O aço de plasticidade induzida por transformação (TRIP) é um tipo de liga de aço que exibe excelente resistência e ductilidade. A plasticidade induzida por transformação refere-se à transformação da austenita W retida em martensita W durante a deformação plástica. Essa propriedade permite que os aços TRIP tenham uma alta conformabilidade, mantendo excelente resistência. No processamento de metais, geralmente há um compromisso que deve ser feito entre resistência e ductilidade. [1] Isso é demonstrado pelo gráfico na Figura 1, que mostra o compromisso entre resistência e ductilidade durante o trabalho a frio. A vantagem dos aços TRIP é que eles têm ductilidade muito maior do que outros aços com resistência semelhante. [2] A ductilidade e a resistência dos aços TRIP os tornam um excelente candidato para aplicações automotivas. De fato, os componentes estruturais podem ser feitos mais finos porque os aços TRIP têm a ductilidade necessária para suportar processos de alta deformação, como estampagem, bem como as características de resistência e absorção de energia para atender às regulamentações de segurança.
Conteúdo
Princípios subjacentes da ciência dos materiais
Composição do Aço TRIP
Aços trip são ligas de ferro-carbono hipoeutetóides que normalmente contêm 0,1 – 0,4% de carbono em peso. Aços TRIP também contêm elementos de liga que impedem a precipitação da fase W de cementita de alto carbono que está presente em aços típicos em temperatura ambiente. Isso aumenta a concentração de carbono da fase austenita, que se torna estável em temperatura ambiente. Silício e alumínio são os dois elementos mais comuns usados para estabilizar a fase austenita em temperatura ambiente. [4] Outros elementos de liga, como titânio, nióbio, vanádio… etc. também podem ser adicionados para melhorar a resistência da liga.
Método de processamento
Para produzir um aço TRIP forte e dúctil, um processo de recozimento intercrítico é usado para obter a distribuição de fase correta. [5] Durante o recozimento intercrítico, o aço é levado a uma temperatura acima do eutetóide W , onde o material é composto de uma fase de austenita sólida e uma fase de ferrita sólida. A fase de austenita é uma fase sólida de alta temperatura que só existe em equilíbrio em temperaturas acima de 727 graus Celsius. [6] O material é então resfriado isotermicamente a uma temperatura de aproximadamente 400 graus Celsius, [4] para permitir que a austenita forme uma fase de ferrita banítica. Durante a transformação eutetóide, o excesso de carbono é produzido pela formação da fase de ferrita de baixo carbono. Em uma liga de aço típica, o excesso de carbono formaria uma fase de cementita de alto carbono. No entanto, o silício e o alumínio impedem a formação de cementita. Em consequência, o excesso de carbono se difunde para a fase de austenita restante. Para obter a microestrutura correta, é importante que a transformação isotérmica seja concluída em uma temperatura onde a formação de ferrita bainítica seja lenta o suficiente para permitir que o carbono se difunda para a austenita. A fase de austenita enriquecida com carbono eventualmente atinge um teor de carbono alto o suficiente para ser estável à temperatura ambiente. [7] O resultado do processo de recozimento intercrítico é um material composto principalmente de ferrita e bainita W formado a partir da fase de austenita durante o recozimento intercrítico, bem como fases de austenita retida dispersa e martensita. A microestrutura do grão pode ser vista na Figura 2, que mostra um esquema das fases, e na Figura 3, que mostra uma micrografia tirada com um microscópio eletrônico de varredura W . A Figura 4 descreve o processo de recozimento intercrítico no diagrama de fases de ferro. A Figura 5 demonstra a concentração de carbono das fases de ferrita e austenita durante o processo de recozimento intercrítico.
O efeito "TRIP"
O fenômeno da plasticidade induzida pela transformação ocorre quando a austenita retida se transforma em martensita durante a deformação plástica. [1] A transformação da austenita retida produz uma fase de martensita com alto teor de carbono, que é muito quebradiça. No entanto, a austenita retida é muito finamente dispersa na fase de ferrita. Essa dispersão fina permite que os aços TRIP retenham sua resistência. A transformação da austenita em martesita é quase instantânea e completamente sem difusão. [8] Nos aços TRIP, a deformação plástica forma sítios de nucleação de matensita em áreas microscópicas que apresentam grandes deformações. [9] Esses sítios de nucleação desencadeiam a formação da fase de martensita. As áreas de nucleação são conhecidas como bandas de cisalhamento, onde defeitos cristalográficos W, como gêmeos ou feixes de falhas de empilhamento, estão localizados.
