O documento descreve uma análise de variáveis termocinéticas na formação de martensita em aços multifásicos do tipo ARBL. Foram realizados tratamentos térmicos variando os meios de resfriamento e temperaturas de aquecimento em um aço baixo carbono com nióbio. Os resultados mostraram que o aumento da severidade do resfriamento levou a maior fração de martensita e maior resistência mecânica, embora a presença isolada de martensita não garanta sozinha as maiores propriedades mecânicas. O tratamento

1. 3297
ANÁLISE DE VARIÁVEIS TERMOCINÉTICAS NA
FORMAÇÃO DE MARTENSITA EM AÇOS MULTIFÁSICOS
TIPO ARBL
José Antonio Peixoto Cunha1
William Marcos Muniz Menezes2
Olivério Moreira de Macedo Silva3
Carlos de Moura Neto4
Resumo - Realizaram-se diversos ciclos de têmpera em um aço baixo carbono,
microligado ao nióbio. Os parâmetros de controle foram ciclos e meios de
resfriamento, uma vez fixados o tempos e temperaturas de austenitização plena ou
intercrítica. Os corpos de prova foram submetidos a ensaios de tração e dureza,
assim como análise metalográfica. A metalografia se desenvolveu sobre a análise
das fases obtidas quanto aos aspectos de morfologia, fração volumétrica, dispersão
na matriz, continuidade e dureza (microdureza). Estas características foram
correlacionadas com as propriedades mecânicas obtidas pelos ensaios de tração e
com a severidade qualitativa do meio de resfriamento. Os diversos meios de
resfriamento propiciaram o controle de variáveis cinéticas, mesmo que de ordem
qualitativa, enquanto que a diferenciação de ciclos de aquecimento permitiram o
controle e associação de variáveis térmicas nos processos de decomposição da
austenita, com vistas à formação de martensita, dos aços multifásicos tipo ARBL em
estudo. Os resultados apresentaram-se consistentes e reprodutivos, quanto às fases
obtidas e propriedades mecânicas correlatas, ressaltando-se que a formação de
martensita pôr si só, desconsiderando-se sua dispersão na matriz de baixo carbono,
não assegura os maiores níveis de resistência mecânica frente às fases
notadamente menos resistentes, como a bainita, mas que apresentaram maior
dispersão na matriz.
Palavras chave: martensita, bainita, nióbio
58º CONGRESSO ANUAL DA ABM
21 a 24 de julho de 2003
Rio de Janeiro
ITA – Instituto Tecnológico da Aeronáutica
58° Congresso Anual da ABM

2. 3298
“ Análise de variáveis termocinéticas na formação de martensita em
aços multifásicos tipo ARBL “
1- Introdução
Os aços bifásicos tipo ARBL possuem baixo teor de carbono, na faixa de 0,08 a
0,15%C, razão pela qual apresentam baixíssima temperabilidade. Por não
proporcionar estrutura totalmente martensítica, o estudo pôde contemplar a
avaliação dos fatores termodinâmicos de formação de “ilhas” de martensita, imersas
numa estrutura bifásica ferrita(α)/martensita(α’), assim como martensita finamente
dispersa numa matriz ferrítica.
2- Conceito de aço ARBL e aços multifásicos/bifásicos.
São aços estruturais que apesar do baixo teor de carbono, oferecem elevada
resistência mecânica, tenacidade e soldabilidade, quando comparados aos aços
carbono comuns, em função dos elementos de liga presentes. A modificação da
composição química com ligantes e microligantes proporciona alta resistência
mecânica pelo refino de grão ferrítico, pela presença de carbonetos, além do
controle da forma das inclusões obtida pelo processo de desoxidação.
Sob determinadas condições de tratamentos térmicos, envolvendo têmpera, estes
aços podem apresentar duas ou mais fases do ferro, coexistindo ferrita, martensita e
eventualmente austenita retida (estabilizada pôr elementos de liga).
A estrutura composta pôr ferrita e martensita caracteriza os aços bifásicos, gerando
um conjunto de propriedades mecânicas que os tornam especialmente adequados à
indústria automotiva, associando elevado limite de escoamento, dutilidade e
soldabilidade.
3- Caracterização do aço utilizado
O aço utilizado, do tipo ARBL, fabricado pela USIMINAS e denominado USI-RW-
450, com a composição química nominal descrita abaixo:
Elementos C Si Mn P S Al Nb N
% em peso 0,11 0,01 0,51 0,020 0,009 0,031 0,024 0,0039
Porém foi realizada análise química para maior precisão destes valores, cujo
resultado aparece a seguir:
Elementos C Si Mn P S Al Nb Ni Cr
% em peso 0,084 0,02 0,52 0,021 0,012 0,03 -- 0,02 0,01
-- não determinado.
