Benefícios podem ser obtidos ao obter conhecimento sobre uma camada da estrutura do grão que controla o comportamento mecânico do aço inoxidável.Getty Images
A seleção de ligas de aço inoxidável e alumínio geralmente se concentra em resistência, ductilidade, alongamento e dureza. Essas propriedades indicam como os blocos de construção do metal respondem às cargas aplicadas. Elas são um indicador eficaz do gerenciamento de restrições de matéria-prima; ou seja, o quanto ela dobrará antes de quebrar. A matéria-prima deve ser capaz de suportar o processo de moldagem sem quebrar.
Os testes destrutivos de tração e dureza são métodos confiáveis ​​e econômicos para determinar propriedades mecânicas. No entanto, esses testes nem sempre são tão confiáveis ​​quando a espessura da matéria-prima começa a limitar o tamanho da amostra de teste. Os testes de tração de produtos metálicos planos ainda são úteis, mas é possível obter benefícios observando mais profundamente uma camada da estrutura do grão que controla seu comportamento mecânico.
Os metais são compostos por uma série de cristais microscópicos chamados grãos. Eles são distribuídos aleatoriamente por todo o metal. Átomos de elementos de liga, como ferro, cromo, níquel, manganês, silício, carbono, nitrogênio, fósforo e enxofre em aços inoxidáveis ​​austeníticos, fazem parte de um único grão. Esses átomos formam uma solução sólida de íons metálicos, que são ligados à estrutura cristalina por meio de seus elétrons compartilhados.
A composição química da liga determina o arranjo termodinamicamente preferencial dos átomos nos grãos, conhecido como estrutura cristalina. Porções homogêneas de um metal contendo uma estrutura cristalina repetida formam um ou mais grãos chamados fases. As propriedades mecânicas de uma liga são uma função da estrutura cristalina na liga. O mesmo vale para o tamanho e arranjo dos grãos de cada fase.
A maioria das pessoas está familiarizada com os estágios da água. Quando a água líquida congela, ela se torna gelo sólido. No entanto, quando se trata de metais, não há apenas uma fase sólida. Certas famílias de ligas são nomeadas de acordo com suas fases. Entre os aços inoxidáveis, as ligas austeníticas da série 300 consistem principalmente de austenita quando recozidas. No entanto, as ligas da série 400 consistem de ferrita no aço inoxidável 430 ou martensita nas ligas de aço inoxidável 410 e 420.
O mesmo vale para ligas de titânio. O nome de cada grupo de ligas indica sua fase predominante à temperatura ambiente: alfa, beta ou uma mistura de ambas. Existem ligas alfa, quase alfa, alfa-beta, beta e quase beta.
Quando o metal líquido se solidifica, as partículas sólidas da fase termodinamicamente preferida precipitam onde a pressão, a temperatura e a composição química permitem. Isso geralmente acontece em interfaces, como cristais de gelo na superfície de um lago quente em um dia frio. Quando os grãos nucleiam, a estrutura cristalina cresce em uma direção até que outro grão seja encontrado. Os contornos dos grãos se formam nas interseções de redes incompatíveis devido às diferentes orientações das estruturas cristalinas. Imagine colocar um monte de cubos mágicos de tamanhos diferentes em uma caixa. Cada cubo tem um arranjo de grade quadrada, mas todos eles serão organizados em diferentes direções aleatórias. Uma peça de metal totalmente solidificada consiste em uma série de grãos aparentemente orientados aleatoriamente.
Sempre que um grão é formado, há uma possibilidade de defeitos de linha. Esses defeitos são partes ausentes da estrutura cristalina, chamadas discordâncias. Essas discordâncias e seus movimentos subsequentes ao longo do grão e através dos limites dos grãos são fundamentais para a ductilidade do metal.
