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Aços de alta resistência
Processo de produção do aço: do minério aos produtos siderúrgicos comuns
Processo de produção do aço: do minério aos produtos siderúrgicos comuns
Con1nuous cas1ng
Slab soakingAt 1200-‐1250 ºC
F.T. 870-‐910 ºC
Hot coiling
Hot rolling
Pickling
Cold rolling
Hot rolled strip
Batch annealing Con1nuous annealing Tin plate produc1on Zinc coa1ng
C.T. 560-‐710 ºC
Reduc1on ~ 65%Thickness > 2 mm
Basic oxygen steelmaking (BOS)
Ingot cas1ng
Secondary steelmaking (e.g. vacuum degassing)
Temper rolling (Skin-‐passing)
Processo de produção do aço: do metal líquido até 9ras a quente ou chapas laminadas a frio
Processo de produção do aço: tratamento do metal líquido
ASM Handbook vol 1-‐ Proper1es and Selec1on: Irons, Steels, and High-‐Performance Alloys, 10th ed,
Classificação dos aços quanto ao 9po de desoxidação:
1) Aço acalmado ( desoxidado com Al ou Si ) 2) Semiacalmado 3) Efervescente ( sem desoxidação)
3
Processo de produção do aço: desoxidação
(a) layout Ipico (b) detalhe da injeção de oxigênio
Processo de produção dos aços: detalhe do refino por injeção de oxigênio
ASM Handbook vol 1-‐ Proper1es and Selec1on: Irons, Steels, and High-‐Performance Alloys, 10th ed,
Evolução do teor de enxofre nos aços estruturais ARBL nas úl9mas décadas
Hot rolled HSLA strip steels for automo9ve and construc9on applica9ons -‐ J. Patel, C. Klinkenberg, K. Hulka
Processo de produção do aço
Trincas por decoesão lamelar
Altas tensões de tração devido a contração da solda
+ Baixa duc1lidade do material
na direção da espessura
Alinhamento de inclusões ( principalmente sulfetos )
Sindo Kou , Welding Metallurgy, 2nd ed
Trincas por decoesão lamelar
Exemplo de decoesão lamelar em uma junta soldada com elevado nível de restrição
Exemplo de microestrutura de aço susceIvel a decoesão lamelar
Trincas por decoesão lamelar
Sindo Kou , Welding Metallurgy, 2nd ed
Trincas de solidificação
Ocorrem geralmente nos estágios finais da solidificação nos quais verifica-‐se:
-‐ Tensões de tração -‐ contração de solidificação -‐ contração térmica -‐ nível de restrição
-‐ Presença de um filme líquido conInuo interdendrí9co -‐ fração solidificada próxima a 1
Sindo Kou , Welding Metallurgy, 2nd ed
Laminação controlada para os aços ARBL
Processo de produção do aço: laminação a quente
Ciclos tempo-‐temperatura envolvidos na produção de 9ras a quente por diferentes tecnologias ( ingot cas9ng, con9nuous cas9ng, thin slab cas9ng, direct strip cas9ng )
Processo de produção do aço: laminação a quente
ASM Handbook vol 1-‐ Proper1es and Selec1on: Irons, Steels, and High-‐Performance Alloys, 10th ed,
Processo de produção do aço: laminação a quente
ASM Handbook vol 1-‐ Proper1es and Selec1on: Irons, Steels, and High-‐Performance Alloys, 10th ed,
Evolução da tensão de escoamento com a diminuição de temperatura na laminação a quente dos aços
São exibidas no gráfico as temperaturas crí9cas para laminação a quente: Ar1, Ar3 e Tnr Tnr -‐ temperatura abaixo da qual deixa de ocorrer recristalização entre os sucessivos passes
Ciclos tempo-‐temperatura envolvidos no processo de produção de chapas de aço de baixo carbono laminadas a frio e recozidas.
