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PROPRIEDADES MECANICAS RELACIONADAS COM A

MICROESTRUTURA DE AÇOS AVANÇADOS DESTINADOS À INDÚSTRIA

AUTOMOBILISTICA

A.R.Faria Neto, A.Harada, M.S.Pereira

Av. Dr. Ariberto Pereira da Cunha, 333.

CEP: 12516-410 – Guaratinguetá/SP

[email protected]

Universidade Estadual Paulista

Faculdade de Engenharia – Campus Guaratinguetá

Departamento de Materiais e Tecnologia

RESUMO

Este artigo tem por objetivo apresentar a caracterização microestrutural de

aços avançado utilizados em juntas soldadas a laser de diferentes espessuras, ou

seja, Tailored Blanks. Os aços utilizados foram os aços TRIP, LC, BH e IF em forma

de placas soldadas. Além de analisar os aços antes do processo de soldagem a

laser, o trabalho também mostra as microestruturas dos aços utilizados após este

processo. O estudo microscópico dos materiais soldados em espessuras diferentes

é de suma importância, pois através dela podemos caracterizar os materiais

soldados e analisar o seu comportamento em um processo que gera tensões e

defeitos microestruturais, que podem ser fatais quando o material é solicitado em

sua aplicação.

Palavras-chave: Blanks, Aços Avançados, Caracterização microestrutural.

TTT 2012 - VI Conferência Brasileira sobre Temas de Tratamento Térmico17 a 20 de Junho de 2012, Atibaia, SP, Brasil

403

mailto:[email protected]

INTRODUÇÃO

O projeto ULSAB (Ultralight Steel AutoBody) foi um esforço da comunidade

siderúrgica mundial, através de um consórcio que englobou 35 produtores de aços,

de 18 diferentes países, dos cinco continentes, no sentido de buscar soluções

globais para a indústria automobilística, tendo o aço como a principal opção de

material a ser aplicado na fabricação de automóveis.

O projeto ULSAB também pode ser identificado como uma reação tecnológica

dos produtores de aços, em resposta ao crescimento percentual de aplicação de

diferentes materiais na indústria automobilística, em especial do alumínio e do

plástico.

Anteriormente a esta reação tecnológica propiciada pelo projeto ULSAB, a

indústria do aço realizou apenas algumas ações isoladas através das montadoras ou

das indústrias fornecedoras de autopeças. Algo como redefinição de projetos de

componentes ou de conjuntos de peças manufaturadas a partir de peças brutas de

aços, com pequenos ganhos na redução de peso e na diminuição de custos dos

veículos, mas certamente insuficientes para enfrentar, por exemplo, o projeto do

veículo Audi A8, produzido quase integralmente de alumínio.

O projeto ULSAB pode ser dividido em duas etapas. A primeira fase,

denominada de conceitual, tratou de um estudo aprofundado para criação de um

projeto revolucionário de uma estrutura principal da carroceria de um veículo, a

segunda fase pode ser definida como a etapa da validação. A estrutura, inicialmente

desenvolvida, foi manufaturada, pesada e testada, validando os resultados da fase

conceitual e atingindo, ou superando, os objetivos propostos na primeira fase do

projeto. A estrutura se mostrou leve, segura, executável e viável economicamente.

Ao final, foi realizada uma etapa suplementar, denominada de desenvolvimento

do veículo, para que fossem construídos e analisados automóveis completos,

produzidos dentro da filosofia, ULSAB, com a aplicação de componentes de veículos

já existentes, tais como motores, suspensões, interiores, etc.

Os materiais AHSS são aços multifásicos, os quais contêm martensita, bainita

e/ou austenita retida, apresentando como característica principal alta capacidade de

encruamento devido à baixa, relação entre o limite de escoamento (LE) e o limite de

resistência (LR).

Os aços multifásicos incluem os de dupla fase (DP), de plasticidade induzida


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por transformação (TRIP) e de fases complexas (CP). Os bainíticos (SF), usados em

componentes da suspensão, são uma sub-série dos produtos de dupla fase (DP),

onde a martensita é substituída pela bainita. Também fazem parte dos multifásicos

os aços martensíticos (MART), que oferecem a maior resistência mecânica do

grupo, atingindo até 1.500 MPa. Outro aspecto importante está relacionado ao

aumento da resistência após conformação e pintura - Bake Hardenahility.

