A influência do tempo e da temperatura de austenitização e da composição química na microestrutura de ligas inoxidáveis com efeito de memória de forma

The influence of austenitizing and chemical composition on the microstructures of shape memory stainless steel

INOX: METALURGIA FÍSICA

Christian Egidio da Silva^I; Jorge Otubo^II

^IGerdau Aços Especiais Brasil Pindamonhangaba, SP E-mail: [e-mail]

^IIInstituto Tecnológico de Aeronáutica, Divisão de Engenharia Mecânica, Departamento de Tecnologia, São José dos Campos, SP E-mail: [e-mail]

RESUMO

No presente trabalho, três ligas inoxidáveis Fe-Mn-Si-Cr-Ni com efeito de memória de forma foram estudadas variando o tempo e a temperatura de austenitização - de 600s até 57600s a 1050ºC e de 800ºC até 1050ºC por 2400s - ação seguida por têmpera em água. Os resultados de microscopia ótica mostraram que não existiu variação significativa do tamanho de grão austenítico até a temperatura de 900ºC, atingindo-se valor médio de 30µm. Entre 950ºC e 1050ºC notou-se um aumento significativo do tamanho médio de grão austenítico quando comparado à temperatura de 900ºC ou menor. É possível observar um aumento de duas vezes no tamanho de grão ao serem comparadas as temperaturas de 950ºC e 1050ºC. Os resultados mostram que a influência da temperatura de austenitização no crescimento de grão parece ser mais significativa do que o tempo de austenitização. Ainda foi observado que o crescimento do grão depende da composição química, sendo menor para a liga que apresentava menor teor de manganês e maior teor de cromo.

Palavras-chave: Efeito de memória de forma, Fe-Mn-Si-Ni-Cr, tratamento térmico, aço inoxidável.

ABSTRACT

In this work, three stainless steel alloys (Fe-Mn-Si-Cr-Ni) with shape memory effects were studied by varying austenitizing time and temperature - from 800ºC to 1050ºC for 2400s and from 600s to 57600s at 1050°C - followed by a water quenching. Optical microscopy results showed no grain size variation up to 900ºC with its average dimensions around 30µm. From 950ºC to 1050ºC, an increase of grain size was noted when compared to 900ºC and less. It is possible to note an increase of twice the grain size from 950ºC to 1050ºC. The results also show that the influence of the treatment temperature on grain growth seems to be more significant than the time elapsed. Also, it was observed that the grain growth depended on the chemical composition, being lower for the alloy with lower man-ganese and higher chromium content.

Keywords: Shape memory alloy, Fe-Mn-Si-Ni-Cr, heat treatment, stainless steel.

1. Introdução

Otubo et al. (1996) e Kajiwara (1999) detalham o desenvolvimento das ligas com efeito de memória de forma à base de ferro desde seu aparecimento. As ligas de Ni-Ti são as mais importantes em termos de aplicações práticas, apresentando uma recuperação de forma de até 8%. No entanto, essas ligas ainda são caras e apresentam dificuldades de fabricação. Esses fatos motivaram o desenvolvimento de novas ligas para substituir as ligas Ni-Ti. Na última década, ligas à base de Fe-Mn-Si, como Fe-Mn-Si-Cr-Ni e Fe-Mn-Si-Cr-Ni-Co, têm sido estudadas como potenciais candidatas para substituir as tradicionais ligas de Ni-Ti em várias aplicações. Devido à sua reduzida capacidade de recuperação de forma (até 4%) em relação às ligas Ni-Ti, as ligas Fe-Mn-Si ainda não são tão amplamente empregadas. No intuito de implementar sua capacidade de recuperação de forma, ligas à base de Fe-Mn-Si são submetidas a ciclos de treinamento, mas essa prática inviabiliza muitas aplicações devido à complexidade envolvida e também ao elevado custo incorporado. Portanto é de fundamental importância o desenvolvimento de materiais que apresentem boa habilidade de recuperação de forma sem a necessidade de utilização de ciclos de treinamento. Uma boa capacidade de recuperação de forma possibilita expandir as aplicações industriais (Kajiwara, 1999; Otubo, 1997; Wen, 2004; Jee,2004). De acordo com Li et al. (2002), o uso de ligas à base de Fe-Mn-Si se justifica pelo seu reduzido custo de fabricação. Os aços inoxidáveis com efeito de memória de forma podem ser utilizados em aplicações como: junção de tubulações; conexões elétricas; atuadores elétricos e térmicos; amortecimento de vibrações etc. (Otubo,1997). Pesquisas têm sido feitas pelo grupo desde 1994 no intuito de compreender a metalurgia física envolvida nesses materiais, bem como permitir uma otimização de sua habilidade de recuperação de forma (Otubo, 1996; Otubo, 1997; Otubo, 2002; Otubo,2007; Nascimento, 2000a; Nascimento, 2000b; Silva, 2008). Trabalhos anteriores têm mostrado que, além da composição química, o tamanho de grão austenítico exerce importante contribuição na capacidade de recuperação de forma, sendo maior para tamanhos de grãos menores.

