Estudo microestrutural da liga refratária Ti -6Al-4V após ...· tensão específica, boa resistência

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Anais do 14O Encontro de Iniciao Cientfica e Ps-Graduao do ITA XIV ENCITA / 2008. Instituto Tecnolgico de Aeronutica, So Jos dos Campos, SP, Brasil, Outubro, 20 a 23, 2008.

Estudo microestrutural da liga refratria Ti-6Al-4V aps ensaio mecnico de fluncia

Tarcila Sugahara EEL-USP, Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de So Paulo, Estrada Municipal do Campinho S/N CEP 12602-810 Campinho Lorena - SP ITA, Instituto Tecnolgico de Aeronutica Bolsista PIBIC-CNPq tarcila.s@bol.com.br

Carlos de Moura Neto ITA, Instituto Tecnolgico de Aeronutica Professor Associado I mneto@ita.br

Danieli Aparecida Pereira Reis ITA, Instituto Tecnolgico de Aeronutica Bolsista Ps-Doutorado FAPESP danielireis@hotmail.com Francisco Piorino Neto IAE/CTA, Instituto de Aeronutica e Espao Pesquisador fpiorino@iae.cta.br Resumo: Titnio e suas ligas so excelentes para aplicaes como componentes estruturais submetidos em altas temperaturas devido sua alta resistncia, baixa massa especfica, boa resistncia corroso e estabilidade metalrgica. Uma parte substancial da pesquisa em fluncia tem sido dedicada liga Ti-6Al-4V devido a sua importncia industrial e tecnolgica. Este trabalho tem como objetivo caracterizar microestruturalmente a liga Ti-6Al-4V aps ensaio de fluncia via microscopia ptica e microscopia eletrnica de varredura. Foi utilizada a liga Ti-6Al-4V na forma de barras cilndricas, na condio forjada e recozida a 190oC durante 6 horas e resfriada ao ar. A liga Ti-6Al-4V aps tratamento trmico para avaliao do tipo de microestrutura no material foi submetida a ensaios de fluncia ao ar na condio de 250MPa para a temperatura de 600oC. A preparao das amostras para anlise via microscopia ptica e microscopia eletrnica de varredura seguiu os padres usuais de metalografia. A liga com estrutura de Widmansttten apresentou uma maior resistncia fluncia e oxidao, com um maior tempo de vida em fluncia. Palavras chave: fluncia, Ti-6Al-4V, caracterizao microestrutural, tratamentos trmicos.

1. Introduo

As ligas de titnio so utilizadas em vrios setores industriais devido as suas excelentes propriedades como alta tenso especfica, boa resistncia corroso, baixa densidade e boa resistncia oxidao em temperaturas menores do que 600C. Essas propriedades so fatores decisivos para seu uso particularmente em indstrias aeroespaciais (Leyens , C.; Peters, M., 2003).

Dentre as ligas de titnio a Ti-6Al-4V a mais importante, pois possui propriedades que se destacam como boa trabalhabilidade e usinabilidade (Sakai,T.; Ohashi, M.; Chiba, K., 1998). Porm, a afinidade com o oxignio um dos fatores que limitam sua aplicao como componente de materiais estruturais em altas temperaturas. A alta solubilidade slida do oxignio no titnio resulta na perda de material e na formao de uma camada frgil e de alta dureza durante a exposio ao ar em temperaturas elevadas (Welsh, G.; Kahveci, A., 1988).

A indstria aeroespacial absorve cerca de 75% da produo mundial de titnio, sendo a liga Ti-6Al-4V uma das ligas mais versteis. Uma das caractersticas que mais tem contribudo para o crescimento do seu uso para fins estruturais refere -se ao seu alto ponto de fuso. Sua utilizao concentra-se em componentes aeroespaciais, onde a resistncia fluncia, fadiga e degradao so consideradas essenciais (Norris, G., 1994).

Denomina-se tratamento trmico a operao de se aquecer um material a uma dada temperatura e resfri -lo aps certo tempo, em condies determinadas com a finalidade de dar ao material propriedades especiais (Pereira, R. L., 1963). Em um tratamento trmico os principais fatores que devem ser levados em considerao so aquecimento, tempo de permanncia temperatura, resfriamento e atmosfera do local de aquecimento. O objetivo do tratamento trmico alterar as caractersticas mecnicas e estruturais dos materiais em funo da sua aplicao como aumento ou diminuio da dureza, aumento da resistncia mecnica, melhoria da ductilidade, da usinabilidade, da resistncia ao desgaste, das propriedades de corte, da resistncia corroso, da resistncia ao calor, modificao das propriedades eltricas e magnticas (http://www.diferro.com.br/saiba_glossario.asp 2008).

Anais do XIV ENCITA 2008, ITA, Outubro, 20-23, 2008 ,

Fluncia a deformao lenta e contnua de um slido com o tempo (ASTM, 1996). Tipicamente, a resistncia

fluncia de um slido estimada pelo clculo da taxa de deformao secundria e avaliada como funo da carga ou tenso aplicada. Para tanto, aplicada uma carga esttica sobre uma amostra em temperaturas elevadas, medindo-se a deformao como funo do tempo (ASTM, 1996).

