REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.7859787
Alison Diego Lole Zanini1
RESUMO: O presente estudo tem como objetivo analisar o efeito do tamanho de grão sobre o comportamento do aço SAE 1020 quando conformado mecanicamente a frio. O tamanho do grão foi obtido pelo método dos interceptos, disponível no software AnalySis e a conformabilidade foi relacionada com a taxa de deformação do corpo de prova. Para tal, foram confeccionadas seis amostras recozidas com temperatura e tempos de forno distintos. Estas foram confirmadas mediante três cargas de compressão de 20, 30 e 40 toneladas- força. De modo geral, observou-se a correlação de aumento de dureza e diminuição da taxa de conformação com o respectivo refino do tamanho de grão.
Palavras-chave: Dureza, Tamanho de grão, conformabilidade.
ABSTRACT: This study aims to analyze the effect of grain size on the behavior of steel SAE 1020when confirmed mechanically. The grain size was obtained by the method of interceptos, available in software AnalySis and formability was related to the rate of deformation of the body of evidence. We prepared six samples annealed with temperature and time of oven. These were shaped by three loads of compression of 20, 30 and 40 tons-force. In General, the correlation of increased hardness and decrease the rate of complying with the respective grain size refining.
Keywords: Hardness, grain size, conformability.
1 INTRODUÇÃO
Diante dos diversos processos existentes na área da mecânica, a busca por produtividade e economia é primordial para o sucesso de uma empresa. Em busca desse sucesso, diversos processos são empregados para a obtenção de um produto final com elevada qualidade e baixo custo. Para isso, uma vasta gama de processos mecânicos pode ser aplicada. A conformação destaca-se nesse meio por sua versatilidade de formas e por apresentar pouca ou nenhuma perda de material, o que impacta em grande economia na obtenção do produto final.
Quando correlacionado o material com sua capacidade de ser conformado, diversos fatores influenciam nessa característica, como por exemplo, seus microconstituintes, sua microestrutura e o tamanho dos grãos.
O presente estudo visou demonstrar a influência do tamanho de grão na conformabilidade do material, no caso, um aço SAE 1020. Por se tratar de um aço não ligado, com baixo teor de carbono e, portanto, mais dúctil e tenaz é amplamente utilizado no processo de conformação.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Conformação é um processo de fabricação com o intuito de dar forma a peças por meio da aplicação de força. Um quesito muito importante para a execução é a confiabilidade do material. A conformabilidade pode ser definida como a capacidade de um material se deformar plasticamente, quando sujeito a uma tensão superior a de escoamento, sem acarretar defeitos que inviabilizam sua utilização. Algumas características que propiciam a conformabilidade são baixa tensão de escoamento, alta ductilidade, baixa quantidade de elementos de liga, tamanho de grão e tipo de microestrutura (CALLISTER, 2008).
A deformação plástica ocorre através da movimentação de discordâncias pelos planos de escorregamento. Um dos fatores que causam obstrução do movimento é o contorno de grão. Na metalurgia, grão é um cristal isolado na matéria em estado sólido com uma mesma orientação cristalográfica. O tamanho do grão é um fator importante para avaliar as propriedades mecânicas de um material policristalino, em especial a dureza e o limite de escoamento. Esta estrutura cristalina pode estar disposta de três formas: cúbica de corpo centrado (CCC), cúbica de face centrada (CFC) e hexagonal compacta (HC). O contorno de grão corresponde à zona periférica situada entre dois grãos. Pode-se inferir que à medida que o grão aumenta, com maior granulação, os contornos do grão diminuem. Portanto, quanto maior o tamanho do grão, o material apresentará maior conformabilidade e menor resistência mecânica (CALLISTER, 2008).