Processo de produção do aço: laminação a frio e recozimento
ASM Handbook vol 1-‐ Proper1es and Selec1on: Irons, Steels, and High-‐Performance Alloys, 10th ed,
Chapa de aço SAE 1008 exibindo bandas de Lüders como resultado de es9ramento na zona de deformação plás9ca na estampagem
Escoamento desconInui & bandas de Lüder
Embora não representem danos significa9vos em termos de propriedades o efeito esté9co é suficiente para inviabilizar a u9lização de materiais susceIveis nas partes expostas de um carro. Os aços ferrí9co-‐perlí9cos ( incluindo os ARBL ) laminados a quente ou recozidos apresentam escoamento desconInuo. Para evitar a ocorrência de bandas de Lüders na conformação de chapas destes aços elas devem ser subme9das a um skin pass ( um leve passe de laminação a frio ) após o recozimento. Os aços isentos de inters9ciais ( intres99al free ) assim como os bifásicos ( dual-‐phase ) são pouco susceIveis ( pra9camente imunes ) a este fenômeno
Comparação dos aços carbono comuns com vários outros aços de aplicação estrutural
Propriedades de alguns aços de aplicação estrutural
ASM Handbook vol 1-‐ Proper1es and Selec1on: Irons, Steels, and High-‐Performance Alloys, 10th ed,
Exemplos de aços carbono comuns
• Antes do advento dos aços ARBL estes eram os aços empregados na indústria automolís9ca, pontes, ediccios e aplicações estruturais em geral.
• Eles vem sendo subs9tuído pelos aços ARBL
C max -‐ 0.29% Mn – 0.8 a 1.2% C max -‐ 0.27% Mnmax – 0,90%
Comparação de um aço carbono comum ( ASTM A7 atual ASTM A23 grau D ) com outros aços u9lizados com finalidades estruturais no que diz respeito a tenacidade avaliada através do ensaio de impacto Charpy.
Comparação da tenacidade dos aços carbono comuns com dois outros 9pos de aços estruturais
ASM Handbook vol 1-‐ Proper1es and Selec1on: Irons, Steels, and High-‐Performance Alloys, 10th ed,
Aços carbono-‐manganês Uma das primeiras abordagens no sen9do de aumentar a resistência dos aços carbono baseou-‐se no aumento do teor de Mn que endurece a ferrita por solução sólida e melhora também a tenacidade. Estes aços podem ser u9lizados como laminados a quente, normalizados ou temperados e revenidos.
(a) Efeito da normalização na curva de transição Charpy de um aço 1040 ( desoxidado com Al e Si )u9lizado na fabricação de tubos.
(b) Efeito do teor de Mn na curva de transição Charpy de acos ferrí9co-‐perlí9cos contendo 0.30% de C normalizados.
ASM Handbook vol 1-‐ Proper1es and Selec1on: Irons, Steels, and High-‐Performance Alloys, 10th ed,
Composições e propriedades Ipicas de aços carbono-‐manganês laminados a quente
(a) O valor da espessura é o max a menos que seja especificada uma faixa. (b) Os valores de composição são máximos a menos que uma faixa seja especificada ou diferentemente especificado em notas de rodapé. Teores residuais de S e P são limitados a 0, 035 a 0,04% max P e 0.04 a 0.05% max S dependendo da especificação. (c) Teor mínimo de Cu quando especificado.(d) Acima de 65 mm, ASTM A 738 grau A requer têmpera e revenimento e e 1.62% Mn (max) para a9ngir a resistência especificada. (e) Alongamento em 50 mm (2 in.).