Propriedades do material dos aços TRIP
Uma curva típica de tensão-deformação de engenharia para aços TRIP é mostrada na Figura 6. Como pode ser visto, os aços TRIP têm uma grande quantidade de encruamento. O alto encruamento pode ser atribuído ao efeito TRIP, bem como ao fato de que os aços TRIP são compostos principalmente de ferrita macia e bainita dura. Essa natureza de "fase dupla" permite a deformação local da fase de ferrita, mantendo uma alta resistência à tração. De fato, sua resistência à tração W é tipicamente o dobro do valor de sua resistência ao escoamento W . [2] Isso significa que os aços TRIP também exibem encruamento muito estável, onde o início do estreitamento ocorre em valores de alongamento relativamente altos (acima de 25%). Isso torna os aços TRIP ideais para operações de conformação, como estampagem ou dobra. As operações de conformação são frequentemente limitadas pela perda de resistência do componente devido ao afinamento da parede ou ruptura porque o material atingiu seu limite de conformação. Os aços TRIP são ideais para tais operações porque têm um alto limite de conformabilidade e têm alongamento estável do ponto de escoamento, o que aumenta a integridade estrutural dos componentes formados.
Melhorando o desempenho dos aços TRIP
Melhorando o acabamento superficial galvanizado dos aços TRIP
A galvanização por imersão a quente W é um tratamento de superfície amplamente utilizado para aços. Durante o processo, o zinco fundido se liga ao ferro para formar uma camada que protege contra a corrosão. Os aços TRIP originais continham apenas silício como elemento de liga usado para suprimir a formação da fase de cementita. O teor de silício nessas ligas era de aproximadamente 1,5% em peso. Esse teor relativamente alto de silício formou óxido de silício na superfície do aço antes do processo de galvanização. [10] Esse óxido degradou severamente as propriedades do revestimento da superfície galvanizada. [4] Os aços TRIP mais novos substituíram parcial ou completamente o silício por alumínio como um componente de liga. O alumínio desempenha o mesmo papel que o silício, mas não tem efeitos negativos no acabamento da superfície durante a galvanização. Portanto, o teor de silício pode ser reduzido, mantendo as propriedades TRIP do aço.
Microligação de alta resistência de aços TRIP
Aços TRIP básicos têm uma resistência à tração de aproximadamente 600 MPa. No entanto, ao variar o teor de liga, os aços TRIP podem ter resistências à tração acima de 800 MPa. Isso foi realizado primeiramente aumentando o teor de carbono da liga para aproximadamente 0,4% em peso. [1] No entanto, esse alto teor de carbono leva a uma soldabilidade ruim. Além disso, a austenita retida se torna mais estável devido ao aumento do teor de carbono, o que diminui a conformabilidade do aço TRIP. Em vez de aumentar o teor de carbono, elementos de liga como titânio, nióbio e vanádio podem ser usados para dar aos aços TRIP maior resistência à tração. [1] Esses elementos de liga aumentam a resistência do aço por meio do endurecimento por precipitação W , enquanto têm um efeito mínimo na soldabilidade e conformabilidade.
Melhorar a eficiência de combustível dos automóveis
Os aços TRIP são uma escolha ideal para materiais estruturais em automóveis. Eles têm a ductilidade e o endurecimento estável necessário para suportar processos de alta deformação, como estampagem. Além disso, sua alta resistência à tração os torna ideais para componentes altamente estressados. Finalmente, eles têm excelentes propriedades de absorção de energia devido à sua ductilidade e resistência, o que pode melhorar a segurança do veículo durante uma colisão. Devido a essas propriedades benéficas, os aços TRIP podem ser usados em quantidades menores para substituir os componentes de aço atuais. Isso é conhecido como "down-gauging", onde folhas mais finas de aço são usadas para formar componentes.
Estimativa de redução de peso
Aproximadamente 55 por cento da massa de um automóvel de passageiros médio é feito de aço. [11] Foi demonstrado que o volume de uma chapa formada de aço macio pode ser reduzido em 20 por cento usando aço TRIP, mantendo a mesma rigidez. [12] Portanto, pode-se supor que o uso de aço TRIP poderia reduzir a massa de aço em um veículo em 20 por cento e a massa total do veículo em 11 por cento.
Efeito da redução de peso na eficiência de combustível
A porcentagem de combustível consumido que vai diretamente para a recuperação de perdas inerciais da frenagem é de 5,8%. [13] A economia de peso com o uso do aço TRIP reduziria a quantidade de perdas inerciais em 11%, porque a energia cinética é diretamente proporcional à massa. Isso significa que o uso de aços TRIP pode levar a uma redução no consumo total de combustível de 0,64%.
Observe que esta é uma suposição extremamente conservadora, pois a resistência ao rolamento W também depende da massa e não foi incluída neste exemplo.