Para trabalhos a quente, o material sofre a recristalização dinâmica, que permite que o mesmo volte às características parecidas antes da conformação. Porém quando conformada a frio, a peça sofre um encruamento, o qual confere ao material maior resistência, dureza e fragilidade. Devido a esta fragilidade, deve-se tomar cuidado com a deformação, a qual pode provocar encontro de discordâncias e uma possível trinca, tornando o produto inutilizável. Para amenizar esta propriedade, é comum ser realizado um tratamento térmico, como o recozimento, para proporcionar recuperação, recristalização e crescimento do grão e consequentemente alívio de tensões e diminuição da fragilidade e dureza. Este recozimento consiste em aquecer o aço até a região de austenitização e posteriormente submetê-lo a um resfriamento lento, geralmente em forno (CALLISTER, 2008; BRESCIANI et al., 1985).
Analisar a metalografia da amostra torna-se importante para manter a qualidade do material, uma vez que o tamanho do grão sugere grande influência nas propriedades do material metálico. Devido à importância do tamanho do grão sobre as qualidades do material, como ductilidade, tenacidade e resistência mecânica, esta medida deve ser avaliada periodicamente nos materiais adquiridos e nos produtos fornecidos. Produtos de responsabilidade, ou de elevada solicitação são periodicamente avaliados nestas características (BRESCIANI et al., 1985).
Existem três métodos de avaliação de tamanho de grão: Método comparativo por quadros, Métodos de contagem de grãos e o Método dos Interceptos, sendo os três descritos e padronizados na norma ASTM E112 e em normas correlatas.
- Método Comparativo por quadros: Os grãos e os interceptos não são contados, apenas comparam-se as imagens obtidas com as da literatura.
- Método dos interceptos (Hilliard): O número de intersecções nos contornos de grão é contado a partir de uma linha teste.
- Método da contagem de grãos: em uma determinada área conta-se o número de grãos.
O tamanho de grão pode ser regulado mediante o ajuste da taxa de solidificação a partir da fase líquida e também por deformação plástica seguida por um tratamento térmico apropriado.
3 MATERIAIS E MÉTODOS
A partir de uma barra cilíndrica de aço SAE 1020 com 15,875 mm de diâmetro, obtida no comércio local, fornecida e certificada pela empresa INDEK aços, cortaram-se 21 amostras com cerca de 20 mm de comprimento. As medidas exatas foram determinadas com paquímetro digital, presentes na Tabela 2. A composição detalhada do aço ao carbono usado pode ser observada na Tabela 1, apresentada abaixo.
Tabela 1 – Composição do aço SAE 1020 certificada pela Gerdau
| Bitola | C % | Mn % | Si % | S % | P % |
| 15,875 mm | 0,16 | 0,55 | 0,15 | 0,015 | 0,0053 |
Fonte: INDEK.
Desse material, teve-se que avaliar a confiabilidade em relação ao tamanho do grão. Estabeleceu-se que a melhor maneira de o fazer era conformar amostras com tamanhos de grãos diferentes causados pelo tratamento térmico. Assim, dividiu-se as amostras em 3 grupos com cargas de conformação diferente (20, 30 ou 40 tonf). Sendo que cada grupo seria composto de 7 amostras com tratamento térmico diferente.
Os parâmetros a serem alterados para o tratamento térmico foram a temperatura de austenitização (850ºC ou 950ºC) e o tempo de permanência (3, 7 ou 11 horas), totalizando 6 amostras termicamente tratados mais uma não tratada, totalizando 7 amostras. As amostras deveriam ser envolvidas em granulado a base de carbono para que não sofressem descarbonetação, aquecidas pelo tempo estimado, e resfriadas no forno (recozimento).
Após o tratamento térmico, fez-se a metalografia das amostras a fim de avaliar o tamanho de grão remanescente, após o recozimento do material. A metalografia consistiu em lixar as amostras (sequencialmente nas lixas de número 100, 240, 400, 600, 1200), polir com alumina de 1 μm suspensa em água, fazer um ataque químico utilizando Nital 3% por aproximadamente 20 segundos. Por fim, capturou-se as imagens da estrutura da amostra com aumento de 100x utilizando um microscópio óptico (Olympus CX31) e os grãos contados através dos softwares Infinity Capture (visualização) e analySIS (contagem), adicionalmente ao método de Hilliard.
