita
homogeneamente dispersos. Nital, 100x. Fonte: Autor, “adaptado de” Aaronson, H., et al, 1985, p. 304.
Quanto a maioria dos elementos de liga, ao entrarem em solução sólida na ferrita
aumentam a resistência ao escoamento desta, como mostra a Figura 3, destacando-se
principalmente o carbono, nitrogênio e fósforo, que aumentam aproximadamente até 300
MPa, mesmo em baixos teores. (ANDRESEN, P. et al, 1997)
16
Figura 3 – Influência dos elementos de liga em solução sólida na fase ferrita na mudança de resistência ao escoamento de aços baixo carbono.
Fonte: Autor, “adaptado de” Andresen, P. et al, 1997, p. 855
Elementos intersticiais como o carbono e o nitrogênio se difundem mais rapidamente
na ferrita, quando comparado com elementos substitucionais, resultando em uma resposta
mais rápida ao tratamento térmico. (ANDRESEN, P. et al, 1997)
No caso da quantidade de carbono exceder o limite de solubilidade de
aproximadamente 0,0218%C na ferrita a 727°C, o carbono remanescente precipita na matriz e
constitui uma segunda fase denominada cementita. É uma fase composta pela combinação de
ferro com o carbono (Fe3C), muito dura e com 6,67%C, responsável por elevar a dureza e
resistência mecânica da matriz de aços baixo carbono, em que cada partícula é totalmente
envolvida pela matriz. Também pode ser um constituinte da perlita, na qual o tamanho das
partículas de segunda fase é da ordem do tamanho de grão da matriz, composta por 88,5% de
ferrita e 11,5% de cementita na forma lamelas alternadas com a mesma orientação, formada a
partir da transformação eutetóide de austenita com 0,76%C, e que apresentam resistência à
tração, em média, de 740 MPa. As Figuras 4 e 5 mostram microestruturas típicas de aço baixo
carbono na presença de perlita e cementita, respectivamente. (ANDRESEN, P. et al, 1997)
Mu
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(MP
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Teor de liga (% peso)
e
e
17
Figura 4 – Microestrutura de um aço baixo carbono sem recozimento, com matriz ferrítica e presença de
perlita em contorno de grão. 2% de Nital e 4% de Picral, 1000X. Fonte: Andresen, P. et al, 1997, p. 854
Figura 5 – Microestrutura de um aço plano de baixo carbono recozido, com cementita em contorno de
grão. 2% de Nital e 4% de Picral, 1000X. Fonte: Andresen, P. et al, 1997, p. 854
Um fator também importante a ser considerado é o conhecimento da composição
química da matéria-prima, que deve ser mantida dentro da faixa de especificação, para evitar
o aparecimento de eventuais precipitados e inclusões não metálicas. Os aços carbono
geralmente apresentam impurezas, metálicas ou não, resultantes do processo de fabricação, e
que geralmente estão presentes na composição química da matéria-prima, sendo que as mais
comuns são o enxofre, o manganês, o silício e o alumínio. A maioria destas reage entre si
formando inclusões não metálicas, normalmente prejudiciais às aplicações. (CHIAVERINI,
1990).
18
O manganês, quando não combinado com o enxofre, contribui para o aumento da
dureza e resistência mecânica de aços com baixo teor de carbono, ao se dissolver na ferrita,
com diminuição insignificante da tenacidade. (CHIAVERINI, 1990).
O alumínio atua como elemento controlador do crescimento de grãos e em solução
sólida na ferrita endurece-a consideravelmente, enquanto o enxofre apresenta um efeito
significativo sobre as propriedades mecânicas do aço baixo carbono, porém deve possuir teor
máximo de 0,05%S para evitar a formação de sulfetos prejudiciais às propriedades mecânicas.
(CHIAVERINI, 1990).
O silício dissolve-se na ferrita e não afeta de maneira significativa a ductilidade,
também contribui para o aumento de dureza e resistência mecânica, porém em teores elevados
combina-se com outros elementos formando os silicatos. É responsável por expandir a região
de estabilidade da ferrita no diagrama de fase Fe-C a temperatura ambiente, através da
diminuição da quantidade de austenita. (CHIAVERINI, 1990).
Inclusões de silicatos e sulfetos, resultantes ou não do processo de fabricação, se
alongam na direção da laminação. Como exemplo dessas, têm-se o sulfeto de manganês
(MnS), que prejudica a maleabilidade da fase ferrita por comprometer a continuidade de
deformação da matriz. (CHIAVERINI, 1990)
A Figura 6 mostra a influência do teor de elementos de liga que se dissolvem na ferrita
sobre o aumento da resistência mecânica, sem comprometer de maneira significativa a
ductilidade.
Figura 6 – Efeito endurecedor de diferentes elementos de liga, dissolvidos na ferrita de aços com baixo teor de
carbono. Fonte: Chiaverini, 1990, p. 172.
19
Quanto à estampabilidade, quanto menor o teor de carbono do aço, que não deve
ultrapassar 0,1%C, e o teor de elementos de liga, que somados não devem ultrapassar 1%,
melhor é a formabilidade do aço. Elementos de liga dissolvidos na ferrita aumentam a
resistência mecânica dessa e prejudicam a formabilidade. Os elementos de liga com maior
influência na estampabilidade dos aços baixo carbono são: carbono, manganês, alumínio,
titânio e nióbio. Teores de fósforo e enxofre para chapas com destino a estampagem devem
estar abaixo de 0,035%P e 0,04%S, pois aumentam a probabilidade de nucleação de trincas,
prejudicando a formabilidade. O teor de silício geralmente deve ser inferior a 0,1%Si, pois em
maiores quantidades pode formar inclusões de silicatos prejudiciais a formabilidade, além de
aumentar a resistência do aço, diminuindo a ductilidade necessária. O alumínio tem um papel
importante em aços baixo carbono, pois ajuda no desenvolvimento da orientação preferencial
dos grãos, resultando em uma melhor estampabilidade. (CHIAVERINI, 1990)
A Tabela 2 apresenta valores típicos de composição química e de propriedades
mecânicas de aços para estampagem. (FILHO, A. F. et al, 2001)
Tabela 2 - Composições químicas e propriedades mecânicas típicas de aços para estampagem no Brasil.
Aço
Baixo Carbono
Composição Química (% Peso) Propriedades Mecânicas
C Mn P S Al LE LR AL LE/LR rm
Estampagem
Média (EM) 0,05 0,23 0,018 0,015 0,043 210 335 39 0,66 1,5
Estampagem
Profunda (EP) 0,05 0,23 0,017 0,015 0,043 195 320 41 0,62 1,5
Estampagem
Extra-Profunda
(EEP)
0,04 0,23 0,016 0,015 0,044 180 314 42 0,59 1,7
Estampagem
Extra-Profunda
Crítica (EEP- PC)
0,04 0,21 0,014 0,014 0,042 170 308 43 0,58 1,8
Fonte: Autor “adaptado de” Filho, A. F. et.al, 2001, p. 190.
Outros fatores que também interferem na estampabilidade é o tamanho, o formato e a
orientação dos grãos (textura) em relação à direção de laminação, e a existência de
microconstituintes que influenciam na profundidade e qualidade da superfície estampada. O
tamanho de grão influencia muito a resistência ao escoamento de um aço baixo carbono,
sendo que grãos finos possuem resistência ao escoamento e expoentes de encruamento
elevados, porém formabilidade limitada. Já uma granulação grosseira tem melhor
estampabilidade em função da menor resistência ao escoamento, porém gera superfície áspera
(casca de laranja). A Figura 7 mostra esses dois extremos. Geralmente grãos na faixa de
20
tamanho entre 7 ou 8, classificados conforme norma ASTM E112, apresentam um bom
compromisso entre conformabilidade e aparência de superfície. Tamanho de grão abaixo de 5
são considerados inaceitáveis para muitas aplicações. Quanto ao formato, geralmente grãos de
ferrita equiaxiais, associados com a orientação preferencial destes, resultam em excelente
formabilidade. A existência de microconstituintes a temperatura ambiente, como carbonetos
e inclusões não metálicas (sulfetos, silicatos e óxidos) podem prejudicar a formabilidade da
chapa de aço por estimularem a nucleação de trincas durante a estampagem. (G. AGGEN, et
al, 1993)
Figura 7 – Relação entre o tamanho de grão ferrítico e qualidade da superfície, através do ensaio de embutimento Erichsen de chapas de aço baixo carbono. A última amostra, com granulação grosseira, resultou em superfície
rugosa, diferentemente da primeira amostra. Fonte: Autor, “adaptado de” G. Aggen, et al, 1993, p. 1346.
