Obtenção de grãos ultrafinos em aços hipereutetóides Hélio Goldenstein Escola Politécnica da Universidade de São Paulo

1. Obtenção de grãos ultrafinos em aços hipereutetóides Hélio Goldenstein Escola Politécnica da Universidade de São Paulo hgoldens@usp.br Apoios: FAPESP e CNPq

2. Obtenção de grãos ultrafinos em aços hipereutetóides A idéia de trabalhar neste assunto surgiu a partir de sugestão do Prof. Oscar Balancin por ocasião de discussões no âmbito do projeto CT-FVA/CNPq 01/2003, em 2004 Hélio Goldenstein Escola Politécnica da Universidade de São Paulo hgoldens@usp.br Apoios: FAPESP e CNPq

3. Em 1994, Oleg Sherby vem ao Brasil participar do CECIMAT, quando apresenta os trabalhos com aços de damasco que vinha desenvolvendo em Stanford desde a década de 70; visita a USP, DEMA-UFSCar, PUC-Rio, UFRJ e UFMG • Divulga a idéia de que aços hipereutetóides podem ter características únicas quando tratados de forma a apresentar uma dispersão fina de carbonetos • Os carbonetos inibem o crescimento dos grãos, criando uma estrutura de grãos ultrafinos • Esta estrutura de grãos ultrafinos melhora a tenacidade ao mesmo tempo que aumenta a resistencia • Permite comportamento superplástico em temperaturas próximas à temperatura eutetóide

4. Sherby ao estudar superplasticidade, re-descobriu e popularizou um conhecimento metalúrgico muito antigo: os aços de damasco Espada Persa (Isfahan), Séc.XVIII. Damasco • Origem da “Ciência da Microestrutura”, a contribuição da Metalurgia à Ciência dos Materiais: • conhecimentos empíricos sobre fratura e texturas macroscópicas em superfícies polidas de espadas e ferramentas: • Macroestruturas de forjamento, expressões de aspectos estéticos e artísticos (Oriente), indicadores da qualidade do processo e das propriedades do produto, conhecimento “secreto’’de artesãos por 26 séculos

5. Aço de espada: a origem da metalografia! • Por 26 séculos o aço de espada foi forjado artesanalmente • -Aplicações: armas brancas e armaduras, ferramentas para trabalhar metal e madeira, anzóis, agulhas de costura, cordas de instrumentos. • -Nos Séc XVIII e XIX: Tentativas de entender e reproduzir o aço Wootz e macroestruturas de forjamento dos aços de Damasco: • Reamur em 1722; Bergman 1773, Mushet em 1808; Faraday em 1818; Breant em 1823; Anossof 1841; Fisher 1851, Sorby 1863, culminaram no desenvolvimento da metalografia e simultaneamente no desenvolvimento dos processos de fabricação de aços de alto carbono. • Só na virada do Séc. XIX: processos Bessemer e Siemens demonstraram a superioridade dos aços homogêneos para fins estruturais - “ferro pudlado” no Colpaert Kris – punhais malaios com textura de forjamento decorativas.Smith, C.S.

6. A microestrutura das espadas No Séc. XIX Com o uso do microscópio mistério é desvendado: • Espadas são de aços de ultra alto carbono hipereutetóide (UHC) • Sua estrutura é formada por carbonetos esferoidizados finamente distribuídos por forjamento Carbonetos esferoidizados em espada do Luristão (Pérsia), circa 800 AC Smith, C.S. (1981)“A search for Structure”

7. O efeito colateral de uma dispersão de partículas no crescimento do grão: ancoramento dos contornos de grão

8. Em aços hipereutetóides é possível obter uma grande quantidade de carbonetos de ferro Fe3CEfeito do ancoramento permite manter grãos finos durante deformação em temperaturas intermediárias, resultando em superplasticidade! Diagrama Fe-C ilustrando a região (pela área hachurada) em que é possível obter superplasticidade. AAC significa “aços de alto carbono”