2. Materiais e métodos

Três lingotes de dimensões 65mmx65mm foram elaborados em um forno de indução a vácuo e as respectivas composições químicas encontram-se na Tabela 1. Os lingotes foram previamente aquecidos a 1180ºC e, em seguida, forjados para barras de dimensões 40mm x 40mm. Na seqüência, as barras foram solubilizadas a 1100ºC por 3600s e, em seguida, laminadas a quente até serem obtidas barras com diâmetro de aproximadamente 20mm. Dessas barras foram retiradas amostras com 5mm de espessura, sendo este o material de partida para o presente estudo. As amostras com Ø20mm x 5mm foram austenitizadas em forno tipo mufla a 800ºC, 850ºC, 900ºC, 950ºC, 1000ºC and 1050ºC por um tempo fixo de 2400s. Após 2400s, as amostras foram temperadas em água à temperatura ambiente (~30°C). As amostras tratadas termicamente foram embutidas a frio, utilizando-se uma resina epoxi, e submetidas a polimento (#180 a 600) seguido de polimento mecânico (6µm e 1µm).

Para revelar a microestrutura, as amostras foram submetidas a ataque químico, utilizando-se de uma solução de HNO₃ (150cm³), HF (30 cm³) e água (250cm³) por 60s. O tamanho de grão austenítico, para cada situação de teste, foi estimado, utilizando-se de um microscópio ótico acoplado a um analisador de imagens. A estimativa foi feita através da contagem do número médio de intersecções obtidas em um quadrado de dimensões padronizadas e fixas posicionado sobre regiões da microestrutura escolhidas aleatoriamente. Para cada amostra, foram realizadas 15 varreduras, no intuito de determinar a intersecção média.

3. Resultados e discussão

A Figura 1 sumariza os resultados do tamanho médio de grão austenítico. Entre as temperaturas de 800°C e 900°C, o tamanho de grão das ligas B e C manteve-se relativamente próximo. Isto sugere que até a temperatura de 900°C, considerando um tempo de austenitização de 2400s, a energia para promover o crescimento de grão não foi suficiente. O crescimento de grão iniciou com uma temperatura de austenitização de 950ºC. Para a liga B, observou-se o seguinte incremento no aumento do tamanho de grão: 18% (31,4µm para 37,1µm) de 900°C para 950°C; 18% (37,1µm para 43,6µm) de 950ºC para 1000ºC e 42% (43,6µm para 61,9µm) de 1000ºC para 1050ºC. Comportamento similar foi observado para a liga C como pode se visto na Figura 1, porém com um menor crescimento de grão: 14% (30,2µm para 34,3µm) de 900ºC para 950ºC; 31% (34,3µm para 45,0µm) de 950ºC para 1000ºC e 24% (45,0µm para 55,7µm) de 1000ºC para 1050ºC. A liga A é relativamente estável, não sendo possível observar crescimento de grão significativo até a temperatura de 1000°C. Em relação às ligas B e C, a liga A apresentou ~35% menos manganês do que as demais (10,3% versus 13,7/14,2%) e ~12% mais cromo do que as outras (9,9% versus 8,6/8,8%). Os teores dos demais elementos químicos são similares. Considerando as temperaturas de austenitização extremas (900°C and 1050°C), evidenciou-se um aumento no tamanho médio do grão austenítico da ordem de 2 (duas) vezes: de 29,4µm para 53,0µm (liga A); de 31,4µm para 61,9µm (liga B) e 30,2µm para 55,7µm (liga C). Para a temperatura de 1050°C, o maior tamanho médio de grão austenítico foi observado para a liga B (61,9µm) e o menor foi observado para a liga A (53,0µm).