2.2 Laminação a quente
O controle do processo de laminação a quente é de grande importância para o aumento
das propriedades mecânicas do aço baixo carbono, após laminação a frio e recozimento. Serve
tanto para evitar o aparecimento de precipitados e inclusões exógenas que induzam a ruptura
durante a conformação ou corte do material, quanto ao controle da temperatura, tempo e taxa
de aquecimento para evitar crescimentos anormais de grãos. O controle do resfriamento
também é muito importante. Quando o produto de transformação da austenita consiste em
grande parte de ferrita, o resfriamento rápido impede o crescimento dos grãos de ferrita e a
possibilidade de formação de precipitados, embora algumas partículas sejam inevitavelmente
21
formadas durante a transformação austenita-ferrita, por conta da menor solubilidade de
carbono na ferrita em relação a austenita. (G. AGGEN, et al, 1993)
A temperatura de acabamento é também um parâmetro importante e exerce influência
no produto laminado a frio. Normalmente é utilizada para controlar o tamanho de grão
austenítico e a precipitação de carbonitretos. Por sua vez, estabelece a granulação ferrítica
bastante fina encontrada nestes aços. A temperaturas elevadas, bastante acima da temperatura
Ar3 (temperatura de início da transformação da fase austenita para ferrita), além dos
elementos formadores de carbonetos, nitretos ou carbonitretos estarem em solução sólida, o
tamanho de grão austenítico torna-se muito grande. A temperaturas mais baixas, próximas à
temperatura Ar3, finos precipitados irão se formar a partir da austenita, devido à reduzida
solubilidade dos solutos a baixas temperaturas. Estes precipitados inibem o crescimento de
grão austenítico ou até mesmo a recristalização. A intensidade deste efeito depende, no
entanto, da concentração de elementos de liga, da quantidade de deformação e da temperatura
de laminação. (G. AGGEN, et al, 1993)
A temperatura de bobinamento é outro parâmetro que afeta significativamente o
produto final laminado a frio. Baixas temperaturas produzem precipitados finos e
aleatoriamente distribuídos, que elevam a temperatura de recristalização durante a etapa do
recozimento, tendendo com isto aumentar a resistência do produto final. Por outro lado, o
aumento da temperatura de bobinamento leva a uma diminuição da temperatura de
recristalização, pelo decréscimo da fração volumétrica de carbonetos e pelo atraso na sua
dissolução (devido ao tamanho grosseiro dos mesmos). (G. AGGEN, et al, 1993)
A Figura 8 mostra a microestrutura de um aço SAE 1006 laminado a quente, em que
se verificou o crescimento excessivo de grão na superfície devido à temperatura elevada de
laminação.
22
Figura 8 – Aço SAE 1006 laminado a 790°C e bobinado a 620°C. A temperatura de laminação resultou em grãos finos no interior do material, porém ocorreu crescimento exagerado dos grãos de ferrita na superfície. Nital,100X
Fonte: Autor, “adaptado de” Aaronson, H., et al, 1985, p. 304
A Figura 9 mostra a microestrutura do mesmo aço, porém laminado a 890°C e
bobinado a 655°C com matriz ferrítica contendo partículas de cementita.
Figura 9 – Aço SAE 1006 com precipitação de cementita. Picral,1000X.
Fonte: Autor, “adaptado de” Aaronson, H., et al, 1985, p. 305
2.3 Laminação a frio
O processo de laminação a frio é normalmente realizado à temperatura ambiente e é
utilizado como processo de deformação subsequente a laminação a quente e decapagem,
servindo tanto para aumento de resistência mecânica, quanto para redução de espessura e
23
melhoria da qualidade superficial, em função da necessidade do produto final. (G. AGGEN, et
al, 1993)
Consiste na passagem do material entre dois cilindros que giram com a mesma
velocidade periférica e em sentidos opostos. O espaçamento entre esses cilindros é menor do
que a espessura inicial do material que se deseja laminar, reduzindo sua espessura e
aumentando seu comprimento. O controle do atrito é fundamental para definir o plano de
passes, a fim de obter o máximo de redução possível por passe, garantindo a viabilidade do
processo e controle da quantidade de deformação imposta ao material. (G. AGGEN, et al,
1993)
Durante a laminação a frio ocorre a movimentação e criação de discordâncias no
reticulado cristalino do metal. Discordâncias são defeitos lineares intimamente ligados ao
encruamento, responsáveis pelo fenômeno de deslizamento entre planos de átomos na rede
cristalina do metal e determinam a quantidade de deformação plástica máxima imposta. Por
apresentar vários sistemas de escorregamento e alta energia de defeito de empilhamento, o
aço baixo carbono possui grande propensão à formação de um arranjo celular de
discordâncias após deformação plástica. (FILHO, A. F. et al, 2001)
Na ausência de obstáculos como contornos de grão com orientações cristalográficas
distintas, defeitos pontuais, lacunas, precipitados, entre outros, e sob ação de uma pequena
força aplicada, uma discordância pode se movimentar facilmente promovendo o deslizamento
de planos cristalográficos específicos de maior densidade atômica, originando bandas de
deformação. Bandas de deformação, também chamadas de bandas de transição, são
heterogeneidades frequentemente encontradas na microestrutura de metais deformados a frio
e são caracterizadas por deformações heterogêneas do reticulado, devido a partes diferentes de
um mesmo grão sofrerem rotações distintas durante a deformação. (DIETER, 1981)
Inokuti e Doherty, com auxílio da técnica de difração de raios-X, estudaram as
heterogeneidades de deformação do ferro puro, cujo estado encruado é muito similar ao
estado encruado do aço baixo carbono. Constataram que após 40% de redução por
compressão em ferro puro com granulação grosseira, há a presença de grande quantidade de
bandas de deformação, que estão confinadas dentro dos grãos e os subdividem ou fragmentam
em várias regiões e também são locais preferenciais para a nucleação da recristalização.
(INOKUTI, et al, 1978)
Por outro lado, apesar da quantidade de soluto em solução sólida dos aços baixo
carbono para estampagem ser muito baixa, os campos de tensão elástica dos elementos em
24
solução sólida, principalmente dos solutos intersticiais, interagem com os campos de tensão
das discordâncias, diminuindo sua mobilidade, aumentando sua densidade e homogeneidade
de distribuição. A presença de partículas indeformáveis plasticamente também contribui para
o aumento da densidade de discordâncias na matriz ao redor destas partículas e podem
facilitar a nucleação da recristalização, que será discutido no próximo item. (FILHO, A. F. et
al, 2001)
É relevante ressaltar que a textura presente antes da deformação também influencia a
energia armazenada na deformação e, portanto, a dependência com a orientação influencia a
textura de recristalização. (FILHO, A. F. et al, 2001)
Outro fator que ocorre durante a laminação a frio é a anisotropia. O índice de
anisotropia plástica está relacionado com o quociente da deformação real na largura pela
deformação real na espessura. É um fenômeno no qual as propriedades mecânicas variam
conforme a direção de solicitação mecânica, que é causada pela orientação cristalográfica dos
grãos, ao submetê-lo a tensões axiais. A Figura 10 mostra a orientação preferencial dos grãos
do material e da orientação dos planos de deslizamento paralelos de alta densidade atômica,
juntamente com as forças de ligação interatômicas do metal no reticulado cristalino. (SILVA,
2010)
Figura 10 - Orientação dos planos de deslizamento (PD) e as direções preferenciais de deslizamento (DD)
atuantes no reticulado cristalino do material, ao serem submetidos a uma tensão axial (TA) de deformação, que definirá a anisotropia de propriedades do material.
Fonte: Silva, André V. da Costa, 2010, p.321.
Um parâmetro importante relacionado com a estampabilidade é a anisotropia normal
média (rm), que representa a média dos valores de anisotropia para corpos de prova retirados a
0°, 90° e ± 45° da direção de laminação da chapa.
25
Ferreira-Filho et al (2001) comprovaram que a alta estampabilidade dos aços baixo
carbono está associada a grande quantidade de planos {111} paralelos à superfície da chapa,
enquanto que a baixa estampabilidade está associada a grande repetição de planos {100}
paralelos à superfície da chapa. O grau de redução que precede o recozimento influencia
diretamente e fortemente a textura de recozimento ou de recristalização. Para baixas reduções
aparece junto com a textura {111} // ND, a textura de Goss (011) <100>. Com o aumento do
grau de encruamento, a textura de Goss é enfraquecida e a textura {111} // ND é fortalecida.
Para reduções subsequentes muito altas antes do recozimento, aparecem componentes de
textura indesejável <100>. Portanto, existe um grau de redução ótimo para cada aço destinado
a estampagem, que varia para os aços acalmados ao alumínio entre 65 e 80% para as
obtenções dos maiores valores de rm, conforme a Figura 11.
Figura 11 - Valores de anisotropia normal em função do grau de encruamento anterior ao recozimento
para três tipos de aços para estampagem distintos. Fonte: Filho, A. F. et al, 2001, p. 197.
Lavigne et al (1981) mostraram que a quantidade de carbono, em solução sólida ou
presente na cementita, influencia muito pouco as componentes de textura de deformação dos
aços. Portanto, a textura varia com a porcentagem de redução a frio e recristalização.
26
À medida que o encruamento vai se intensificando, como mostra a Figura 12, é
necessário um aumento da tensão para produzir o deslizamento, as linhas de discordâncias se
interceptam umas às outras e se multiplicam, servindo como barreiras ao movimento de novas
discordâncias. Quanto menor o tamanho de grão, maior é o encruamento e, portanto maior é a
introdução de linhas de discordâncias na estrutura do aço, maior será a orientação e o
estiramento do grão no sentido da deformação, que se torna cada vez mais dificultada, e
menor é a diferença de dureza entre a periferia e o centro do grão, resultando em uma
deformação mais homogênea do material. A redução total por laminação a frio direta
geralmente varia entre 50 a 90%. (DIETER, 1981)
Figura 12 – Microestruturas de um aço SAE 1010 laminado a frio, de 10 a 90% de redução, mostrando o
encruamento dos grãos à medida que se intensifica, sem operações de recozimento intermediário. As setas pretas indicam a sequência de laminação.
Fonte: Autor, “adaptado de” Aaronson, H., et al, 1985, p. 306-307.
27
O trabalho mecânico a frio, sob as condições descritas acima, resulta no aumento
progressivo resistência ao escoamento, com diminuição também progressiva da ductilidade e
tenacidade, que limita a quantidade de deformação longitudinal imposta ao material,
conforme mostra a Figura 13. Já a dureza, apesar de também aumentar com o aumento do
encruamento do material, não segue paralelamente ao aumento de resistência ao escoamento,
ou seja, aumenta mais rapidamente nos primeiros 10% de redução e com menor intensidade
para as reduções subsequentes. (G. AGGEN, et al, 1993)
Figura 13 – Gráfico da porcentagem de redução de espessura por laminação a frio para um aço baixo carbono,
em função das propriedades mecânicas. Fonte: Autor, “adaptado de” G. Aggen, et al, 1993, p. 677.
O limite de deformação do material ocorre quando a resistência à deformação é
máxima e a ductilidade é praticamente nula. A Figura 14 ilustra curvas tensão-deformação de
um aço baixo carbono à medida que o encruamento se intensifica, notando-se claramente o
desaparecimento do fenômeno de escoamento, após uma determinada redução de área.
(CHIAVERINI, 1990).
28
Figura 14 – Efeito sobre a curva tensão deformação em função do aumento do trabalho mecânico a frio de um aço baixo carbono, indicando o aumento da resistência mecânica e diminuição da ductilidade do material.
Fonte: Chiaverini, 1990, p. 169.
A Figura 15 mostra o efeito recíproco do encruamento sobre a ductilidade, de um aço
baixo carbono, com aproximadamente 0,05%C.
Figura 15 – Influência do grau de encruamento na ductilidade, de um aço SAE 1005 laminado a frio.
Fonte: Chiaverini, 1990, p. 169.
29
A Tabela 3 mostra a comparação de propriedades mecânicas do aço SAE 1006 em
função do tipo de laminação. Ocorre um aumento da resistência mecânica do material na
laminação a frio com o aumento do encruamento, em comparação com a laminação a quente,
mas há redução da ductilidade, que está representada pelo alongamento do corpo de prova em
50 mm.
Tabela 3 – Propriedades mecânicas do aço ABNT 1006 em função do tipo de laminação
Aço
ABNT
Processo de
laminação
Valores mínimos estimados
Limite de
resistência
(MPa)
Limite de
escoamento
(MPa)
Alongamento
em 50 mm (%)
Redução
em área
(%)
Dureza
(HB)
1006 A quente 300 170 30 55 86
A frio 330 280 20 45 95
Fonte: Autor, “adaptado de” Aggen, G. et al, 1993, p. 700
Muitos metais, principalmente os aços de baixo teor de carbono, apresentam uma
transição de deformação elástica para a plástica localizada e heterogênea, que produz um
escoamento descontínuo na curva tensão-deformação, após passar por um limite superior de
escoamento. Nessa transição, surgem bandas de deformação em pontos de concentração de
tensão, denominadas de bandas de Lüders, que se propagam ao longo do corpo-de-prova a
medida que a carga aumenta, causando escoamento descontínuo antes da ocorrência de
deformação plástica uniforme pelo material, como mostra a Figura 16. (DIETER, 1981).
Figura 16 - Curva tensão-deformação, mostrando o aparecimento do escoamento descontínuo para um aço de
baixo teor de carbono. Fonte: Dieter, 1981, p. 178.
30
Normalmente associado ao fenômeno de escoamento descontínuo ocorre o
envelhecimento por deformação. A deformação a frio do aço promove seu aquecimento a
baixas temperaturas causando o envelhecimento por deformação, o que leva ao aumento de
resistência mecânica e diminuição de ductilidade. Após determinado tempo, o envelhecimento
provoca o reaparecimento do escoamento descontínuo, devido à difusão dos átomos de
carbono e nitrogênio do reticulado cristalino para as discordâncias, ancorando-as. Na prática,
esses fenômenos devem ser controlados, para evitar o aparecimento de marcas de deformação
(bandas de Lüders), prejudiciais à estampagem profunda. São eliminadas ou atenuadas por
meio de um passe de encruamento superficial no laminador, ou através da adição de
elementos de liga como alumínio, titânio, vanádio ou boro, que irão remover os intersticiais
de solução sólida, formando precipitados. (DIETER, 1981)
2.4 Tratamento térmico de recozimento subcrítico
Um dos principais tratamentos térmicos de recozimento, utilizados para aços de baixo
carbono, é o recozimento subcrítico. Este tratamento não envolve a formação de austenita,
pois é realizado logo abaixo da temperatura A1 do diagrama Fe-C, indicada na Figura 1, que
varia de 650°C a 720°C de acordo com a composição química do aço, e serve para
manutenção da microestrutura do material, após resfriamento a uma taxa controlada.
Utilizando a composição química do aço, é possível calcular, através da equação 2, a
temperatura crítica inferior no aquecimento de um aço hipoeutetóide , chamada de Ac1, válida
para aços de até aproximadamente 0,8%C, em função não somente do teor de carbono, mas de
outros elementos que também influenciam e afetam esta temperatura. (ARAI, Tohru et al,
1991)
Ac1(°C) = 723 - 20.7(% Mn) - 16.9(%Ni) + 29.1(%Si) - 16.9(%Cr) ......................... (2)
Desvio Padrão = ± 11.5 °C (ARAI, Tohru et al, 1991 , p. 104)
Durante o aquecimento ocorre dissolução parcial da cementita, liberando carbono, que
se difunde na matriz. Durante o tratamento (na temperatura de encharque) ocorrem processos
termicamente ativados na microestrutura do metal, como recuperação de grãos anteriormente
31
encruados durante a laminação a frio, recristalização da matriz deformada, com posterior
crescimento dos grãos e esferoidização de carbonetos, em tempos mais longos ou
temperaturas mais altas. 1 (TOHRU ARAI, et al, 1991)
Geralmente o recozimento em temperaturas mais baixas de materiais levemente
encruados causa apenas recuperação e pequena ou nenhuma modificação da textura. A
recuperação acentuada desempenha um papel importante de restauração de propriedades. É
um fenômeno que engloba vários processos termicamente ativados que reduzem a energia
armazenada no metal durante a deformação a frio, pela redução e rearranjo dos defeitos
aglomerados ou puntiformes existentes, aniquilamento de discordâncias de sinais opostos ou
rearranjo destas formando sub-contornos. Não envolve a migração de contornos de alto
ângulo, portanto o grão deformado retém sua textura. (PADILHA, 1996) Em temperaturas mais altas, causa frequentemente recristalização, que pode ou não
gerar uma orientação cristalográfica preferencial (textura), completamente diferente daquela
gerada pela deformação. O material encruado é o estado de partida para o processo de
recristalização, que é definido como a eliminação de discordâncias por migração de contornos
de alto ângulo, pré-existentes na microestrutura encruada ou formados durante o recozimento.
As heterogeneidades de deformação são regiões que contêm grande quantidade de defeitos
cristalinos e distorções no reticulado e são locais preferenciais para a ocorrência da nucleação
da recristalização. A ductilidade original do material é totalmente restaurada pelo
aquecimento acima de certa temperatura especificada para cada tipo de aço, formando-se
novos grãos com baixa densidade de discordâncias, que crescem continuamente até que a
estrutura toda esteja recristalizada. (FILHO, A. F. et al, 2001)
A microestrutura resultante é equiaxial, muito embora possa ser retida ou mesmo
desenvolvida uma textura cristalográfica. Dentre as variáveis que influenciam este processo
destacam-se a temperatura e tempo de tratamento térmico de recozimento subcrítico do
material. A temperatura depende de cada material, pois mesmo pequenos teores de elementos
de liga podem retardar substancialmente a formação de novos grãos, elevando a temperatura
de recristalização. A Figura 17 mostra a diferença de microestruturas entre os fenômenos de
recuperação e recristalização. (AARONSON H., et al, 1985)
1 Encharque é a permanência do material na mesma temperatura durante um determinado intervalo de tempo,
estipulado para cada ciclo.
32
Figura 17 - Comparação de microestruturas com recozimento subcrítico posterior a laminação a frio, mostrando a recuperação e recristalização dos grãos de ferrita, para um aço SAE 1010.
