É possível obter benefícios ao compreender uma camada da estrutura granular que controla o comportamento mecânico do aço inoxidável. Getty Images
A seleção de aços inoxidáveis ​​e ligas de alumínio geralmente se concentra em resistência, ductilidade, alongamento e dureza. Essas propriedades indicam como os componentes básicos do metal respondem às cargas aplicadas. Elas são um indicador eficaz para gerenciar as limitações da matéria-prima; ou seja, o quanto ela se deformará antes de quebrar. A matéria-prima deve ser capaz de suportar o processo de moldagem sem se romper.
Os ensaios destrutivos de tração e dureza são um método confiável e econômico para determinar propriedades mecânicas. No entanto, esses ensaios nem sempre são tão confiáveis ​​quando a espessura da matéria-prima começa a limitar o tamanho da amostra. O ensaio de tração em produtos metálicos planos ainda é útil, mas é possível obter benefícios analisando mais detalhadamente uma camada da estrutura granular que controla seu comportamento mecânico.
Os metais são constituídos por uma série de cristais microscópicos chamados grãos. Eles estão 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 estão ligados na rede cristalina através de seus elétrons compartilhados.
A composição química da liga determina o arranjo termodinamicamente preferido dos átomos nos grãos, conhecido como estrutura cristalina. Porções homogêneas de um metal contendo uma estrutura cristalina repetitiva formam um ou mais grãos chamados fases. As propriedades mecânicas de uma liga são função da estrutura cristalina presente nela. O mesmo se aplica ao tamanho e ao arranjo dos grãos de cada fase.
A maioria das pessoas está familiarizada com os estados da água. Quando a água líquida congela, ela se transforma em gelo sólido. No entanto, quando se trata de metais, não existe apenas uma fase sólida. Certas famílias de ligas recebem nomes de acordo com suas fases. Entre os aços inoxidáveis, as ligas austeníticas da série 300 consistem principalmente de austenita quando recozidas. Já as ligas da série 400 consistem em ferrita no aço inoxidável 430 ou martensita nas ligas de aço inoxidável 410 e 420.
O mesmo se aplica às ligas de titânio. O nome de cada grupo de liga 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 o permitem. Isso geralmente ocorre 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 encontrar outro grão. Os contornos de grão se formam nas interseções de redes cristalinas incompatíveis devido às diferentes orientações das estruturas cristalinas. Imagine colocar vários cubos de Rubik de tamanhos diferentes em uma caixa. Cada cubo tem uma disposição em grade quadrada, mas todos estarão dispostos em direções aleatórias diferentes. Uma peça de metal totalmente solidificada consiste em uma série de grãos aparentemente orientados aleatoriamente.
Sempre que um grão é formado, existe a possibilidade de defeitos lineares. Esses defeitos são partes ausentes da estrutura cristalina chamadas de discordâncias. Essas discordâncias e seu subsequente movimento através do grão e dos contornos de grão são fundamentais para a ductilidade do metal.
Uma seção transversal da peça é montada, lixada, polida e atacada quimicamente para visualizar a estrutura dos grãos. Quando uniformes e equiaxiais, as microestruturas observadas em um microscópio óptico lembram um pouco 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.
Quando uma estrutura cristalina está 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, cria-se uma oportunidade para que outra fileira de átomos ocupe essa posição, movendo efetivamente a discordância. Quando uma força é aplicada à peça, o movimento agregado das discordâncias na microestrutura permite que ela se dobre, estique ou comprima sem quebrar.
Quando uma força atua sobre uma liga metálica, o sistema aumenta sua energia. Se energia suficiente for adicionada para causar deformação plástica, a rede cristalina se deforma e novas discordâncias se formam. Parece lógico que isso aumente a ductilidade, pois libera mais espaço e, portanto, cria potencial para maior movimento das discordâncias. No entanto, quando as discordâncias colidem, elas podem se fixar mutuamente.
