Análise da Deformação e Encruamento em Aços Inoxidáveis Austeníticos 304

141 REM R Esc Minas Ouro Preto 601 141147 jan mar 2007 Augusto Eduardo Baptista Antunes et al Resumo Ensaios de tração uniaxiais foram empregados para deformar aços inoxidáveis austeníticos do tipo 304 em diferentes temperaturas abaixo da ambiente de 77 K a 300 K A relação entre a estabilidade da austenita e o encru amento em função da temperatura de teste é discutida quanto à transformação martensítica induzida por defor mação e ao deslizamento de discordâncias na austenita Em curvas tensãodeformação que assumem a equação de Ludwik σ σo kεn na qual σ é a tensão verdadeira e ε a elongação plástica verdadeira um modo conveniente para analisar o encruamento é por meio do diagrama log dσ dε versus log ε O aspecto significativo é a vari ação da taxa de encruamento dσ dε com a elongação plástica verdadeira nas diferentes temperaturas As mu danças no comportamento do encruamento motivando até três estágios de deformação são associadas a dife rentes processos microestruturais A transformação mar tensítica pode ser considerada como um processo de deformação que compete com o processo usual de desli zamento A investigação desses estágios na região plás tica produz uma referência qualitativa de como diferen tes fatores tais como o grau de deformação temperatura e composição química da austenita afetam a transforma ção austenitamartensita Palavraschaves Aço inoxidável austenítico teste de tração transformação induzida por deformação encruamento Abstract The Uniaxial tensile strength test was used for loading austenitic stainless steel of type 304 at different temperatures below room temperature from 77 K to 300 K The relation between austenite stability and work hardening as affected by testing temperature is discussed in terms of the relationship between the strain induced martensitic transformation which occurs during plastic deformation and the dislocation slip in austenite In stressstrain curves that assume the Ludwik equation σ σo kεn where σ is the true stress and ε the true plastic strain a meaningful way to analyze work hardening is by plotting log dσ dε against log ε A significant aspect is the variation of the work hardening rate dσdε with the true plastic strain at different temperatures The changes in work hardening behavior which provoked up to three deformation stages may be associated with different microstructural processes The martensitic transformation may be regarded as a deformation process that competes with the usual slip process The investigation of these stages within the plastic range gives a qualitative picture of how different factors such as the degree of deformation temperature and chemical composition of austenite affect the austenitemartensite transformation Keywords Austenitic stainless steel tensile test straininduced transformation work hardening Comportamento plástico do aço inoxidável austenítico em baixa temperatura Augusto Eduardo Baptista Antunes UNESP Campus de Guaratinguetá SP Email lidiaieavctabr Lidia Mikiko Doi Antunes Instituto de Estudos Avançados CTA São José dos Campos SP Email lidiaieavctabr Metalurgia Física REM R Esc Minas Ouro Preto 601 141147 jan mar 2007 142 Comportamento plástico do aço inoxidável austenítico em baixa temperatura 1 Introdução Nos aços inoxidáveis austeníticos deformados a baixas temperaturas ocor re considerável aumento da resistência sem contudo diminuir a ductibilidade Esse efeito tem grandes implicações nos processos de conformação usinagem e em aplicações criogênicas e está associ ado à ocorrência de transformações de fase Assim durante a deformação plás tica em temperaturas abaixo da ambien te além do deslizamento de discordânci as na austenita pode ocorrer simultane amente maclas de deformação e trans formações de fase do tipo austenita martensita Esses micromecanismos atu am como processos de deformação que competem com o deslizamento na auste nita A quantidade relativa entre eles de pende não apenas da temperatura mas também do percentual de deformação plástica Quanto mais baixa a temperatu ra de deformação e menor o teor de ligas do aço