Cu > 0.2% aumenta resistência à corrosão
Tabela extraída do ASM Handbook vol 1-‐ Proper1es and Selec1on: Irons, Steels, and High-‐Performance Alloys, 10th ed,
Composições e propriedades Ipicas de aços carbono-‐manganês normalizados
Cu > 0.2% aumenta resistência à corrosão
Tabela extraída do ASM Handbook vol 1-‐ Proper1es and Selec1on: Irons, Steels, and High-‐Performance Alloys, 10th ed,
(a) O valor da espessura é o max a menos que seja especificada uma faixa. (b) Os valores de composição são máximos a menos que uma faixa seja especificada ou diferentemente especificado em notas de rodapé. Teores residuais de S e P são limitados a 0, 035 a 0,04% max P e 0.04 a 0.05% max S dependendo da especificação. (c) Teor mínimo de Cu quando especificado.(d) Acima de 65 mm, ASTM A 738 grau A requer têmpera e revenimento e e 1.62% Mn (max) para a9ngir a resistência especificada. (e) Alongamento em 50 mm (2 in.).
Composições e propriedades Ipicas de aços carbono-‐manganês temperados e revenidos
Cu > 0.2% aumenta resistência à corrosão
Tabela extraída do ASM Handbook vol 1-‐ Proper1es and Selec1on: Irons, Steels, and High-‐Performance Alloys, 10th ed,
(a) O valor da espessura é o max a menos que seja especificada uma faixa. (b) Os valores de composição são máximos a menos que uma faixa seja especificada ou diferentemente especificado em notas de rodapé. Teores residuais de S e P são limitados a 0, 035 a 0,04% max P e 0.04 a 0.05% max S dependendo da especificação. (c) Teor mínimo de Cu quando especificado.(d) Acima de 65 mm, ASTM A 738 grau A requer têmpera e revenimento e e 1.62% Mn (max) para a9ngir a resistência especificada. (e) Alongamento em 50 mm (2 in.).
Aços de baixa liga ( low alloy steel no slide 2 )
-‐ São assim designados os aços que possuem elementos de liga como Cr, Ni, Mo e outros em quan9dades no total não superiores a 8%
-‐ São empregados na condição temperado e revenido -‐ Devido terem maior temperabilidade que os aços carbono-‐manganês apresentam maior resistência e tenacidade em chapas de espessura maior.
-‐ A soldabilidade é menor que a apresentada pelos aços carbono comuns ( maior temperabilidade )
-‐ Para aplicações estruturais são disponíveis principalmente na forma de chapas grossas e barras
Nos próximos slides são fornecidas composições e propriedades de aços de baixa liga u9lizados em aplicações estruturais
Composições Ipicas de aços de baixa liga para aplicações estruturais ( chapas grossas )
Tabela extraída do ASM Handbook vol 1-‐ Proper1es and Selec1on: Irons, Steels, and High-‐Performance Alloys, 10th ed,
Propriedades mecânicas ( valores mínimos ) de chapas grossas de aços de baixa liga para aplicações estruturais. Temperado e revenido.
Tabela extraída do ASM Handbook vol 1-‐ Proper1es and Selec1on: Irons, Steels, and High-‐Performance Alloys, 10th ed,
Exemplos com aplicações estruturais de aços de baixa liga
Aços de alta resistência e baixa liga -‐ ARBL
microadições de Nb, Ti, V laminação controlada resfriamento rápido
ferrita com grãos finos
elevada resistência baixa temp de transição
≈ 0.1 %
≈ 4 μm
Aços de alta resistência e baixa liga -‐ ARBL
A pronunciada diminuição da temperatura de transição devido ao refino de grão da ferrita permite que se u9lize de um endurecimento adicional por precipitação de carbonitretos de Ti, Nb e V. O aumento na resistência devido a diminuição do tamanho de grão e precipitação possibilita a diminuição do teor de C aumentando a soldabilidade
Esta combinação de elevadas resistência, tenacidade e soldabilidade conseguida com modificações de custos rela9vamente baixos faz dos aços ARBL os preferidos para a grande maioria das aplicações estruturais
Aços de alta resistência e baixa liga -‐ ARBL
Laminação controlada Com as microadições de Nb, Ti e V a recristalização é retardada, ou suprimida, de forma que no momento da transformação da austenita para ferrita se tenha:
i) Austen i ta rec r i s ta l i ada de granulação fina
ii) Austenita não recristalizada deformada a quente com os grãos alongados ( panquecas )
Em ambos os casos tem-‐se um grande número de pontos para nucleação da transformação resultando em ferrita de granulação fina
Hot rolled HSLA strip steels for automo9ve and construc9on applica9ons -‐ J. Patel, C. Klinkenberg, K. Hulka
Aços de alta resistência e baixa liga -‐ ARBL
Efeito do tamanho do carboneto de nióbio no endurecimento por precipitação da ferriata
ASM handbook vol1,Irons, Steels, and High-‐Performance Alloys, 10th ed
Aços de alta resistência e baixa liga -‐ ARBL
Combinações de limite de escoamento e temperatura de transição propiciadas pelos aços ARBL. a) Efeito do composição b) Efeito da espessura
ASM handbook vol1,Irons, Steels, and High-‐Performance Alloys, 10th ed
Aços de alta resistência e baixa liga -‐ ARBL
Influência da temperatura máxima a9ngida na ZTA no tamanho de grão da austenita ( aços contendo diferentes 9pos de precipitados )
A dissolução de carbonetos e carbonitretos em altas temperaturas resulta no crescimento de grão da austenita O nitreto de 9tânio, bastante estável em altas temperaturas, mostra-‐se mais efe9vo em evitar o crescimento de grão da austenita
Metallurgy and Mechanics of Welding, Abdelkrim Chehaibou, Jean-‐Claude Goussain, edited by Régis Blondeau
Aços de alta resistência e baixa liga -‐ ARBL
Exemplificando os possíveis efeitos do Nb no processamento dos aços ARBL Hot rolled HSLA strip steels for automo9ve and construc9on applica9ons -‐ J. Patel, C. Klinkenberg, K. Hulka
Aços de alta resistência e baixa liga -‐ ARBL
Contribuição de diferentes mecanismos de endurecimento para se a9ngir valores de limite de escoamento da ordem de 700 MPa em chapas laminadas a quente de aços ARBL.
Hot rolled HSLA strip steels for automo9ve and construc9on applica9ons -‐ J. Patel, C. Klinkenberg, K. Hulka
Aços de alta resistência e baixa liga -‐ ARBL
YSmin = 550 MPa
Coiling temperature = 640 oC Strip thickness: 5 mm
Aços de alta resistência e baixa liga -‐ ARBL
Aços aclimáveis ( weathering steels ):
• Pequenas quan9dades de Cu ( > 0.20% ) e P resultam em maior resistência à corrosão e endurecimento por solução sólida da ferrita ( ASTM A 242 ) • Nos aços ASTM A 588 são feitas também pequenas adições de Cr e Ni. • No início estes aços expostos à atmosfera corroem com a mesma taxa que os aços carbono comuns. Com o tempo a taxa de corrosão diminui até pra9camente zero com a formação de uma camada de óxidos bastante aderente que se cons9tui em uma barreira à penetração de umidade e do oxigênio.
Aços de alta resistência e baixa liga -‐ ARBL
Aços com controle do formato das inclusões: • Adicões de cálcio-‐silício, Zr, ou de terras raras nas etapas finais de tratamento do aço líquido provocam a diminuição da plas9cidade dos sulfetos resultando em inclusões arredondadas. Evita-‐se portanto a diminuição da duc9lidade do aço na direção da espessura. • São produzidos desta forma aços com propriedades garan9das na direção da espessura u9lizados para minimizar a ocorrência de decoesão lamelar.
Aços isentos de inters9ciais ( inters99al free steels ) • Contem menos de 50 ppm de C e N
• Podem ser produzidos por desgaseificação a vácuo com adições controladas de Ti e Nb para fixarem os C e N remanescentes.