Uma seção transversal da peça de trabalho é montada, retificada, polida e gravada para visualizar a estrutura dos grãos. Quando uniformes e equiaxiais, as microestruturas observadas em um microscópio óptico parecem um pouco com um quebra-cabeça. Na realidade, os grãos são tridimensionais, e a seção transversal de cada grão varia dependendo da orientação da seção transversal da peça de trabalho.
Quando uma estrutura cristalina é preenchida com todos os seus átomos, não há espaço para movimento além do estiramento das ligações atômicas.
Ao remover metade de uma fileira de átomos, você cria uma oportunidade para outra fileira de átomos deslizar para essa posição, efetivamente movendo a discordância. Quando uma força é aplicada à peça de trabalho, o movimento agregado das discordâncias na microestrutura permite que ela se dobre, estique ou comprima sem quebrar ou romper.
Quando uma força atua sobre uma liga metálica, o sistema aumenta a energia. Se energia suficiente for adicionada para causar deformação plástica, a rede se deforma e novas discordâncias se formam. Parece lógico que isso aumente a ductilidade, pois libera mais espaço e, portanto, cria o potencial para mais movimento de discordância. No entanto, quando as discordâncias colidem, elas podem consertar umas às outras.
À medida que o número e a concentração de discordâncias aumentam, mais e mais discordâncias são fixadas juntas, reduzindo a ductilidade. Eventualmente, tantas discordâncias aparecem que a conformação a frio não é mais possível. Como as discordâncias de fixação existentes não podem mais se mover, as ligações atômicas na rede se esticam até se romperem ou se romperem. É por isso que as ligas metálicas endurecem e há um limite para a quantidade de deformação plástica que um metal pode suportar antes de quebrar.
Os grãos também desempenham um papel importante no recozimento. O recozimento de um material endurecido essencialmente redefine a microestrutura e, assim, restaura a ductilidade. Durante o processo de recozimento, os grãos são transformados em três etapas:
Imagine uma pessoa caminhando por um vagão de trem lotado. Multidões só podem ser espremidas deixando espaços entre as fileiras, como deslocamentos em uma treliça. À medida que avançavam, as pessoas atrás delas preenchiam o vazio que deixavam, enquanto criavam um novo espaço na frente. Ao chegarem ao outro lado do vagão, a disposição dos passageiros muda. Se muitas pessoas tentarem passar ao mesmo tempo, os passageiros que tentarem abrir espaço para o movimento delas colidirão uns com os outros e baterão nas paredes dos vagões, prendendo todos no lugar. Quanto mais deslocamentos aparecerem, mais difícil será para eles se moverem ao mesmo tempo.
É importante entender o nível mínimo de deformação necessário para desencadear a recristalização. No entanto, se o metal não tiver energia de deformação suficiente antes de ser aquecido, a recristalização não ocorrerá e os grãos simplesmente continuarão a crescer além do seu tamanho original.
Propriedades mecânicas podem ser ajustadas controlando o crescimento dos grãos. Um contorno de grão é essencialmente uma parede de discordâncias. Elas impedem o movimento.
Se o crescimento dos grãos for restrito, um número maior de grãos pequenos será produzido. Esses grãos menores são considerados mais finos em termos de estrutura de grãos. Mais limites de grãos significam menos movimento de discordância e maior resistência.
Se o crescimento dos grãos não for restringido, a estrutura dos grãos se torna mais grossa, os grãos são maiores, os limites são menores e a resistência é menor.
O tamanho do grão é frequentemente chamado de um número sem unidade, algo entre 5 e 15. Essa é uma proporção relativa e está relacionada ao diâmetro médio do grão. Quanto maior o número, mais fina a granularidade.
A ASTM E112 descreve métodos para medir e avaliar o tamanho dos grãos. Ela envolve a contagem da quantidade de grãos em uma determinada área. Isso geralmente é feito cortando uma seção transversal da matéria-prima, triturando e polindo-a e, em seguida, atacando-a com ácido para expor as partículas. A contagem é realizada em um microscópio, e a ampliação permite uma amostragem adequada dos grãos. A atribuição de números de tamanho de grão ASTM indica um nível razoável de uniformidade no formato e no diâmetro do grão. Pode até ser vantajoso limitar a variação no tamanho do grão a dois ou três pontos para garantir um desempenho consistente em toda a peça de trabalho.