4- Temperabilidade
Denomina-se temperabilidade de um aço a capacidade do mesmo ser transformado
em estrutura martensítica sob determinadas condições de têmpera. Trata-se de uma
propriedade comparativa, podendo ser parametrizada pela curva TTT do aço, ou
pelo ensaio Jominy. A temperabilidade está intimamente ligada ao teor de carbono
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3. 3299
do aço, acompanhando de forma diretamente proporcional, porém não linear [03],
segundo Grossman [04].
Apesar dos aços ARBL possuírem baixo teor de carbono, os elementos de liga
presentes proporcionam caráter equivalente, denominado carbono equivalente.
Utilizando-nos da equação[01] abaixo,
Modificada segundo a presença do nióbio,
Temos,
Portanto,
5- Corpos de Prova
Da matéria prima na forma de chapa foram obtidos corpos de prova de acordo com
as especificações da norma ASTM E 8M para ensaios de tração. Para a realização
dos tratamentos térmicos os corpos de prova permaneceram na condição de
fornecimento, não recebendo acabamento adicional.
6- Roteiros de tratamentos térmicos
Numa primeira etapa foram propostos cinco roteiros, indicados abaixo:
T (ºC)
T (min)
Ar 3
Ar 1
Roteiro 1
água
14 min – 910ºC T (ºC)
T (min)
Ar 3
Ar 1
água água
14 min – 910ºC
14 min – 750ºC
Roteiro 2
CE(%) = %C + %Mn/6 + (%Cu + %Ni)/15 + (%Cr + %Mo + %V)/5
CE(%) = %C + %Mn/6 + (%Cu + %Ni)/15 + (%Cr + %Nb)/5
CE(%) = 0,084 + 0,52/6 + 0,02/15 + (0,01 + 0,024)/5
CE(%) ≈≈ 0,18 %
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4. 3300
E numa segunda etapa foram determinados os roteiros complementares:
T (ºC)
T (min)
Ar 3
Ar 1
Roteiro 5
nitrogênio
14 min – 910ºC
T (ºC)
T (min)
Ar 3
Ar 1
Roteiro 3
água
14 min – 910ºC
14 min – 750ºC
óleo
T (ºC)
T (min)
Ar 3
Ar 1
Roteiro 4
água
14 min – 910ºC
14 min – 750ºC
salmoura 1
T (ºC)
T (min)
Ar 3
Ar 1
Roteiro 7
salmoura 3
resfriada
14 min – 910ºCT (ºC)
T (min)
Ar 3
Ar 1
Roteiro 6
salmoura 2
14 min – 910ºC
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5. 3301
7- Temperatura de austenitização e tempo de encharque
A temperatura de austenitização de 910ºC foi escolhida com referência nos valores
para os aços 1008 (diagrama ITT – anexo 2), de aproximadamente 1675ºF (~913ºC),
referendada ainda por Abdala[02].
O tempo de encharque da peça foi definido de acordo com recomendação da Aços
VILARES, tomando-se como referência o quociente de 25mm espessura da
chapa/hora, na temperatura desejada. Considerando a espessura do corpo de prova
de 3,0 mm, o tempo de encharque mínimo seria de
tmín = (3/25).60 = 7,2 min
Assegurado um valor mínimo para austenitização plena do cdp, adotou-se o
seguinte tempo de encharque,
tench = 14 min (adotado)
8- Relatório das condições efetivas de realização dos tratamentos térmicos
Roteiro cdp´s Meio de resfriamento Temperatura de
austenitização
Tγγ
Tempo de
encharque
1 1A
1B
1C
Água agitada (21 ºC) 912 ºC 14 min
1 1AF
1BF
1CF
Água agitada (25 ºC) 916 ºC 14 min
2 2A
2B
2C
Água agitada (21 ºC)
Água agitada (23 ºC)
1º ciclo - 910 ºC
2º ciclo - 750 ºC
(zona crítica)
14 min
14 min
3 3A
3B
3C
Água agitado (21 ºC)
Óleo agitado (23 ºC)
1º ciclo – 910 ºC
2º ciclo – 750 ºC
(zona crítica)
14 min
14 min
4 4A
4B
4C
Água agitada (21 ºC)
Salmoura 1 agitada (23
ºC)
(~ 100 gNaCl/l)
1º ciclo - 910 ºC
2º ciclo - 750 ºC
(zona crítica)
14 min
14 min
5 5A
5B
5C
Nitrogênio líquido 910 ºC 14 min
6 6A 6AF
6B 6BF
6C 6CF
Salmoura 2 agitada (24
ºC)
(~ 160 gNaCl/l)
910 ºC 14 min
7 7A
7B
7C
Salmoura 3 agitada (9
ºC)
(~ 200 gNaCl/l)
910 ºC 14,5 min
7 7AF
7BF
7CF
Salmoura agitada (5 ºC)
(~ 200 gNaCl/l)
910 ºC 14 min
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6. 3302
9- Resultados dos tratamentos térmicos
9.1Tabela de resultados
roteiro LE
(MPa)
LR
(MPa)
alongam.