Fonte: Autor, “adaptado de” Aaronson, H., et al, 1985, p. 307
O único caso em que a presença de soluto ou impurezas acelera a recristalização é
quando elas estão presentes na forma de partículas grosseiras espaçadas entre si, antes da
deformação e recozimento. Dispersões finas de precipitados presentes antes da deformação ou
precipitação durante a recuperação ou recristalização atrasam a recristalização. (FILHO, A. F.
et al, 2001)
De um modo geral, materiais com grãos mais finos tendem a apresentar uma estrutura
de deformação mais homogênea e, consequentemente, uma distribuição mais homogênea do
potencial termodinâmico para recristalização. Do contrário, materiais com estrutura de grãos
grosseiros apresentam heterogeneidades de deformação e maior densidade de defeitos
cristalinos, exibindo maiores diferenças de orientação dos grãos e influindo decisivamente nos
processos de recuperação e recristalização, uma vez que elevadas diferenças de orientação
associadas a estas heterogeneidades favorecem a nucleação de novos grãos na recristalização.
(FILHO, A. F. et al, 2001)
O recozimento em temperaturas mais altas e após baixos graus de encruamento, pode
levar ao fenômeno de crescimento normal ou anormal de grãos. O crescimento normal ou
contínuo de grão ocorre gradualmente e resulta em um aumento do diâmetro médio dos grãos,
não ocorrendo mudanças significativas na textura, mas sim um fortalecimento desta. Por outro
lado, no crescimento anormal de grãos, também chamado de recristalização secundária,
apenas alguns contornos de grão migram de maneira heterogênea e crescem muito mais
rapidamente do que a média dos grãos normais, modificando significativamente a textura. Tal
fenômeno pode se desenvolver tanto em uma matriz uniforme quanto em uma matriz em que
já estejam presentes grãos grandes. Vale ressaltar que a aplicação de pequenas ou médias
33
reduções a frio, antes do recozimento, na faixa de 5 a 30% de redução de espessura, pode
ocasionar o aparecimento de grãos enormes após o recozimento, ou seja, a textura de
recozimento ou de recristalização depende fortemente do grau de redução a frio que precede o
recozimento. Portanto, existe um grau de redução ótimo para cada aço para estampagem,
situado entre 65 e 80% para aços acalmados ao alumínio. (FILHO, A. F. et al, 2001)
A Figura 18 ilustra esquematicamente a diferença na distribuição de tamanho de grão,
quando ocorre crescimento de grão normal e anormal, respectivamente.
Figura 18 - Distribuições de tamanho de grão durante o crescimento de grão normal e anormal, em função da
frequência de grãos de um determinado diâmetro e do tempo de recozimento “t”. Fonte: Filho, A. F. et al, 2001, p. 197.
O recozimento subcrítico também acentua a diminuição da dureza do material à
medida que se aproxima da temperatura crítica, facilitando o posterior trabalho mecânico a
frio, como mostra a Figura 19. A taxa de resfriamento possui pouca influência na
microestrutura e propriedades mecânicas do aço baixo carbono, quando resfriado a partir da
temperatura de recozimento subcrítico. Porém resfriamentos muito bruscos devem ser
evitados, para eliminar a possibilidade do aparecimento de tensões residuais no material.
(ARAI, Tohru et al, 1991)
34
Figura 19 – Efeito da temperatura de recozimento na dureza, para um aço baixo carbono, recozido a 1h.
Fonte: ARAI, Tohru et al, 1991, p. 1839.
Quanto à estrutura obtida após recozimento subcrítico, a Figura 20 ilustra a
comparação entre microestruturas características de um aço SAE 1008, laminado e recozido.
Na Figura 20 a tem-se matriz ferrítica deformada a frio com colônias de perlita alongadas na
direção de laminação, com ausência de tratamento térmico de recozimento posterior. Na
Figura 20 b tem-se ferrita poligonal, típica de recozimento subcrítico após laminação a frio,
com a cementita da perlita esferoidizada na direção preferencial de laminação. (G. AGGEN,
et al, 1990)
Figura 20 – Microestrutura de um aço 0.08C-1.5Mn-0.21Si. a) laminado a frio com 50% de encruamento b) 50%
de encruamento a frio e recozido a 700°C por 20min, com cementita esferoidizada. Fonte: Autor, “adaptado de” Aggen, G. et al, 1993, p. 312
35
O aço SAE 1008 acima apresenta resistência mecânica e dureza superiores ao aço SAE
1006 em estudo, por conta de o primeiro possuir maior teor de carbono e consequentemente
formar maior quantidade de perlita e/ou cementita; no entanto, menores ductilidades,
tenacidade e alongamento podem ser alcançados com esse aço.
Como neste trabalho os ciclos de recozimento empregados no material em estudo são todos
do tipo subcrítico, apenas esta modalidade de recozimento será discutida.
2.4.1 Fornos de recozimento da Mangels
Os fornos de recozimento da Mangels Industrial S.A., como o mostrado na Figura 21,
são do tipo sino, a gás de alta convecção e utilizam 100% de hidrogênio (H2) como atmosfera
de tratamento térmico de recozimento da carga.
Figura 21 – Forno de recozimento tipo sino de alta convecção da Mangels Industrial S.A. Fonte: Autor
Antes da colocação do forno, uma campânula de proteção é fixada sobre a carga,
responsável pelo isolamento da atmosfera, impedindo a entrada de oxigênio e de umidade em
contato com o material e evitando sua oxidação. Possui superfície corrugada, como mostra a
Figura 22, para aumentar a área de contato com a água de resfriamento e obter melhor
rendimento de extração de calor da carga, sem comprometer o material.
36
Figura 22 – Campânulas de proteção de atmosfera, utilizadas nos fornos de recozimento da Mangels. Fonte: Autor
O hidrogênio molecular, utilizado como atmosfera do forno, reduz o óxido de ferro da
superfície e é extremamente eficiente na limpeza e remoção de impurezas da superfície do
metal. É extremamente leve, o que proporciona melhor rendimento térmico e como
consequência, menor tempo de recozimento.
O efeito da descarbonetação causada pelo hidrogênio no aço depende da temperatura
do forno e é desprezível quando o tratamento é realizado abaixo de 705°C. Depende também
do teor de umidade na atmosfera, do tempo que a carga permanece na temperatura de
tratamento e, obviamente, do teor de carbono existente no aço, considerando-se que para
teores muito baixos esse fenômeno torna-se menos provável.
Os fornos trabalham com até 90 toneladas de carga na forma de bobinas de aço
empilhadas e isoladas, com a atmosfera descrita acima. O gráfico da Figura 23 indica as
temperaturas e potência elétrica em função do tempo de recozimento subcrítico da carga. A
curva verde indica a pressão do recirculador da base. A curva vermelha indica a temperatura
em pontos quentes, ou seja, na parte superior do forno que concentra maior quantidade de
calor. A curva azul indica a temperatura da carga em pontos “frios”, ou seja, na parte inferior
do forno. A curva tracejada indica a temperatura efetiva do forno medida pelos termopares. É
necessário certo tempo até estabilizar a temperatura entre forno, pontos quentes e pontos frios,
para recozimento da carga na temperatura real do ciclo térmico. 2
2 Recirculador da base é um ventilador de alta potência e possui a função de recircular o(s) gás(es) da atmosfera
do forno, promovendo alta convecção de calor do diâmetro interno para o diâmetro externo das bobinas e
homogeneizando a temperatura no interior da campânula de proteção.
37
Figura 23 - Forno a gás de alta convecção com atmosfera de 100% H2. O rendimento é aproximadamente 80%.
Fonte: Mangels Industrial S.A, 2011.
O resfriamento é realizado por meio de uma campânula de resfriamento rápido (à
água), conforme mostra a Figura 24, colocada sobre a campânula de proteção após completar
o encharque, o que reduz muito o tempo da carga no interior do forno, aumentando seu
rendimento.
Figura 24 - Campânula de resfriamento rápido, colocada sobre a campânula de proteção da carga.
Fonte: Autor
38
3 MATERIAL E MÉTODOS
Partindo-se do material de bitola inicial 5 mm e largura de 65 mm, fornecido pela
empresa Mangels Industrial S.A unidade aços, 5 rolos de um aço ABNT 1006 foram
relaminados a frio no laminador 13 da empresa, mostrado na Figura 25, em diferentes graus
de encruamento e em cilindro 6C2 de acabamento fosco.
Figura 25 - Laminador 13 da Mangels, utilizado para relaminação do material em estudo.
Fonte: Autor
Cada metade de rolo passou por diferentes condições de encruamento, sendo estas na
faixa de 0 a 80% e passes de laminação de 1 a 8, respectivamente, como mostra a Tabela 4.
Tabela 4: Porcentagens de redução de espessura e plano de passes originados no processo de laminação.
