Aços de Alta Resistência - Dual Phase

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Trabalho Interdiscilinar Dirigido 
INSTITUTO POLITÉCNICO – Centro Universitário UNA 
A substituição de aços convencionais por aços de alta resistência para estampagem na indústria automobilística.
CURSO: Engenharia Mecânica - Professor TIDIR: Marcelo Espindola 
Alunos: Deborah Carolina Oliveira, João Carlos Feliciano, Rafael Roberto de Abreu, 
Rogério Lopes, Valéria Meireles Marques.
Resumo –O“Dual Phase”é definido como Aço Avançado de Alta Resistência “Advanced High StrengthSteel - AHSS”. Esse aço apresenta uma microestrutura que consiste de uma segunda fase dura (martensita) dispersa em uma matriz de ferrita (macia), o que confere a ele excelente combinação de resistência, conformabilidade e tenacidade. O objetivo do presente trabalho é apresentar o processo de fabricação, características e desempenho do aço “Dual Phase”relatados na literatura em caráter comparativo a um Aço de Alta Resistência e Baixa Liga “High StrengthLowAlloy- HSLA”.
Palavras-chave: “Dual Phase”, Aços de Alta Resistência, Microestrutura.
Introdução 
Um dos maiores mercados para aços de alta resistência e responsável pelo desenvolvimento de novos materiais e tecnologiasé a indústria automobilística. Nas últimas décadas a crescente demanda por carros mais seguros, econômicos e menos poluentes exigiram das montadoras, siderúrgicas e comunidade científica investimentos na pesquisa de novos aços. 	O resultado foi o aumento significativo na utilização de aços avançados de alta resistência, visando assim, atender os requisitos ligados á conformabilidade, á resistência mecânica e resistência á corrosão.
A indústria automobilística tem promovido enormes avanços na evolução metalúrgica dos aços ao longo dos anos. Basta lembrar que os primeiros automóveis possuíam feitio quadrado basicamente em função da inadequada estampabilidade das chapas dos aços ferrítico-perlíticos, uma conseqüência não só da incipiente ciência metalúrgica da época, bem como das limitações dos processos industriais de refino de grãos. Contundo, a pressão da indústria automobilística pela redução de peso, custo e melhoria do “design” dos automóveis forçou as usinas a evoluir tecnologicamente para produzir aços com alta estampabilidade.
Surgiram então os chamados aços de Alta Resistência e Baixa Liga - “High StrengthLowAlloy– HSLA”, contendo microadições de Nb (nióbio), Ti (titânio) e V (vanádio), cuja microestrutura ferrítica-perlítica mais refinada e a capacidade de endurecimento por precipitação lhe proporcionavam maior resistência. Contundo a contrapartida por essas vantagens foi uma ligeira perda de estampabilidade nesses novos produtos. A reação a isso foi o surgimento do aço “Dual Phase”, cuja microestrutura peculiar propiciava a redução do peso de componentes automotivos através da utilização de espessuras reduzidas, em razão de uma maior resistência mecânica, e na sua mais efetiva tenacidade, comparativamente aos tradicionais aços “HSLA”.
O ambiente competitivo em escala global que surgiu a partir dos anos 1990 e os desafios ecológicos do inicio do milênio vêm impondo desafios cada vez mais sérios a esse setor. A resposta da siderurgia mundial foi o desenvolvimento contínuo de novos tipos de aços com características cada vez mais adequadas a aplicações especificas. A partir da década de 1990 todos esses aços novos aços foram englobados numa só família, designada como Aços Avançados de Alta Resistência “Advanced High StrengthSteels - AHSS”.
Revisão Bibliográfica
A questão do desenvolvimento de novas ligas para uso da indústria automotiva é tão latente que nos últimos 20 anos vários projetos estão em andamento, envolvendo a comunidade cientifica e grandes fabricantes de aço no mundo. O grande objetivo desse setor tem sido oferecer materiais cada vez mais inovadores, bem como métodos de produção e técnicas de montagem mais adaptadas as suas necessidades, com enfoque na obtenção de um nível cada vez mais alto de segurança e de redução do peso do veículo, de acordo com Andrade et al.(2002), De Cooman (2004), Grajcar (2005) e Chen et al. (2009).
Destaque pode ser dado ao projeto intitulado “Ultra Light Steel Auto Body– ULSAB” sob a liderança da “PorsheEngineering” que conta com a parceria de 35 companhias siderúrgicas de 18 países, tendo como único representante da América do Sul, a siderúrgica Usiminas. Um dos benefícios oriundos dessa grande iniciativa foi à introdução dos aços de alta resistência “High Streength Steel” na estrutura dos automóveis, destacando-se entre esses o aço “High StrengthLowAlloy - HSLA”. Esse projeto finalizado em 1998, foi avaliado satisfatoriamente em relação aos objetivos almejados principalmente no que se refere à segurança e redução no consumo de combustível, Andrade et al. (2000).
Na continuação do projeto “ULSAB”, o novo programa “ULSAB-AVC - AdvancedVehicleConcepts” propõe a aplicação de novos tipos de aços “HSLA”, os chamados aços avançados de alta resistência entre os quais destaca-seo “Dual Phase”, (IISI, 2002).
A Figura 1 permite estabelecer um comparativo entre essa nova família de açosde resistência e os tradicionais aços quanto às características de resistência mecânica e ductilidade, que é definida como a capacidade que um material tem de se deformar antes da ruptura, quando sujeito a tensões muito elevadas. Quanto mais dúctil o aço maior é a redução de área ou alongamento antes da ruptura. O aumento do nível de resistência mecânica do produto leva quase inevitavelmente à redução de seu alongamento total, ou seja, de sua estampabilidade. Contudo, o uso de microestruturas adequadas permite minimizar a perda de ductilidade sob maiores níveis de resistência mecânica, Schröder (2004).
