v62n2a07

167REM: R. Esc. Minas, Ouro Preto, 62(2): 167-173, abr. jun. 2009

Jefferson Fabrcio Cardoso Lins et al.

AbstractThe present work reports the results of

microstructural characterization performed in

adiabatic shear bands forced in titanium-stabilized IF

steel to evaluate damage formation and growth. Dynamic

compression tests were done at -196C under large

strain rates (> 5.0104 s-1) with the aid of a Split

Hopkinson Bar. Scanning electron microscopy (SEM)

was employed to investigate the shear regions and the

fracture surfaces in detail. The dynamic recrystallization

within ASB was the precursor event and provided a

path for crack propagation. It can be concluded that

the failure of the material was the result of the cleavage

process driven by the presence of deformation twins and

slip bands.

Keywords: IF Steel, dynamic compression, adiabatic

shear bands, dynamic recrystallization, deformation

twins, fracture.

Metalurgia & Materiais

Aspectos microestruturais da falha de um ao IFdeformado via compresso dinmica a -196C

(Microstructural aspects of failure of an IF steel deformed bydynamic compression at -196C)

Jefferson Fabrcio Cardoso Lins

Professor Adjunto, Departamento de Engenharia Metalrgica e Materiais, EEIMVR/UFF, Volta Redonda - RJE-mail: [email protected]

Hugo Ricardo Zschommler Sandim

Professor Doutor, Departamento de Engenharia de Materiais, EEL/USP, Lorena - SP. E-mail: [email protected]

Kenneth S. Vecchio

Professor, Department of NanoEngineering, University of California, San Diego - UCSD9500 Gilman Drive, San Diego, CA 92121-0448, La Jolla, USA. E-mail: [email protected]

ResumoO presente trabalho reporta os resultados da carac-

terizao microestrutural realizada em bandas de cisalha-mento adiabticas induzidas num ao IF estabilizado aotitnio, visando a avaliar a formao e o crescimento dedanos. O material foi deformado via compresso dinmi-ca sob altas taxas de deformao (> 5,0104 s-1) numabarra de impacto de Hopkinson a -196C. A observaodetalhada das regies de cisalhamento e das superfciesde fratura foi realizada via microscopia eletrnica de var-redura (MEV). A recristalizao dinmica no interior dasbandas de cisalhamento adiabticas foi o evento precur-sor, que permitiu um caminho para a propagao das fis-suras. Pode-se concluir que a fratura do material foi oresultado de um processo de clivagem dirigido por ma-clas de deformao e bandas de deslizamento.

Palavras-chave: Ao IF, compresso dinmica, bandasde cisalhamento adiabticas, recristalizao dinmica,maclas de deformao, fratura.

REM: R. Esc. Minas, Ouro Preto, 62(2): 167-173, abr. jun. 2009168

Aspectos microestruturais da falha de um ao IF deformado via compresso dinmica a -196C

1. IntroduoOs primeiros estudos sobre o com-

portamento mecnico dos metais sobcondies de carregamento de naturezadinmica foram conduzidos por JohnHopkinson, no ano de 1872, com o intui-to de se medir a resistncia dinmica defios metlicos. Nos dias atuais, esse t-pico tem sido investigado pelo setor in-dustrial, visando, principalmente, a apli-caes militares e, tambm, ao controlede qualidade de materiais para aplicaesautomotivas e aeronuticas. O potencialtecnolgico envolvido nesse tema seconcentra, basicamente, no estudo dediversas operaes especiais, tais comoensaios balsticos, soldagem de peasou chapas por exploso, deformao emtemperaturas criognicas e a conforma-o mecnica de alta velocidade (Rogers,1979).

Os metais dcteis, quando so sub-metidos a processos de deformao pls-tica severa, podem sofrer fratura repen-tina, sendo que tal fato ocorre quandoduas ou mais partes de um corpo ficamsob a ao direta de tenses monotni-cas ou cclicas. O processo governadopela acumulao e propagao de da-nos e se caracteriza por apresentar umaforte dependncia, tanto do modo e dataxa de deformao aplicada, quanto damicroestrutura (tamanho de gro, densi-dade de discordncias, estrutura doscontornos / subcontornos e das fases epartculas presentes) do material.