ROLOS METADE %
REDUÇÃO ESPESSURA
INICIAL (mm) ESPESSURA FINAL (mm)
QUANTIDADE DE PASSES
R1 1 MP 5,00 5,00 0 2 5 5,00 4,75 1
R2 1 10 4,75 4,50 1 2 20 4,50 4,00 2
R3 1 30 4,00 3,50 3 2 40 3,50 3,00 4
R4 1 50 3,00 2,50 5 2 60 2,50 2,00 6
R5 1 70 2,00 1,50 7 2 80 1,50 1,00 8
Fonte: Autor
39
Foram cortadas 5 amostras de 1 m da matéria prima (espessura de 5 mm) e 8 amostras
de 1 m de cada redução de espessura através da máquina de recorte RT 45 da empresa,
conforme esquematizado na Figura 26.
Figura 26 – Esquema de retirada da amostra. Fonte: Autor
Uma das amostras da matéria-prima foi separada para ensaio de composição química
do material em estudo, através do espectrômetro Spectromax de absorção atômica e emissão
óptica por fonte de arco elétrico, para determinação do teor dos seguintes elementos químicos:
C, Mn, S e Al. A Figura 27 mostra o equipamento utilizado para este ensaio.
Figura 27 - Espectrômetro Spectromax do Instituto de Pesquisas e Estudos Industriais (IPEI), utilizado para
análise de composição química do material em estudo. Fonte: Autor
Posteriormente montou-se 4 conjuntos iguais, contendo 1 amostra de cada
porcentagem de redução, que foram colocados na parte superior da pilha de bobinas, e cada
um deles foi submetido a diferentes condições de temperatura e tempo de tratamento térmico
de recozimento subcrítico. O forno utilizado na empresa Mangels Industrial S.A. está
1 m 65 mm
5 mm
40
ilustrado na Figura 21. Os ciclos de recozimento utilizados, com temperaturas e tempos de
tratamento distintos estão mostrados na Tabela 5.
Tabela 5: Ciclos de recozimento utilizados na empresa Mangels para tratamento das amostras.
CLASSIFICAÇÃO DOS CICLOS TÉRMICOS DE RECOZIMENTO
SEM COALESCIMENTO
TEMPERATURA DO CICLO
(°C)
TEMPO DE ENCHARQUE
(h) F 630 6
G 650 8
H-I 670 8
J 700 9 Fonte: Autor
Para caracterização das propriedades mecânicas foram realizados ensaios de tração,
dureza Vickers e embutimento Erichsen.
Para os ensaios de tração, foram retiradas 3 amostras da matéria-prima e de cada
redução, após laminação e após cada um dos tratamentos térmicos, de dimensões 250 mm de
comprimento por 19 mm de largura. Os corpos de provas foram usinados conforme a
Figura 28, no Centro Universitário da FEI.
Figura 28 - Esquema e dimensões do corpo de prova usinado para ensaio de tração.
Fonte: Vitor Corassini, 2012.
O ensaio de tração foi realizado no Centro Universitário da FEI, com intuito de obter
as propriedades mecânicas principais do material em estudo, como limite de resistência a
tração, limite de escoamento e ductilidade (alongamento total), através do equipamento
Material Test System - MTS mostrado na Figura 29, conforme a norma ABNT NBR 6673 [4].
41
Figura 29 – Equipamento MTS do Centro Universitário da FEI, utilizado para os ensaios de tração do material
em estudo. Fonte: Autor
Para os ensaios de dureza Vickers com carga de 5 kgf foram retiradas pequenas
amostras da matéria-prima e de cada redução, após a laminação e após cada ciclo térmico. As
medições foram realizadas na empresa Mangels, através do durômetro Fsclerometer mostrado
na Figura 30, conforme a norma ABNT NBR NM 188-1/2 [5].
Figura 30 - Durômetro Fsclerometer da Mangels, utilizado para os ensaios de dureza Vickers com carga de 5
kgf. Fonte: Autor
Para os ensaios de embutimento Erichsen foram retirados corpos de prova com
dimensões de 450 mm de comprimento por 65 mm de largura, da matéria-prima e de cada
42
redução após cada ciclo térmico, para 3 estampagens cada, realizados através do equipamento
mostrado na Figura 31, disponível no Centro Universitário da FEI. O ensaio de embutimento
Erichsen é realizado conforme a norma ABNT NBR 5902 [6], com o intuito de verificar a
profundidade com que um punção penetra na chapa metálica com velocidade constante e
carga crescente, obtendo resultados que indicam as condições de estampabilidade do material.
Figura 31 - Equipamento do Centro Universitário da FEI utilizado para os ensaios de embutimento Erichsen do
material em estudo. Fonte: Autor
Para caracterização metalográfica, realizada no Centro Universitário da FEI, cortou-se
pequenas amostras na direção longitudinal através da cut-off, da matéria-prima e de cada
redução (após a laminação e após os ciclos térmicos), as quais foram embutidas em baquelite
através do equipamento mostrado na Figura 32.
43
Figura 32 – Equipamento Allied Techpress 2 utilizado para embutimento em baquelite, dos corpos de prova
utilizados para metalografia. Fonte: Autor
As amostras embutidas foram lixadas com as lixas #220, #320, #400 e #600 e panos
de polimento com abrasivo de diamante de 6µm, 3µm e 1µm através do equipamento Struers
Abramin, mostrado na Figura 33.
Figura 33 - Equipamento Struers Abramin do Centro Universitário da FEI, utilizado para preparação
metalográfica das amostras. Fonte: Autor.
Foram posteriormente atacadas quimicamente com Nital 2% (98% de álcool etílico
absoluto e 2% de ácido nítrico). As microestruturas foram obtidas através microscópio óptico
Olympus, conforme mostra a Figura 34, com aumento de 100, 200 e 500X.
44
Figura 34 - Microscópico óptico Olympus.
Fonte: Autor
Também foram realizadas medidas do tamanho de grão da matéria-prima inicial e de
cada redução para todas as amostras recozidas, através do programa Analysis, usando-se o
método do intercepto médio de grãos. As medidas foram obtidas conforme a norma ASTM
E112, e posteriormente convertidas para diâmetro médio planar, em micrometros, com
objetivo de melhor conhecimento da ordem de grandeza.
4 RESULTADOS EXPERIMENTAIS E DISCUSSÃO
45
A composição química obtida para o aço ABNT 1006 em estudo é mostrada na Tabela
6 abaixo.
Tabela 6 - Composição química real da matéria-prima proveniente de usina.
Número
ABNT
Composição química (% peso)
Elementos Principais Elementos Residuais
C Mn S Al Cr Ni Cu Mo
1006 0,044 0,27 0,013 0,058 0,016 0,039 0,036 0,004
Fonte: Instituto de Pesquisas e Estudos Industriais (IPEI), 2012. Nota: Dados trabalhados pelo autor.
Ao comparar as porcentagens dos elementos químicos, obtidos através da análise
química, com os valores especificados na Tabela 1 pela norma ABNT NBR 5007 para esse
aço, observa-se que o carbono presente no aço está praticamente na mínima concentração,
contribuindo para diminuição do limite de resistência mecânica, aumento de tenacidade e
consequentemente maior formabilidade para este aço. Os demais elementos de liga, principais
e residuais estão dentro da faixa especificada para esse aço e somados, não ultrapassam o teor
máximo de 1%, contribuindo para melhor formabilidade na estampagem. Quanto ao enxofre,
abaixo do teor máximo de 0,035%, contribui para que o material apresente baixa
probabilidade de formação de sulfetos, prejudiciais às propriedades mecânicas e responsáveis
pela nucleação de trincas. O alumínio, em adições como a obtida neste aço, atua como
controlador do crescimento de grãos e auxilia no desenvolvimento do arranjo preferencial
destes.
Ao comparar os teores dos elementos com as especificações de composição química,
típicas para estampagem, conforme a Tabela 2, observa-se que os teores de carbono e enxofre
estão praticamente dentro dos valores especificados e, portanto propício para ser submetido a
um processo de estampagem extra-profunda. Porém, o teor de manganês está um pouco acima
do especificado, contribuindo para o aumento da dureza e resistência mecânica ao se dissolver
na ferrita, assim como o alumínio, que também a endurece consideravelmente.
A Figura 35 mostra a microestrutura original da matéria-prima proveniente da usina.
46
Figura 35 - Microestrutura do aço ABNT 1006 com Al sem Si, proveniente da usina. Nital 2%, 500X.
Fonte: Autor
A microestrutura da matéria-prima apresenta grãos finos de ferrita com pouca perlita
presente preferencialmente em contorno de grão. Para conhecer o tamanho dos grãos de
ferrita deste aço, com a estrutura original proveniente de usina, foi obtida a distribuição de
tamanhos conforme mostra a Figura 36.
Figura 36 - Distribuição de tamanhos de grão da matéria-prima proveniente da usina.
Fonte: Autor
O gráfico acima mostra que o tamanho de grão médio é de aproximadamente 7,5
ASTM, que resulta num diâmetro médio planar de aproximadamente 21 µm, conferindo ao
47
material original boas condições para o processamento de laminação a frio e recozimento
posterior, pois apresenta boa relação entre formabilidade e aparência de superfície de partida.
A Figura 37 mostra a comprovação das afirmações citadas acima, através do embutimento
Erichsen obtido para a amostra da matéria-prima.
Figura 37 - Embutimento Erichsen da amostra referente ao material original proveniente da usina.
