if-grãos ultra finos

8/8/2019 if-gros ultra finos

1/12

CARACTERIZAO MICROESTRUTURAL DE GROS ULTRAFINOS

FORMADOS NO INTERIOR DE BANDAS DE CISALHAMENTO ADIABTICAS

NUM AO IF

J. F. C. Lins1; H. R. Z. Sandim2; H.-J. Kestenbach3; K. S. Vecchio4; D. Raabe5

Av. dos Trabalhadores, 420 - Vila Santa Ceclia, Volta Redonda RJ, 27255-125,

[email protected] Programa de Ps-graduao em Engenharia Metalrgica da Escola de Engenharia

Industrial Metalrgica de Volta Redonda - Universidade Federal Fluminense2 Escola de Engenharia de Lorena - Universidade de So Paulo

3 Departamento de Engenharia de Materiais - Universidade Federal de So Carlos4 University of California, San Diego, Materials Science and Engineering Program,

5 Max-Planck-Institut fr Eisenforschung

RESUMO

O presente trabalho reporta os resultados da caracterizao microestrutural e da

textura cristalogrfica realizada em bandas de cisalhamento adiabticas induzidas

num ao IF (Interstitial Free) estabilizado ao titnio. O material foi deformado via

compresso dinmica sob altas taxas de deformao (> 5,0104 s-1) numa barra de

impacto de Hopkinson. Os testes foram conduzidos a -196 C e 25 C. A

caracterizao microestrutural foi realizada com o auxlio da tcnica de difrao de

eltrons retroespalhados de alta resoluo (EBSD) para se observar em detalhes sregies cisalhadas. O mecanismo de recristalizao dinmica rotacional pode

explicar o surgimento de uma nova estrutura de gros ultrafinos (0,1 m) no interior

das bandas. A presena de subgros alongados e tambm de gros perfeitamente

alinhados em regies que se assemelhavam a lamelas pr-existentes no interior da

banda so evidncias que corroboram a ocorrncia deste mecanismo.

Palavras-chave: Ao IF, bandas de cisalhamento, EBSD, gros ultrafinos,

deformao plstica severa.

17 CBECIMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Cincia dos Materiais, 15 a 19 de Novembro de 2006, Foz do Iguau, PR, Brasil.

4879


2/12

INTRODUO

Nos processos de conformao plstica sob altas taxas de deformao em que

elevadas tenses cisalhantes so aplicadas se observa de uma forma geral um

aumento na densidade de defeitos cristalinos e tambm de danos que modificam

consideravelmente as propriedades dos materiais. Em condies de deformao

plstica severa (DPS) tais como em operaes de impacto balstico, usinagem,

corte, soldagem de peas ou chapas por exploso alguns defeitos como as bandas

de cisalhamento so frequentemente observadas. Estas bandas tm recebido

bastante ateno na literatura por causa da sua considervel importncia

tecnolgica e principalmente pelo seu carter como precursor de falhas

catastrficas(1-3). Elas so facilmente encontradas em regies que sofreram umcisalhamento concentrado sob a forma de uma estrutura tipicamente lamelar. Este

tipo de estrutura caracterstica de materiais bastante deformados. Outra

caracterstica marcante deste tipo de heterogeneidades de deformao a sua

independncia em relao orientao cristalogrfica local. Estas heterogeneidades

atravessam um grande nmero de gros e tendem a se desenvolver mais facilmente

em condies de deformao plstica adiabtica sob elevadas taxas de deformao

(> 102

s-1

).Por definio, as bandas de cisalhamento adiabticas so produtos de um

processo bastante intenso e localizado de deformao plstica em tempos muito

curtos (3). Neste tipo de processo, no h tempo suficiente para a dissipao do calor

para as vizinhanas da regio cisalhada, ocasionando, portanto, uma elevao de

temperatura bastante localizada nestas heterogeneidades de deformao. A

literatura sugere que este aquecimento localizado pode disparar o processo de

recristalizao no interior destas bandas

(2)

. Alm dos aspectos ligados recristalizao, o estudo da evoluo microestrutural das bandas de cisalhamento

adiabticas tem abordado com bastante nfase os fenmenos de recuperao

dinmica, amorfizao e transformao de fases em diversos materiais, tais como:

cobre de alta pureza, ferro, metais refratrios, as ligas de alumnio, cermicas e

alguns tipos de aos ao carbono e ligados (1,2).