εε (%)
dureza
(HV)
fadiga
(106
ciclos)
observações
referência
como
fornecido
410,9
398,4
397,4
402,3 ±±
7,5
506,9
490,9
492,4
496,7 ±±
8,8
36
39
35
37 ±± 2
173
--
--
173
--
1
água
421,3
429,1
419,4
423,3 ±±
5,2
519,3
508,6
496,4
508,1 ±±
11,5
25
22
21
23 ±± 2
180
--
--
180
350HV - ilha
de martensita
2
água +
água
386,2
416,9
394,5
399,2 ±±
15,9
559,8
610,5
577,3
582,5 ±±
25,8
25
21
20
22 ±± 3
182
178
201
187 ±± 12
--
3
água +
óleo
189,2
374,5
371,6
311,8 ±±
106,1
476,9
476,9
461,8
471,9 ±±
8,7
30
25
24
26 ±± 3
164
158
161
161 ±± 3
--
4
água +
salmoura 1
442,8
398,4
447,6
429,6 ±±
27,1
627,6
584,2
689,5
633,7 ±±
52,3
18
15
18
17 ±± 2
217
213
215
215 ±± 2
--
5
nitrogênio
líquido
--
--
341,3
341,3
--
--
406,4
406,4
--
--
35
35
151
139
148
146 ±± 6
--
6
salmoura 2
430,0
486,4
412,2
442,9 ±±
38,8
568,8
650,3
532,7
583,9 ±±
60,1
21
15
21
19 ±± 3
215
217
220
217 ±± 3
7
salmoura 3
437,7
462,8
--
450,2 ±±
17,7
573,7
584,3
--
579,0 ±±
7,5
17
13
--
15 ±± 3
245
240
242
242 ±± 3
9.2- LR: ensaio de tração.
Os resultados de resistência mecânica obtidos por ensaios de tração apresentaram
boa correlação com a expectativa teórica, uma vez que o aumento da severidade do
meio de resfriamento levou a um aumento da resistência mecânica do aço, face a
presença de maior fração volumétrica de martensita.
58° Congresso Anual da ABM

7. 3303
A formação de martensita dispersa determina o comportamento do aço quanto à
resistência mecânica, enquanto que a ocorrência de ilhas de martensita em alguns
casos, por si só, não deve ser mandatório, já que não oferece continuidade da
propriedade resistência mecânica pela estrutura. Eventualmente a ocorrência de
ilhas de martensita pode melhorar a resistência ao desgaste da peça, num fato
irrelevante, uma vez que esta propriedade não está associada aos principais
esforços de um aço estrutural.
9.3- Dureza.
A dureza medida em Vickers acompanha qualitativamente a resistência mecânica
dos aços, atingindo seu valor mais elevado no roteiro 4, numa têmpera direta em
água seguida por aquecimento intercrítico resfriado em salmoura. Este resultado
acompanha fielmente o ganho de resistência mecânica obtido com este roteiro de
tratamento térmico. O recozimento intercrítico a 750ºC favorece o acúmulo de
carbono nas regiões austeníticas da estrutura. Desta forma a têmpera é realizada
em um material que apesar de ser baixo carbono (CE ≈ 0,18%), apresenta uma rede
dispersa de ~24% de austenita numa matriz ferrítica. A austenita apresenta cerca de
0,68%CE, e a ferrita apenas 0,021%CE. Estes valores são aproximados, ainda mais
tratando-se de carbono equivalente, mas que de qualquer forma são coerentes com
os resultados obtidos.
%γ = quantidade de austenita presente no
aquecimento intercrítico a 750ºC, para um carbono
equivalente (CE) de 0,18%.
CE = 0,18%
%γ = [(0,18 – 0,021) / (0,68 – 0,021)] . 100%
%γγ = 24,1%
%Cα = teor de carbono na ferrita
presente no aquecimento intercrítico a
750ºC, para um carbono equivalente
(CE) aproximado de 0,18%.