Os aços AHSS exibem maiores taxas de encruamento que os aços

convencionais HSLA e, dessa forma, têm grande potencial para absorção de energia

em combinação com uma boa capacidade de conformação.

Os veículos do projeto ULSAB-AVC incorporam inovações únicas para atingir,

em testes de impacto, a classificação cinco estrelas. A combinação de AHSS e alta

tecnologia de fabricação resultaram em uma carroceria que contém exatos 81

conjuntos principais, contribuindo para a eficiência estrutural e para o baixo custo.

A estampagem ainda é o processo dominante (70%), embora a

hidroconformação tenha crescido em importância. Taylored blanks e tailored tubes

foram outros processos bastante utilizados.

O conceito básico do tailored blank é unir ou costurar uma ou mais espessuras

com blanks diferentes, onde essa união é feita através de brasagem laser. Podemos

ter diversas configurações de espessuras, porém a relação de espessuras de 2:1

raramente é ultrapassada. A ideia é utilizar espessuras menores onde ocorra uma

menor solicitação de esforços, e espessuras e/ou um aço de maior resistência em

regiões que sofrem maiores esforços e solicitações.

MATERIAIS E MÉTODOS

Materiais

O Departamento de Materiais e Tecnologia da Universidade Estadual Paulista

“Júlio de Mesquita Filho“ – UNESP recebeu o material utilizado, em forma de chapas

já soldadas a laser em diferentes espessuras. Cada placa de aço foi soldada a outra

placa de aço TRIP. A composição química dos aços estudados neste trabalho está

representada pelas porcentagens dos elementos de liga (% em peso) na Tabela I.


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Tabela I – Composição química dos aços.

C Si Mn Ni Mo Ti V Nb

BH 0,0 0,1 0,3 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

IF 0,0 0,0 0,2 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

LC 0,0 0,0 0,6 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

TRIP 0,2 0,9 0,3 <0,001 0,0 <0,001 <0,001 <0,001

Metalografia

Após recebimento das chapas, foram cortadas amostras em menores

dimensões. As amostras confeccionadas para o embutimento foram cortadas

evitando-se o aquecimento do material, poupando assim possíveis mudanças nas

suas características microestruturais e, consequentemente, nas suas propriedades

mecânicas.

Posteriormente embutiram-se as amostras. Neste trabalho utilizou-se o

embutimento a quente, devido à rapidez e reprodutibilidade neste tipo de processo.

O embutimento a quente consiste em aquecer uma resina em pó (para estes ensaios

utilizou-se a baquelite) em altas temperaturas e com elevada pressão, para que a

resina se solidifique, embutindo a amostra. A realização do embutimento é muito

importante, permitindo melhor manuseabilidade com a amostra nas etapas

posteriores de preparação.

Após o embutimento das amostras iniciou-se o processo de lixamento. As

amostras foram lixadas com lixas d’ água, com a seguinte sequência granulométrica:

220, 320, 400, 600, 1000, 1200 e 1500 mesh. A cada troca de lixa rotacionou-se a

face do corpo-de-prova a ser lixado num ângulo de 90°, até que os riscos fiquem

paralelos uns aos outros. Após o lixamento, foi realizado o processo de polimento

nas amostras. Com o polimento foram retiradas todas as impurezas e riscos que o

processo de lixamento não consegue atingir. Para o polimento utilizou-se um pano

para polimento e um abrasivo. O abrasivo utilizado neste trabalho foi o OPU. A

próxima etapa foi a da preparação do ataque químico, sendo utilizado Nital 2% e

LePera 1:1. A visualização da microestrutura foi feita no microscópio óptico Ephiphot

100 – Nikon.


406

Microestrutura

A análise microestrutural dos aços avançados tem como objetivo apresentar e

discutir as diferentes fases encontradas nos materiais através da aplicação do

reagente químico Nital 2%. O ataque químico com Nital 2% revelou claramente os

contornos de grãos das fases presentes nos aços. Apenas com esse ataque pode-se

identificar a fase ferrítica em tom mais claro e as outras fases que constituem o

material em tom escuro. Os ataques químicos foram feitos com tempos entre 10 e 15

segundos dependendo do material a ser atacado. Todas as amostras atacadas são

longitudinais em relação ao sentido de laminação. As Figuras de 01 a 04 ilustram a

micrografia dos aços avançados com o reagente Nital 2% e aumento de.

