O Microestrutura e textura cristalográfica de um aço C-Mn de grão ultra-fino

Microestrutura e textura cristalográfica de um aço C-Mn de grão ultra-fino

1. Introdução

1.1. Importância dos grãos ultrafinos para aços

Entre os diferentes mecanismos de fortalecimento, o refinamento de grãos é o único método para melhorar simultaneamente a força e a dureza. Portanto, os aços ultra-finos com composições químicas relativamente simples, reforçados principalmente pelo refinamento de grãos, têm grande potencial para substituir os aços de alta resistência ligados. Os principais benefícios por trás dessa estratégia são evitar elementos de liga adicionais, saltar tratamentos térmicos adicionais complicados, como recozimento suave, resfriamento e temperagem, e para melhorar a soldabilidade devido ao conteúdo reduzido de carbono e outros elementos de liga quando comparados com a resistência elevada e aços temperados. Uma outra área de potencial elevado de aços ultra-finos é o domínio da superplasticidade de alta taxa de deformação a temperaturas médias e elevadas.

Em geral, o termo grão ultrafino é utilizado para tamanhos médios de grão entre 1 e 2 μm de diâmetro; o termo estrutura submicrônica refere-se a tamanhos de grãos entre 100 e 1000 nm; e o termo nanoestrutura significa tamanhos de grãos abaixo de 100 nm.

1.2. Métodos de produção de aços ultra-finos

Nos últimos anos, tornou-se uma questão mundial para desenvolver processos de fabricação para obtenção de aços ultra-finos. Atualmente, existem dois grupos principais de métodos de laboratório para refinação de grãos de ferrite para o regime de grãos ultrafinos em aços a granel. O primeiro grupo compreende as várias técnicas de deformação plástica severa (SPD). O segundo grupo compreende processos termomecânicos avançados.

As técnicas SPD visam a produção de aços ultra-finos com diâmetros médios de grãos no regime submicron por meio de estirpes plásticas muito grandes. As principais técnicas de SPD são pressionamento angular de canal igual (ECAP) [1,2], ligação de rolo acumulativo (ARB) [3,4] e deformação bi-direcional [5]. As estirpes plasmáticas acumuladas necessárias para obter grãos de tamanho submicrónico por SPD são da ordem de 4 usando ECAP e da ordem de 5-6 usando o processo ARB, respectivamente (cepas logarítmicas verdadeiras). Para os métodos SPD, um caminho de deformação bem projetado é mais importante e também mais viável do que um caminho de temperatura controlado com precisão.

Os processos termomecânicos avançados, em contraste, buscam estratégias de microestrutura alternativas para produzir grãos de ferrite ultrafinas, por exemplo, explorando a transformação de ferrite induzida por deformação (isto é, transformação em vez de após deformação) [6], recristalização dinâmica da austenita durante a deformação a quente com subsequente transformação de γ → α (austenita para ferrite) [7], laminagem a quente na região intercrítica (ou seja, na região austenita + ferrite de duas fases) [8] e / ou recristalização dinâmica da ferrite durante o rolamento a quente [9] . A Tabela 1 apresenta um resumo das várias técnicas de processo, dos tamanhos de grãos de ferrite obtidos para vários tipos de aços e dos mecanismos microestruturais associados sugeridos pelos respectivos autores.

Em comparação com os métodos SPD, as rotas de processamento termomecanico avançadas requerem uma tensão logarítmica acumulada relativamente baixa de cerca de 2,2-3,6 para produzir aços ultra-finos (exceto para a técnica de transformação de ferrite induzida por deformação que tipicamente requer menor deformação). Outra diferença importante entre as duas abordagens é que os métodos avançados de processamento termomecânico são menos eficazes em relação ao refinamento de grãos, mas são mais eficientes em relação aos tamanhos de amostra grandes quando comparados aos métodos SPD. Uma questão importante nesse contexto, no entanto, é que, no caso de grandes tamanhos de amostra, a tensão e os caminhos de refrigeração devem ser cuidadosamente controlados, uma vez que são parâmetros fundamentais para governar o tamanho final do grão dentro de janelas de processo relativamente pequenas.

Outra diferença entre esses dois grupos de métodos é que os métodos termomecânicos avançados são processos contínuos e só podem funcionar quando eles exploram a transformação de fase. Os métodos SPD, por outro lado, são preferidos para materiais relativamente macios devido às grandes estirpes acumuladas necessárias (as cepas logaritmicas são sempre maiores que 4) quando se pretende produzir amostras com microestruturas ultrafinas.

1.3. Escopo deste estudo

Neste estudo, introduzimos um novo conceito para a produção de aços ultra-finos C-Mn por processamento termomecânico. Em particular, um esforço considerável foi feito para entender os detalhes da evolução da microestrutura e textura cristalográfica durante a deformação quente de deformação grande e posterior tratamento de recozimento usando microscopia eletrônica de varredura de emissão de campo (FE-SEM) e difração de retrodifusão de elétrons de alta resolução ( EBSD). A influência das partículas de cementite finas na formação de microestruturas ultrafinas e, em particular, no processo de recuperação foram estudadas pelo uso de microscopia eletrônica de transmissão (TEM).

Ao estudar os mecanismos fundamentais associados à formação de microestruturas de grãos ultrafinos no decurso das rotas termomecânicas investigadas neste trabalho, esperamos desenvolver abordagens bem adaptadas e microestruturadas para a produção em grande escala de aços ultra-finos.

2. Métodos experimentais

2.1. Preparação de amostras e configuração experimental

A Tabela 2 mostra a composição química do aço C-Mn simples usado neste trabalho. A temperatura de Ae3 calculada (temperatura de transformação de austenita em equilíbrio para ferrite) é de 1093 K [14]. As amostras de laboratório foram usinadas diretamente do lingote fundido em amostras de paralelepípedos retangulares de 50 × 40 × 60 mm3 (largura × comprimento × altura). Os testes de compressão de deformação plana foram conduzidos usando uma pressão quente de 2,5 MN em grande escala no Max-Planck-Institut für Eisenforschung [15].

2.2. Esboço das rotas experimentais

Todos os espécimes foram pré-processados ​​por uma via de austenitização e resfriamento idênticos, de modo a fornecer uma microestrutura homogênea de ferrite e perlita antes da aplicação das diferentes técnicas termomecânicas reais. Este procedimento foi conduzido da seguinte forma: Uma vez que o refinamento da austenita é essencial para a obtenção de pequenos grãos após a transformação, os experimentos foram realizados com baixa temperatura de austenitização. Após o reaquecimento com uma taxa de aquecimento de 10 K / s, as amostras foram austenitizadas a 1193 K (100 K acima de Ae3) durante 3 minutos para obter um tamanho de grão austenítico fino. Após o arrefecimento do ar para 1143 K, foi exercida uma passagem de deformação de um passo impondo uma tensão logarítmica de ε = 0,3 a uma taxa de deformação de 10 s-1 de modo a obter austenite totalmente recristalizada. Seguiu-se um procedimento de resfriamento controlado até a temperatura de acabamento da perlita de 823 K a uma taxa de resfriamento de 6.5 K / s, que é a taxa de resfriamento máxima para obter uma microestrutura de ferrite-perlita sem bainita. Após este tratamento primário idêntico para todos os espécimes, foram realizadas as seguintes rotas experimentais para fornecer conjuntos de diferentes estados de amostra: