Observações in situ da reação bainítica durante o resfriamento contínuo em um aço C-Mn-Si-Cr-Mo sob influência de processamento termomecânico

Abstract

Os aços bainíticos isentos de carbonetos têm despertado grande interesse científico e tecnológico, devido à excelente combinação de alta resistência e ductilidade alcançada de forma relativamente econômica. Neste contexto, os efeitos combinados do processamento termomecânico com resfriamento contínuo têm sido pouco explorados, embora tais processos apresentem grande interesse em escala industrial. Neste trabalho a evolução microestrutural durante a reação bainítica sob condições de processamento termomecânico com resfriamento contínuo foi estudada em um aço C-Mn-Si-Cr-Mo. Os tratamentos termomecânicos foram conduzidos de modo a simular operações de forjamento (compressão uniaxial a 950, 850 e 500 °C) com resfriamento contínuo controlado. Um tratamento termomecânico específico com deformação no campo bainítico (500 °C) foi conduzido com intuito de estudar as características da transformação dinâmica (durante a deformação plástica) da austenita em bainita. A evolução microestrutural durante todas as etapas de processamento foi caracterizada por medições simultâneas de dilatometria e difração de raios-X síncrotron in situ de alta energia. As investigações foram complementadas por análises ex situ empregando microscopia eletrônica de varredura, difração de elétrons retroespalhados e medições de dureza. Os resultados obtidos mostram que a expansão macroscópica do corpo de prova, mensurada durante a reação bainítica na austenita deformada, não apresenta uma relação direta com a fração volumétrica de ferrita bainítica. A cinética da reação bainítica é retardada tanto pela deformação da austenita em alta temperatura, como também pela formação significava de ferrita proeutetóide. A cinética obtida por medições de dilatometria (análise global) é condizente com aquela investigada por difração de raios X síncrotron (análise local), exceto quando a reação bainítica é precedida por uma quantidade significativa de ferrita proeutetóide, ou deformação em baixa temperatura (500 °C). O enriquecimento de carbono da austenita continua mesmo após a reação bainítica atingir o período de estase. O efeito do carbono na expansão do parâmetro de rede da austenita foi mais pronunciado na amostra não deformada do que nas amostras previamente deformadas. Verificou-se que a cinética da transformação dinâmica da bainita é 11 vezes mais rápida do que a transformação isotérmica convencional. A transformação dinâmica da bainita pode representar uma importante estratégia visando processos de manufatura com eficiência energética, uma vez que a reação bainítica pode ser obtida em larga escala e de forma simultânea à etapa de deformação plástica.

Carbide-free bainitic steels have received significant attention in scientific and technological areas due to good combination of strength and ductility obtained in an economic way. In this context, the combinative effects of thermomechanical processing with continuous cooling have not been explored, despite the fact that such processes are of great interest in industrial scale. In this work the microstructural evolution during the bainitic reaction under thermomechanical processing and continuous cooling was investigated in a C-Mn-Si-Cr-Mo steel. Thermomechanical treatments were performed in order to simulate hot forging operations (uniaxial deformation at 950, 850 e 500 °C) with controlled continuous cooling. A specific thermomechanical treatment schedule was designed in the bainitic phase field in order to study the characteristics of dynamic transformation (taking place during plastic deformation) of austenite to bainite. The microstructural evolution during all process steps was characterized using dilatometry and in-situ high-energy synchrotron X-ray diffraction. The investigations are complemented with ex situ analysis using scanning electron microscopy, electron backscattered diffraction, and hardness measurements. The results indicate that the kinetics of bainite is retarded by the previous high temperature deformation of austenite as well the formation of a significant amount of proeutectoid ferrite. Kinetics of bainitic reaction obtained by dilatometric measurements (global analysis) is consistent with that investigated by synchrotron X-ray diffraction (local analysis), except when bainite reaction is preceded by a significant amount of proeutectoid ferrite or austenite deformation at low temperature (500 °C). Carbon enrichment of austenite continues even after the bainite reaches the transformation stasis. The effect of carbon in austenite lattice expansion was more pronounced in the undeformed specimen than in the deformed ones. It was found that the kinetics of dynamic transformation of bainite is 11 times faster than the conventional isothermal transformation. The dynamic transformation of bainite can represent an important strategy for energy efficient manufacturing processes since the bainitic reaction can be obtained in large scale simultaneously with the plastic deformation process.