The influence of austenitizing and chemical composition on the microstructures of shape memory stainless steel
http://dx.doi.org/10.1590/S0370-44672010000100006
Christian Egidio da SilvaI; Jorge OtuboII
IGerdau Aços Especiais Brasil Pindamonhangaba, SP E-mail: christianegidio@gmail.com
IIInstituto Tecnológico de Aeronáutica, Divisão de Engenharia Mecânica, Departamento de Tecnologia, São José dos Campos, SP E-mail: jotubo@ita.br
Palavras-chave: Efeito de memória de forma, Fe-Mn-Si-Ni-Cr, tratamento térmico, aço inoxidável.
Keywords: Shape memory alloy, Fe-Mn-Si-Ni-Cr, heat treatment, stainless steel.
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.
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.
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.
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.
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