A formao e a evoluo microes-trutural associada s bandas de cisalha-mento adiabticas exercem um importantepapel durante o processo de falha demetais dcteis sob condies dinmicasde carregamento. As heterogeneidadesde deformao aparecem como o resul-tado da ao de um estado de elevadastenses heterogneas em decorrncia deuma instabilidade durante o processo dedeformao plstica. De uma forma ge-ral, essas bandas so geradas, principal-mente, pelo escorregamento em regiesde mxima tenso macroscpica de cisa-lhamento e em planos em que a deforma-o ocorre mais facilmente. Por defini-o, as bandas de cisalhamento adiab-ticas so produtos de um processo

bastante intenso e localizado de defor-mao plstica em tempos muito curtos(Timothy, 1987). Nesse tipo de proces-so, no h tempo suficiente para a dissi-pao do calor para as vizinhanas daregio cisalhada, ocasionando, portan-to, uma elevao de temperatura nesseslocais. Essa elevao da temperaturapode disparar processos de recristaliza-o e/ou recuperao dinmica, amorfi-zao e transformao de fases. A litera-tura reporta a ocorrncia desses fen-menos no cobre, ferro, metais refratri-os, ligas de alumnio, cermicas e em al-guns tipos de aos (Timothy, 1987). Nes-se contexto, tais bandas so locais pre-ferenciais para a nucleao, crescimentoe coalescimento de danos, que, por con-seqencia, podem causar a falha catas-trfica de um metal dctil, sem que ocor-ra um considervel processo de defor-mao plstica associado.

Nesse trabalho, foram avaliados aformao e o papel dos danos no proces-so de fratura de um ao IF (InterstitialFree) deformado via compresso din-mica sob condies controladas a -196C.Os testes foram realizados sob altas ta-xas de deformao (> 5.104 s-1) em cor-pos-de-prova especiais com formato dechapu para induzir a formao de ban-das de cisalhamento adiabticas. A mi-croestrutura e a superfcie de fratura dasamostras, aps os ensaios, foram obser-vadas com o auxlio da tcnica de mi-croscopia eletrnica de varredura(MEV).

2. Materiais e mtodos2.1 Material

O ao IF estabilizado ao titnio foifornecido na forma de chapa pela Com-panhia Siderrgica Nacional (CSN) epossua uma largura de 250 mm, compri-mento de 300 mm e espessura de 38 mm.A composio qumica em % em pesodesse ao consiste em 0,003C, 0,19Mn,0,027P, 0,005S, 0,011Si, 0,0025N, 0,005O,0,049Al, 0,001Nb, 0,003V, 0,069Ti. O his-trico detalhado do processamento in-dustrial do material, juntamente com osresultados da caracterizao microestru-

tural e da textura cristalogrfica, foi re-portado anteriormente por Lins, Sandime Kestenbach (Lins, 2007).

2.2 Mtodos

As amostras de ao IF foramsubmetidas a altas taxas de deformao(> 5,0.104 s-1) via compresso dinmica a-196C. Os corpos-de-prova possuamformato de chapu e simetria cilndri-ca (Figura 1a). Essa geometria especialpermitiu induzir a formao de bandasde cisalhamento adiabticas durante oprocesso de deformao numa regio es-pecfica do espcime. Para a confecodos cilindros, a seo transversal da pla-ca de ao IF foi submetida a um proces-so de usinagem mecnica nas mesmasdimenses que aparecem indicadas naFigura 1a. Os espcimes foram mantidosimersos em nitrognio lquido at que seatingisse a temperatura do teste. Parafins prticos, considera-se desprezvel oaquecimento da amostra aps a sua in-sero na barra de impacto. A Figura 1bmostra um desenho esquemtico do ar-ranjo experimental utilizado no ensaio.Antes de cada teste, era colocado juntoao corpo-de-prova um anel limitador (AL)de ao AISI 4340, cuja espessura varioude 3,0 a 6,5 mm. Esse anel determinou adeformao cisalhante (), que foi intro-duzida no material. A Figura 1b mostra,de forma esquemtica, a regio do cor-po-de-prova em que ocorre a concentra-o da deformao aplicada. A deforma-o cisalhante foi calculada, de formaaproximada, a partir da razo entre o des-locamento () da parte superior e inferiordo corpo-de-prova e a espessura da re-gio central da banda de cisalhamentoadiabtica () formada. A espessura foimedida com o auxlio da tcnica de mi-croscopia tica (MO) de campo escuro econfirmada via MEV. A Tabela 1 mostra anomenclatura de cada conjunto de amos-tras em funo da espessura do anel li-mitador (AL), a durao de cada teste (t)e a respectiva taxa de deformao cisa-

lhante (

).



3. Resultados ediscusso

A Tabela 2 mostra os resultados dodeslocamento dos corpos-de-prova tes-tados e da espessura de cada banda decisalhamento induzida. Vale ressaltar quea medida da largura da banda () foi rea-lizada na posio correspondente me-tade do seu comprimento. Adotou-se,como comprimento mdio das bandas, area til entre as fissuras que foram ob-servadas em todas as amostras testadas.A largura da banda de cisalhamento nodeve ser considerada constante em todaa sua extenso, conforme mostra, emdetalhes, a Figura 2. Assim sendo, estemtodo de determinao da largura nopode ser considerado muito rigoroso, emrazo de existir uma alta deformao lo-calizada, tanto na parte superior, quantoinferior da amostra (Chen, 1999). No en-tanto, a razo entre o deslocamento () ea largura da banda () descreve bem oestado de tenses de cisalhamento purona regio cisalhada (Andrade, 1994).

Os resultados indicaram que, como decrscimo da espessura do anel limi-tador, uma maior deformao cisalhantefoi introduzida nas amostras. Alm dis-so, deve-se ressaltar que a elevada de-formao aplicada levou o material afraturar parcialmente (amostra A-4) ou

Figura 1 - Desenho esquemtico do: a) corpo-de-prova cilndrico do tipo chapu referente a um corte da seo transversal(dimenses em milmetros); b) sistema simplificado de compresso dinmica numa barra de impacto Hopkinson mostrando as bandas

de cisalhamento formadas no corpo-de-prova durante o impacto.

Tabela 1 - Nomenclatura dos corpos-de-prova de ao IF e os respectivos parmetrosdo ensaio de compresso dinmica.

Tabela 2 - Resultados do deslocamento () e da largura da banda de cisalhamento ()induzida nas amostras de ao IF estabilizado ao titnio pelo ensaio de compresso

dinmica e tambm do clculo da deformao cisalhante ().

* Amostra fraturada parcialmente; Amostra fraturada.



totalmente (amostra A-5). Alm disso,notou-se que a largura mdia das ban-das () diminua, enquanto que a defor-mao cisalhante () introduzida aumen-tava. Esse resultado encontrado diferebastante dos apresentados para as amos-tras similares de tntalo com formato dechapu que foram testadas a 25C sob umataxa de deformao da ordem de 3.103 s-1

(Prez-Prado, 2001). No caso do tntalo,foi observado que aumentava com oaumento de . Contudo nenhuma infor-mao a respeito da textura inicial domaterial e do seu tamanho de gro foireportada. Vale ressaltar que a rota in-dustrial de fabricao desse material leva formao de uma textura de recristali-zao do tipo {111} aps a etapade recozimento (Raabe, 1992). Esses pa-rmetros microestruturais so conside-rados relevantes na extenso da locali-zao de deformao num slido. Almde as taxas de deformao (> 5,0.104 s-1)aplicadas nos testes conduzidos a-196C serem consideravelmente maio-res, pode-se sugerir que o comportamen-to diferenciado do ao IF tambm podeser devido ausncia de uma forte tex-tura inicial no material de partida, a umadistribuio de tamanho de gro relati-vamente grosseira (55 6m) e, princi-palmente, a menor energia de defeitode empilhamento (EDE) do material(~320 mJ/m) em comparao exibidapelo tntalo (~1460 mJ/m). Por essas ca-ractersticas, espera-se que a extensoda recuperao microestrutural do aoIF seja relativamente menor e que, porconseqncia, a localizao de deforma-o seja bastante facilitada em compara-o ao tntalo. De uma forma geral, fo-ram induzidas bandas de cisalhamentono material levando formao de umaserie de danos, principalmente fissurasna parte superior e inferior das regiescisalhadas.