menor a estabilidade da austeni ta propiciando a formação de martensi ta Colombier Hochmann 1965 A transformação martensítica do tipo γ α é espontânea para tempera turas inferiores a Mi entretanto com o auxílio de energia mecânica poderá ele varse até a temperatura Md definida como aquela acima da qual não ocorre transformação qualquer que seja a de formação plástica Em conseqüência na faixa de temperaturas entre Mi e Md as características mecânicas dos aços ino xidáveis austeníticos são afetadas pelas transformações martensíticas induzidas pela deformação que podem ocorrer de duas formas reação martensítica induzi da por tensão e reação induzida pela de formação plástica Pelletier Cizeron 1977 Uma caracterização simples des sas reações resulta do modo como acon tece o escoamento do material Na pri meira situação o escoamento seria devi do à transformação ocorrendo ainda no regime elástico e no segundo caso o escoamento seria por deslizamento das discordâncias e as transformações sur giriam posteriormente no regime plásti co A reação martensítica induzida por deformação é complexa e dinamicamen te associada às discordâncias maclas e à fase martensítica intermediária ε Num aço inoxidável austenítico do tipo 304 a temperatura Mi seria menor que 4 K es tando Md aproximadamente na tempe ratura ambiente Manganon Thomas 1970 No presente trabalho para avaliar os aspectos mencionados elaborouse o seguinte procedimento foram efetua dos ensaios de tração em corposdepro va de aço inoxidável austenítico em vá rias temperaturas e os resultados na for ma de curvas tensãodeformação verda deiras foram ajustados à relação poten cial Ludwik 1909 σ σ0 Kεη 1 Seguiuse com a análise dessa rela ção através do gráfico logarítmico da taxa de encruamento dσ dε versus a elon gação ε que produz uma linha reta com coeficiente angular η1 e cuja inter secção com a linha log ε 0 fornece log kn Crussard 1953 Segundo esse procedimento durante o ensaio a partir de uma dada deformação plástica o coe ficiente angular ou seja o expoente de encruamento η pode modificarse sig nificando a presença de outra reta asso ciada a um novo estágio de encruamen to Com base nesse procedimento tem sido demonstrado que diferentes está gios de encruamento assim definidos podem contribuir para avaliar os micro mecanismos de deformação plástica dos metais Jaoul 1957 Dessa forma o tra balho procura correlacionar os mecanis mos de deformação plástica dos aços inoxidáveis austeníticos nas diferentes temperaturas com os estágios de encru amento detectados caracterizando pro priedades e parâmetros quantitativos significativos para subsidiar suas apli cações tecnológicas 2 Materiais e métodos O material empregado nos experi mentos foi o aço inoxidável austenítico do tipo 304 adquirido de duas proce dências aqui denominados de aço A e aço B cujas composições químicas são indicadas na Tabela 1 Para os ensaios de tração corpos deprova cilíndricos foram torneados com a parte útil à deformação com 24mm de comprimento e 4mm de diâmetro As demais geometrias e a fixação por rosca atendem a norma ABNT Após a usina gem realizouse um tratamento térmico de recozimento a 1100C por meia hora imerso em sal resultando uma microes trutura aproximadamente equiaxial Quando empregado o aço A o tamanho de grão foi da ordem de 26µm e no caso do aço B da ordem de 33µm Posterior mente ao tratamento térmico os corpos deprova foram polidos eletroliticamen te com solução de ácido perclórico ál cool etílico e glicerina numa relação 721 sob 1Acm² de densidade de corrente e 15V garantindose assim um bom aca bamento superficial Os ensaios de tração foram efetu ados em máquina mecânica com velo cidade constante do travessão de car ga gerando uma taxa de deformação ε 42 x 104s Os elementos criogêni cos utilizados foram nitrogênio líquido gelo seco com acetona e gelo com água obtendose respectivamente as tempe raturas de 77 K 193 K e 273 K e mais os ensaios a 300 K 3 Resultados As cargas e deslocamentos obtidos da máquina de ensaio de tração foram processados por computador obtendo se então as curvas de tensão σ defor Tabela 1 Composição química dos aços inoxidáveis empregados