Fonte: Autor.
Após etapas de decapagem química e relaminação a frio da matéria-prima, foram
obtidas as microestruturas das amostras laminadas na direção longitudinal, na sequência de
cada porcentagem de redução de espessura, desde 5% até 80%, conforme mostra a Figura 39,
a título de comparação entre as estruturas, à medida que se reduz a espessura.
5% ENCRUAMENTO 10% ENCRUAMENTO Figura 38 - Micrografias após laminação, desde 5% até 80%, mostrando a comparação de microestruturas e
formatos de grão. Nital 2%, 200X. Fonte: Autor
48
20% ENCRUAMENTO 30% ENCRUAMENTO
40% ENCRUAMENTO 50% ENCRUAMENTO
60% ENCRUAMENTO 70% ENCRUAMENTO
Figura 39 - Continuação
49
80% ENCRUAMENTO
Figura 39 – Continuação
Na medida em que o encruamento aumenta, observa-se o aumento da deformação dos
grãos de ferrita na direção principal de laminação (longitudinal), assim como também ocorre
o direcionamento e alinhamento da cementita e perlita presentes preferencialmente em
contorno de grão. Este comportamento é mais bem evidenciado nas microestruturas a partir de
30 e 40% de redução da espessura inicial, sendo a partir de 50%, reduções mais severas e
deformações mais significativas.
A partir das amostras com 20% até aproximadamente 50% de redução, observam-se
grãos com intensidades de deformações distintas, devido à distribuição de tamanho de grão,
sendo que quanto menor o tamanho deste, maior será sua deformação. Para deformações mais
severas, de 60 a 80% de encruamento, praticamente todos os grãos se deformam e essa
diferença não é observada.
Quanto maior a redução direta da espessura por laminação a frio, maior é a densidade
e consequente intercepto de linhas de discordâncias no reticulado cristalino, maior a formação
de bandas de deformação que causam fragmentação do grão e maior a energia armazenada em
contorno de grão, resultando em maior quantidade de núcleos para recristalização. Com isso,
ocorre aumento progressivo da dureza, limite de resistência e limite de escoamento, e
diminuição do alongamento, como pode ser evidenciada através das Figuras 40, 41, 42 e 43,
respectivamente.
50
Figura 39 – Gráfico do comportamento da dureza do material em função da porcentagem de redução de área,
anterior ao processo de recozimento. Fonte: Autor
Figura 40 – Gráfico do comportamento do limite de escoamento do material em função do porcentagem de
redução de área, anterior ao processo de recozimento. Fonte: Autor
51
Figura 41 – Gráfico do comportamento do limite de resistência do material em função da porcentagem de
redução de área, anterior ao processo de recozimento. Fonte: Autor
Figura 42 – Gráfico do comportamento do alongamento do material em função da porcentagem de redução de
área, anterior ao processo de recozimento. Fonte: Autor
Ao analisar os gráficos apresentados acima, observa-se que a dureza varia de
aproximadamente 140 HV5, valor original da matéria-prima de partida com espessura de
Al = 59,615(%Enc)2 - 74,806x(%Enc) + 27,301
R² = 0,9278
0
5
10
15
20
25
30
35
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80%
Alo
ng
am
en
to A
50
(%
)
% Redução de área
Amostras laminadas -Alongamento 50 mm x % Encruamento
52
5mm, até aproximadamente 220 HV5, valor de dureza encontrado para a amostra com 80% de
redução na espessura. Quanto ao limite de escoamento, varia de aproximadamente 300 MPa,
valor original da matéria-prima, até aproximadamente 700MPa, valor encontrado para a
amostra com 80% de redução na espessura. Quanto ao limite de resistência, varia de
aproximadamente 360 MPa, valor original da matéria-prima, até aproximadamente 725MPa,
valor encontrado para a amostra com 80% de redução de espessura. Quanto ao alongamento,
varia de aproximadamente 33%, valor original da matéria-prima, até aproximadamente 4%,
valor encontrado para a amostra com 80% de redução na espessura.
Os gráficos de dureza, limite de escoamento e limite de resistência mostram um
aumento progressivo destas propriedades mecânicas em função do aumento do encruamento,
mais significativo nos primeiros 10% de redução. Já o gráfico de alongamento em função do
grau de encruamento, que representa a ductilidade do material, mostra a diminuição
progressiva desta propriedade mecânica, mais acentuada nos primeiros 10% de redução.
Após etapas de relaminação a frio e tratamentos térmicos de recozimento subcrítico,
em 4 diferentes condições de tempo e temperatura, foram obtidas as respectivas
microestruturas, conforme mostra a Figura 43.
CICLO F CICLO G CICLO H-I CICLO J
5%
10%
0
20%
Figura 43 - Microestruturas obtidas de 4 condições de tempo e temperatura distintos, em função do grau de
encruamento anterior ao recozimento. Nital 2%, 200X. Fonte: Autor
53
30%
40%
50%
60%
70%
80%
Figura 44 - Continuação
54
Para relacionar as microestruturas, mostradas acima, com seus respectivos tamanhos
de grão após diferentes ciclos de recozimento, foram obtidos os gráficos que relacionam o
diâmetro médio de grão planar com o grau de encruamento para cada um, conforme mostram
as 45 a 48.
Figura 44 – Gráfico do diâmetro médio planar dos grãos em função do grau de encruamento, após recozimento a
630 °C durante 6 horas de encharque. Fonte: Autor
Figura 45 - Gráfico do diâmetro médio planar dos grãos em função do grau de encruamento, após recozimento a
650 °C durante 8 horas de encharque. Fonte: Autor
55
Figura 46 - Gráfico do diâmetro médio planar dos grãos em função do grau de encruamento, após recozimento a
670 °C durante 8 horas de encharque. Fonte: Autor
Figura 47 - Gráfico do diâmetro médio planar dos grãos em função do grau de encruamento, após recozimento a
700 °C durante 9 horas de encharque. Fonte: Autor
As amostras laminadas com 5% de encruamento (baixa deformação) e recozidas em
diferentes condições de tempo e temperatura apresentaram somente recuperação com
56
diminuição da densidade de discordâncias, por conta destas amostras não apresentarem
potencial termodinâmico suficiente para a recristalização, mantendo a textura e o tamanho de
grão após recozimento praticamente igual à microestrutura original da matéria-prima
proveniente de usina, também com diâmetro médio planar de aproximadamente 22 µm.
Um fenômeno interessante de crescimento anormal de grão ocorreu somente próximo
da superfície, sendo evidenciado nas amostras laminadas com 10% de encruamento e
recozidas através dos ciclos G, H-I e J, como podem ser observados na Figura 48. Esse
fenômeno justifica o enorme desvio padrão evidenciado nos gráficos de tamanho de grão
acima, medidos para esse encruamento.
10 %
CICLO G CICLO H-I CICLO J
Figura 48 - Microestruturas das superfícies das amostras laminadas com 10% de encruamento e recozidas através dos ciclos G, H-I e J, respectivamente. Nital 2%, 100X.
Fonte: Autor.
Observa-se, através das micrografias mostradas na Figura 48 que, quanto maior a
temperatura e tempo de recozimento do ciclo pelo qual a amostra foi submetida, maior o
crescimento e consequentemente o tamanho do grão.
Observa-se também, através da Figura 38, que a microestrutura com 10% de
encruamento apresenta heterogeneidades de deformação entre a superfície (parte superior da
micrografia) e o núcleo (parte inferior), o que justifica o crescimento anormal de grão
evidenciado nas micrografias acima. A amostra com 10% de encruamento recozida através do
ciclo F de recozimento, a 630°C durante 6 horas não apresentou crescimento anormal de grão.
A amostra com 10% de encruamento recozida através do ciclo G de recozimento, a 650°C
durante 8 horas, apresentou grãos grosseiros na superfície, misturados com grãos finos. Já a
amostra com 10% de encruamento recozida através do ciclo H-I de recozimento, a 670°C
durante 8 horas, apresentou uma fina camada de grãos finos na superfície intercalada com
57
grãos grosseiros logo abaixo, também misturados com grãos finos. A última amostra,
laminada com 10% de encruamento e recozida com o maior tempo e maior temperatura
através do ciclo J de recozimento, a 700°C durante 9 horas, apresentou maior crescimento
anormal de grão na superfície e em maior profundidade.
As amostras com 20% de encruamento, independente do ciclo de recozimento pelo
qual foram submetidas, apresentaram aumento no tamanho de grão muito intenso de
aproximadamente 30 µm, com relação à amostra anterior laminada com 10% de encruamento
para o mesmo ciclo. Isso ocorreu por conta do grau de deformação já ser suficiente para gerar
potencial termodinâmico necessário para a nucleação de novos grãos, porém a baixa
quantidade de defeitos cristalinos (baixa deformação) gerou poucos núcleos, possuindo maior
espaço para crescerem durante o recozimento.
O mesmo processo de recristalização ocorreu para as amostras laminadas com 30 a
60% de encruamento, porém quanto maior o grau de encruamento, maior é a introdução de
defeitos cristalinos na estrutura do metal e, portanto, maior é a quantidade de núcleos para
recristalização gerados durante o recozimento, com menor espaço para o crescimento destes.
