Superplasticidade de baixa temperatura e estabilidade térmica de um baixo nanoestruturado

Scientific Reports volume 5, Número do artigo: 18656 (2016) Citar este artigo

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Descrevemos aqui pela primeira vez a superplasticidade a baixa temperatura de aços nanoestruturados de baixo carbono (microligados com V, N, Mn, Al, Si e Ni). Aço a granel de baixo teor de carbono nanogranulado/ultrafino (NG/UFG) foi processado usando uma combinação de laminação a frio e recozimento de martensita. A microestrutura complexa da ferrita NG/UFG e da cementita 50-80 nm exibiu alta estabilidade térmica a 500 °C com alongamento a baixa temperatura superior a 100% (a menos de 0,5 do ponto de fusão absoluto) em comparação com o convencional de grão fino (FG ) correspondente. A superplasticidade a baixa temperatura é adequada para formar componentes complexos. Além disso, a baixa resistência durante o processamento a quente é favorável para diminuir o retorno elástico e minimizar a perda da matriz.

A superplasticidade é caracterizada como a capacidade do material de suportar grandes deformações plásticas antes da falha1,2,3, o que é bem documentado para ligas de titânio4,5,6. Dentre os diversos mecanismos de fortalecimento dos metais, o refino de grão é considerado o método adequado e conveniente para melhorar simultaneamente a resistência e a tenacidade7,8,9,10,11. Aços inoxidáveis ​​nanoestruturados processados ​​por meio de uma combinação de deformação a frio severa (>65%) seguida de recozimento por reversão de fase exibiram uma combinação resistência-ductilidade superior, incluindo alta relação resistência/peso, resistência ao desgaste e também atividade celular favorável. Nesta abordagem, a deformação severa da austenita metaestável à temperatura ambiente leva à transformação induzida por deformação da austenita em martensita. No recozimento, esta martensita induzida por tensão severamente deformada reverte para austenita por meio de um cisalhamento martensítico ou mecanismo de reversão por difusão12,13,14. Assim, existe um forte potencial para o uso de aços inoxidáveis ​​nanoestruturados em vez da contraparte convencional de granulação grossa. No entanto, na maioria dos sistemas de ligas nanoestruturadas, a ductilidade é limitada devido à falta de capacidade de endurecimento por deformação3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16. Assim, a melhoria na plasticidade continua a ser objeto de interesse. Atenção também foi dada à superplasticidade de alta temperatura para formar componentes de forma complexa e peças curvas através da engenharia de contorno de grão2,17. Em materiais de grão ultrafino (UFG), o deslizamento do limite de grão é considerado o mecanismo mais importante da superplasticidade. O tamanho de grão fino é preferido porque o número de contornos de grão envolvidos no deslizamento é alto e a distância para acomodação por difusão e/ou deslizamento é pequena18. Exploramos aqui a superplasticidade em aço a granel microligado de baixo carbono nanogranulado/ultrafino (NG/UFG) a temperatura elevada, mas significativamente abaixo de 0,5 ponto de fusão (Tm).

Não há dúvida de que o campo de aplicação da conformação superplástica se tornará ainda mais amplo se as temperaturas de deformação puderem ser reduzidas devido ao menor consumo de energia e redução significativa na oxidação da superfície. A superplasticidade do níquel nanocristalino foi observada a 470 °C, o que corresponde a 0,36 Tm1. A liga de magnésio AZ91 de granulação fina exibiu um comportamento superplástico na faixa de baixa temperatura de 150–250 °C (0,46–0,57 Tm)19. Aços de grão fino (FG) com alto teor de carbono (contendo 1–2% C em peso%) exibiram superplasticidade a 0,5–0,65 Tm e taxa de deformação de ~10−4–10−3 s20,21. No entanto, é importante que o aço conformado possua alta estabilidade térmica para reter a microestrutura fina e proporcionar excelentes propriedades mecânicas no produto final21. Estudos sobre superplasticidade em aços em temperaturas inferiores a 0,5 Tm, especialmente em aços de baixo carbono comumente usados, não foram explorados com o melhor de nosso conhecimento.

Micrografias de microscopia eletrônica de varredura (MEV) dos aços experimentais submetidos a reaquecimento a 900 °C seguido de têmpera em água são apresentadas na Fig. 1a. Durante o reaquecimento da microestrutura martensítica resfriada em água, a austenita fina nucleada nos contornos de grão da austenita anterior e ripas de martensita. Após a segunda etapa de têmpera, a microestrutura consistia em finas placas de martensita com largura de aproximadamente 300 a 500 nm. O tamanho de grão de austenita anterior era de 3–6 μm e precipitados VN de 20–30 nm foram formados durante a manutenção a 900 °C, que foram distribuídos dentro dos grãos de austenita anteriores e placas de martensita (Fig. 1b). A adição de N aos aços microligados com V diminuiu o período de incubação para a precipitação do carbonitreto de V e aumentou a fração volumétrica devido ao maior produto de solubilidade de V e N. De acordo com o produto de solubilidade de VN em austenita (equação 1)22, o a temperatura de dissolução completa de VN no aço experimental é de 1102 °C. O efeito pinning do VN diminuiu a taxa de engrossamento dos grãos austeníticos anteriores. Após laminação a frio até 1,6 mm, as placas de martensita não uniformes foram obtidas com largura de 100–150 nm e 150–250 nm (Fig. 1c), enquanto na placa laminada a frio de 0,9 mm de espessura, as placas de martensita com largura de 100-150 nm paralelo à direção de laminação foram obtidos (Fig. 1d). Assim, a superplasticidade foi estudada em chapas laminadas a frio de 0,9 mm de espessura devido à microestrutura original fina e homogênea.