A liga C foi escolhida para analisar o efeito do tempo de austenitização à temperatura de 1050ºC, que foi a maior temperatura empregada no presente estudo. Os resultados encontram-se na Figura 2. Entre 600s (10min) e 2400s (40min), não existiu aumento significativo no tamanho de grão, mantendo-se em torno de 55 µm. Entre 3600s (1h) e 57600s (16h) de tempo de austenitização, o incremento no tamanho médio de grão austenítico foi de apenas 15%, atingindo como máximo 70 µm.

Em função dos resultados apresentados nas Figuras 1 e 2, é possível inferir que a temperatura de austenitização é mais importante e muito mais eficiente para promover crescimento de grão do que o tempo de austenitização. Analisando a Figura 1, é possível notar que, para um aumento de 50ºC (950ºC para 1000ºC e 1000ºC para 1050ºC), o incremento do tamanho médio de grão austenítico foi, respectivamente, 10% e 25%, independente da composição química da liga.

A Figura 3 mostra fotomicrografias representativas da liga B em diferentes temperaturas de austenitização. É possível notar que existe uma diferença expressiva na microestrutura, sendo de fácil visualização o crescimento de grão existente.

Trabalhos anteriores do grupo sugerem que um tamanho de grão austenítico menor contribui para um melhor efeito de memória de forma (Silva, 2008; Otubo, 2002; Otubo, 2007). Infelizmente não foram conduzidas análises sistemáticas até a presente data para avaliar essa hipótese. A transformação martensítica direta ocorre pela movimentação das discordâncias parciais de Shockley. Esse fenômeno causa deformação de cisalhamento, que será elasticamente acomodada principalmente nos contornos de grão. Essa acomodação pode ser favorecida em amostras com tamanho de grão menor, uma vez que maior será a área superficial ao redor do grão. Essa transformação ocorre quando as discordâncias parciais de Shockley movem-se entre os contornos de grão. Quanto menor o tamanho de grão, menor é a distância entre os contornos de grão e menor será o percurso das discordâncias parciais de Shockley. Se o grão é grande, a distância entre os contornos de grão é maior e, provavelmente, a energia envolvida será tão grande que, energeticamente, é mais favorável a nucleação de uma outra variante de martensita para aliviar/acomodar a tensão nesse momento. Uma vez que novas variantes são nucleadas, o movimento de retorno das discordâncias parciais de Shockley pode tornar-se mais difícil, conduzindo a uma deformação permanente, o que é prejudicial para o efeito de memória de forma. Portanto é importante encontrar uma maneira de elaborar uma liga que possibilite a obtenção de tamanho de grão austenítico mais refinado. Este é o objetivo do presente trabalho. Observou-se que a liga A é a que apresenta menor tamanho médio de grão austenítico.

4. Conclusão

As ligas B e C não apresentaram incremento de crescimento de grão até a temperatura de 900°C, mantendo tamanho médio de grão austenítico de ~30µm. Um crescimento de grãos pode ser observado para amostras austenitizadas entre 950ºC e 1050ºC, atingindo tamanho de grão de ~60 µm, ou seja, duas vezes maior.

A liga A não apresentou crescimento de grão significativo até a temperatura de 1000°C, e para uma mesma temperatura de austenitização, essa liga foi a que apresentou o menor tamanho médio de grão austenítico em relação às ligas B e C. Esse comportamento pode ser atribuído à composição química diferenciada para a liga A, com menor teor de manganês e maior teor de cromo.