As maclas de deformao constituem um tipo de defeito cristalino

bidimensional e tambm podem surgir a partir da ao de tenses cisalhantes. Este

mecanismo alternativo de deformao plstica ocorre em situaes em que o


4880


3/12


4/12

Tabela 1: Composio qumica do ao IF estabilizado ao titnio (%-peso).

C Mn P S Si N O0,003 0,190 0,027 0,005 0,011 0,0025 0,005

Ni Cr Mo Al Nb V Ti

0,004 0,002 0,002 0,049 0,001 0,003 0,069

Mtodos

As amostras de ao IF foram submetidas a altas deformaes cisalhantes via

compresso dinmica em duas temperaturas distintas: -196 e 25 C. Os ensaios

foram realizados numa barra de impacto deHopkinson sob condies controladas

no Center of Excellence for Advanced Materials (CEAM) na Universidade da

Califrnia, San Diego (UCSD, USA). Cada corpo-de-prova era cilndrico e possua

um formato de chapu (Figura 1a). Esta geometria permitiu induzir a formao de

bandas de cisalhamento adiabticas durante o processo de deformao em uma

regio especfica do espcime. A Figura 1b mostra um desenho esquemtico da

barra de impacto de Hopkinson utilizada no ensaio. Junto ao corpo-de-prova foi

colocado um anel limitador (AL) de ao AISI 4340 cuja espessura de cerca de

6,5 mm determinou a deformao cisalhante () introduzida no material. A Figura 1c

mostra de forma esquemtica a regio do corpo-de-prova em que ocorre a

concentrao da deformao aplicada. A deformao cisalhante foi calculada, deforma aproximada, a partir da medio do deslocamento () e da espessura da

regio cisalhada () com o auxlio da tcnica de MO (Figura 1c). As medies foram

confirmadas com a tcnica de MEV no modo de eltrons retroespalhados. No caso

dos ensaios a -196 C, os corpos-de-prova foram mantidos imersos em nitrognio

lquido at que se atingisse a temperatura do teste. Para fins prticos, considera-se

desprezvel o aquecimento da amostra aps a sua insero na barra de impacto.

Foram deformados 3 espcimes com taxas de deformao maiores que 5,0104 s-1.Para a confeco dos corpos-de-prova, a seo transversal da placa de ao IF foi

submetida a um processo de usinagem mecnica nas mesmas dimenses que

aparecem indicadas na Figura 1a. A Tabela 2 mostra a nomenclatura de cada

conjunto de amostras em funo da temperatura do ensaio (T) e da espessura do

anel limitador (AL) usado no ensaio de impacto. Tambm so apresentados a

durao de cada ensaio (t) e a respectiva taxa de deformao cisalhante (.

).


4882


5/12

As medidas de EBSD de alta resoluo foram conduzidas num sistema

composto por um microscpio eletrnico de varredura da JEOL modelo JSM-6500F

com uma fonte de eltrons do tipo field emission gun (FEG) e a uma cmera CCD de

ultra-alta resoluo. O sistema encontrava-se instalado no Max-Planck-Institut fr

Eisenforschung MPI-E (Dsseldorf, Alemanha). A anlise de todos os dados foi

realizada com o auxlio do software OIM 3.03 da TSL. As figuras de plo e os mapas

de orientao OIM (da lngua inglesa, Orientation Imaging Microscopy) foram obtidos

a partir das medidas de EBSD.

b)

a) c)

Figura 1: Diagrama esquemtico do: a) corte da seo transversal do corpo-de-prova (CP) cilndrico com formato de chapu (dimenses em milmetros); b) ensaiode compresso dinmica via a barra de impacto Hopkinson antes da deformao; c)ensaio de compresso dinmica aps o processo de deformao (7).

Tabela 2: Nomenclatura dos corpos-de-prova de ao IF e os parmetros do ensaiode compresso dinmica realizado numa barra de impacto de Hopkinson.

CP AL[mm] T[C]t

[s].

[104 s-1]

A-1 35 6,0A-2

2525 5,2

B-16,50

-196 27 5,6

RESULTADOS E DISCUSSO

A Tabela 3 mostra os resultados medidos para os corpos-de-prova dos grupos

A e B. Vale ressaltar que a medida da largura da banda () foi realizada na posiocorrespondente a metade do seu comprimento. Adotou-se como comprimento mdio


4883


6/12

das bandas, a rea til entre as fissuras que foram observadas nas amostras

testadas. Como se observou nas amostras, a largura da banda de cisalhamento no

pode ser considerada constante em toda a sua extenso. Assim sendo, este mtodo

de determinao da largura no pode ser considerado muito rigoroso em razo de

existir uma alta deformao localizada tanto na parte superior quanto inferior da

amostra (9). No entanto, a razo entre o deslocamento () e a largura da banda ()

descreve bem o estado de tenses de cisalhamento puro na regio (10). Notou-se

que com o decrscimo da temperatura de ensaio uma maior deformao cisalhante

foi introduzida na amostra B1 em relao s encontradas no grupo A. Entretanto, a

largura mdia das bandas no diminui na mesma proporo em relao

deformao introduzida no ao IF nas amostras A-1 e A-2 testadas a 25 C. Este

resultado obtido difere dos apresentados para o tntalo tambm testado a 25 C com

taxa de deformao de 3103 s-1 (7). No caso do tntalo, foi observado que

aumentava com o aumento de de forma praticamente independente da

temperatura do teste. Contudo, nenhuma informao a respeito da textura inicial do

material e do seu tamanho de gro foi reportada por Prez-Prado e seus

colaboradores (7). Uma possvel explicao para o resultado aqui reportado se deve

s altas taxas de deformao utilizadas nos testes (> 5,0 104 s-1) e tambm

ausncia de uma forte textura inicial no material de partida com tamanho de gro em

torno de 55 m.

Tabela 3: Resultados do deslocamento () e da largura da banda de cisalhamento() induzida nos corpos-de-prova pelo ensaio de compresso dinmica e do clculoda deformao cisalhante ().

CP T [C] [mm] [m]

=

A-1 0,66 169,9 3,9A-2

250,38 112,0 3,4

B-1 -196 0,74 92,4 8,0

De uma forma geral, a microestrutura da banda de cisalhamento induzida no

material formada por uma fina estrutura lamelar com espessura variando entre

0,15-0,50 m. Sabe-se que alguns destes contornos lamelares possuem carter de

alto ngulo, podendo chegar a diferenas de orientao () da ordem de 60 em

metais de elevada energia de defeito de empilhamento (EDE) (12). Por outro lado,


4884


7/12

alm das lamelas tambm foi observado um outro tipo de estrutura. Em virtude do

contraste cristalogrfico (channeling contrast) utilizado na obteno das micrografias

via MEV (imagens no apresentadas neste trabalho), pode-se afirmar que novos

gros com microestrutura ultrafina (0,1 m) foram formados como resultados dos

testes. Medidas de EBSD de alta resoluo foram realizadas para comprovar esta

afirmao junto s amostras investigadas. Alm disso, observou-se tambm a

presena de vazios esfricos, microtrincas e fissuras no interior e nas proximidades

das bandas. Assim sendo, plausvel admitir que o processo de fratura nas regies

cisalhadas de todas as amostras ocorreu aps a elevada concentrao de tenses

decorrentes da formao e passagem da banda.

O mapa de qualidade da imagem (IQ) do mapa de orientao (no apresentado

neste trabalho) que mostra uma vista geral da regio de cisalhada da amostra A-1

encontra-se na Figura 2a. Na parte superior do mapa, nota-se a presena de uns

poucos pontos que no puderam ser indexados corretamente. Esta observao

sugere que realmente a deformao plstica ocorreu de forma heterognea e

bastante localizada ao longo de toda a extenso da banda induzida. No entanto,

estes pontos podem ser associados a artefatos oriundos da preparao

metalogrfica. Contudo, deve-se observar que estes pontos no aparecem de forma

perceptvel no restante do mapa. Assim sendo, razovel admitir que em virtude da

deformao ser severa e localizada esta seria a melhor hiptese para explicar a

incorreta indexao de tais pontos de orientao. Esta informao verificada de

forma indiscutvel em funo dos tons de cinza que aparecem no mapa. Vale

lembrar que, as regies com maiores densidades de defeitos cristalinos so

delineadas nas cores preta e cinza escuro. J as reas que exibem uma colorao

em torno de um gradiente da tonalidade cinza-claro apresentam de forma qualitativa

menores densidades de defeitos cristalinos. Os interiores dos gros vizinhos dabanda so exemplos de regies que exibem uma baixa quantidade de defeitos em

comparao regio da banda. As figuras de plo {110} que so mostradas na

Figura 2b correspondem somente regio indicada rea destacada na Figura 2a. Ao

se observar estas figuras, nota-se claramente que a microtextura varia bastante ao

longo do comprimento da banda com uma rotao de [114] (rea 1) em direo a

[410] (rea 3). Vale lembrar que a intensidade aleatria de orientao do material na


4885


8/12

condio inicial (6) era bastante fraca (3) em comparao aos valores exibidos ao

longo da banda de cisalhamento (> 4,8).

Figura 2: Mapa de qualidade da imagem (IQ) do mapa de orientao da varredura

da amostra A-1 (a) e as figuras de plo {110} referentes regio da banda decisalhamento em cada uma das reas acima indicadas no mapa IQ (b). A setaindica a presena de uma partcula de um carbonitreto de titnio.

A Figura 3a mostra uma vista geral da regio de cisalhamento da amostra

deformada a -196 C (B-1). Este mapa foi obtido numa rea de 98 x 146 (m)2 com

um step size de 0,1 m. Como era de se esperar, a frao volumtrica de maclas de

deformao nesta amostra era maior do que no restante do grupo e tambm se nota

que alguns conjuntos encontravam-se curvados na direo da passagem da banda.


4886


9/12

Este mapeamento mostra a regio de cisalhamento com alguns gros que foram

bastante fragmentados e tambm se nota algumas bandas de deslizamento

prximas as maclas de deformao. Outro fato interessante que a banda de

cisalhamento induzida nesta amostra possui uma morfologia bastante regular em

comparao com a outra regio de cisalhamento apresentada anteriormente. O

mapa IQ (Figura 3b) indica de forma indireta que realmente a deformao cisalhante

foi bastante localizada nesta amostra e que a microestrutura no interior da banda

bastante fina. No respectivo mapa OIM, percebe-se a presena de contornos

lamelares e principalmente de alguns gros que recristalizaram em funo das

severas condies de compresso dinmica. Neste mapa tambm se nota a

presena de algumas regies com subgros alongados em que no existem

contornos de alto ngulo indicados. A banda de cisalhamento mostrada na Figura 3c

encontra-se orientada em direo a 11[100]. Vale lembrar que esta orientao no

similar s apresentadas anteriormente para as outras bandas analisadas e pode

ser associada restaurao local dos defeitos cristalinos. Alm disso, a presena de

uma orientao cristalogrfica diferente de uma textura de deformao em direo a

que considerada pela literatura como final e estvel aps a passagem das

bandas de cisalhamento adiabticas pode confirmar a afirmao feita anteriormente.