Figura 01 – Aço LC 200x.

Figura 02 – Aço BH 200x.


407

Figura 03 – Aço IF 200x.

Figura 04 – Aço TRIP 500x.

Pode-se observar nas figuras de 01 a 03, que os três aços são compostos

apenas pela fase ferrítica, portanto o reagente de Nital é ideal para a sua

caracterização, pois ele revela os contornos de grãos definindo a fase do material.

Por possuir apenas a fase ferrítica estes três aços possuem baixa dureza, mas maior

ductilidade. Já o aço TRIP não se consegue caracterizar apenas com o reagente de

Nital, pois este quatro diferentes tipos de microestrutura, a matriz ferrita, que no

ataque de Nital se encontra em tons mais claros e as microestruturas bainitica,

martensitica e austenitica, que no reagente de Nital formam a região mais escura.

Portanto, é necessário a utilização do reagente de LePera para a

caracterização microestrutural completa do aço TRIP. A Figura 05 mostra o ataque

realizado com LePera.


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Figura 05 – Aço TRIP 500x.

Analisando a Figura 05 observa-se a diferença entre os ataques químicos Nital

e LePera. Com o reagente LePera, consegue-se diferenciar três fases: a região azul

representa os grãos de ferrita, a região marrom representa os grãos de bainita e

a região mais clara os grãos de martensita juntamente com os de austenita retida.

Desta forma nota-se que existe um predomínio de estrutura ferrítica, seguido da

estrutura bainítica e em menor quantidade a estrutura martesitica/austenitica.

Após os resultados das micrografias consegue-se obter as frações

volumétricas dos aços utilizando o software ImajeJ.

Tabela II – Frações volumétricas

Com a análise das frações volumétricas pode-se obter em números o que se

via nas micrografias, aços IF, BH e LC são formados por ferrita somente, a fração

não chega a cem por cento devido ao programa excluir os contornos de grãos que

ficam com tons mais escuros que os grãos de ferrita. Já o aço TRIP é constituído de

uma matriz ferritica, considerável quantidade de bainita e austenita e martensita em

quantidades que garantem as características mecânicas do aço.

Após a caracterização microestrutural dos aços, fez-se a caracterização dos

mesmos, agora, soldados a laser e ensaio de microdureza. A soldagem a laser foi

feita da seguinte forma, soldou-se uma chapa de cada tipo de aço a uma chapa de

Aço Ferrita Austenita Retida

Martensita Bainita

BH 98,86 - - -

LC 99,00 - - -

IF 96,73 - - -

TRIP 53,90 9,00 37,10


409

aço TRIP, ou seja, obteve-se a seguinte sequencia de soldagem, TRIP-BH, TRIP-LC

E TRIP-IF. O material foi recebido já soldado.

Na região da solda, obteve-se uma região característica, uma região caótica

onde se predomina a martensita, figura 06. O aço TRIP foi pouco afetado pela solda,

apresentando um crescente crescimento da fase martensitica na região perto da

solda. Figura 07.

Figura 06 – Região soldada. Longitudinal. Aumento de 500x. Nital 2%.

Figura 07 – Efeito da solda no aço TRIP. Longitudinal. Aumento de 500x. Nital 2%.

Já os aços moles, que apresentam apenas ferrita em sua microestrutura,

sofreram grande influência do processo. A região imediatamente após a solda

apresentou um significativo crescimento dos grãos, formando uma região de grãos

grosseiros, a solda também influenciou na microdureza dos materiais. Figuras 08 a

10.


410

Figura 08 – Efeito da solda no aço BH. Longitudinal. Aumento de 200x. Nital 2%.

Figura 08 – Efeito da solda no aço LC. Longitudinal. Aumento de 200x. Nital 2%.

Figura 08 – Efeito da solda no aço IF. Longitudinal. Aumento de 200x. Nital 2%.

