Resistência a Abrasão de Aços Hadfield

Resistência a Abrasão de Aços Hadfield

Autor: Prof. Doutorando Paulo Machado

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Fonte: Moore, M.A. 1981

Introdução

Figura. Efeito da microestrutura e dureza na resistência a abrasão de aços em

condição de teste de abrasão sob alta tensão e abrasivo de alumina

Ori e n ta çã o cri sta lin a

??

Objetivos

• Estudar a resistência a abrasão do aço Hadfield

3

Abrasão de aços Hadfield – Multi-escala •Mecanismo de remoção de massa em britadores

 Abrasão em caso real de aplicação •Ensaio de abrasão - britador em escala de lab.  Efeito da variação de Mn •Ensaio de roda de borracha – multi evento

 Efeito da variação de C, perfil encruado em campo e meio

•Ensaio de micro esclerometria – único evento  Efeito da variação de C e do perfil encruado •Ensaio de nano esclerometria – único evento

 Efeito da variação de Mn, perfil encruado e orientação cristalina

Mecanismo de Remoção de Massa

• Em casos reais de aplicação, britadores, tem-se:

• Dano superficial;

• Dano sub-superficial.

4

Figura. Esquema de remoção de massa

F

_n

F

ta n

6 mm

Superfície

Fonte: Tanaka, D.K., 2011

5

Figura. Microestrutura das fraturas de amostras tratadas em isoterma de 750 ºC.

a) Transversal - 1 minuto. b) Topografia – 1 minuto. c) Transversal - 20 minuto. d)

Topografia – 20 minuto.

Fonte: Santos et al., 2010

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Figura. Detalhe da superfície desgastada de mandíbula (britador). a) risco de abrasão com formação de proa

(seta amarela). b) “enrugamento”, deformação do material (seta azul) na frente da proa. Estereoscópio

• Dano superficial

Mecanismo de Remoção de Massa

7

Figura. Trinca

transgranular

superficial. Aço

Hadfield classe C.

MEV. a) 1500X – SE.

b) 500X – BEC

• Dano superficial -> sub-superficial

Mecanismo de Remoção de Massa

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Figura. Conjunto de

micrografia

da

trinca transgranular

ortogonal

a

superfície.

500X.

MEV-BEC.

Aço

Hadfield classe B-1

• Dano superficial -> sub-superficial

Mecanismo de Remoção de

Massa

9

Figura. Trinca

intergranular

superficial. Aço

Hadfield classe C.

MEV-SE. 500X

• Dano superficial -> sub-superficial

Fonte: Machado, P.C., 2015

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Figura. Detalhe da superfície desgastada

de mandíbula (britador), risco de

abrasão com formação de proa

• Multi eventos abrasivos:

• Britador de mandíbula;

• Roda de borracha.

• Evento abrasivo unitário:

• Micro esclerometria;

• Nano esclerometria.

Ensaio de Abrasão

Fração f

_ab

– dregree of wear

 Stroud e Wilma, 1962,

observaram que na abrasão de metais dúcteis apenas

uma fração do volume do risco é convertido em cavaco (debris) e o restante é

deformado plasticamente para as bordas;

 Logo, f

ab

é a fração de material removido em forma de debris:

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Figura. a) Perfil transversal do groove (CCI). b) End of scratch (prow) – SE_MEV_800X. c) Proa -

perfilometria 3D

Fonte: LFS, 2014

A

_pile-up¹

A

_pile-up²

A

_hole

a)

b)

c)

f

_ab

→

Ratio

microcutting to

microploughing

12

Figura. Relação do ângulo de ataque - mecanismo

• O ângulo de ataque é

definido pelo ângulo entre a

face do abrasivo em contato

e a superfície desgastada.

• Os mecanismos microcutting

e

microploughing

são

dependentes de um valor

crítico do ângulo - α

_c

;

• Os materiais apresentam

diferentes α

_c

. Exemplo:

• Cobre - α

_c,Cu

= 45⁰;

• Alumínio - α

_c,Al

= 85⁰;

• O encruamento promove o

aumento do α

_c

(Challen et al.

1983);

Ângulo de Ataque - α

Figura. Diagrama de micromecanismo de desgaste em função da dureza (aço temperado e revenido)

13

Ângulo de Ataque - α

14

Fonte: Machado - LFS, 2015

Figura. Perfil do endentador cônico com ponta esférica de raio de 5 μm

• O endentador cônico com ponta esférica apresenta variação no ângulo de

ataque de acordo com a carga e o material em estudo.

Figura. Perfil da ponta do endentador – variação de

ângulo de ataque em função da penetração

Ângulo de Ataque - α

a

Fonte: Hokkirigawa et al. , 1988

Onde:

h = profundidade de penetração; a = raio projetado – superfície.

O variação de Mn altera o comportamento plástico do material, pois eleva

a SFE (stacking fault energy).