No caso de encruamento, a resistência e a ductilidade têm uma relação inversa. A relação entre o tamanho de grão ASTM e a resistência tende a ser positiva e forte, geralmente o alongamento é inversamente relacionado ao tamanho de grão ASTM. No entanto, o crescimento excessivo de grãos pode fazer com que materiais "mortos e moles" não endureçam mais efetivamente.
O tamanho do grão é frequentemente chamado de um número sem unidade, algo entre 5 e 15. Essa é uma proporção relativa e está relacionada ao diâmetro médio do grão. Quanto maior o valor do tamanho do grão ASTM, mais grãos há por unidade de área.
O tamanho do grão do material recozido varia com o tempo, temperatura e taxa de resfriamento. O recozimento geralmente é realizado entre a temperatura de recristalização e o ponto de fusão da liga. A faixa de temperatura de recozimento recomendada para a liga de aço inoxidável austenítico 301 é entre 1.900 e 2.050 graus Fahrenheit. Ele começará a derreter em torno de 2.550 graus Fahrenheit. Em contraste, o titânio comercialmente puro de grau 1 deve ser recozido a 1.292 graus Fahrenheit e derreter em torno de 3.000 graus Fahrenheit.
Durante o recozimento, os processos de recuperação e recristalização competem entre si até que os grãos recristalizados consumam todos os grãos deformados. A taxa de recristalização varia com a temperatura. Uma vez concluída a recristalização, o crescimento dos grãos assume o controle. Uma peça de aço inoxidável 301 recozida a 1.900 °F por uma hora terá uma estrutura de grãos mais fina do que a mesma peça recozida a 2.000 °F pelo mesmo tempo.
Se o material não for mantido na faixa de recozimento adequada por tempo suficiente, a estrutura resultante pode ser uma combinação de grãos antigos e novos. Se forem desejadas propriedades uniformes em todo o metal, o processo de recozimento deve ter como objetivo atingir uma estrutura de grãos equiaxial uniforme. Uniforme significa que todos os grãos têm aproximadamente o mesmo tamanho, e equiaxial significa que eles têm aproximadamente o mesmo formato.
Para obter uma microestrutura uniforme e equiaxial, cada peça de trabalho deve ser exposta à mesma quantidade de calor pelo mesmo período de tempo e deve esfriar na mesma taxa. Isso nem sempre é fácil ou possível com o recozimento em lote, por isso é importante pelo menos esperar até que toda a peça de trabalho esteja saturada na temperatura adequada antes de calcular o tempo de imersão. Tempos de imersão mais longos e temperaturas mais altas resultarão em uma estrutura de grãos mais grossa/material mais macio e vice-versa.
Se o tamanho do grão e a resistência estão relacionados, e a resistência é conhecida, por que calcular os grãos, certo? Todos os testes destrutivos têm variabilidade. Os testes de tração, especialmente em espessuras menores, dependem em grande parte da preparação da amostra. Os resultados de resistência à tração que não representam as propriedades reais do material podem apresentar falha prematura.
Se as propriedades não forem uniformes em toda a peça de trabalho, retirar uma amostra ou espécime de teste de tração de uma borda pode não revelar toda a história. A preparação e os testes de amostras também podem ser demorados. Quantos testes são possíveis para um determinado metal e em quantas direções isso é viável? Avaliar a estrutura do grão é uma garantia extra contra surpresas.
Anisotrópico, isotrópico. Anisotropia refere-se à direcionalidade das propriedades mecânicas. Além da resistência, a anisotropia pode ser melhor compreendida examinando a estrutura do grão.