Microdureza

Para a análise das microdurezas, foram feitos 18 pontos em 6 diferentes

regiões das amostras. Esses 18 pontos foram divididos em 3 linhas mutuamente

paralelas obtendo-se assim 3 pontos por região. As regiões para análise foram: A


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região do Aço TRIP800 longe da solda, a região do Aço TRIP800 afetada pela solda,

duas regiões da solda, uma no início e outra no fim do cordão de solda, a região

imediatamente após a solda e a região do outro aço longe da solda.

Os valores das microdurezas são a média dos três pontos de cada região. Com

estes valores de microdureza, construiu-se um gráfico no qual se tem uma visão

mais clara do comportamento da microdureza de cada material quando este

submetido à soldagem. O ensaio foi feito em escala de dureza Vickers (HV). Figura

09.

Figura 09 – Microdureza das amostras soldadas.

A região 1, representa a microdureza do aço TRIP-800, um aço multifásico que

contendo partículas duras em uma matriz onde a fase é mole apresenta microdureza

com padrões médios. Na região 2 , o aço sofre transformações e é onde se tem a

maior microdureza, pois predomina a fase martensítica. As regiões 3 e 4 também

são regiões de elevada microdureza pois é uma região caótica com predomínio da

martensita Já a região 5, imediatamente após a solda, não é afetada em sua

microdureza pelo calor, o que ocorre é a penas um crescimento do grão ferritico. A

região 6 apresenta microdureza semelhante a região 5 mas com grão nos tamanhos

normais. O aumento do tamanho do grão pode ser prejudicial, pois contornos de

grãos são regiões de elevada energia que tendem a barrar defeitos como

discordâncias. A elevada microdureza também pode ser prejudicial, pois com o

aumento da dureza ocorre uma fragilização do material na área da solda.


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CONCLUSÕES

Baseado nos resultados obtidos das análises microestruturais e do ensaio de

microdureza, pode-se concluir que:

i. Aços multifásicos apresentam uma microestrutura mais complexa do que

os aços isotrópicos.

ii. A tecnologia de junção através de soldagem a laser de tailored blanks, vem

auxiliar a necessidade de aliar duas ou mais propriedades antagônicas e

reduzir peso e tamanho. Mas o seu uso incorreto pode acarretar em danos a

estrutura dos materiais.

iii. A importância na redução de peso e na obtenção de estruturas com

multipropriedades distintas está ligada não somente com a preservação do

meio ambiente, que hoje é uma questão discutida em qualquer projeto, mas

também com a melhora do desempenho dos veículos sem o comprometimento

da segurança e dirigibilidade.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. PEREIRA, M. S., 2009. Novos aços para a indústria automobilística. II

Simpósio de Tecnologia – FATEC

2. SOUZA, S. A. de, 1982. Ensaios mecânicos de materiais metálicos.

Editora Blucher. Primeira Edição.

3. ULTRALIGHT STEEL AUTO BODY FINAL REPORT, 1998

4. ULSAB – Advanced Vehicle Concepts, 2002. Abril. Advanced Materials

and Processes.

5. PEREIRA, M. S. Caracterização Microestrutural e Mecânica de um Aço

Multifásico, em Consonância com o Projeto ULSAB - AVC. 2004. 98f. Tese

(Livre Docência em Engenharia Mecânica – Projetos e Materiais) – Faculdade

de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista,

Guaratinguetá, 2004.


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MECHANICAL PROPERTIES RELATED TO THE MICROSTRUCTURE OF

ADVANCED STEELS FOR THE AUTOMOTIVE INDUSTRY

ABSTRACT

This paper aims to present the microstructural characterization of steels used in

advanced laser welded joints of different thicknesses, i.e. Tailored Blanks. The steels

used were as TRIP steel, LC, BH and IF steels in the shape of plates welded.

Besides analyzing the steels before the laser welding process, the work shows the

microstructures of steels used after this process of brazing. Microscopic study of

welded materials in different thicknesses is of paramount importance, since through

it, we can characterize the welded materials and analyze their behavior to a process

that generates tensions and hence microstructural defects that can be fatal when the

material is requested in its application.

Keywords: Blanks, Advanced Steels, Microstructural characterization.


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