• São aços de alta formabilidade ( elevada anisotropia normal R ≈ 2 ) • São imunes à ocorrência de bandas de Lüders
Aços de alta resistência e baixa liga -‐ ARBL
Aços de microestrutura ferrí9ca acicular: • São aços com teor de carbono inferior a 0.08% e adições de Mn, Mo ou B para aumentar a temperabilidade. • No resfriamento forma-‐se ferrita acicular e não a ferrita poligonal. A diferença entre as duas formas é que a ferrita acícular é cons9tuída de grãos muito pequenos e alongados com alta densidade de discordâncias. Esta microestrutura propicia a obtenção de limites de escoamento na faixa de 415 a 690 Mpa, com alta tenacidade e boa soldabilidade • Principal u9lização: oleodutos em regiões ár9cas
Composição: 0.03% C, 0.25% Si, 1.91% Mn, 0.008% P, 0.001% S, 0.048%N + Ti e B
• Laminação controlada é necessário para baixar a temperatura de transição
Aços de alta resistência e baixa liga -‐ ARBL
Ilustração esquemá9ca do mecanismo de formação da ferrita acícular e da bainita
Mohseni P. -‐ Briyle and Duc9le Fracture of X80 Arc9c Steel, PhD thesis, Norwegian University of Science and Technology
Aços de alta resistência e baixa liga -‐ ARBL
Representação esquemá9ca do mecanismo de formação das bainitas superior e inferior
Mohseni P. -‐ Briyle and Duc9le Fracture of X80 Arc9c Steel, PhD thesis, Norwegian University of Science and Technology
Norwegian University of Science and Technology
Comparação entre aços carbono comuns e aços ARBL (ambos laminados a quente)
Composição química e limite de escoamento de vários aços ARBL
Hot rolled HSLA strip steels for automo9ve and construc9on applica9ons -‐ J. Patel, C. Klinkenberg, K. Hulka
Aços de alta resistência e baixa liga -‐ ARBL
Examplos de u9lização de chapas de aço ARBL laminadas a quente na indústria automobilís9ca e de construção
Hot rolled HSLA strip steels for automo9ve and construc9on applica9ons -‐ J. Patel, C. Klinkenberg, K. Hulka
Aços de alta resistência e baixa liga -‐ ARBL
Aços bifásicos ( dual-‐phase steels )
-‐ A microestrutura é cons9tuída de ilhas de martensita em matriz ferrí9ca ( + austenita re9da ) -‐ Os aços bifásicos podem ser ob9dos pelos seguintes processos:
• Aquecimento de aços carbono-‐manganês na região intercrí9ca, temperaturas nas quais a microestrutura é composta de ferrita e austenita de alto carbono. No resfriamento rápido subsequente a austenita transforma-‐se em martensita. • Recozimento conInuo na zona intercrí9ca de aços carbono-‐manganês laminados a frio seguindo-‐se resfriamento rápido e revenimento. • Laminação a quente e controle do resfriamento resultando na obtenção de microestrutura composta de ferrita e martensita.
Diagrama de fases do sistema Fe-‐C com 1,5% de Mn ( Corte do diagrama ternário Fe-‐C-‐Mn em 1.5% Mn )
ASM handbook vol1,Irons, Steels, and High-‐Performance Alloys, 10th ed, Dual-‐Phase Steels
Composições químicas Ipicas de aços bifásicos
ASM handbook vol1,Irons, Steels, and High-‐Performance Alloys, 10th ed, Dual-‐Phase Steels
Aços bifásicos ( dual-‐phase steels )
Variação da porcentagem de austenita com a temperatura na zona intercrí9ca para aços com diferentes teores de carbono e %Mn = 1.5
Aços bifásicos ( dual-‐phase steels )
ASM handbook vol1,Irons, Steels, and High-‐Performance Alloys, 10th ed, Dual-‐Phase Steels
Variação das propriedades mecân i c a s com a f r a ção volumétrica de martensita em aços bifásicos contendo 1.5% de M n . S ã o f o r n e c i d a s a s propriedades de dois aços com diferentes teores de carbono: 0.3% e 0.5%
Aços bifásicos ( dual-‐phase steels )
ASM handbook vol1,Irons, Steels, and High-‐Performance Alloys, 10th ed, Dual-‐Phase Steels
Variação da porcentagem de austenita re9da com a deformação
Aços bifásicos ( dual-‐phase steels )
ASM handbook vol1,Irons, Steels, and High-‐Performance Alloys, 10th ed, Dual-‐Phase Steels
Comparação entre as curvas tensão-‐deformação dos aços ARBL SAE 50X ( LE = 50 ksi ) e SAE 80X ( LE = 80ksi ) e a de um aço bifásico.