9. Sherby na década de 70, demostrou superplasticidade em “aços de damasco modernos”, obtidos graças ao refino dos grãos pelos carbonetos, resultando em uma estrutura duplex ferrita/carbonetos Exemplo de estrutura microduplex, em aço de rolamento (Furuhara e Maki 2004)

10. Aços de alto carbono e de ultra alto carbono comerciais • Aços ferramenta grupo W • Aços de rolamento (52100, DIN 100Cr6) com 1% C e 1,5% Cr • “Pin Point carbide steels”, DIN100 Cr 1, DIN125Cr1, etc com 1,2 a 1,4 %C

11. Como o Sherby obtinha carbonetos e grãos finos (US Patent de 1976)

12. A decomposição eutetóide divorciada

13. Outras rotas possíveis de obtenção de finas dispersões de carbonetos(Sato,Furimoto,Tsuzaki e Maki, 1999)

14. Trabalho experimental em andamento:explorar a possibilidade de refinar a estrutura apenas por tratamento térmico- projeto de IC Rodrigo Faveret Signorelli,-FAPESP processo •Nº : 6/03600-5 -Aço 100Cr6, solubilizado totalmente a 1050•, temperado e depois revenido em alta temperatura (beneficiado) Objetivos: - obter dispersão de carbonetos diretamente a partir da estrutura martensítica, - eliminar heterogeneidades de distribuição espacial dos carbonetos decorrentes da rota de fabricação (lingotamento contínuo vs lingotamento convencional) - obter grão austenítico muito fino na têmpera final, de forma a obter uma fração majoritária de martensita escorregada (ripas) e restringir a fraçào de martensita em placas e blocos Melhorar a resistência sem diminuir a tenacidade Para isto, diferentes combinações de revenidos e tratamentos sub-zero foram testados, dando como resultado diferents tamanhos de grão ferrríticos e na austenitizaçào para têmpera, austeníticos

15. Processos que levam à formação de contornos de grande ângulo nos tratamentos em questão são:Recuperação da martensita escorregada na mistura α´+O coalescimento da martensita escorregada em blocosA transição morfológica da martensita de escorregada para grãos equiaxiais

16. – Problema: Revelarcontornos de grão • Recobrimento da amostra com um filme de detergente neutro e aplicação, com um chumaço de algodão, de uma solução aquosa contendo 2 g de ácido pícrico e 2 g de cloreto férrico em 100 ml de água destilada. Apenas 30 segundos foram necessários para revelar os contornos de grão. Abaixo comparação entre amostra temperada a partir do material como recebido e amostr temperada a partir de material solubilizado, temperado e beneficiado a 620 por 0,5 hora

17. d = 8,2x10-6 m d = 5,3x10-6 m Relação entre o refino dos carbonetos e o tamanho de grão (a) (b) MEV – Elétrons Secundários Material: Aço AISI 52100 (a) austenitização e têmpera, e (b) beneficiamento, austenitização e têmpera, ataque nital.

18. d g (mm) d g (mm) Dureza (HV) Dureza (HV) 13 29 374 811 8,2 27 862 510 5,3 21 566 929 4,2 944 Primeiros resultados:Tamanho de grão versus dureza Tabela 1 - Matrizmartensítica Tabela 2 - Matriz ferrítica Material: Aço AISI 52100

19. Dureza x Tamanho de grão Gráfico 1- Dados obtidos para tamanho de grão e dureza, nas amostras temperadas (matriz martensítica), representados na tabela 1. A aproximação feita pelo polinômio segue a relação de Hall-Petch.

21. Experimentos em andamento • Austenitizar o material com dispersão fina de carbonetos em temperatura mais baixa do que a especificada normalmente para rolamentos • Espera-se que o menor teor de carbono da martensita seja compensado pelo endurecimento através do mecanismo de Hall-Petch, obtendo-se a mesma dureza com maior tenacidade e resistência à fadiga