em de peso 143 REM R Esc Minas Ouro Preto 601 141147 jan mar 2007 Augusto Eduardo Baptista Antunes et al mação ε verdadeiras curvas tensão elongação para os aços A e B nas quatro temperaturas indicadas Os resultados são apresentados na Figura 1 Nessas curvas sob o ponto de vista do encruamento o parâmetro de maior significado é o expoente de encruamento η que pode ser avaliado a partir do gráfico logarítmico dσdε versus ε da forma como indicado nas Figuras 2 a 6 nas quais percebese facilmente que os aços examinados podem apresentar até três estágios de en cruamento dependendo da temperatura de ensaio Conseqüen temente podese avaliar o expoente de encruamento η em cada situação e a respectiva deformação plástica de transição εT entre os estágios Os resultados são resumidos na Tabela 2 Figura 1 Curvas tensãoelongação obtidas dos ensaios de tração Sobre as curvas estão indicados os respectivos estágios de encruamento I II e III Figura 2 Variação logarítmica da taxa de encruamento com a elongação a 300 K no aço A Figura 3 Variação logarítmica da taxa de encruamento com a elongação a 273 K no aço A Figura 4 Variação logarítmica da taxa de encruamento com a elongação a 193 K no aço A Figura 5 Variação logarítmica da taxa de encruamento com a elongação a 77 K no aço A REM R Esc Minas Ouro Preto 601 141147 jan mar 2007 144 Comportamento plástico do aço inoxidável austenítico em baixa temperatura Para correlacionar o efeito da elongação sobre a transfor mação de fase austenita γ para martensita α tracionaramse corposdeprova até níveis definidos de elongação nas tem peraturas mencionadas A intensidade da transformação mar tensítica foi avaliada indiretamente pela resposta magnética dos corposdeprova à atração de um ímã plano tendo em vista que a martensita α é ferromagnética Os resultados são apresentados nas Figuras 7 e 8 4 Discussão O aspecto mais significativo nos resultados são as sensí veis diferenças entre os estágios de encruamento caracteriza das pelos expoentes de encruamento η O motivo para isto advém dos diferentes micromecanismos associados à defor mação plástica Através da Tabela 2 observase que na temperatura am biente ocorreu apenas um estágio de encruamento signifi Figura 8 Variação da força de atração magnética relacionada à fração de martensita transformada com a elongação Figura 6 Variação logarítmica da taxa de encruamento com a elongação a 77 K no aço B Figura 7 Variação da força de atração magnética relacionada à fração de martensita transformada com a elongação Tabela 2 Valores do expoente de encruamento h nos estágios de encruamento I II e III em função da temperatura de ensaio e a elongação de transição εT entre os estágios 145 REM R Esc Minas Ouro Preto 601 141147 jan mar 2007 Augusto Eduardo Baptista Antunes et al cando a preponderância de um único me canismo de deformação plástica credi tado à movimentação e multiplicação de discordâncias na matriz austenítica A Fi gura 7 mostra que nessa temperatura apesar de reduzida a força magnética indica a presença de martensita α po rém numa quantidade insuficiente para influenciar no encruamento A presença de fase ferromagnética evidencia que a temperatura Md do aço A encontrase acima da temperatura ambiente No ensaio a 273 K notamse dois estágios de encruamento Nesse caso a Figura 7 mostra que a força magnética cresce mais rapidamente com a elonga ção mas na elongação de transição εTI II ela é da mesma ordem de grandeza que a 30 de elongação na temperatura ambiente Conseqüentemente o início do segundo estágio de encruamento não se associa simplesmente à ocorrência da martensita α mas também com sua taxa de nucleação a partir de um deter minado nível de energia acumulada na rede pelo aumento na densidade de dis cordâncias motivada pelo estágio I Segundo a Tabela 2 os ensaios a 193 K e 77 K manifestam três estágios de encruamento com as elongações de tran sição entre os estágios I e II respectiva mente de 10 e 6 Nesses estágios de encruamento o interrelacionamento entre os micromecanismos de deforma ção plástica não deve ser fundamental mente diferentes daquele ocorridos nos ensaios a 273 K Estes são apenas mais intensos