ASM handbook vol1,Irons, Steels, and High-‐Performance Alloys, 10th ed, Dual-‐Phase Steels
Observa-‐se: i) A maior duc9lidade do aço bifásico para a mesma resistência ii) Diferentemente do aço ARBL o dual-‐phase não exibe escoamento desconInuo.
Aços bifásicos ( dual-‐phase steels )
Curvas tensão-‐deformação de vários aços bifásicos
Aços bifásicos ( dual-‐phase steels )
Composição química Ipica: 0.2% C, 1.20% Mn, 1.20% Si Microestrutura: ferrita, bainita e austenita re9da .
Esta microestrutura é ob9da por meio de aquecimento na zona intercrí9ca e resfriamento, em seguida, até temperaturas na faixa da transformação bainí9ca. A fase austení9ca é bastante enriquecida em carbono ( pelo tratamento na região intercrí9ca e pela dificuldade à formação de carbonetos na transformação bainí9ca imposta pela presença de elementos como Si e/ou Al ) o que a torna rela9vamente estável no resfriamento posterior até a temperatura ambiente.
As excelentes propriedades mecânicas dos aços TRIP advêm da transformação da austenita re9da em martensita durante a deformação plás9ca do material.
Aços TRIP ( transforma9an induced plas9city )
Aços TRIP ( transforma9an induced plas9city )
Ciclo térmico do tratamento empregado para produção dos aços TRIP
Aços TRIP ( transforma9an induced plas9city )
Microestrutura Ipica de um aço TRIP
austenita re1da ( RA -‐ branco brilhante )
Bainita ( marron )
ferrita ( branco )
Aços TRIP ( transforma9an induced plas9city )
Comparação entre as curvas tensão-‐deformação para aços ARBL, bifásicos e TRIP
High Mn TWIP Steels for Automo9ve Applica9ons B. C. De Cooman, Kwang-‐geun Chin and Jinkyung Kim
Aços TWIP ( twinning induced plas9city )
São aços austení9cos de alto Mn ( 15% a 30% ) -‐ Podem ser adicionados Al e Si para controle da energia de falha de empilhamento, fator determinante da ocorrência de maclação
A deformação plás9ca ocorre por movimentação de discordâncias e maclação. A formação de maclas reduz o caminho livre médio das discordância resultando em endurecimento do material ( “efeito Hall-‐Petch dinâmico” )
Ilustração do efeito Hall-‐Petch dinâmico
Characteris1cs of newly developed TWIP steels – K. G. Chin
Aços TWIP ( twinning induced plas9city )
High Mn TWIP Steels for Automo9ve Applica9ons B. C. De Cooman, Kwang-‐geun Chin and Jinkyung Kim
Aços TWIP ( twinning induced plas9city )
Comparação entre as curvas tensão-‐deformação e a variação da taxa de deformação de um aço TRIP com um aço TWIP. O aço TWIP apresenta alongamento uniforme duas vezes superior ao do aço TRIP e um limite de resistência consideravelmente maior.
Characteris1cs of newly developed TWIP steels – K. G. Chin
Aços TWIP ( twinning induced plas9city )
Characteris1cs of newly developed TWIP steels – K. G. Chin
Aços TWIP ( twinning induced plas9city )
Processo de fabricação dos aços TWIP