Isso explica a diminuição do tamanho de grão com o aumento do grau de encruamento a partir
de 20%, evidenciada através dos gráficos das figuras 45 a 48.
Por fim, as amostras laminadas com 70 e 80% de encruamento também apresentaram
recuperação e recristalização total, porém com uma quantidade ainda maior de defeitos
gerados durante o processo de deformação, que levou a um maior número de núcleos,
resultando na diminuição do espaço para crescimento individual de cada núcleo durante o
recozimento. Observa-se nessas amostras, uma textura preferencial dos grãos com a direção
principal de laminação a frio anterior ao recozimento e mantiveram tamanho de grão muito
semelhante ao da microestrutura original da matéria-prima de aproximadamente 20 µm, como
pode ser observado através dos gráficos das figuras 45 a 48.
Os ensaios de embutimento Erichsen foram realizados com intuito de verificar a
profundidade de estampagem, para cada condição de encruamento e ciclo de recozimento, e
aparência de superfície após a estampagem. As Figuras 50 a 53 mostram a profundidade de
estampagem para todos os graus de encruamento e ciclos F, G, H-I e J, respectivamente, e
também as equações que regem esse comportamento, para determinar o grau de encruamento
para um valor de embutimento específico, em função do ciclo de recozimento.
58
Figura 49 - Gráfico da profundidade de estampagem em função do encruamento, para as amostras recozidas a
630 °C durante 6 horas de encharque (ciclo F). Fonte: Autor.
Figura 50 - Gráfico da profundidade de estampagem em função do encruamento, para as amostras recozidas a
650 °C durante 8 horas de encharque (ciclo G). Fonte: Autor
59
Figura 51 - Gráfico da profundidade de estampagem em função do encruamento, para as amostras recozidas a
670 °C durante 8 horas de encharque (ciclo H-I). Fonte: Autor
Figura 52 - Gráfico da profundidade de estampagem em função do encruamento, para as amostras recozidas a
700 °C durante 9 horas de encharque (ciclo J). Fonte: Autor
60
Ao comparar os gráficos das figuras 50 a 53, observa-se que não houve mudança
significativa na profundidade de estampagem em função da mesma espessura, ao variar o
tempo e temperatura dos tratamentos térmicos de recozimento subcrítico das amostras
encruadas. Partindo-se de uma espessura de 4,5 até 3,5 mm, obtêm-se aproximadamente 19
mm de profundidade na estampagem, para qualquer que seja o ciclo de recozimento
submetido ao material. O gráfico da Figura 53 mostra a sobreposição das curvas de
embutimento Erichsen em função da espessura, para todos os ciclos térmicos estudados.
Figura 53 – Profundidade de estampagem em função da espessura, para todos os ciclos de recozimento.
Fonte: Autor
As maiores profundidades de estampagem evidenciadas foram das amostras com 5%
de encruamento, chegando a aproximadamente 19,5 mm e após 50%, observa-se uma queda
abrupta de aproximadamente 17 mm para 12 mm de profundidade, chegando a
aproximadamente 10 mm com 80% de encruamento. Isso ocorre por conta das amostras com
maior deformação apresentarem menor espessura, ou seja, menor quantidade de material por
unidade de volume, atingindo, portanto, menor profundidade durante a deformação na
estampagem.
Para verificar o aspecto visual da superfície após embutimento Erichsen, foram obtidas
as fotografias da superfície estampada, para cada grau de encruamento, dos 4 ciclos de
recozimento estudados, conforme mostra a Figura 54.
61
Figura 54 - Fotografias da superfície estampada, mostrando a aparência superficial das amostras estudadas. As fotografias com bordas vermelhas correspondem às condições que apresentaram “casca de laranja” acentuada.
Fonte: Autor
CICLO F CICLO G CICLO H-I CICLO J
5%
10%
20%
30%
40%
50%
62
CICLO F CICLO G CICLO H-I CICLO J
60%
70%
80%
Figura 55 - Continuação
De acordo com as fotografias mostradas acima, as amostras com 10% de encruamento,
para os ciclos H-I e J, apresentaram o fenômeno de “casca de laranja” mais acentuada na
amostra que passou pelo ciclo de recozimento J, de maior tempo e temperatura, comparando-
as com as demais. Isso ocorre devido à presença de grãos enormes na superfície, conforme
mostrou a Figura 48. A amostra com 10% de encruamento e ciclo de recozimento F não
apresentou grãos enormes na superfície, em função da menor temperatura e tempo de
tratamento térmico, o que proporcionou uma superfície estampada com ausência de “casca de
laranja”.
Outras amostras, laminadas com 20, 30 e 40% de encruamento, para todos os ciclos de
recozimento, principalmente o G, H-I e J, também apresentaram superfície “casca de laranja”,
que ocorre a partir de um tamanho de grão crítico de aproximadamente 35 µm, menos
acentuado que as amostras com 10% de encruamento, como pode ser verificado nas
respectivas microestruturas da Figura 38.
As demais amostras, laminadas de 50 a 80% de encruamento para todos os ciclos de
recozimento, não apresentaram “casca de laranja” de forma expressiva, e estas tem todas
tamanho de grão inferior a 35 µm.
63
A Figura 55 mostra uma superfície que relaciona o diâmetro médio de grão planar para
todas as condições de encruamento e ciclos de recozimento estudados, com objetivo de
visualizar de maneira geral como varia o tamanho de grão.
Figura 55 - Superfície que relaciona o tamanho de grão em função do grau de encruamento e ciclo de
recozimento subcrítico. Fonte: Autor
Da superfície acima, observa-se que as amostras com 5% de encruamento
apresentaram grãos com diâmetro médio de 20 a 30 µm, assim como as amostras com 70%,
para todos os ciclos de recozimento estudados. As amostras com 20% de encruamento
apresentaram os maiores valores de diâmetro médio dos grãos, em função do excessivo
crescimento de grão, de 40 a 50 µm para o ciclo F e de 50-60 µm para os ciclos G e H-I e de
60-70 µm para o ciclo J, motivos pelos quais essas amostras apresentaram certo grau de
“casca de laranja”, mostrado na Figura 54. As amostras com 30% de encruamento, que
mostraram crescimento de grão apresentaram variação de 30 a 50 µm. O mesmo ocorreu para
as amostras com 40% de encruamento, com variação de 30 a 40 µm. Por fim, as amostras com
80% de encruamento apresentaram os menores valores de diâmetro médio dos grãos, com
variação de 18 a 21 µm.
64
De um modo geral, as amostras do ciclo J foram as que apresentaram maiores
diâmetros médio de grãos, chegando a valores de até 70 µm para 20% de encruamento.
Através da superfície da Figura 55, pode-se afirmar que as condições de encruamento
e ciclo de recozimento que apresentam boa relação com o tamanho de grão obtido, ou seja,
diâmetro médio planar até no máximo 35 µm, são as amostras laminadas com 5% de
encruamento, para todos os ciclos de recozimento, as amostras laminadas com 40% para os
ciclos H-I e J e as amostras laminadas de 45 a 80% de encruamento, para todos os ciclos de
recozimento estudados.
Uma relação relevante para a análise das propriedades mecânicas em função do
tamanho de grão é a obtenção de gráficos que permitem exibir a equação de Hall-Petch para
esse aço, envolvendo todas as condições de encruamento e recozimento estudadas. As Figuras
57 a 60 mostram gráficos de limite de escoamento, limite de resistência, dureza e
alongamento, respectivamente, em função do tamanho de grão obtido, assim como as
respectivas equações de Hall-Petch.
Figura 56 - Gráfico que relaciona o limite de escoamento com o tamanho de grão, para todas as condições de
recozimento e encruamento estudadas, com a respectiva equação de Hall-Petch obtida. Fonte: Autor
65
Figura 57 - Gráfico que relaciona o limite de resistência com o tamanho de grão, para todas as condições de
encruamento e recozimento estudadas, com a respectiva equação de Hall-Petch obtida. Fonte: Autor
Figura 58 - Gráfico que relaciona a dureza com o tamanho de grão, para todas as condições de encruamento e
recozimento estudadas, com a respectiva equação de Hall-Petch obtida. Fonte: Autor
66
Figura 59 - Gráfico do alongamento em 50 mm em função do inverso da raiz quadrada do diâmetro médio dos
grãos posterior ao recozimento, para todas as condições estudadas, com a respectiva equação de Hall-Petch obtida.
Fonte: Autor
Observa-se que o limite de escoamento, limite de resistência e dureza do material são
inversamente proporcionais à raiz quadrada do diâmetro médio de grão, ou seja, quanto menor
o tamanho de grão obtido, maior serão os valores de limite de escoamento, limite de
resistência e dureza, sendo consequentemente menor o alongamento alcançado, como pode
ser observado nos gráficos mostrados acima. Porém, é necessário ressaltar que os valores de
R2 obtidos são baixos (menores do que 1) e portanto, as retas das propriedades mecânicas
obtidas acima não são bem representadas pelas respectivas equações.