A subestrutura encontrada no in-terior dessas bandas formada por umafina estrutura lamelar com espessura va-riando entre 0,15-0,40 m. Sabe-se quealguns desses contornos lamelares pos-suem carter de alto ngulo, podendochegar a diferenas de orientao ()da ordem de 60 em metais de elevada

EDE (Hughes, 1997). Por outro lado, almdas lamelas, tambm foi observado umoutro tipo de estrutura em todas as amos-tras analisadas. A Figura 3 apresenta umexemplo desse tipo de estrutura convi-vendo com as lamelas. Em virtude docontraste cristalogrfico utilizado naobteno dessa micrografia via MEV,pode-se afirmar que novos gros commicroestrutura ultrafina (~0,3m) foramformados em toda a extenso da banda.Lins et al. (2007) apresentaram um estu-do detalhado da caracterizao microes-trutural e da textura cristalogrfica des-sas bandas induzidas nesse mesmo aoIF. Foi, tambm, reportada a existnciade novos gros no interior de bandas decisalhamento induzidas em testes con-duzidos a -50C e 25C com taxas de de-formao superiores a 2,8.104 s-1 causan-do uma elevao local da temperatura.Essa elevao permitiu a ativao de ummecanismo de recristalizao dinmicadenominado "Progressive SubgrainMisorientation recrystallization" (Hines,1998) no interior dessas bandas. Assimsendo, pode-se concluir que, no caso doao IF, a formao de gros ultrafinos

nessas bandas independe da tempera-tura do ensaio.

Nas Figuras 2 e 4, nota-se, clara-mente, uma elevada concentrao de da-nos como fissuras e cavidades nessasregies de cisalhamento. Sabe-se que taisregies podem ser consideradas comolocais bastante provveis de nucleaodas trincas, que, por conseqencia, le-vou formao das fissuras observadasno material. Esses danos foram observa-dos, em maior ou menor extenso, emtodas as amostras, dependendo da taxade deformao aplicada e, por conse-qencia, da elevada concentrao detenses decorrentes da formao e pas-sagem da banda de cisalhamento. Almdisso, a presena de vazios quase esf-ricos, de microtrincas e de fissuras nointerior das bandas sugere, fortemente,que o processo de fratura se iniciou nes-sas regies recristalizadas no interior dasbandas de cisalhamento. A Figura 4 mos-tra fortes evidncias microestruturaisdessa afirmao, pois se observam, cla-ramente, vrias fissuras no interior dabanda de cisalhamento. Sabe-se que es-

Figura 2 - Micrografia da amostra A-4 mostrando a regio que foi medida para sedeterminar a espessura da banda de cisalhamento () formada. DC representa a direo

de cisalhamento. MO - campo escuro. Notar que a seta branca indica uma cavidade

quase esfrica no interior da banda.



sas regies se caracterizam por serembastante macias em relao subestru-tura encontrada nas vizinhanas e que,tambm, desenvolveram uma textura derecristalizao (Lins, 2007). Assim sen-do, pode-se sugerir que essas caracte-rsticas contriburam, decisivamente, paraas falhas (fissuras) e os danos (cavida-des) observados nas regies de cisalha-mento. Alm desses detalhes, tambmse nota uma elevada frao de maclas dedeformao com morfologia lenticularnas regies vizinhas banda de cisalha-mento adiabtica. As maclas de defor-mao constituem um tipo de defeito cris-talino bidimensional e, tambm, podemsurgir a partir da ao de tenses cisa-lhantes sob altas taxas de deformao.Esse mecanismo alternativo de deforma-o plstica ocorre em situaes em queo escorregamento dos planos atmicos mais difcil de ser ativado. De uma for-ma geral, sua ocorrncia mais comumem materiais que apresentam poucos sis-temas de escorregamento, alta simetriada estrutura cristalina ou durante a de-formao plstica em baixas temperatu-ras e/ou em altas taxas de deformao.Em condies normais, as referidas ma-clas so formadas, principalmente, em me-tais com estrutura hexagonal compacta(HC), em metais e ligas com estruturacbica de faces centradas (CFC) e debaixa EDE e, mais raramente, em metaiscbicos de corpo centrado (CCC). O pro-cesso de deformao via escorregamen-to tem sido observado por vrios auto-res somente como um evento indepen-dente e solitrio. J a maclao sempreacompanhada ou precedida por micro-deslizamento mesmo que esse escorre-gamento seja difcil de ser detectado(Christian, 1995). Nesse contexto, vriosmodelos foram propostos, visando aentender a formao de maclas de defor-mao em metais CCC a partir do desliza-mento de discordncias. De acordo comalguns modelos disponveis na literatu-ra, as reaes de dissociao de discor-dncias governam o processo de nu-cleao de maclas (Christian, 1995, Sle-eswyk, 1962). Lins et al. (2007) tambmreportaram, em detalhes, a avaliao mi-croestrutural e da textura cristalogrficade maclas de deformao formadas nes-se mesmo ao IF investigado.