Posteriormente, a conformação das amostras foi feita. Inicialmente, a ideia era utilizar a máquina de tração/compressão (Emic – DL30000M) do laboratório de ensaios mecânicos para gerar uma curva tensão x deformação das amostras. Todavia, tal máquina não estava disponível e a melhor solução no momento foi utilizar a prensa manual do laboratório de metalurgia do pó. Utilizou-se então 3 cargas de teste (20, 30 e 40 tonf) anteriormente definidas, nas quais a amostra seria retirada quando essas cargas fossem atingidas, e suas dimensões mensuradas com um paquímetro digital. Os valores estão contidos na tabela 2, a qual também apresenta a taxa de conformação das amostras, dada pela relação percentual de variação do comprimento.
Deve-se avaliar, então, o comportamento de cada amostra devido a conformação. Devido ao fato dos grãos simplesmente alongarem transversalmente à conformação, não é possível obter resultados quantitativos analisando o tamanho do grão. A solução adotada foi avaliar a dureza de cada amostra. Sendo assim, a amostra que mostrar a maior dureza deve corresponder à amostra que apresentou o menor tamanho de grão.
Tabela 2 – Dados e organização das amostras
Fonte: Elaboração dos próprios autores.
Para os ensaios de dureza Rockwell, escala B (HRB), utilizou-se como parâmetros: penetrador de esfera de aço tratado com diâmetro de 1/16’’; pré-carga de 10 kgf; tempo de indentação de 10 segundos; e, carga de 100 kgf. Foram realizadas seis identações nas amostras de cada grupo, utilizando-se o valor médio das medições. O ensaio HRB foi conseguido a partir do equipamento da marca Reicherter, modelo VA, tipo Briro.
A medição do tamanho de grão foi obtida por meio da norma ASTM E-112, especificamente através do método dos interceptos com um único círculo (método de Hilliard). Este método consistiu em fazer uma circunferência realizada pelo software analySIS sobre as imagens capturadas com aumento de 100 vezes. Posteriormente, realizou-se a contagem dos interceptos dos grãos, considerando fase única de estrutura de grãos. Torna-se importante que a contagem seja executada quatro vezes, por operadores distintos, utilizando-se o valor médio das mesmas.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
A figura 1 mostra a metalografia de uma amostra da barra de aço sem nenhum tratamento térmico com ampliação de 100 e 200 vezes.
Essas imagens apontam um menor tamanho de grão quando comparado com as amostras recozidas. Observa-se também a predominância da cor branca, ferrita, sobre a cor escura (perlita). O que já era esperado, já que o material analisado, Aço SAE 1020, deve apresentar baixo teor de carbono.
O ensaio de dureza revelou um valor consideravelmente maior que aqueles obtidos para os CP’s recozidos. Sendo a dureza da amostra recebida 87,89 HBR enquanto a da amostra com menor tempo e temperatura de recozimento de 64,8 HBR. Esse valor elevado pode ser justificado pelo processo de fabricação de trefilação da barra, onde ocorre certo nível de encruamento.
A figura 2 mostra as metalografias das amostras após o recozimento a 960 ᵒC e 850 ᵒC e 3, 7 e 11 horas com ampliação de 100 vezes.
Figura 1: Micrografia dos grãos do corpo de prova da barra comprada: (a)aumento de 100 vezes; (b) aumento de 200 vezes
Fonte: Elaboração dos próprios autores.
Figura 2: Micrografia dos grãos dos corpos de prova recozidos: (a) 7 horas a 950 ᵒC; (b) 3 horas a 850 ᵒC; (c) 3 horas a 950 ᵒC; (d) 7 horas a 850 ᵒC; (e) 11 horas a 950 ᵒC; (f) 11 horas a 850 ᵒC
Fonte: Elaboração dos próprios autores.
