Análise do comportamento mecânico do aço estrutural SAE 4140 através de ensaios de torção a quente

Abstract

RESUMO: Para redução dos custos operacionais e a melhoria das propriedades mecânicas de materiais produzidos por laminação a quente é necessário o controle dos fenômenos metalúrgicos e microestruturais que ocorrem durante o processo de conformação. Um método experimental capaz de simular as condições de laminação é o ensaio de torção a quente, que é um ensaio eficiente e, relativamente, de baixo custo para estudo dos processos termomecânicos da laminação. Este estudo utilizou amostras do aço estrutural SAE 4140 que foram submetidas a ensaios termomecânicos na máquina de torção a quente do IFES. Foi realizado ensaio de torção a quente de múltiplas deformações em resfriamento contínuo, no qual foi determinado a temperatura de não recristalização (Tnr) e a temperatura de transformação de fase austenita-ferrita (Ar3). Também foram realizados ensaios isotérmicos contínuos, nos quais se verificaram que ensaios realizados acima da Tnr o material recristalizava dinamicamente e abaixo da Tnr recuperava dinamicamente. Os ensaios isotérmicos e contínuos foram realizados com taxas de deformações de 0,2s−¹ e 0,5s−¹, o aumento da taxa de deformação causou aumento das tensões necessárias para deformar o material. Por meio dos ensaios isotérmicos contínuos foram obtidas as deformações críticas para início da recristalização dinâmica e deformações de pico, em que foi observado aumento da deformação crítica e de pico com a diminuição da temperatura. A diminuição da temperatura de deformação nos ensaios isotérmicos contínuos causou diminuição do tamanho de grão austenítico visualizado por meio de microscopia ótica. Os resultados experimentais para as temperaturas Tnr e Ar3, deformação crítica, tensão de escoamento em estado estacionário e tamanho de grão austenítico foram comparados com os resultados obtidos por modelos matemáticos descritos na literatura para aços C-Mn e aços microligados. Os resultados das curvas de escoamento plástico obtidas para o aço SAE 4140 também foram comparados com resultados obtidos na literatura para o aço SAE 4340, mostrando que os dois aços possuem curvas tensão-deformação similares quanto aos fenômenos metalúrgicos observados.

ABSTRACT: To reduce operating costs and improve the mechanical properties of materials produced by hot rolling it is necessary to control the microstructure and metallurgical phenomena occurring during the forming process. An experimental method capable of simulating the conditions of hot rolling is the hot torsion test, a test that is efficient and has a relatively low cost to study the processes of thermomechanical rolling. This study used samples of structural steel SAE 4140 which has been submitted to tests at the hot torsion machine of the IFES. Hot torsion tests were performed with multiple steps in continuous cooling; it was determined that the non-recrystallization temperature (Tnr) and the phase transformation temperature of austenite-ferrite (Ar3). Isothermal continuous hot torsion tests were also performed, wherein the hot torsion tests performed above the Tnr occurred dynamic recrystallization and below the Tnr occurred dynamic recovery. Isothermal continuous tests were conducted with strain rate of 0.2s−¹ and 0.5s−¹, showing that the increasing of the strain rate caused increasing stress to the deformation of the material. Through of the tests isothermals continuous tests were obtained the critical strain for starting dynamic recrystallization and the strain peak, wherein an increase of the critical strain and peak strain with the decrease of temperature was observed. The reduction in the deformation temperature in the Isothermal continuous tests caused reduction in austenite grain size visualized by optical microscopy. The experimental results for the temperatures Tnr and Ar3, critical strain, stress in steady state, and austenitic grain size were compared with the results obtained by mathematical models described in literature for C-Mn steels and microalloyed steels. The results of curves plastic flow obtained for steel SAE 4140 also were compared with results obtained in literature for steel SAE 4340, showing that the two steels have curves stress-strain similar for the metallurgical phenomena observed.