As fractografias das amostra A-4so mostradas na Figuras 5. A vista ge-ral da superfcie de fratura da amostra(Figuras 5a) apresentou um aspecto bas-tante brilhante e facetado. Essas carac-tersticas indicam que o material sofreu

Figura 3 - Micrografia mostrando o interior da banda de cisalhamento adiabtica induzidano corpo-de-prova A-2. Notar que, no lado esquerdo da micrografia, podem ser

observados contornos lamelares que convivem com uma estrutura de gros ultrafinos

(< 0,4m). MEV, imagem no modo de eltrons retroespalhados, 20 kV.

Figura 4 - Micrografia da banda de cisalhamento adiabtica induzida no corpo-de-prova A-3. MEV, imagem no modo de eltrons retroespalhados, 20 kV. Notar que, as

regies marcadas nos retngulos brancos, indicam fissuras e cavidades no interior da

banda.

uma fratura tipicamente frgil. Analisan-do-se as fractografias, percebe-se que afratura ocorreu via um processo de cli-vagem. A literatura reporta que o pro-cesso de clivagem em aos ferrticos apre-senta seu incio nas partculas de segun-



da fase durante a deformao. Essas par-tculas sofrem fratura durante o proces-so em funo da ao dos campos els-ticos de tenso associados s discor-dncias empilhadas nos seus limites. Istoocorre em funo do elevado campo detenses das discordncias empilhadasao redor dessas partculas durante a de-formao plstica. Esses locais atuamcomo concentradores de tenses. Biggse Pratt (1958) observaram que a fraturapor clivagem, em um monocristal de fer-ro submetido a um ensaio de trao uni-axial a -183C, tambm poderia se iniciara partir de discordncias empilhadas emcontornos de macla e/ou bandas de des-lizamento. Assim sendo, a taxa e o modode deformao nos aos ferrticos sodeterminantes para o tipo de fratura queo material pode apresentar em funo domecanismo de deformao plstica ati-vado. Nas superfcies de fratura dos cor-pos-de-prova, observou-se a ntida pre-sena de bandas de deslizamento e, prin-cipalmente, foi observada a presena devrias maclas de deformao. Outro de-talhe importante a mudana do planode clivagem em vrias regies (marca-das em retngulos pretos) de cada su-perfcie analisada. Nesses locais, no sepercebe a presena de qualquer partcu-la de segunda fase. Vale ressaltar queessa afirmao vlida somente dentrodos limites de resoluo da tcnica deMEV, quando associada espectrosco-pia de energia dispersiva (da lngua in-glesa, energy dispersive spectroscopy -EDS). Alm disso, a caracterizao mi-croestrutural do material de partida tam-bm havia indicado uma pequena fraode partculas no ao IF de acordo comLins, Sandim e Kestenbach (2007). Resul-tados similares foram apresentados paraum ao ferrtico de baixo carbono(0,03%C em peso) testado por meio dotradicional ensaio de impacto Charpy a-196C (mida, 2000). Diante das obser-vaes da literatura mencionadas ante-riormente, pode-se sugerir que o pro-cesso de clivagem nas amostras defor-madas por compresso dinmica a -196Cfoi iniciado, basicamente, pelas maclasde deformao em associao com a ge-rao de bandas de deslizamento.

Figura 5 - Fractografia de uma parte do corpo-de-prova A-4 referente a: a) vista geral;b) e c) detalhe de a. DC refere-se direo de cisalhamento. MEV - imagem no modo

de eltrons secundrios, 20 kV. Os retngulos pretos indicam reas em que ocorreu

uma mudana do plano de clivagem.



4. Concluses1) A morfologia das regies cisalhadas

de todas as amostras indica a ocor-rncia de fratura do tipo frgil nomaterial nas condies de deforma-o plstica severa via compressodinmica.

2) Os danos, na microestrutura, seiniciaram, preferencialmente, nas re-gies que sofreram recristalizaodinmica no interor das bandas decisalhamento e se propagaram emdireo s extremidades do corpo-de-prova."

3) O processo de recristalizao dispa-rado no interior das bandas de cisa-lhamento adiabticas foi o eventoprecursor, que permitiu um caminhopara a propagao das fissuras ob-servadas nas regies cisalhadas.

4) A fratura do material foi provocadapor um processo de clivagem dirigi-do por maclas de deformao e, tam-bm, pelas bandas de deslizamentoque foram observadas em toda a ex-tenso do material.

5. Agradecimentos FAPESP pelo apoio finaceiro e

Companhia Siderrgica Nacional (CSN)pela placa de ao IF-Ti para esse estudo.

6. Referncias bibliogrficasANDRADE, U. et al. Dynamic recrystallization in high-strain, high-strain-rate plastic

deformation of copper. Acta Materialia, v. 42, p. 3183-3195, 1994.BIGGS, W.D.; PRATT, P.L. The deformation and fracture of alpha-iron at low temperatures.

Acta Metallurgica, v. 6, p. 694-703, 1958.CHEN, Y.J., MEYERS, M.A., NESTERENKO, V.F. Spontaneous and forced shear localization

in high-strain-rate deformation of tantalum. Materials Science and Engineering A,v. 268, p. 70-82, 1999.

CHRISTIAN, J.W. MAHAJAN, S. Deformation twinning. Progress in Materials Science,v. 39, p. 1-157, 1995.

HINES, J.A., VECCHIO, K.S., AHZI, S. A model for microstructure evolution in adiabaticshear bands. Metallurgical Transactions A, v.29, p.191-203, 1998.

HUGHES, D.A., HANSEN, N. High angle boundaries formed by grain subdivisionmechanisms. Acta Materialia, v. 45, n. 9, p. 3871-3886, 1997.

LINS, J.F.C., SANDIM, H.R.Z., KESTENBACH, H.-J. Microstructural and texturalcharacterization of a hot-rolled IF steel. Journal of Materials Science, v. 42,p.6572 - 6577, 2007.

LINS, J.F.C. et al. Microstructural investigation of adiabatic shear bands in an interstitial freesteel. Materials Science and Engineering A, v. 457, p. 205-218, 2007.

PREZ-PRADO, M.T., HINES, J.A., VECCHIO, K.S. Microstructural evolution in adiabaticshear bands in Ta and Ta-W alloys. Acta Materialia, v. 49, p. 2905-2917, 2001.

RAABE, D., LCKE, K. Annealing textures of BCC metals. Scripta Metallurgica etMaterialia, v. 27, p. 1533-1538, 1992.

SLEESWYK, A.W. Twinning and the origin of cleavage nuclei in -iron. Acta Metallurgica,v. 10, p. 3803-812, 1962.

MIDA, T., BOANSK, J. Deformation twinning and its possible influence on the ductilebrittle transition temperature of ferritic steels. Materials Science and Engineering A,v. 287, p. 107-115, 2000.

ROGERS, H.C. Adiabatic plastic deformation. Annual Review Materials Science, v. 9,p.283-311, 1979.

TIMOTHY, S.P. The Structure of adiabatic shear bands in metals: a critical review. ActaMetallurgica, v. 35, p. 301-306, 1987.

Artigo recebido em 13/02/2008 e aprovado em 24/03/2009.

A REM tem novo endereo:FUNDAO GORCEIX - REM

Rua Carlos Walter Marinho Campos, 57Bairro: Vila Itacolomy

35400-000 - Ouro Preto - MG

********www.rem.com.br

Documents

v62n2a07