Os resultados dos mapeamentos de orientao das amostras analisadas

forneceram algumas fortes evidncias da presena dos gros no interior da banda

de cisalhamento que nos permitem sugerir que o provvel mecanismo atuante o

denominado recristalizao dinmica rotacional. Meyers e os seus colaboradores

em (15) utilizaram este mecanismo postulado por Derby (16) para tentar explicar via

este modelo a recristalizao observada no interior das bandas de cisalhamento

induzidas em titnio e cobre via microscopia eletrnica de transmisso (MET).

Segundo este mecanismo, durante o processo de deformao pode ocorrer umrearranjo das discordncias (distribudas de forma homognea) originando uma

estrutura de clulas de discordncias alongadas. Este tipo de estrutura indica a

ocorrncia de um estgio de recuperao dinmica prevista neste modelo. Em

seguida, sugere-se que pelo o avano da deformao ocorre uma fragmentao dos

subgros alongados, criando-se micro-gros devido rotao dos contornos

presentes. Esta rotao assistida termicamente pela elevao local da

temperatura. Recentemente, Meyers e os seus colaboradores(17)

tambm


4887


10/12

associaram este modelo a recristalizao dinmica encontrada em um ao

inoxidvel 304L.

Detalhes relevantes da microestrutura na regio de cisalhamento das amostras

do grupo A e B puderam ser identificados de forma clara e inequvoca por meio de

um sistema de EBSD de alta resoluo. Pode-se, portanto afirmar que os resultados

apresentados so evidncias experimentais relevantes em comparao com as

disponveis na literatura em (7,17).

Figura 3: Resultados do mapeamento na regio de cisalhamento da amostra B-1: a)OIM mostrando a vista geral; b) mapa IQ e a respectiva OIM referente ao interior dabanda de cisalhamento adiabtica com os ngulos de rotao dos contornos; c)figura de plo {110} da banda mostrada em a).

CONCLUSES


4888


11/12

Os ensaios de compresso dinmica no ao IF promoveram o surgimento de

uma nova estrutura de gros no interior das bandas de cisalhamento adiabticas

dependendo da deformao cisalhante imposta (= 8,0). Este fenmeno foi

observado somente na temperatura criognica de ensaio (-196 C). A caracterizao

microestrutural possibilitou se encontrar fortes evidncias para se concluir que o

mecanismo de recristalizao dinmica rotacional pode ser indicado como o

responsvel pela nova estrutura de gros ultrafinos no interior das bandas

investigadas. Dentre estas evidncias, pode-se destacar a presena de subgros

alongados e tambm de gros alinhados perfeitamente em regies que se

assemelhavam s lamelas.

AGRADECIMENTOS

FAPESP pelo apoio financeiro na realizao deste trabalho (Processo01/14543-9) e ao Programa CAPES-DAAD.

REFERNCIAS

1. TIMOTHY, S.P., The structure of adiabatic shear bands in metals: A criticalreview.Acta Metallurgica, v.35, p. 301-306, 1987.

2. WRIGHT, T.W., The physics and mathematics of the adiabatic shear bands,Cambridge University Press, 2002.

3. ROGERS, H.C., Adiabatic plastic deformation. Annual Review MaterialsScience, v.9, p.283-311, 1979.

4. LINS, J.F.C., SANDIM, J.F.C., VECCHIO, K.S., Caracterizao de maclasmecnicas num ao IF estabilizado ao titnio deformado sob impacto. In: XVICONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CINCIAS DOS MATERIAIS,2004, Porto Alegre-RS. Anais do XVI Congresso Brasileiro de Engenharia eCincias dos Materiais, in CD-ROM, 2004.