O objetivo deste trabalho foi a caracterizao microestrutural da liga Ti-6Al-4V aps ensaio de fluncia. A liga selecionada (Ti-6Al-4V) aps tratamento trmico para avaliao do tipo de microestrutura no material foi submetida a ensaios de fluncia ao ar em temperatura de 600o C, na modalidade de carga constante, na condio de 250 MPa. Estudos completos de ensaio na fluncia da liga refratria Ti-6Al-4V tratada termicamente so escassos na literatura. A caracterizao microestrutural teve o objetivo de determinar as fases existentes, incluindo a caracterizao e quantificao das incluses presentes, alm de permitir um conhecimento mais detalhado da influncia da microestrutura na resistncia fluncia ao ar da liga Ti-6Al-4V.

2. Metodologia

Para a realizao deste trabalho, foi utilizada a liga Ti-6Al-4V na forma de barras cilndricas, adquiridas junto

Empresa Multialloy Eng. Mat. Ltda, na condio forjada e recozida a 190oC durante 6 horas e resfriada ao ar. A configurao microestrutural resultante dos tratamentos trmicos e mecnicos corresponde condio de maior aplicao na indstria aeronutica. A caracterizao quanto composio qumica dos principais elementos (percentual em peso), atende aos requisitos da norma ASTM B265-89.

2.1 Tratamento Trmico

Foram utilizados corpos-de-prova feitos da liga Ti-6Al-4V como mostrados na Fig. 1. Utilizou-se o forno refratrio da marca Lindberg/Blue para o tratamento trmico das amostras, como mostrado nas Fig. 2. Foram necessrios tubos de quartzo, uma trompa de vcuo para a retirada do ar dos tubos de quartzo no momento do encapsulamento.O gs argnio foi injetado nos tubos de quartzo para evitar a oxidao das amostras. Uma soluo de decapagem de HF- 0,2ml/HNO3- 2ml/ H2O- 30ml foi utilizada para lavar os corpos-de-prova aps sua retirada do forno. Foi utilizada gua para o resfriamento brusco das amostras no tratamento.

Figura 1 - Corpos-de-prova.

Figura 2 - Forno refratrio Lindberg/Blue.

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Foram realizados dois tratamentos trmicos diferentes variando-se as condies de temperatura, tempo de

aquecimento e velocidade de resfriamento para obteno de microestruturas diferentes.

2.1.1 Tratamento Trmico 1 O forno para o tratamento trmico no possua sistema de vcuo; ento, para garantir a no oxidao da liga foi

necessrio que ela estivesse encapsulada em atmosfera inerte em um tubo de quartzo resistente em altas temperaturas. Os corpos-de-prova foram envoltos no tubo de quartzo com o auxlio de um maarico (Fig. 3). O ar de dentro do

tubo foi retirado com uma trompa de vcuo; aps a retirada do ar foi injetado gs argnio dentro do tubo para proteo contra oxidao.

Figura 3 - Encapsulamento dos corpos-de-prova.

O forno Lindberg/Blue foi aquecido a 1050C e os corpos-de-prova foram colocados em seu interior e aquecidos

por 30 minutos a fim de que se realizar as transformaes necessrias na liga. Aps o tempo estipulado os corpos-de-prova foram resfriados dentro do forno numa taxa de 6C/ min at a temperatura ambiente (por volta de 20C). Os corpos-de-prova, j temperatura ambiente, foram retirados do forno e quebrou-se o tubo de quartzo que os envolvia; ento foi realizada a lavagem dos corpos-de-prova na soluo de decapagem.

2.1.2 Tratamento Trmico 2

De maneira similar ao primeiro tratamento trmico, os corpos-de-prova foram encapsulados em tubo de quartzo e

colocados em atmosfera inerte de argnio. O forno Lindberg/Blue foi aquecido a 1050C e os corpos-de-prova foram colocados no forno e deixados por 1

hora. Aps o tempo determinado, os tubos de quartzo foram quebrados e os corpos-de-prova foram imediatamente jogados em gua temperatura ambiente. Esse processo de resfriamento brusco denominado tmpera. Aps essa etapa os corpos-de-prova foram lavados em soluo de decapagem.

Os tratamentos trmicos foram realizados no Campus II da Escola de Engenharia de Lorena (EEL-USP), no Departamento de Engenharia de Materiais (DEMAR); o tcnico responsvel foi o Sr. Geraldo Prado, as fotos reproduzidas neste relatrio foram feitas com a autorizao necessria.

2.2 Ensaio de Fluncia

Os corpos-de-prova foram confeccionados pela Fautec Ferramentaria Automao e Usinagem Ltda., de acordo com as especificaes, sistemas de garras e extensmetros disponveis.

Para realizao dos ensaios de fluncia foram utilizados os fornos pertencentes ao Instituto Tecnolgico de Aeronutica - ITA/CTA, da marca MAYES. Nos fornos foram adaptados sistemas eltricos e controladores, desenvolvidos pela BSW Tecnologia, Indstria e Comrcio Ltda, segundo as exigncias da norma (ASTM E139/83, 1990), veja (Figura 4).

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Figura 4 - Forno de fluncia marca Mayes.

Foi utilizado o Software Antares desenvolvido em conjunto com a BSW Tecnologia, Indstria e Comrcio Ltda.,

visando a coleta de dados relativos ao alongamento dos corpos-de-prova e as medidas de temperatura em perodos de tempo pr-determinados.

Para a obteno das medidas de alongamento, foi utilizado um transdutor do tipo LVDT Schlumberger D 6,50. Para o controle de temperatura