Os menores grãos são os da barra sem nenhum tratamento. Na ampliação de 100 vezes quase não se distinguem os grãos. Com o aumento do tempo de recolhimento os grãos ficam maiores como pode ser visto na figura 2. A diferença de temperatura de 850 ᵒC para 950 ᵒC não afetou tanto o tamanho dos grãos quanto às diferenças de tempo e, portanto, não se distingue visualmente essas diferenças nas metalografias. A tabela 3 mostra os tamanhos de grãos para cada tratamento diferente. Nela o aumento de grão com a temperatura torna-se mais visível, com os grãos dos tratamentos de 3 e 11 horas aumentando de tamanho para temperaturas diferentes, o tratamento de 7 horas mostrou um resultado inesperado com a redução do tamanho do grão com o aumento de temperatura.
Tabela 3: Tamanho do grão e tempo de recozimento para diferentes temperaturas
Fonte: Elaboração dos próprios autores.
O gráfico da figura 3 mostra a variação da dureza com o tamanho de grão e a linha de tendência obtida com o método dos mínimos quadrados para as amostras que sofreram recozimento.
Figura 3 – Dureza média das amostras antes de conformadas em relação ao tamanho do grão
Fonte: Elaboração dos próprios autores.
É possível ver uma clara correlação inversa entre o tamanho de grão e a dureza da amostra. Conforme o tamanho de grão vai aumentando a dureza vai diminuindo, como o esperado, já que os contornos de grãos agem como barreiras para o deslocamento das discordâncias do material.
O gráfico da figura 4 mostra a dureza das amostras após a conformação. É possível ver que a dureza mostra influência com o número de grãos inicial de cada amostra. A linha de tendência traçada comprova a correlação negativa.
A figura 5 mostra o gráfico da variação da deformação percentual do comprimento da amostra pelo seu tamanho de grão inicial para cada carga aplicada. É possível notar a correlação positiva entre o tamanho do grão e a deformação para as três cargas. Nota-se também que a curva da menor carga apresenta resultados mais dispersos. É possível explicar isso pelas menores deformações sofridas nessa carga que proporcionam uma menor precisão no resultado.
Figura 4: Dureza média das amostras após a conformação em relação ao tamanho do grão
Fonte: Elaboração dos próprios autores.
Figura 5: deformação percentual do comprimento da amostra pelo seu tamanho de grão inicial para cada carga aplicada
Fonte: Elaboração dos próprios autores.
5 CONCLUSÕES
Esse estudo teve como objetivo analisar e descrever a influência do tamanho de grão na conformabilidade do aço SAE 1020. Através de diversas amostras obtidas após o tratamento térmico de recozimento e diferenciadas pela temperatura do forno e tempo de exposição ao mesmo, foi possível a obtenção de diferentes tamanhos de grãos.
Em seguida foram efetuados os ensaios de dureza, tanto da amostra como veio de fábrica, quanto das amostras recozidas. Com esses dados, de dureza e tamanho de grão, foi possível identificar a relação entre as características tamanho de grão e conformabilidade.
Como os resultados relativos à influência da temperatura de recozimento no tamanho de grão do tratamento de 7h apresentou um comportamento inesperado, não se pode tirar conclusões efetivas quanto a esse tratamento. Por outro lado, os dados referentes às demais variações de temperatura e o tempo de recozimento apresentaram uma correlação direta com o tamanho do grão obtido. E dessa forma, pode-se relacionar o tempo de recozimento com a conformabilidade do material.
Foi possível, através dos resultados obtidos no tópico anterior, concluir que quanto maior o tempo de recozimento, maior será o tamanho de grão da amostra, menor a dureza do material e consequentemente melhor será sua conformabilidade.
REFERÊNCIAS
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MEI, Paulo Roberto; SILVA, André Luiz V. da Costa. Aços e Ligas Especiais. São Paulo: Editora da Unicamp, 2010.
1Graduado em Engenharia Mecânica – Universidade do Estado de Santa Catarina. Especialista em Gestão de Projetos – Unifacear. Especialista em Engenharia da Qualidade – Universidade Federal do Paraná. Atualmente mestrando de Engenharia e Gestão do Conhecimento – Universidade Federal de Santa Catarina.