Uma estrutura de grãos uniforme e equiaxial deve ser isotrópica, o que significa que tem as mesmas propriedades em todas as direções. A isotropia é especialmente importante em processos de estampagem profunda, onde a concentricidade é crítica. Quando a peça bruta é puxada para dentro do molde, o material anisotrópico não flui uniformemente, o que pode levar a um defeito chamado earing. O earring ocorre onde a parte superior do copo forma uma silhueta ondulada. O exame da estrutura dos grãos pode revelar a localização de não homogeneidades na peça de trabalho e ajudar a diagnosticar a causa raiz.
O recozimento adequado é essencial para atingir a isotropia, mas também é importante entender a extensão da deformação antes do recozimento. À medida que o material se deforma plasticamente, os grãos começam a se deformar. No caso da laminação a frio, convertendo a espessura em comprimento, os grãos se alongarão na direção da laminação. À medida que a relação de aspecto do grão muda, o mesmo ocorre com a isotropia e as propriedades mecânicas gerais. No caso de peças de trabalho muito deformadas, alguma orientação pode ser mantida mesmo após o recozimento. Isso resulta em anisotropia. Para materiais de repuxo profundo, às vezes é necessário limitar a quantidade de deformação antes do recozimento final para evitar desgaste.
Casca de laranja. A captação não é o único defeito de estampagem profunda associado à matriz. A casca de laranja ocorre quando matérias-primas com partículas muito grossas são estampadas. Cada grão se deforma independentemente e em função de sua orientação cristalina. A diferença na deformação entre grãos adjacentes resulta em uma aparência texturizada semelhante à casca de laranja. A textura é a estrutura granular revelada na superfície da parede do copo.
Assim como os pixels em uma tela de TV, com uma estrutura de granulação fina, a diferença entre cada grão será menos perceptível, aumentando efetivamente a resolução. Especificar propriedades mecânicas por si só pode não ser suficiente para garantir um tamanho de grão suficientemente fino para evitar o efeito casca de laranja. Quando a variação dimensional da peça de trabalho é menor que 10 vezes o diâmetro do grão, as propriedades dos grãos individuais determinarão o comportamento de formação. Ele não se deforma igualmente em muitos grãos, mas reflete o tamanho e a orientação específicos de cada grão. Isso pode ser visto no efeito casca de laranja nas paredes dos copos desenhados.
Para um tamanho de grão ASTM de 8, o diâmetro médio do grão é 885 µin. Isso significa que qualquer redução de espessura de 0,00885 polegadas ou menos pode ser afetada por esse efeito de microformação.
Embora grãos grossos possam causar problemas de estampagem profunda, às vezes são recomendados para impressão. A estampagem é um processo de deformação no qual uma peça bruta é comprimida para conferir uma topografia de superfície desejada, como um quarto dos contornos faciais de George Washington. Ao contrário da trefilação, a estampagem geralmente não envolve muito fluxo de material a granel, mas requer muita força, o que pode apenas deformar a superfície da peça bruta.
Por esse motivo, minimizar o estresse do fluxo de superfície usando uma estrutura de grãos mais grossa pode ajudar a aliviar as forças necessárias para o preenchimento adequado do molde. Isso é especialmente verdadeiro para impressão em matriz livre, onde deslocamentos nos grãos da superfície podem fluir livremente, em vez de se acumular nos limites dos grãos.
As tendências discutidas aqui são generalizações que podem não se aplicar a seções específicas. No entanto, elas destacaram os benefícios de medir e padronizar o tamanho dos grãos da matéria-prima ao projetar novas peças para evitar defeitos comuns e otimizar os parâmetros de moldagem.
Os fabricantes de máquinas de estampagem de metal de precisão e operações de estampagem profunda em metal para formar suas peças trabalharão bem com metalúrgicos em relaminadores de precisão tecnicamente qualificados que podem ajudá-los a otimizar materiais até o nível de grão. Quando especialistas em metalurgia e engenharia de ambos os lados do relacionamento são integrados em uma equipe, isso pode ter um impacto transformador e produzir resultados mais positivos.
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