Monografia De Bh

UNESP – Universidade Estadual Paulista : Projeto da Disciplina de PDPM (Pesquisa e Desenvolvimento de Processamento de Materiais)

Metalografia do aço com efeito “Bake Hardening” – BH Departamento de Engenharia de Materiais

Por: Priscila Folkl Orientador: Professor Marcelo dos Santos Pereira

FEG 2009 UNESP – Universidade Estadual Paulista : Projeto da Disciplina de PDPM (Pesquisa e Desenvolvimento de Processamento de Materiais) 1

Metalografia do aço “bake hardening”

Apresentação da monografia à Universidade Estadual Paulista como requisito parcial para obtenção de nota para a disciplina de PDPM

Resumo O projeto ULSAB foi o responsável pelo desenvolvimento de novos aços mais leves e com as mesmas ou melhores propriedades mecânicas que os 2

aços antigos. Isso levou a um menor consumo de combustível, o que hoje é imprescindível devido aos grandes problemas ambientais que estamos enfrentando. O aço, com efeito, “bake hardening” foi um destes materiais desenvolvidos pelo projeto ULSAB. Este aço tem alta capacidade de conformação antes do forno de pintura em automóveis e após o forno aumentam significantemente suas propriedades mecânicas. Sua alta conformabilidade leva estes aços a serem usados em portas, tetos e capôs. Seu endurecimento em forno é feito através de envelhecimento do material a temperaturas baixas (aproximadamente 170°C). O aço usado foi doado pela montadora de automóveis Renault para a nossa Universidade. Os corpos de prova foram feito pelo corte da amostra em 3 pedaços: um corte longitudinal, um transversal e um superficial. Após corte as amostras foram embutidas, lixadas e polidas, para então ser feito o ataque das peças e revelar, por microscopia, as microestruturas presentes. Abstract The ULSAB Project had been responsible for the development of news steels that should be more lights and with the same or better mechanics properties of old steels. That make the automobiles uses less fuel, and today that is essential due to the big environmental problems that we are facing. The steel, with effect of bake hardening, is one of the materials developed is ULSAB project. This steel has high capacity conformation before paint oven in cars, and after paint oven, their mechanicals properties get higher. Its high formability makes those steels be used in doors, roofs and roods. Its bake hardening effect is made by aging at low temperature (about 170°C). This steels was donated by the carmaker Renault to our University. The specimens were made by cutting 3 samples, one of the cuts was transversal, the other was longitudinal, and the other was superficial. After cutting, the samples were built, sanded, polished and attacked, then to be made of microscopic phases.

Sumário 1. Lista de Figuras 2.Introdução 2.1.Metalografia 2.2.O Projeto ULSAB

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2.3.Aços 2.4.Aços com efeito “Bake Hardening” (BH) 3.Materiais e métodos 3.1.Materiais e Equipamentos 3.2.Métodos 4.Resultados e Discussões 5.Conclusão 6.Bibliografia

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1. Lista de Figuras e Tabelas

1.1.

Figuras Figura 1: diagrama ferro carbono Figura 2: Precipitação após estampagem e forno; e mudança na resistência mecânica após ativar o efeito BH e após deformação de 2% (estampagem). 4

Figura 3: corte longitudinal com 500 vezes de aumento Figura 4: corte longitudinal com 500 vezes de aumento Figura 5: corte longitudinal com 1000 vezes de aumento Figura 6: corte longitudinal com 1000 vezes de aumento Figura 7: corte transversal com 200 vezes de aumento Figura 8: corte transversal com 200 vezes de aumento Figura 9: corte transversal com 200 vezes de aumento Figura 10: corte transversal com 500 vezes de aumento 1.2.

Tabelas Tabela 1: Elementos de liga e sua porcentagem máxima em um aço BH. Tabela 2: composição química do material estudado

1. Introdução 2.1. Metalografia A metalografia consiste em, após ataque, analisar microscopicamente a amostra para então analisar as microestruturas presentes no material. Essas microestruturas estão diretamente ligadas às propriedades mecânicas do material. [1] [12] A metalografia é feita da seguinte maneira: primeiramente se faz o embutimento da amostra em baquelite, então se faz o lixamento da amostra já embutida com as lixas 100, 300, 600, 1000, 1500 e 2000. Após este processo é necessário fazer o polimento da peça com um abrasivo indicado, o polimento deve retirar todos os riscos feito pelas lixas, para isso, usa-se uma microscópio de baixa resolução para observar. Assim que o polimento estiver completo, faz-se o ataque, indicado para o tipo de material. Este ataque será capaz de certas revelar as fases presentes na microestrutura do material. [1] [12] 2.2. O Projeto ULSAB O projeto “Ultralight Steel Autobody” (ULSAB) foi feito pela comunidade siderúrgica mundial, com inicio em 1994. Ele envolve mais de 35 produtores de aço, de 18 países diferentes. Seu objetivo era buscar soluções globais para a indústria automobilística, tendo o aço como componente principal para a fabricação de autopeças. [2] Esta iniciativa foi feita para que a indústria do aço continuasse inovadora e competitiva em termos mundiais. Os estudos forma feito para que se obtivessem novos aços que fossem mais leves e com mesmas, ou melhores, propriedades mecânicas dos aços antigos, desde que viáveis economicamente. [2] O resultado do projeto foi uma carcaça 36% mais leve, com rigidez em torção de 80% maior e em dobramento 56% maior que 5