e precoces particularmente a 77 K Comparando a Figuras 7 com a Fi gura 8 observase que ao final da elon gação uniforme a força magnética nas temperaturas de 193 K e 77 K é aproxi madamente duzentas vezes mais inten sa do que na temperatura ambiente de monstrando uma intensa transformação de fase durante a deformação plástica Na Figura 8 as curvas possuem um for mato sigmoidal típico das reações auto catalíticas que tendem à saturação em decorrência disto apresentam um ponto de inflexão As elongações de transição entre os estágios II e III nos ensaios a 193 K e 77 K são respectivamente 30 e 25 que correspondem aproximadamente à elongação das inflexões nas curvas da Figura 8 Assim sendo no estágio II de encruamento os micromecanismos de deformação manifestamse numa taxa de transformação de fase crescente ocor rendo o inverso no estágio III no qual ao seu término ou seja no final da elon gação uniforme observase na curva correspondente a 77 K que a taxa de transformação é muito reduzida A forma e a disposição das curvas na Figura 8 com a força magnética as sintoticamente limitada à 21g indicam que quanto mais baixa a temperatura de ensaio em menores elongações mani festase a transformação martensítica mas ao final do ensaio ela não aumen tará substancialmente com deformações em temperaturas abaixo de 77 K Apesar do caráter autocatalítico a transforma ção não é completa porque além de ocorrer conjuntamente com outros mi cromecanismos de deformação plástica necessita ser prémotivada pelas discor dâncias na austenita Esses são aspec tos correlacionados à estabilidade da austenita que depende de vários parâ metros entre os quais do teor de liga dos aços Tendo em vista que todos os ele mentos de liga contribuem em maior ou menor intensidade para estabilizar a austenita quanto à transformação mar tensítica o aço A é mais estável que o aço B particularmente pelo maior teor de cromo e níquel Angel 1954 Segun do a Tabela II a diferença de sensibili dade entre os aços não influencia nas elongações de transição entre os está gios de encruamento nem na elonga ção uniforme É interessante destacar que a mai or elongação ocorre a 273 K conforme a Figura 9 justamente quando a estric ção começa a manifestarse durante o estágio II de encruamento numa situa ção em que a taxa de transformação mar tensítica é crescente Assim fica eviden te que esse estágio apresenta a condi ção mais propícia para retardar a estric ção através do fenômeno conhecido como plasticidade induzida por trans formação Guimarães 1972 É importante esclarecer que os pa râmetros σo k e η da equação 1 não possuem uma interpretação física sim ples Jaoul 1957 mas o expoente do encruamento η identificase com a vari ação da taxa de encruamento dσ dε Por exemplo uma relação linear entre σ e ε significa uma taxa de encruamento cons tante assim η 1 À medida que aumen ta a rapidez de variação de dσ dε η poderá assumir valores gradativamente menores ou maiores que 1 significando relações parabólicas para η 0 e hiper bólicas para η 0 Dubbel 1979 A variação da taxa de encruamen to relacionase ao desenvolvimento mi croestrutural durante a deformação Crussard 1953 Como regra geral quan do η 1 a microestrutura evolui unifor memente Por outro lado um intenso re arranjo da microestrutura durante a de formação resulta valores de η divergen tes de 1 Um aspecto fundamental relativo aos aços inoxidáveis austeníticos defor mados à baixa temperatura é a competiti vidade entre os micromecanismos de deformação plástica que manifestamse a partir do escoamento A Figura 10 apre senta um decréscimo linear da tensão de escoamento desde 77 K até a temperatu ra ambiente assim pressupõese a atua ção de um único micromecanismo termi camente ativado O deslizamento das discordâncias é o mecanismo que aten de esse comportamento Em vista disso podese admitir também que em todas as temperaturas de ensaio o estágio I de encruamento iniciase através da movi mentação de discordâncias na matriz austenítica e muito provavelmente con tinua a ser o processo de deformação predominante até a transição para o es tágio II Quanto mais baixa a temperatu ra maior a restrição da rede