• Martensitic transformation: <18 mJ/m²;

• Twinning: 18-35 mJ/m²;

• Slipping: >35 mJ/m².

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Fonte: Karaman et al., 2000

Figura. Monocristal de aço Hadfield plano (0 ̅11) carregado na direção [ ̅111] em temperatura ambiente. a) Ativação de um sistema de maclação. b) Ativação de dois sistemas de maclação, alivio de tensão a 25% de deformação

Fonte: Brake et al., 2007 e Lu et al., 2010

A maclação diminui a mobilidade de discordâncias dentro do grão

cristalino tendo efeito mecânico similar a diminuição de tamanho grão.

16

Fonte: De Cooman et al., 2011

Figura. Ilustração do efeito Hall-Petch dinâmico. O mecanismo de

maclação forma-se devido a baixa SFE

Resistência do Material – Aço Hadfield

17

Figura. Sistema de maclação no aço Hadfield [111]. a) Macla de recristalização.

b) Maclas de deformação

Fonte: LFS, 2014

Desgaste Abrasivo

18

Onde:

A_hole = área transversal do sulco – mm²;

H = dureza em MPa; F_n = força normal – N;

k_ab : adimensional.

Onde:

A_hole = área transversal do sulco – mm²;

f_ab = fração de material removido;

Onde:

H_def = dureza do material deformado;

Propriedades Físicas

• Propriedades do material que influem no desgaste abrasivo

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Figura. Esquema de sistemas de deformação

plástica em estruturas cristalinas

Anisotropia Cristalina

• O deslizamento depende dos possíveis

sistemas existentes, portanto da estrutura

cristalina;

• Policristal

→

Apresentam

diferente

distribuição de deformação;

• Para um risco pode apresentar variação

de largura e profundidade em cada cristal;

• Dyer (1961) e Bluckey (1968) apresentaram

a dependência do coef. de atrito a

orientação cristalográfica.

20

Figura. Trilha de desgaste no

Fe – 38Ni – 6Al. Ponta de

diamante com carga 0,25 N

Fonte: Zum Gahr, 1987

 A orientação cristalina dos policristais

ordenada (textura) pode ser induzida na

ASTM A128

• As classes B-1 e C foram utilizadas na pesquisa

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Tabela. Classes (grades) de aço Hadfield

Curva TTT

22

Fonte: Kuyucak, S. 2001

Figura. Curvas TTT de re-precipitação de carbonetos

durante resfriamento após solubilização

J

J

J

Fonte: LFS, 2014

Figura. Aço Hadfield classe B-1 e C. Deformado. MO. Reagente picral. 500X

Metodologia Experimental

•

Esclerometria linear- Script:

23

Figura. Esquema do ensaio de

esclerometria em escala micro e nano

Metodologia Experimental

• Micro esclerometria linear- Script:



Endentador Vickers;



Ângulo de ataque (ϕ): ~ 20⁰;



Carga: 8 N;



Velocidade de deslocamento:

1 mm/s;



Deslocamento: 7 mm.

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Figura. a) Tribômetro UMT-2 Bruker. b) Câmara de ensaio UMT-2. c) Nano endentador

Hysitron. d) Endentador cônico

Fonte: UMT Hardware Installation Applications Manual e LFS, 2015

7 mm

• Nano esclerometria linear - Script:



Endentador geometria Rockell;



Ângulo de ataque (ϕ): 20 - 60⁰;



Carga: 20, 50, 100, 150, 200 e

250 mN;



Velocidade de deslocamento:

3,3 um/s;



Deslocamento: 100 um.

o

Aços Hadfield em análise;

Resultados – Composição Química

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Classe C

C

Mn

Si

P

S

Cr

Ni

Mo

Fe

1,52

13,26

0,84

0,05

0,003

1,48

0,10

0,12

82,3

Classe B-1

C

Mn

Si

P

S

Cr

Ni

Mo

Fe

1,02

12,48

0,54

0,04

0,001

0,47

0,07

0,02

85,1

Figura. Aço

Hadfield classe

B-1. Deformado.

MO. Reagente

picral. 500X

Figura. Aço

Hadfield classe

C. Deformado.

MO. Reagente

picral. 500X

• Dureza Bulk

• VL1: 243 HV

_30kgf

• VL2: 202 HV

_30kgf

Resultados – Dureza Vickers

26

Figura. Perfil de microdureza ao longo do Scratch

Resultados – Micro esclerometria

27

Figura. Esquema de imagens MEV do risco. Hadfield classe C.

MEV-SE. 500X e 50X

Resultados – Micro esclerometria

28

Figura. Esquema de imagens MEV do risco. Hadfield classe B-1.