Para análise das propriedades mecânicas finais, após recozimento das amostras, foram
obtidos gráficos do limite de escoamento, limite de resistência, dureza e alongamento em
função do grau de encruamento, respectivamente, para cada ciclo de recozimento estudado,
que serão mostrados e discutidos abaixo.
A Figura 60 mostra o gráfico de limite de escoamento em função do encruamento, de
modo comparativo para os ciclos de recozimento F, G, H-I e J.
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Figura 60 – Gráfico do limite de escoamento em função do encruamento, para todas as amostras recozidas
através dos ciclos F, G, H-I e J. Fonte: Autor
Pode-se observar que de um modo geral, para todas as condições de encruamento, as
amostras recozidas a 630°C durante 6 horas (ciclo F) apresentaram maiores valores de limites
de escoamento, por conta da menor temperatura e consequentemente menor tamanho de grão,
quando comparado com os demais ciclos térmicos. O mesmo não ocorreu com as amostras
laminadas a partir de 30% e posteriormente recozidas a 650°C durante 8 horas (ciclo G), as
quais apresentaram limites de escoamento inferiores às amostras recozidas a 670°C durante 8
horas (ciclo H-I), por conta de menores tamanhos de grãos destas. De um modo geral, os
menores valores de limite de escoamento foram evidenciados em todas as amostras recozidas
a 700°C durante 9 horas (ciclo J), por conta dos maiores tamanhos de grão.
A Figura 61 mostra o gráfico de limite de resistência em função do encruamento, de
modo comparativo para os ciclos de recozimento F, G, H-I e J.
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Figura 61 - Gráfico do limite de resistência em função do encruamento, para todas as amostras recozidas através
dos ciclos F, G, H-I e J. Fonte: Autor
Os mesmos comentários feitos para a Figura 60 podem ser feitos para o gráfico acima,
sendo que quanto maior o encruamento prévio ao recozimento maior o limite de resistência.
Vale chamar atenção para a amostra com 60% de encruamento e recozida através do ciclo H-
I, que apresentou os maiores valores de limite de escoamento e resistência, em função do
menor tamanho de grão, de aproximadamente 21 µm.
A Figura 62 mostra o gráfico de dureza em função do encruamento, de modo
comparativo para os ciclos de recozimento F, G, H-I e J.
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Figura 62 - Gráfico da dureza em função do encruamento, para todas as amostras recozidas através dos ciclos F,
G, H-I e J. Fonte: Autor
Pode-se observar que os menores valores de dureza foram encontrados nas amostras
com 20 e 30% de encruamento, que representas os maiores tamanhos de grão, e os maiores
foram encontrados para as amostras laminadas com 80% de encruamento e posteriormente
recozidas através do ciclo F de recozimento.
A Figura 63 mostra o gráfico de alongamento em função do encruamento, de modo
comparativo para os ciclos de recozimento F, G, H-I e J.
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Figura 63 - Gráfico do alongamento em função do encruamento, para todas as amostras recozidas através dos
ciclos F, G, H-I e J. Fonte: Autor
Pode-se observar que de um modo geral, todas as amostras laminadas de 20 a 70% de
encruamento e posteriormente recozidas nos respectivos ciclos térmicos apresentaram maiores
valores de alongamento, quando comparado com as demais amostras laminadas com 5, 10 e
70% de encruamento.
Vale ressaltar que as amostras recozidas a 700°C durante 9 horas (ciclo J)
apresentaram os maiores alongamentos em função de maiores tamanhos de grão comparados
aos demais ciclos, chegando a aproximadamente 53% para as amostras de 20 a 70%, apesar
da diferença de tamanho de grão existente entre elas.
Já as amostras com 80% de encruamento apresentaram uma queda de alongamento,
por conta da textura mais intensa de grãos recuperados, como pode ser observado na Figura
44.
As Figuras 65 a 68 mostram superfícies que relacionam o limite de escoamento, limite
de resistência, dureza e alongamento para todas as condições de encruamento e ciclos de
recozimento estudados, com objetivo de visualizar de maneira geral como variam essas
propriedades mecânicas.
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Figura 64 - Superfície que relaciona o limite de escoamento em função do grau de encruamento e ciclo de
recozimento subcrítico. Fonte: Autor
Figura 65 - Superfície que relaciona o limite de resistência em função do grau de encruamento e ciclo de
recozimento subcrítico. Fonte: Autor
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Figura 66 - Superfície que relaciona a dureza em função do grau de encruamento e ciclo de recozimento
subcrítico. Fonte: Autor
Figura 67 - Superfície que relaciona o alongamento em função do grau de encruamento e ciclo de recozimento
subcrítico. Fonte: Autor
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5 CONCLUSÕES
Do presente trabalho, pode-se concluir que:
� Os limites de escoamento e resistência, dureza, o alongamento total em 50 mm
e o embutimento Erichsen são dependentes do diâmetro médio de grão planar do aço
ABNT 1006 com alumínio sem silício, conforme equações de Hall-Petch obtidas.
� Partindo-se da matéria prima do aço ABNT 1006 com alumínio sem silício,
com espessura inicial de 5 mm, limite de escoamento de aproximadamente 306 MPa,
limite de resistência de aproximadamente 365 MPa e alongamento total em 50 mm
de aproximadamente 32,5%, laminando-se a frio de 30 a 70% de encruamento e
posteriormente recozendo-o de preferência a 700°C durante 9 horas (ciclo F), obtêm-
se os maiores valores de alongamento de aproximadamente 53%.
� Todas as amostras laminadas a frio com alto grau de encruamento de 50 a 80%,
não apresentam superfície “casca de laranja” de forma expressiva na superfície das
chapas, após estampagem.
� A profundidade de estampagem varia apenas com a espessura da chapa, não
havendo influência do ciclo de recozimento pelo qual as amostras encruadas foram
submetidas.
� As amostras laminadas com 10% de encruamento e recozidas através dos
ciclos G, H-I e J apresentam crescimento anormal de grão, com formação de grãos
enormes na superfície do material.
� A textura de recozimento ou de recristalização depende fortemente do grau de
redução a frio que precede o recozimento.
� É possível a obtenção de superfícies de tamanhos de grão e das propriedades
mecânicas de limite de escoamento, limite de resistência, dureza e alongamento em
função do grau de encruamento e ciclos térmicos de recozimento, como
representação da janela de processamento para o aço ABNT 1006.
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REFERÊNCIAS
AARONSON, Hubert. ASM Handbook: Metallography And Microstructures. Vol. 4, 10 ed. USA: Copyright, 1992.
AGGEN, G. et al.ASM Handbook: Properties and Selection: Irons Steels and High
Performance Alloys. Vol. 1, 10 ed. USA: Copyright, 1993. ARAI, Tohru et al.ASM Handbook: Heat Treating. Vol. 4, 10 ed. USA: Copyright,
1991. ANDRESEN, Peter, et al. ASM Handook: Material Selection and Design. Vol.20, 10
ed. USA: Copyright, 1997. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6673: Produtos
planos de aço – determinação das propriedades mecânicas a tração. Rio de Janeiro, 1981. 22 p.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR NM 188-1/2:
Materiais metálicos – Dureza Vickers. Rio de Janeiro, 1999. 8 p. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5902: Determinação
do índice de embutimento em chapas de aço pelo método Erichsen modificado. Rio de Janeiro, 1980. 7 p.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5007: Tiras
relaminadas de aço de baixo teor de carbono para estampagem. Rio de Janeiro, 2008. 15 p. CALLISTER, William D. Ciência e engenharia de materiais. Uma introdução. 7 ed.
Rio de Janeiro: LTC, 2008. cap. 11, p. 260. CHIAVERINI, Vicente. Aços e ferros fundidos. 6 ed. São Paulo: Associação
Brasileira de Metais, 1990. DIETER, George Ellwood. Metalurgia Mecânica. 2 ed. Rio de Janeiro: Guanabara
Koogan S.A., 1981. FILHO, Antenor Ferreira et al. Controle da microestrutura e da textura de chapas de
aço baixo carbono para estampagem. In: TSCHIPTSCHIN, A. P. et al. Textura e relações de orientação. Deformação plástica, recristalização e crescimento de grão. São Paulo: EPUSP, 2001. p. 189-203.
INOKUTI, Y.; DOHERTY, R. D. Trasmission Kossel study of the structure of
compressed iron and its recrystallization behavior. Acta Metallurgica, vol. 26, p. 61-80, 1978.
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PADILHA, A. F. et al. Encruamento, recristalização, crescimento de grão e textura. São Paulo: Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais, 1996.
SILVA, André V. da Costa; MEI, Paulo Roberto. Aços e ligas especiais. 3 ed. São Paulo: Edgard Blücher LTDA, 2010.
LAVIGNE, J. J. et al.: In Procedures 6th International Conference on “Textures of
Materials”, vol. 2, p. 749, Tokyo, Japan, 1981. Y. HINOJOSA, M.; ORTIZ, U. & COLÁS, Static recrystallization of low carbon
steels. Materials Science Forum, Vols. 113-115, p. 470.