Parece que a influência da temperatura de austenitização no crescimento de grão é mais expressiva e eficiente do que o tempo de tratamento (austenitização). Enquanto 50ºC (de 1000ºC para 1050ºC, usando 2400s) de aquecimento promove mais do que 24% de crescimento de grão, o aumento de 15h (de 1h para 16h, usando 1050ºC) no tempo de austenitização conduziu, a no máximo, 18% de aumento no tamanho de grão.

Em função dos resultados apresentados, pode-se supor que a liga A apresente melhor capacidade de recuperação de forma em relação às ligas B e C, devido ao seu menor crescimento de grão.

5. Referências bibliográficas

Artigo recebido em 25/06/2009 e aprovado em 19/01/2010.

• JEE, K. K., HAN, J. H., JANG, W. Y. Measurement of volume fraction of martensite in Fe-Mn based alloys. Materials Science and Engineering A 378, p.319-322, 2004.
• KAJIWARA, S. Characteristic features of shape memory effect and related transformation behavior in Fe-based alloys. Materials Science and Engineering A 273-275, p.67-88,1999.
• LI, C. L., CHENG, D. J., JIN, Z. H. Influence of deformation temperature on shape memory effect of Fe-Mn-Si-Ni-Cr alloy. Materials Science and Engineering A325, p.375-379, 2002.
• NASCIMENTO, F. C., RIGO, O. D., OTUBO, J., MEI, P. R., MOURA NETO, C. Evolução das fases formadas durante tratamentos termomecânicos em ligas inoxidáveis com efeito de memória de forma. In: CONGRESSO NACIONAL DE ENGENHARIA MECÂNICA - CONEM. Natal: 2000. (CDROM).
• NASCIMENTO, F. C., OTUBO, J., MEI, P. R., CARDOSO, L. P. Determinação das fases g, e e a' por difração de raios X em ligas inoxidáveis com efeito de memória de forma. In: CONGRESSO DA ABM, 55. Rio de Janeiro: 2000. (CDROM).
• OTUBO, J., MEI, P. R., KOSHIMIZU, S. Desenvolvimento de novos aços inoxidáveis com efeito de memória de forma. In: SEMINÁRIO BRASILEIRO DO AÇO INOXIDÁVEL, INOX'94, 4. São Paulo, 1994. p.131-136.
• OTUBO, J., MEI, P. R., KOSHIMIZU, S. Materiais com efeito de memória de forma: características principais e possíveis aplicações. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA MECÂNICA, 14. Bauru: 1997. (CDROM).
• OTUBO, J., NASCIMENTO, F. C., MEI, P. R., CARDOSO, L. P., KAUFMAN, M. J. Influence of austenite grain size on mechanical properties of stainless SMA. Materials Transactions, v.43, n.5, p.916-919, 2002.
• OTUBO, J., MEI, P. R., LIMA, N. B., SERNA, M. M., GALLEGO, E. O efeito do tamanho de grão austenítico no número de orientações das variantes de martensita em ligas inoxidáveis com efeito de memória de forma. REM - Revista Escola de Minas p.129-134, 2007.
• SILVA, C. E., OTUBO, J. Influência da temperatura de solubilização no tamanho de grão austenítico de ligas à base de Fe-Mn-Si com efeito de memória de forma: resultados preliminares. In: CONGRESSO DA ABM, 63. Santos: 2008. (CDROM).
• WEN, Y. H., YAN, M., LI, N. Remarkable improvement of shape memory effect in Fe-Mn-Si-Cr-Ni-C alloy by ageing with deformation. Scripta Materialia, 50, p.835-838, 2004.

A influência do tempo e da temperatura de austenitização e da composição química na microestrutura de ligas inoxidáveis com efeito de memória de forma

The influence of austenitizing and chemical composition on the microstructures of shape memory stainless steel

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  08 Abr 2010
• Data do Fascículo
  Mar 2010

Histórico

• Recebido
  25 Jun 2009
• Aceito
  19 Jan 2010