MEV-SE. 500X e 50X

Resultados – Micro esclerometria

29

• Classe C e B-1 deformados

Figura. MEV do risco. a) classe C e classe B-1. 500x

Resultados – µ e perfilometria

30

• Classe C

Figura. Esquema dos resultados (classe C) de F

_z

, F

_x

e µ em função

do tempo (s) correlacionado com a perfilometria do groove.

Resultados – MO e perfilometria

31

• Classe C

Figura. Esquema de micrografias e perfilometria (vista lateral)

do groove. Classe C. MO. 200x

Menor K

_ab

Médio K

_ab

Maior K

_ab

Legenda:

Figura. Perfi transversal do groove nas posições 2,5; 4,5 e 5,5 mm

K

_ab

= 9,3. 10

-4

_K

32

• Classe B-1

Figura. Perfil transversal do groove nas posições 0,5; 1,5 e 5,5 mm

K

_ab

= 2,1. 10

-2

_K

ab

= 1,1. 10

-3

K

ab

= 1,1. 10

-2

Resultados – MO e perfilometria

Figura. Esquema de micrografias e perfilometria (vista lateral)

do groove. Classe B-1. MO. 200x

Menor K

_ab

Médio K

_ab

Maior K

_ab

Legenda:

Resultados – K

_ab

vs. f

_ab

• Os valores de k

_ab

e f

_ab

variam de acordo com a

textura cristalográfica;

33

Figura. Resultados de coef. de desgaste em

função do f

_ab

Resultados – K

_ab

vs. f

_ab

• Os valores de k

_ab

e f

_ab

variam de acordo com a

textura cristalográfica;

34

Figura. Resultados de coef. de desgaste em

função do f

_ab

Resultados

Nano esclerometria

35

Figura. Esquema de micrografias do risco (MEV-SE - 900X) com o gráfico de coeficiente de atrito em função do grau de penetração para

os materiais 12Mn e 20Mn. a) 100 mN – 12Mn. b)150 mN – 12 Mn. c) 200 mN – 12Mn. d) 100 mN – 20Mn. e)150 mN – 20 Mn. f) 200 mN –

Resultados

Nano esclerometria

36

Figura. Correlação do coeficiente de atrito e grau de penetração para esclerometria com endentador de pino de aço e disco de aço temperado contra disco de aço inoxidável (P: plouging mode, W: wedge forming mode and C: cutting mode)

Resultados – Nano esclerometria

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Figura. Esquema

coeficiente de atrito –

micrografias ME.-SE.

900x. a) Gráfico de

coeficiente de atrito ao

longo do risco (12Mn e

20Mn, W=100 mN).

b) Micrografia aço 12Mn.

c) Micrografia aço 20Mn

Resultados – Nano esclerometria

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Referências Bibliográficas

ASTM A128, 2012, Standard Specification for Steel Castings, Austenitic Manganese;

Buckley, D. H.; The Influence of the Atomic Nature of Crystalline Materials on Friction. ASLE Trans., 11 (1968) 89-100; Challen, J. M., Oxley, P. L. B., & Doyle, E. D. (1983). The effect of strain hardening on the atomic nature of crystalline

materials on friction, 88, 1–12;

Dyer, L.; Rolling Friction on Single Crystals of Copper in the Plastic Range, Acta Metall.,9 (1961) 928-936;

Hokkirigawa, K., Kato, K., & Li, Z. Z. (1988). The effect of hardness on the transition of the abrasive wear mechanism of steels. Wear, 123(2), 241–251;

Kuyucak, S. and Zavadil, R. and Newcombe, P., 2001, Heat Treatment of Hadfield’s Austenitic Manganese Steels Part I – VIII – AFS Special Report;

Rabinowicz, E.; Friction and Wear of Materials. J.Wiley, New York, 1965;

Rabinowicz, E.; Wear Coefficients-metals, in Wear Control Hanbook, Peterson, M. B. and Winer, W. O., eds., ASME, New York, 1980, pp. 475-506;

Santos, N. L., Todorov, D., Cavalcanti, A. H., & Fuoco, R. (2010). Effect of Carbide Re-precipitation on the Toughness of Hadfield Austenitic Manganese Steel. American Foundry Society, 1–16;

Stroud, M. F. and Wilman, H.; The Proportion of the Groove Volume Removed as Wear in Abrasion of Metals. Brit.J.Appl.Phys., 13 (1962) 173-178;

Tsujimoto, N. – Casting Practice of Abrasion Resistant Austenitic Manganese Steel – AFS International Cast Metals Journal, June, 1979, p. 62-77;

Zum Gahr, K. (1987). Microstructure and wear of materials.

40

Apoio:

Agradecimentos Abrasivos

41

• Obrigado pela atenção!!

e-mail: pcmachado@usp.br

Foto: Fábio Nascimento; Jimmy Penados; Juan Pereira; Tiago Cousseau; Paulo Machado; Amilton Sinatora; Fernando Ono; Luiz A. Franco; Marcos Ara; Gustavo Tressia; Eduardo Albertin.