das carcaças antigas. Ensaios de impacto deram bons resultados, e seu preço foi menor que a das antigas. [2] Aços Aços são ligas de ferro com carbono, onde o teor de carbono varia entre 0,008% à 2,1%, além de elementos de liga residuais dos processos de fabricação. [3] O teor de 0,008% corresponde a máxima solubilidade do carbono do ferro à temperatura ambiente, enquanto o 2,1% corresponde ao teor máximo de carbono que se dissolve à temperatura de 1148°C, sendo que esta quantidade máxima varia de acordo com os outros elementos de liga, neste ultimo caso, chamam-se estes aços de aços liga, e não aço carbono apenas. [3] Para verificar o tipo de aço formado e como é a formação de fases durante o resfriamento, usa-se o diagrama Fe-C: 2.3.

Figura 1 As microestuturas comuns em aço são: ferrita (pobre em carbono, ductil), martensita (rica em carbono, frágil e muito dura), cementita (rica em carbono, dura), perlita (lamelas de ferrita e cementita), bainita (ferrita acicular e cementita) e austenita retida (austenita que se solidifica antes de se transformar em outras fases). [3] Os aços podem ser classificados como: HSLA (aços de alta resistência e baixa liga), IF (intersticial free), BH (Bake Hardening), TRIP (Transformação plástica induzida) e CP (Fases Complexas) e DP (Dual Phases) 2.4. Aços, com efeito, “Bake Hardening” (BH) Os aços BH são aços tratados para serem dúcteis e, após forno de pintura, obterem um aumento significativo em sua resistência mecânica. Estes aços possuem baixo teor de carbono, 6

pois o alto teor de carbono pode aumentar o efeito bake hardening, mas isso também pode provocar envelhecimento ao natural muito mais rápido que o previsto, provocando a fratura da peça, ou sua completa inutilização. [5] [9] A estufa (forno) de pintura deve ter uma temperatura media de 170°C, e o aço deve permanecer a esta temperatura entre 20 a 30 minutos, para assim obter o efeito Bake Hardening. [5] [9] O aço endurece devido ao seu envelhecimento à temperatura de forno de pintura, isso ocorre porque os carbonos se precipitam na forma de carbetos, perto das discordâncias, diminuindo o espaço para elas se movimentarem. [5] A tabela a seguir mostra alguns elementos de ligas que podem ter os aços BH e a porcentagem de alguns deles: Elemento de liga

N

C

Al

P

Mn

S

Porcentagem máxima (%)

0,003

0,002

0,04

0,02

0,2

0,01

Tabela 1 A porcentagem de nióbio é a seguinte: 0,5≤Nb%atC%at≤1,2

O processo de estampagem provoca formação de defeitos, na peça, e são perto deles que os carbetos de precipitam. [5] Na figura a seguir mostra-se o aumento da tensão máxima de escoamento do material após o efeito BH e onde ocorre precipitação após estampagem e forno de pintura.

7

Figura 2 3. Materiais e Métodos 3.1. Materiais e Equipamentos Os materiais usados foram: aço BH fornecido pela Montadora de carros Renault (composição química na tabela 2), baquelite, lixas d’água (100, 300, 600, 1000, 1500 e 2000), pano de polimento, OPU (10%) diluído em água destilada, pasta de diamante (1/4 µm) e Nital 1%.

BH

C

Si

Mn

P

S

Cr

Ni

Mo

Al

Cu

Ti

V

Nb

Sn

B

0,0011

0,06

0,25

0,013

0,01

0,014

0,003

0,003

0,041

0,015

0,017

0,001

0,002

0,002

0,0001

Tabela 2 Os equipamentos foram: Máquina de embutimento, equipamento para lixas d’água, equipamento de polimento (Polipan) com rotação média de 250 rpm, estufa para o ataque e microscópio Epicon. 3.2.