%Cα = [(910 – 750)/(910 –723)]. 0,025
%Cα = [160/187]. 0,025
%Cαα = 0,021%
%Cγ = teor de carbono na austenita
presente no aquecimento intercrítico a
750ºC, para um carbono equivalente
(CE) aproximado de 0,18%.
%Cγ = [(910 – 750)/(910 – 723)] . 0,8
%Cγ = [160 / 187] . 0,8
%Cγγ = 0,68%
Sendo de 24,1% a quantidade de
austenita estimada a 750ºC, conclui-
se que a ferrita constitui os demais
75,9% da estrutura presente no
aquecimento intercrítico (a 750ºC,
entre A1 e A3).
0,021%CE
0,025%CE
750ºC
0,68%CE0,18%CE
910ºC
723ºC
α + γ
γ
α + Ce
T
%C
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8. 3304
9.4- Microdureza.
Foi realizado o ensaio de microdureza Vickers no cdp 1A, precisamente sobre uma
ilha de martensita, encontrando-se o valor de 350 HV. Entende-se que este deva ser
o máximo valor de dureza a ser encontrado neste tipo de aço, considerando-se a
estrutura analisada como sendo 100% martensítica. Fora desta ilha de martensita o
valor da dureza decresce para 180 HV.
10- Propriedades Mecânicas x Meio de Resfriamento (fases presentes)
Por se tratar de um aço com baixo teor de carbono, não se conseguiu estrutura
totalmente martensítica, mesmo com os resfriamentos mais severos. Dessa forma
podemos estudar com maior clareza os limites da transformação martensítica
relacionados ao teor de carbono. Mesmo não sendo martensita plena, a estrutura
obtida em diversos roteiros de tratamento térmico foi de caráter bi ou multifásico,
que oferece propriedades interessantes para a fabricação de muitos tipos de peças,
principalmente no segmento da indústria automotiva. Tais propriedades de interesse
seriam especificamente a associação de conformabilidade e tenacidade, com
resistência mecânica, como necessárias às rodas automotivas fabricadas em aço
estampado.
11- Fotos das microestruturas obtidas nos tratamentos térmicos.
Foto 1 – micrografia de cdp de
referência. Vêem-se ferrita e
carbonetos. Nital - 500x.
Foto 2 – micrografia do cdp 1A,
mostrando ilha de martensita em
destaque, com diâmetro próximo de
175µm, e dureza na faixa de 350HV.
A estrutura acicular da martensita
aparece de forma bastante nítida.
Nital – 200x.
Foto 3 – micrografia do cdp 4,
mostrando as fases ferrita e bainita –
martensita. Nital – 1000x.
Foto 4 – micrografia do cdp 6,
temperado em salmoura 2.
Martensita dispersa numa matriz
ferrítica, numa estrutura de grãos
refinados. Não se observam ilhas de
martensita. Nital – 1000x.
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9. 3305
12 – Microestruturas: distribuição e morfologia das fases
Pode-se verificar que os roteiros para tratamento térmico números 3 e 5 resultaram
em estruturas de ferrita e perlita ultra-fina, sendo necessária a realização de
microscopia eletrônica para confirmação da estrutura perlítica. De qualquer forma
ocorre o predomínio da ferrita, comprovado pela baixa dureza e resistência
mecânica do material.
Em relação às estruturas contendo ilhas de martensita (roteiros 1 e 7 ), nota-se que
possuem resistência mecânica inferior às formadas pôr martensita dispersa (roteiro
6), e por bainita dispersa (roteiros 2 e 4 ). É bom lembrar que os roteiros que
geraram bainita foram compostos por austenitização intercrítica. O resultado é de
uma estrutura nitidamente bifásica. A utilização de roteiros com austenitização
intercrítica para obtenção de estrutura bifásica ferrita e bainita pode ser observada
em Abdala[01], e mencionada por Vasconcelos Ramos[06]. Serão realizados em
janerio/fevereiro análises com microscopria eletrônica de varredura para confirmação
destas fases (com aumento de 5.000 a 10.000X).
Apesar de possuírem martensita, as estruturas obtidas em 1 e 7 apresentam matriz
ferrítica, cuja continuidade determina a baixa resistência do material. Este efeito é
tão siginificativo que a estrutura obtida em 1, com ilhas de martensita de até 0,4mm
de diâmetro médio apresenta propriedades mecânicas similares ao material de
referência (provavelmente normalizado).
O material do roteiro 4 possui cerca de 27,2% de 2ª fase, sendo este valor bastante
próximo da estimada fração volumétrica de austenita (24,1%). Dessa forma
acreditamos que a estrutura bifásica é composta de ferrita proeutetóide e o restante
em 2ª fase, provavelmente bainita.