À medida que o número e a concentração de discordâncias aumentam, mais e mais discordâncias ficam aprisionadas umas às outras, reduzindo a ductilidade. Eventualmente, tantas discordâncias aparecem que a conformação a frio se torna impossível. Como as discordâncias de aprisionamento existentes não conseguem mais se mover, as ligações atômicas na rede cristalina se esticam até se romperem. É por isso que as ligas metálicas sofrem encruamento e por que existe um limite para a quantidade de deformação plástica que um metal pode suportar antes de se romper.
A granulação também desempenha um papel importante no recozimento. O recozimento de um material endurecido por deformação 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. A multidão só consegue se mover deixando espaços entre as fileiras, como deslocamentos em uma treliça. Conforme a pessoa avança, as pessoas atrás dela preenchem o vazio deixado, enquanto ela cria um novo espaço à frente. Ao chegar ao outro lado do vagão, a disposição dos passageiros muda. Se muitas pessoas tentarem passar ao mesmo tempo, os passageiros que tentam abrir espaço para a passagem delas colidirão uns com os outros e baterão nas paredes do vagão, prendendo todos no lugar. Quanto mais deslocamentos aparecerem, mais difícil será para todos se moverem ao mesmo tempo.
É importante compreender 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.
As propriedades mecânicas podem ser ajustadas controlando o crescimento dos grãos. Um contorno de grão é essencialmente uma parede de discordâncias. Elas dificultam o movimento.
Se o crescimento dos grãos for restringido, um número maior de grãos pequenos será produzido. Esses grãos menores são considerados mais finos em termos de estrutura granular. Mais contornos de grão significam menos movimento de discordâncias e maior resistência.
Se o crescimento dos grãos não for restringido, a estrutura dos grãos torna-se mais grosseira, os grãos são maiores, os limites são menos numerosos e a resistência é menor.
O tamanho do grão é frequentemente referido como um número adimensional, entre 5 e 15. Trata-se de uma proporção relativa relacionada ao diâmetro médio do grão. Quanto maior o número, mais fina a granulometria.
A norma ASTM E112 descreve métodos para medir e avaliar o tamanho de grão. O processo envolve a contagem da quantidade de grãos em uma determinada área. Isso geralmente é feito cortando-se uma seção transversal da matéria-prima, lixando-a e polindo-a, e então atacando-a com ácido para expor as partículas. A contagem é realizada sob um microscópio, e a ampliação permite uma amostragem adequada dos grãos. A atribuição de números de tamanho de grão de acordo com a norma ASTM indica um nível razoável de uniformidade na forma e no diâmetro dos grãos. Pode até ser vantajoso limitar a variação no tamanho de grão a dois ou três pontos para garantir um desempenho consistente em toda a peça.
No caso do endurecimento por deformação, 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 proporcional ao tamanho de grão ASTM. No entanto, o crescimento excessivo de grãos pode fazer com que materiais "muito macios" deixem de endurecer por deformação de forma eficaz.
O tamanho do grão é frequentemente referido como um número adimensional, entre 5 e 15. Trata-se de uma relação relativa e está relacionada ao diâmetro médio do grão. Quanto maior o valor do tamanho do grão segundo a norma ASTM, maior o número de grãos por unidade de área.
O tamanho do grão do material recozido varia com o tempo, a temperatura e a 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. Ela começará a fundir por volta de 2.550 graus Fahrenheit. Em contraste, o titânio comercialmente puro de grau 1 deve ser recozido a 1.292 graus Fahrenheit e fundir por volta 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 de grãos predomina. Uma peça de aço inoxidável 301 recozida a 1900°F (1038°C) por uma hora terá uma estrutura de grãos mais fina do que a mesma peça recozida a 2000°F (1093°C) pelo mesmo período.
Se o material não for mantido na faixa de temperatura de recozimento adequada por tempo suficiente, a estrutura resultante poderá ser uma combinação de grãos antigos e novos. Se propriedades uniformes forem desejadas em todo o metal, o processo de recozimento deve visar a obtenção de uma estrutura de grãos equiaxiais uniforme. Uniforme significa que todos os grãos têm aproximadamente o mesmo tamanho, e equiaxial significa que eles têm aproximadamente a mesma forma.