Métodos

8

Primeiramente, deve-se cortar as amostras em 3 cortes: longitudinal, transversal e superficial. E então, deve-se embutir as peças de acordo com as normas dadas pelo equipamento e usando baquelite como material de embutimento. Se necessário, pode-se usar um apoio de outro material. Após embutimento, faz-se o lixamento da peça em lixas com granulações mais grosseiras até granulações mais finas. A primeira a ser usada é a lixa 100, deve-se tomar cuidado ao lixar, pois isso pode provocar riscos muito fundos, dificultando a sua retirada na próxima lixa. Para ir para a lixa 300, é necessário mudar a posição da amostra em 90°, isso facilita a visualização dos riscos da lixa anterior e da nova, podendo assim, ver quando será possível mudar para a lixa 600. Isso ocorre até a ultima lixa, 2000, que assim que a amostra estiver pronta, deverá ser levada ao polimento. O processo de polimento é feito da seguinte forma: primeiro se faz o polimento com a pasta de diamante e posteriormente com o OPU diluído. Mas devido a estudos prévios, observou-se que este polimento não foi bem sucedido, então desta vez foi feito o polimento apenas com pasta de diamante (1/4µm). A qualidade do polimento é administrada por um microscópio de baixa resolução. Após o polimento estar devidamente feito, faz-se o ataque com nital (1%), pois por ser um aço baixo carbono, o aço BH possue como principal microestrutura a ferrita, que é revelada de forma mais visível pelo ataque de nital. O nital é feito com 99% de álcool etílico e 1% de acido nítrico. Após ataque, a amostra é levada rapidamente ao microscópio para evitar oxidação e lá são feitas fotos para observar precipitados e microestruturas presentes. 4. Resultados e Discussões Primeiramente o polimento é muito complicado, pois o material é muito dúctil, provocando facilmente o arrancamento de grãos. Por esta razão o polimento não deve ser demorado, e para evitar este problema, priorizei o menor número possível de grãos arrancados do que a superfície perfeita sem riscos. Os resultados serão apresentados a seguir:

9

Figura 3

Figura 4

10

Figura 5

Figura 6

Figura 7

11

Figura 8

Figura 9

Figura 10 12

Pode-se verificar a grande quantidade de oxidação de acordo com as fotografias. Isso ocorreu devido a distancia do laboratório de metalografia do laboratório de microscopia, durante o transporte, ocorreu oxidação muito rapidamente (figuras 3 e 4) Outra situação fácil de ser identificada é o arrancamento de grãos, muito fácil de visualizar nas em quase todas as figuras. Isso prova que o material deve ser polido com muito cuidado. O ataque foi bem sucedido já que as figuras mostram de forma clara os contornos de grãos das amostras, porem o ataque teve melhores resultados na amostra transversal que na longitudinal.

5. Conclusão O aço BH realmente possui como microestrutura dominante a ferrita, pois os ataques foram bem sucedidos apenas com o nital. Isso é uma grande prova que é um aço baixo carbono, como dito na sua composição química. A distância do laboratório de microscopia e do de metalografia influenciam na formação de óxidos na superfície da amostra, por esta razão, os resultados seriam melhores se os ataques fossem feitos mais próximos ao laboratório de microscopia, isso evitaria a formação de óxidos que prejudicam a analise das imagens da amostra. O embutimento não foi suficiente para obter o efeito BH, pois durante este processo o material não fica a 170°C por 20 ou 30 minutos. Por esta razão não é possível dizer que os pontos escuros e pequenos nas figuras são precipitados devido ao efeito BH. O estudo foi feito sobre o aço fornecido. 6. Bibliografia [1] Colpaert,H. “Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns”. 4ªed. 1951. [2] slides aula 1 da disciplina de Processamento de materiais metálicos, ministrada pelo professor Marcelo dos Santos Pereira na UNESP de Guaratinguetá. [3] Chiaverini, V. “Aços e Ferros Fundidos”. Ed.Abm. 7ªEd. 2007. [5] Lora. F.A. “Avaliação do processo de estampagem profunda de chapas de aço BH 180 e BH 220 utilizado na indústria automobilística” . Tese de Mestrado. Porto Alegre. 2009. [6] Gritti, J.A.; Melo, T.M.F. ; Machado, F.A. ; da Silva, A.P.F.S. ; Guimarães, C.R. ; Cândido, L.C.; Godefroid, L.B. “Propagação e fechamento de trinca de fadiga em dois aços bifásicos pré-deformados e com tratamento Bake Hardening”. São Paulo. 2006.

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[7] Castro, C.S.B, ; Sales, L.S. ; Gonzalez, B.M. “Envelhecimento em um aço inoxidável AISI 304 contendo martensita induzida por deformação” . Revista Escola de Minas. 2009. [8] site da empresa CSN : http://www.csn.com.br/portal/page? _pageid=95,93550&_dad=portal&_schema=PORTAL#anc3

[9] Gorni, A.A. “AÇOS FERRÍTICOS COM ALTA RESISTÊNCIA MECÂNICA E BOA CONFORMABILIDADE”. 5º Congresso de corte e conformação de metais. São Paulo. 2009 [10] Gorni, A.A. “Estudo Analisa Principais Propriedades dos Aços usados na Indústria Automotiva”. Revista Corte & Conformação de Metais. Editora Aranda. Jan-2008. [11] Lora, F.A. ; Folle,L.F. ; Schaeffer,L. “CARACTERIZAÇÃO DAS PROPRIEDADES TECNOLÓGICAS DO AÇO BH180 E BH220 E O CÁLCULO DO COEFICIENTE DE ATRITO NO PROCESSO DE ESTAMPAGEM PROFUNDA”. 64º Congresso Anual de ABM. Belo Horizonte. 2009. [12] da Silveira, V.H.M ; Schaeffer, L. “Estampagem de chapas de alta resistência para uso automotivo – uma revisão”.

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