para movi mentação das discordâncias isto justifi ca os valores decrescentes de ηI apre sentados na Tabela 2 A formação da martensita α é pre cedida pela energia armazenada na rede cristalina da austenita em decorrência da multiplicação das discordâncias e em menor escala pela deformação elástica REM R Esc Minas Ouro Preto 601 141147 jan mar 2007 146 Comportamento plástico do aço inoxidável austenítico em baixa temperatura acumulada na distorção dos planos cristalográficos devido ao carregamento externo Tais deformações elásticas serão proporcionalmente mais intensas quanto menor for a tempe ratura de deformação Andrade1972 Isto indiretamente pode explicar a formação de maclas e martensita ε associadas à baixa energia da falha de empilhamento precedendo a forma ção de martensita α Kerstenbach 1976 Os resultados expe rimentais presentes não permitem avaliar as reações mencio Figura 10 Influência da temperatura na tensão de escoamento e tensão máxima no aço A Figura 9 Influência da temperatura no elongamento uniforme e de ruptura no aço A nadas mas os valores baixos de ηI na temperatura de 77 K podem estar associados à geração de maclas e fase ε que contribuirão adicionalmente para nuclear com mais precoci dade e intensidade a martensita α no estágio II Conforme mencionado no estágio II de encruamento a formação de martensita α ocorre numa taxa crescente sendo mais intensa na temperatura de 77 K quando o expoente de encruamento assume seu maior valor significando que nesse estágio a curva tensão vs elongação tem um comportamento parabólico associado a uma taxa de encruamento com valores rapidamente crescentes ou seja a transformação martensítica além de tornarse o principal micromecanismo de deformação plástica encrua substancialmente o material Por outro lado devido ao baixo teor de carbono do aço a dureza da martensi ta não é elevada Vöhringer Macherauch 1977 permane cendo uma estrutura tenaz com capacidade plástica No terceiro estágio de encruamento a martensita α for mase numa taxa decrescente tendendo à saturação Todavia ao se iniciar esse estágio conforme Figura 1 ainda persiste a capacidade plástica da liga comportamento explicado pela possibilidade de deformação plástica da fase martensítica Nesse caso os valores negativos do expoente de escoamen to apresentados na Tabela 2 indicam um comportamento hi perbólico típico de intensos rearranjos microestruturais que tendem à saturação Jaoul 1957 Isto ocorre não apenas em relação à transformação de fase mas também tanto pela exaus tão da capacidade plástica da martensita quanto a da austeni ta residual fenômeno que precede o início da estricção No estágio III os valores dos expoentes de encruamento são similares independente da temperatura de ensaio e esta bilidade do aço Esse comportamento indica que todos os mi cromecanismos de deformação plástica evoluem similarmen te para a exaustão independente do percentual participativo de cada um no processo A natureza da interação dos micromecanismos de defor mação plástica na estrutura metaestável dos aços inoxidáveis austeníticos à baixa temperatura é complexa e na realidade pode depender também de parâmetros não pesquisados nes se trabalho como tipo de carregamento taxa de deforma ção densidade inicial de discordâncias energia de falha de empilhamento textura tamanho de grão Nagy et alii 2004 Iwamoto Tsuta 2000 5 Conclusão Dependendo da temperatura de ensaio os aços inoxidá veis austeníticos do tipo 304 podem apresentar até três estági os de encruamento marcantemente distintos um estágio a 300 K dois estágios a 273 K e três estágios a 193 K e 77 K Demonstrase que os estágios de encruamento estão preponderantemente associados aos seguintes micromeca nismos de deformação plástica 147 REM R Esc Minas Ouro Preto 601 141147 jan mar 2007 Augusto Eduardo Baptista Antunes et al Estágio I movimentação e multiplica ção de discordâncias na matriz auste nítica Estágio II transformação martensíti ca em taxa crescente Estágio III transformação martensíti ca em taxa decrescente tendendo à sa turação Os valores dos expoentes de en cruamento η indicam que os estágios da curva tensãoelongação apresentam