13- Conclusões
1- Apesar de apresentarem fase martensítica na forma de ilhas, as estruturas
obtidas nos tratamentos 1 e 7 apresentaram resistência mecânica inferior
àquelas obtidas em tratamentos como 2 e 4, com 2ª fase bainítica dispersa na
matriz. Apesar de conter martensita, uma fase notadamente de alta resistência
mecânica, esta apresentou-se descontínua, imersa numa matriz contínua
ferrítica, cujas propriedades influenciam de forma definitiva e significativa, o
resultado do tratamento térmico.
2- Tratamentos envolvendo etapas intercríticas apresentaram estruturas de aço
com maior resistência mecânica que aqueles resfriados (têmpera) em uma única
etapa. Pode-se comparar os resultados obtidos nos tratamentos térmicos 2 e 1
(meio de resfriamento: água), tratamentos 4 e 6 (meio de resfriamento: água e
salmoura), e 4 e 7 (meio de resfriamento: água e salmoura). Os resfriamentos
intercríticos proporcionaram dispersão de 2ª fase resistente, bainítica-
martensítica, numa matriz ferrítica (2 e 4), enquanto que os tratamentos de
têmpera direta (1, 6 e 7) apresentam martensita em ilhas (1 e 7) ou com alguma
dispersão (6).
3- Como era de se esperar, resfriamentos de maior severidade resultaram em
estruturas com maior resistência mecânica, uma vez comparados procedimentos
de tratamento térmico similares como: tratamento 1 comparado com 6 e 7;
tratamento 2 comparado com 4. Isto ocorre pôr proporcionarem a ocorrência de
fases mais resistentes como a bainita e a martensita em maior fração
volumétrica.
4- O tratamento com resfriamento em nitrogênio líquido (5) apresentou baixa
resistência mecânica quando comparado às demais têmperas, que poderia ser
58° Congresso Anual da ABM

10. 3306
explicado pela baixa capacidade calorífica do meio. Entretanto, tal resultado deve
ser encarado com reservas uma vez que dois dos três resultados do ensaio de
tração foram extraviados, prejudicando sua análise estatística.
5- A dureza da martensita de baixo carbono pôde ser determinada através do
ensaio de microdureza em ilhas de martensita. O resultado obtido foi coerente
com o gráfico de Bain[05].
6- Mesmo com ampliações de 1000x, os aços tratados com austenitizações
intercríticas não apresentaram estruturas aciculares. Morfologicamente isto
aponta no sentido da ocorrência predominante de bainita sobre a martensita,
visto que o material apresenta elevada resistência mecânica, levando-se em
consideração seu baixo teor de carbono.
17- Bibliografia
1- SPRINGER-VERLAG, Steel. A Handbook for Material Research and Engineering,
Verein Deutscher Eisenhuttenleute, v.1, 1992.
2- ABDALLA, A.J., Efeitos dos Parâmetros Microestruturais e das Subestruturas de
Discordâncias Formadas sobre as Propriedades Mecânicas em Aços Multifásicos
Submetidos a Deformações Cíclicas, Tese de Pos Doutorado, mai.de 2002,
Instituto Tecnológico da Aeronáutica – ITA.
3- REED-HILL, R.E., Princípios de Metalurgia Física, ed. Guanabara Dois, RJ, 1982.
4- GROSSMAN, M.A., Elements of Hardenability, ASM, Cleveland, 1952.
5- BAIN, E.C., Functions of the Alloying Elements in Steels, ASM, Cleveland, 1939.
6- RAMOS, L.F.V., Efeito das Variáveis de Processamento na Deformação
Mecânica dos Aços Bifásicos, I Seminário sobre Tratamentos Térmicos dos Aços,
ABM, Belo Horizonte, maio, 1980.
7- Isothermal Transformation Diagrams, USS – United States Steel, p.12,1963.
8- Metals Handbook, American Society for Metals, 8ª ed.,v. , p.403-420.
Abstract – It was carry out the heat treatment of low carbon steel, consisting the
several cycles of quenching of HSLA (High Strength Low Alloy), with niobium
microalloy. The control of the heat treatment was the steps of austenitizing and
cooling, and the quenching medium, but the time and the temperature of
austenitizing were fixed. The test specimen were submited to stress-strain , hardness
test and metallography. This way were associated the mechanical and structural
properties of the steels. The quenching medium give the qualitative cinetics
parameters, and the austenitizing steps proportioned the thermics parameters. The
results were consistent and reproductioness, and was verified that the martensite
ocurrency isn´t sufficient to safe the strength. The dispersion of phases was basic to
the strength increases.
5 5 5 5 5
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