Para obter uma microestrutura uniforme e equiaxial, cada peça deve ser exposta à mesma quantidade de calor pelo mesmo período de tempo e resfriada à mesma taxa. Isso nem sempre é fácil ou possível com recozimento em lote, portanto, é importante esperar até que toda a peça esteja saturada na temperatura adequada antes de calcular o tempo de permanência. Tempos de permanência mais longos e temperaturas mais altas resultarão em uma estrutura de grãos mais grosseira/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 apresentam variabilidade. Os testes de tração, especialmente em espessuras menores, dependem muito da preparação da amostra. Resultados de resistência à tração que não representam as propriedades reais do material podem levar a falhas prematuras.
Se as propriedades não forem uniformes em toda a peça, retirar um corpo de prova ou amostra para ensaio de tração de apenas uma extremidade pode não fornecer uma visão completa. A preparação e os ensaios das amostras também podem ser demorados. Quantos ensaios são possíveis para um determinado metal e em quantas direções isso é viável? Avaliar a estrutura granular é uma garantia adicional contra surpresas.
Anisotrópico, isotrópico. Anisotropia refere-se à direcionalidade das propriedades mecânicas. Além da resistência, a anisotropia pode ser melhor compreendida examinando-se a estrutura granular.
Uma estrutura de grãos uniforme e equiaxial deve ser isotrópica, o que significa que possui as mesmas propriedades em todas as direções. A isotropia é especialmente importante em processos de estampagem profunda, onde a concentricidade é crucial. Quando a peça bruta é puxada para dentro do molde, o material anisotrópico não flui uniformemente, o que pode levar a um defeito chamado "orelhamento". O "orelhamento" ocorre quando a parte superior da peça forma uma silhueta ondulada. Examinar a estrutura de grãos pode revelar a localização de inhomogeneidades na peça e ajudar a diagnosticar a causa raiz.
O recozimento adequado é crucial para alcançar a isotropia, mas também é importante compreender 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, que converte espessura em comprimento, os grãos se alongam na direção da laminação. Conforme a relação de aspecto dos grãos muda, a isotropia e as propriedades mecânicas gerais também mudam. No caso de peças muito deformadas, alguma orientação pode ser retida mesmo após o recozimento. Isso resulta em anisotropia. Para materiais estampados profundamente, às vezes é necessário limitar a quantidade de deformação antes do recozimento final para evitar desgaste.
Casca de laranja. O levantamento de material 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 grãos finos, a diferença entre cada grão será menos perceptível, aumentando efetivamente a resolução. Especificar apenas as propriedades mecânicas 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 é menor que 10 vezes o diâmetro do grão, as propriedades dos grãos individuais irão determinar o comportamento de conformação. A deformação não ocorre de forma uniforme em muitos grãos, mas reflete o tamanho e a orientação específicos de cada um. Isso pode ser observado no efeito casca de laranja nas paredes dos copos estampados.
Para um tamanho de grão ASTM de 8, o diâmetro médio do grão é de 885 µin. Isso significa que qualquer redução de espessura de 0,00885 polegadas ou menos pode ser afetada por esse efeito de microconformação.
Embora grãos grosseiros possam causar problemas de estampagem profunda, às vezes são recomendados para impressão. A estampagem é um processo de deformação no qual um material bruto é comprimido 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 um grande fluxo de material a granel, mas requer muita força, o que pode deformar a superfície do material bruto.
Por essa razão, minimizar a tensão de escoamento superficial usando uma estrutura de grãos mais grosseira pode ajudar a aliviar as forças necessárias para o preenchimento adequado do molde. Isso é especialmente verdadeiro para a impressão em matriz livre, onde as discordâncias nos grãos da superfície podem fluir livremente, em vez de se acumularem nos contornos de grão.
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.
Fabricantes de máquinas de estampagem de metal de precisão e operações de embutimento profundo em metal para formar suas peças trabalharão bem com metalurgistas em laminadores de precisão tecnicamente qualificados, que podem ajudá-los a otimizar os materiais até o nível do grão. Quando especialistas em metalurgia e engenharia de ambos os lados da relação são integrados em uma única equipe, isso pode ter um impacto transformador e produzir resultados mais positivos.
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