as seguintes configurações Estágio I forma parabólica com valo res de η menores que 1 decrescendo com a diminuição da temperatura Estágio II forma parabólica com va lores de η maiores que 1 crescente com a diminuição da temperatura Estágio III forma hiperbólica com valores de η de mesma ordem de gran deza independente da temperatura e estabilidade da austenita No estágio I o decréscimo dos va lores de η decorre da restrição à movi mentação das discordâncias conforme a diminuição da temperatura Dessa forma esse comportamento viabiliza alternati vamente a ocorrência de maclas e a trans formação para martensita ε o que con duz aos baixos valores de η a 77 K até mesmo ligeiramente negativos quando a austenita do aço é menos estável No estágio II o expoente de encru amento η cresce com a diminuição da temperatura e também quando a estabi lidade da austenita do aço for menor A crescente taxa de transformação da mar tensita é o micromecanismo de deforma ção plástica mais efetivo para um rápido aumento na taxa de encruamento No estágio III os valores do expo ente de encruamento η independem da temperatura e estabilidade da austenita Admitese que os micromecanismos de deformação plástica envolvidos tais como transformação martensítica e de formação plástica da martensita transfor mada e da austenita residual evoluem similarmente para a saturação indepen dente do percentual participativo até o final do estágio quando se inicia a es tricção Quando a temperatura de ensaio é mais baixa a transformação martensítica manifestase em menores elongações Entretanto a quantidade de martensita formada é correlacionada à estabilidade da austenita do aço sendo que seu teor cresce com a diminuição da temperatura até um percentual limite que não aumen tará com a continuidade do resfriamento no ensaio Com os resultados experimentais e discussões apresentados no trabalho demonstrase o potencial da análise do comportamento mecânico macroscópico dos aços inoxidáveis austeníticos defor mados à baixa temperatura por meio dos estágios de encruamento Desta forma permitese discernir a presença dos mi cromecanismos de deformação plástica e mapear seus campos de ocorrência em função dos parâmetros do processo de carregamento 6 Referências bibliográficas ANDRADE E G Influência das tensões e deformações nas reações martensíticas In SEMINÁRIOS DE METALURGIA PUBLICAÇÃO TÉCNICA NTDM 03 72 Inst de Engenharia Nuclear CNEN Rio de Janeiro 1972 ANGEL T Formation of martensite in austenitic stainless steel J Iron Steel Inst 177 p165174 1954 COLOMBIER L HOCHMANN J Aciers inoxydables aciers réfractaires Dunod 1965 CRUSSARD C Rapport entre la forme exacte des courbes de traction de métaux et les modifications concomitantes de leur structure Revue de Metallurgie n10 1953 DUBBEL Manual do engenheiro mecânico Tomo I Hemus 1979 GUIMARÃES J R C DE ANGELIS R J Hardening by a deformation induced phase transformation In PUBLICAÇÃO TÉCNICA CPM0772 Inst Militar de Engenharia Rio de Janeiro 1972 IWAMOTO T TSUTA T Computational simulation of the dependence of the austenitic grain size on the deformation behavior of TRIP steels Int J Plast v 16 p 791804 2000 JAOUL B Etude de la forme des courbes de deformation plastique J Mech Phys Solids v 5 p 95114 1957 KESTENBACH H J Efeito da energia de falhas de empilhamento sobre a deformação plástica em aços inoxidáveis austeníticos Metalurgia v 32 p 181 186 1976 LUDWICK P Elemente der technologischen mechanik Berlin 1909 MANGONON Jr THOMAS G Martensitic transformation in metastable austenitic stainless steel Metall Trans v 1 p 15871594 1970 NAGY E et alii Deformation induced martensitic transformation in stainless steels Mater Sci Eng A v 378 p308313 2004 PELLETIER M CIZERON G Influence dune contrainte externe sur la transformation martensitique de alliages fernickel Mémoires Scientifiques Revue Métallurgie Oktobre 1977 VÖHRINGER O MACHERAUCH E Struktur und Mechanische Eigenschaften von Martensit HärtereiTechn Mitt B 32 H 7 p 153202 1977 Artigo recebido em 30072006 e aprovado em 05102006 Rem Revista Escola de Minas 71 anos divulgando CIÊNCIA 71 2 0 0 7 R e v i s t a E s c o l a d e M i n a s 1 9 3 6