5. LINS, J.F.C., SANDIM, H.R.Z., VECCHIO, K.S. and RAABE, D., An EBSDinvestigation on deformation-induced shear bands in Ti-bearing IF-steel under

controlled shock-loading conditions, Materials Science Forum, v.495-497, n. 1,p. 393-398, 2005.6. LINS, J.F.C., SANDIM, H. R. Z., Avaliao da textura de um ao IF estabilizado

ao titnio laminado a quente no campo austentico. In: II WORKSHOP SOBRETEXTURA E RELAES DE ORIENTAO, So Paulo - SP. Anais do IIWorkshop sobre Textura e Relaes de Orientao, in CD-ROM, 2003.

7. PREZ-PRADO, M.T., HINES, J.A. and VECCHIO, K.S., Microstructuralevolution in adiabatic shear bands in Ta and Ta-W alloys. Acta Materialia, v.49,p. 2905-2917, 2001.

8. RANDLE, V. and ENGLER, O., Introduction to texture analysis, The Netherlands:Gordon and Breach Science Publishers, 2000.


4889


12/12

9. CHEN, Y.J., MEYERS, M.A. and NESTERENKO, V.F., Spontaneous and forcedshear localization in high-strain-rate deformation of tantalum. Materials Scienceand Engineering A, v.268, p. 70-82, 1999.

10. ANDRADE, U., MEYERS, K., VECCHIO, K.S. and CHOKSHI, H., Dynamicrecrystallization in high-strain, high-strain-rate plastic deformation of copper.Acta

Materialia, v.42, p. 3183-3195, 1994.11. HUMPHREYS, F.J. and HATHERLY, M. Recrystallization and related annealingphenomena. Pergamon, 1995.

12. HUGHES, D.A. and HANSEN, N., High angle boundaries formed by grainsubdivision mechanisms.Acta Materialia, v.45, n.9, p. 3871-3886, 1997.

13. LI, B.L., GODFREY, A., MENG, Q.C., LIU, Q. and N. HANSEN, Microstructuralevolution of IF-steel during cold rolling.Acta Materialia, v.52, p. 1069-1081, 2004

14. BLUM, W. and McQUEEN, H.J., Dynamics of recovery and recrystallization,Materials Science Forum, v.217-222, p. 31-42, 1996.

15. MEYERS, M.A., NESTRENKO, V.F., LASALVIA, J.C., XU, Y.B. and XUE, Q.,Observation and modeling of dynamic recrystallization in high-strain, high-strain

rate deformation of metals. Journal de Physique IV, v.9, p. 51-56, 2000.16. DERBY, B., The dependence of grain size on stress during dynamic

recrystallisation. Acta Metallurgica et Materialia, v.39, p. 955-962, 1991.17. MEYERS, M.A., XU, Y.B., XUE, Q., PREZ-PRADO, M.T. and MCNELLEY, T.R.,

Microstructural evolution in adiabatic shear localization in stainless steel. ActaMaterialia, v.51, p.1307-1325, 2003.

MICROSTRUCTURAL CHACTERIZATION OF ULTRAFINE GRAINS DEVELOPED

WITHIN ADIABATIC SHEAR BANDS FORCED IN A INTERSTITIAL FREE STEEL

ABSTRACT

The present work reports the results of microstructural characterization and

crystallographic texture done in adiabatic shear bands (ASB) forced in a titanium-

stabilized IF steel. Dynamic compression tests were done at -196 and 25 C under

large strain rates (> 5.0104 s-1) with the aid of a Split Hopkinson Bar. High-resolution

electron backscattered diffraction (EBSD) was employed to investigate the shear

regions in great detail. Dynamic rotational recrystallization is a plausible mechanism

to explain the development of an ultrafine grains (0.1 m) within ASB. The presence

of elongated subgrains and grains perfectly aligned within regions resembling a

former lamellar structure within bands supports the occurrence of such a mechanism.

Key-words: IF Steel, shear bands, EBSD, ultrafine grains, severe plastic deformation.


Documents

if-grãos ultra finos