Efeitos da adição de Cr, Mo, Si e parâmetros de processos nas transformações de fases e propriedades mecânicas de aços bifásicos

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2016.Este estudo sobre os aços bifásicos (dual-phase) encontra-se alinhado com pesquisas voltadas para desenvolvimento do conhecimento sobre materiais e suas propriedades que relacionam com suas microestruturas e seus mecanismos de transformação. Em termos tecnológicos se alinha ao segmento de pesquisa voltado para a inovação dos materiais que objetiva aplicação com baixo impacto ambiental, racionalização dos recursos existentes e redução de custos. Nesse sentido, foram analisados os efeitos do Cr, Mo e Si associados a diversas temperaturas de recozimento e os meios de resfriamento (ar e água) sobre as propriedades mecânicas e as microestruturas finais de aços bifásicos. Os aços bifásicos caracterizam-se por uma matriz ferrítica macia contendo a estrutura martensítica dura (SPEICH, 1981). Há um grande número de projetos com foco na elaboração de design de aços bifásicos nos diversos núcleos de pesquisa em todo o mundo, que visam a atender às restrições impostas pelas linhas operacionais, ora existentes. Muitos trabalhos foram desenvolvidos neste sentido e, portanto, muitas dúvidas também surgiram. Desta forma, este estudo objetivou/avaliou os efeitos dos elementos Cr (0; 0,2; 0,4 e 0,6 %); Mo (0; 0,15 e 0,45 %) e Si (0 e 0,3 %) tratados em diversas temperaturas de recozimento e resfriados em dois meios (água e ar) nas propriedades finais dos aços. Isto resultou em 148 condições experimentais. Os resultados dos experimentos foram analisados quanto às propriedades mecânicas e microestruturais e permitiram esclarecer dúvidas e o melhor entendimento dos mecanismos de transformação. O projeto de experimento para os aços deste estudo objetivou a geração de conhecimentos científicos específicos e tecnológicos aplicáveis em linhas operacionais existentes no Brasil e no exterior (Estados Unidos, França e Canadá). A adição de cromo viabilizou a análise de seus efeitos, em solução sólida assim como carbonetos de cromo, na formação da austenita e, posteriormente, em sua temperabilidade (deslocamento da curva TTT para a direita e retardar a transformação da austenita em fases não-martensíticas indesejáveis). A adição de cromo afetou os mecanismos de transformação das fases resultando em uma microestrutura mais refinada e, consequentemente, propriedades mecânicas mais elevadas. O teor de cromo adicionado variou entre 0 e 0,6 % (em massa). A adição de silício permitiu a análise de seus efeitos como refinador sobre a matriz e sobre o aumento da resistência mecânica do aço sem afetar, significativamente, a ductilidade. A adição de silício acelerou a nucleação e recristalização da ferrita além da transformação da austenita o que resultou no aumento da fração volumétrica de martensita. Ressalta-se que, em determinadas etapas do processo de produção dos aços, o silício apresenta efeitos deletérios como: i) altera a reatividade da superfície dos aços retardando o processo de decapagem; ii) deteriora a suas propriedades relacionadas à sua soldagem; iii) reduz a reatividade da superfície dos aços afetando negativamente a aderência do revestimento (quando galvanizado). A adição do molibdênio aos aços inibiu condições (e.g. mobilidade da interface ferrita-austenita) que favorecem o crescimento da austenita (maior fração volumétrica), promoveu o refino da microestrutura, aumentou a temperabilidade da austenita durante o resfriamento e aumentou a resistência dos aços. Este elemento como tem sido utilizado nos atuais projetos de qualidade tornou-se a referência, neste estudo, para efeito de comparação. As temperaturas de recozimento escolhidas cobriram a faixa de temperaturas utilizadas nas principais linhas contínuas em funcionamento no mundo. Os aços laminados a frio utilizados para o tratamento térmico apresentaram, inicialmente, microestruturas complexas, composta por martensita, ferrita e perlita devido ao elevado teor de elementos de liga principalmente o manganês. Esta matriz complexa foi tratada termicamente visando produzir, predominantemente, uma estrutura bifásica final. As transformações das microestruturas iniciais ocorreram de maneiras diferentes em função das condições impostas (composição química e tratamentos térmicos). Estas maneiras diferentes de transformação, causadas pela adição de Cr, Mo e Si associados aos tratamentos térmicos adequados, modificaram os mecanismos de reação o que permite vislumbrar rotas alternativas para a produção de aços bifásicos propriedades mecânicas adequadas e baixo custo, considerando as limitações físicas das linhas operacionais. Estes conhecimentos contribuíram para viabilizar a produção deste grau aço em linhas de galvanização contínuas cujas taxas de resfriamento são moderadas (menor que 50 °C/s).Abstract : The present study assessed the effect of Cr, Mo and Si in different concentrations under parameters of heating treatment and cooling media on the final microstructures and mechanical properties of dual-phase steels. The prior cold-rolled steels used in this study displayed a complex matrix composed of martensite, ferrite and pearlite which have transformed through different paths to produce a dual-phase structure (martensite + ferrite) with the appropriated mechanical properties. Additions of Cr, Mo and Si associated to specific heat treatments showed the ability to affect phase transformation and create an alternative lower cost routes. Numerous works have been developed in this area, but also some contradictions have been shown. Thereby, this study aimed to assess the effect of chemistries of steels Cr (0-0.6 %), Mo (0-0.45 %) and Si (0 and 0.30 %) heat treated on different annealing temperatures and cooled in two media (air and water). Final microstructures and mechanical properties of steels were analyzed for better understanding the mechanism and the paths of transformations undergone. The following results were observed: the investigated elements were shown to strengthen the steels through refinement and volume fraction, however by different ways. i) Cr has formed chromium carbides that supplied their interface for additional austenite grains nucleation (volume fraction) and; subsequently, many austenite in growing movement have caused collisions to each other, consequently, the restriction of austenite growth (refinement); ii) Mo increased the hardenability of austenite (volume fraction) and inhibited the movement of grains boundaries (refinement) and; iii) Si promoted higher carbon content in austenite more homogeneous by reducing its thermodynamic activity and enhancing hardenability; and (volume fraction). Besides, Si accelerated the ferrite recrystallization during heating, which in turn promoted the formation of austenite through the nucleation process, followed by grain growth