Magnitude do efeito em escala global
Se assumirmos que um veículo de passageiros médio consome 10L/100km (23,5 mpg), e que um carro médio viaja 20 000 km (12500 milhas) em um ano, a economia de peso se traduz em uma redução anual de consumo de combustível de 12,8 litros (3,33 galões). Em 2007, havia 136 bilhões de carros de passageiros nos Estados Unidos. [14] Isso significa que o uso de aços TRIP na fabricação de veículos tem o potencial de reduzir o consumo de combustível em 1,74 bilhão de litros (460 milhões de galões). Isso representa uma redução de emissões de dióxido de carbono de 4,18 bilhões de kg (1,9 bilhão de libras), o que é uma redução de 0,07% do total de emissões de dióxido de carbono dos Estados Unidos. [15]
Economia dos aços TRIP
O aço é comumente usado por causa de sua resistência, conformabilidade e baixo custo em relação a outros metais. Metais como titânio, magnésio e alumínio têm uma relação resistência/peso maior e podem oferecer economias de peso significativas em componentes automotivos. No entanto, eles são muito mais caros devido à sua menor abundância, maiores custos de produção e maiores custos de usinagem. Além disso, o fornecimento mundial desses metais é bastante limitado. Esses fatores impedem que esses metais sejam comumente usados em carros de produção de baixo custo, que a maioria da população dirige. Os aços TRIP não enfrentam nenhuma dessas dificuldades, porque são um aço de baixa liga. A implementação da etapa de recozimento intercrítico no processamento de aço não deve ser difícil. Isso significa que os aços TRIP podem ser produzidos pelo mesmo preço que outros aços de alta resistência. A barreira mais importante que os aços TRIP enfrentaram em sua integração ao mercado é o acabamento superficial de galvanização ruim. O processo de galvanização é usado em um grande número de componentes automotivos, porque é fácil, barato e eficaz. Com a recente descoberta do alumínio como substituto do silício, os aços TRIP não enfrentam mais dificuldades anteriores com a galvanização. Os aços TRIP agora podem ser efetivamente protegidos contra corrosão de uma forma economicamente viável, o que significa que poderemos ver a produção comercial de produtos de aço TRIP em um futuro próximo.
Referências
- ↑Ir para:1.0 1.1 1.2 1.3 M. Zhang & Al., "Diagramas de transformação de resfriamento contínuo e propriedades de aços TRIP microligados", Materials Science and Engineering A 438-440, 2006.
- ↑Ir para:2.0 2.1 Aços TRIP dos EUA (2009) Disponível: http://web.archive.org/web/20111007042208/http://xnet3.uss.com/auto/tech/grades/TRIP_main.htm
- ↑ A. Mark, "Efeitos microestruturais na estabilidade da austenita retida em aços de plasticidade induzida por transformação", tese de doutorado, Queen's University, 2007.
- ↑Ir para:4.0 4.1 4.2 S. Chatterjee & Al., "Delta TRIP steel", Ciência e Tecnologia de Materiais, Vol 23 No 7.819-827, 2007.
- ↑ E. Emadoddin & Al. "Efeito da redução da laminação a frio e da temperatura de recozimento intercrítico na textura em massa de duas chapas de aço auxiliadas por TRIP", Journal of Materials Processing Technology 203, 293-300, 2008.
- ↑ William D. Callister, "Ciência e engenharia de materiais: uma introdução", 7ª edição, Wiley, 2007. p.292
- ↑ Qiang Liu & Al., "Pesquisa e desenvolvimento de aço laminado a frio de 780 MPa auxiliado por TRIP", International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials, Vol 16, Num 4, 399-406, 2009.
- ↑ William D. Callister, "Ciência e engenharia de materiais: uma introdução", 7ª edição, Wiley, 2007. p.331
- ↑ GB Olson, Morris Cohen, "Cinética da nucleação martensítica induzida por tensão", Metallurgical Transactions A, Vol 6A, 971, 1975.
- ↑ Wolfgang Bleck, "Usando o efeito TRIP – o alvorecer de um grupo promissor de aços conformáveis a frio", Conferência Internacional sobre Ligas Ferrosas de Alta Resistência Auxiliadas por TRIP
- ↑ "Quanto aço há em um carro comum?", Driving Today, 15 de setembro (1999), disponível em: http://www.drivingtoday.com:80/wcco/news_this_week/1999-09-15-306-driving/index.html
- ↑ W. Li & Al., "Aplicação de aço TRIP para substituir aço macio em peças automotivas", Conferência internacional sobre aços avançados de alta resistência para aplicações automotivas, anais, 31-36, junho de 2004
- ↑ "Tecnologias avançadas e eficiência de combustível", disponível em: http://www.fueleconomy.gov/FEG/atv.shtml
- ↑ "Número de aeronaves, veículos, embarcações e outros meios de transporte dos EUA", Bureau of Transportation Statistics, disponível em: http://web.archive.org/web/20170717020755/https://www.bts.gov/publications/national_transportation_statistics/html/table_01_11.html
- ↑ "Emissões de CO2 per capita nos Estados Unidos", Google Public Data, disponível em: http://www.google.com/publicdata?ds=wb-wdi&met=en_atm_co2e_pc&idim=country:USA&q=us+carbon+dioxide+emissions
