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Resistência a Abrasão de Aços Hadfield
Autor: Prof. Doutorando Paulo Machado
Setembro 2015 – Vitória/ES
2 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
Orie
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Objetivos • Estudar a resistência a abrasão do aço Hadfield
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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
Fn
F tan
6 mm
Superfície
Fonte: Tanaka, D.K., 2011
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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
Mecanismo de Remoção de Massa
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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
Fonte: Tanaka, D.K., 2011
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Figura. Trinca transgranular
superficial. Aço Hadfield classe C.
MEV. a) 1500X – SE. b) 500X – BEC
• Dano superficial -> sub-superficial
Mecanismo de Remoção de Massa
Fonte: Machado, P.C., 2015
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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
Fonte: Machado, P.C., 2015
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Figura. Trinca intergranular superficial. Aço Hadfield classe C. MEV-SE. 500X
• Dano superficial -> sub-superficial
Fonte: Machado, P.C., 2015
Mecanismo de Remoção de Massa
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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
Fonte: Tanaka, D.K., 2011
Fração fab – 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, fab 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
Apile-up¹ Apile-up²
Ahole
a) b)
c)
fab → Ratio microcutting to microploughing
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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 - αc; • Os materiais apresentam
diferentes αc. Exemplo: • Cobre - αc,Cu = 45⁰;
• Alumínio - αc,Al = 85⁰;
• O encruamento promove o aumento do αc (Challen et al. 1983);
Ângulo de Ataque - α
Figura. Diagrama de micromecanismo de desgaste em função da dureza (aço temperado e revenido)
Fonte: Hokkirigawa et al. 1988
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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.
• Grau de penetração – Degree of penetration
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
Encruamento do aço Hadfield
A maclação diminui a mobilidade de discordâncias dentro do grão cristalino tendo efeito mecânico similar a diminuição de tamanho grão.
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Fonte: De Cooman et al., 2011
Figura. Ilustração do efeito Hall-Petch dinâmico. O mecanismo de maclação forma-se devido a baixa SFE
Encruamento do aço Hadfield
Resistência do Material – Aço Hadfield
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Figura. Sistema de maclação no aço Hadfield [111]. a) Macla de recristalização. b) Maclas de deformação
Fonte: LFS, 2014
a) b)
Desgaste Abrasivo
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Onde: Ahole = área transversal do sulco – mm²; H = dureza em MPa; Fn = força normal – N; kab : adimensional.
Onde: Ahole = área transversal do sulco – mm²; fab = fração de material removido;
Onde: Hdef = dureza do material deformado; H = dureza bulk;
Propriedades Físicas
• Propriedades do material que influem no desgaste abrasivo
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Figura. Esquema de sistemas de deformação plástica em estruturas cristalinas
Fonte: Zum Gahr, 1987
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.
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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 fundição ou em processo de deformação;
ASTM A128
• As classes B-1 e C foram utilizadas na pesquisa
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Tabela. Classes (grades) de aço Hadfield
Fonte: ASTM A128, 2012
Curva TTT
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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:
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Figura. Esquema do ensaio de esclerometria em escala micro e nano
7 mm
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 HV30kgf
• VL2: 202 HV30kgf
Resultados – Dureza Vickers
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Figura. Perfil de microdureza ao longo do Scratch
Macro dureza – 30 kgf Micro dureza – 0,3 kgf
Resultados – Micro esclerometria
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Figura. Esquema de imagens MEV do risco. Hadfield classe C. MEV-SE. 500X e 50X
Resultados – Micro esclerometria
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Figura. Esquema de imagens MEV do risco. Hadfield classe B-1. MEV-SE. 500X e 50X
Resultados – Micro esclerometria
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• Classe C e B-1 deformados
Figura. MEV do risco. a) classe C e classe B-1. 500x
a) b)
Resultados – µ e perfilometria
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• Classe C
Figura. Esquema dos resultados (classe C) de Fz, Fx e µ em função do tempo (s) correlacionado com a perfilometria do groove.
Resultados – MO e perfilometria
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• Classe C
Figura. Esquema de micrografias e perfilometria (vista lateral) do groove. Classe C. MO. 200x
Menor Kab
Médio Kab Maior Kab
Legenda:
Figura. Perfi transversal do groove nas posições 2,5; 4,5 e 5,5 mm
Kab = 9,3. 10-4 Kab = 7,1. 10-3 Kab = 1,3. 10-2
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• Classe B-1
Figura. Perfil transversal do groove nas posições 0,5; 1,5 e 5,5 mm
Kab = 2,1. 10-2 Kab = 1,1. 10-3 Kab = 1,1. 10-2
Resultados – MO e perfilometria
Figura. Esquema de micrografias e perfilometria (vista lateral) do groove. Classe B-1. MO. 200x
Menor Kab
Médio Kab Maior Kab
Legenda:
Resultados – Kab vs. fab
• Os valores de kab e fab
variam de acordo com a textura cristalográfica;
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Figura. Resultados de coef. de desgaste em função do fab
Resultados – Kab vs. fab
• Os valores de kab e fab
variam de acordo com a textura cristalográfica;
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Figura. Resultados de coef. de desgaste em função do fab
Resultados Nano esclerometria
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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 –
20Mn
Resultados Nano esclerometria
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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)
Fonte: Hokkirigawa et al. 1988
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
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.
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Agradecimentos Abrasivos
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• Obrigado pela atenção!!
e-mail: [email protected]
Foto: Fábio Nascimento; Jimmy Penados; Juan Pereira; Tiago Cousseau; Paulo Machado; Amilton Sinatora; Fernando Ono; Luiz A. Franco; Marcos Ara; Gustavo Tressia; Eduardo Albertin.