Figura 1 - Relação entre ductilidade e resistência de várias categorias de aços amplamente utilizados na estrutura dos automóveis.
Segundo Rashid (1977) um dos recursos disponíveis para se maximizar simultaneamente resistência mecânica e ductilidade nos aços consiste no uso de microestruturas mais complexas do que ferriticas ou ferriticas-perlíticas normalmente presentes nas ligas comuns de baixo carbono.
No final da década de 1970 surgiu o primeiro desenvolvimento neste sentido, o aço “Dual Phase” que apresenta microestrutura constituída por 80 a 90% de ferrita poligonal (macia) e 10 a 20% de “ilhas” de martensita (dura).
Amartensitaapresenta uma estrutura cristalina tetragonal que é feita a partir da austenita, uma solução sólida de carbono e ferro com uma estrutura central cristalina cúbica, que é formada pelo aquecimento do ferro a uma temperatura de pelo menos 723ºC. A transformação martensítica ocorre quando a austenita é rapidamente resfriada em um processo de tratamento térmico conhecido como têmpera. A rápida queda de temperatura captura os átomos de carbono dentro da estrutura cristalina dos átomos de ferro antes que eles possam se difundir para fora, resultando em uma ligeira distorção da forma destas estruturas, aumentando a dureza do aço conforme pode ser observado na Figura 2.
Figura 2 - Transformação da austenita em martensita.
O aço “Dual Phase” apresenta uma excelente combinação de alta resistência e capacidade de deformação, resultado da sua microestrutura com grande capacidade de encruamento conforme observado na Figura 3.
Figura 3 - Aço “Dual Phase” com maior limite de resistência que o ”HSLA”.
A alta capacidade de encruamento garante a esses aços excelente resistência à fadiga e capacidade de absorção de impacto, que é definida como tenacidade que é calculada através da integral da curva obtida, ou seja, a área sob a curva até o ponto de fratura.
Todas essas características fazem do “Dual Phase” uma opção interessante para componentes estruturais e de segurança nos automóveis, tais como, barra transversais da porta, longarinas, colunas A e B, soleira da porta, arco do teto, para-choque entre outros componentes. 
A Figura 4 mostra as diversas possibilidades de utilização do “Dual Phase” na indústria automotiva.Figura 4 - Possibilidades de aplicação do "Dual Phase" na carroceria dos automóveis.
Silva (2004) destaca como entravepara o uso maciçodosaçosde alta resistência na indústria automotiva o processo de estampagem atual, que necessita se adequar aos novos tipos de aços,partindo da reformulação da geometria das peças, mudanças nos conceitos de fabricação das ferramentas de corte e de repuxo, novas definições de prensas, entre outros fatores. 
Por apresentar características mecânicas, como altos valores de resistência à tração em valores relativamente baixos de alongamento, osaços "AHSS", não são facilmente conformados, além de terem tendência a formar rugas e um retorno elástico extremo. Assim, estes aços necessitam de altas forças para conformá-los, o que torna inviável as técnicas de estampagem tradicionais. 
Materiais e Métodos
Materiais Pesquisados 
Com referência em literatura já existente, para execução do presente trabalho foi analisado um aço “Dual Phase”da classe de 600 MPa de limite de resistência laminado a frio e galvanizado por imersão a quente, com limite de escoamento mínimo de 340 MPa (DP340/600) fornecido pela Usina Siderúrgica de Minas Gerais S.A. - USIMINAS, comparado à um aço de limite de escoamento similar e concepção “HSLA” (HSLA340/450). 
Conhecido o material de estudo, foram executadas diversas análisesbaseadas em literatura já existentes. Iniciandocom uma análise microestruturalem MEV, para identificação e quantificação das fases presentes no aço, realização de uma análise química, para verificação da composição química dos aços utilizados; e de ensaios de tração, para caracterização das propriedades mecânicas e parâmetros de estampabilidade do material.
Análise de Dados e Discussão
Microestrutura
O ensaio metalográfico analisado permitiu identificar as fases presentes no aço “Dual Phase” e no “HSLA”. A Figura 6 mostra as micrografias, realizadas no MEV (microscopia eletrônica de varredura). Neste tipo de análise a superfície da amostra a ser examinada é rastreada com um feixe de elétrons, e o feixe de elétrons refletido é coletado e então mostrado à mesma taxa de varredura sobre um tubo de raios catódicos (semelhante à tela de uma TV). A imagem na tela, que pode ser fotografada, representa as características da superfície da amostra.
Ferrita
Martensita
Ferrita
Perlita
(a)
(b)
Figura 6: Micrografia em MV do "Dual Phase" (a) Micrografia em MV do "HSLA” (b) 
A micrografia da Figura 6 mostra claramente as duas fases presentes no aço “Dual Phase”. A porção do material representada pela fase martensítica na forma de ilhas, envolta pela matriz ferrítica. Outra característica apresentada é a fase matriz de forma contínua, com pequenos glóbulos de martensita distribuídos de maneira uniforme, conferindo a este material excelente ductilidade aliado a um grande nível de resistência.
Composição Química 
A Tabela 1 mostra a composição química mássica percentual presente em cada aço.
Tabela 1 - Composição Química em (%) para cada aço.
	Elemento Químico
	Mn
	Si
	Nb
	Ni
	S
	Ti
	Al
	C
	“Dual Phase”
	1,19
	1,1
	0,003
	0,015
	0,001
	0,003
	0,044
	0,083
	“HSLA”
	0,70
	0,040
	0,06
	0,025
	0,002
	0,013
	0,03
	0,07
Cada elemento de liga presente na composição do aço “Dual Phase” tem sua influência para a estrutura, sendo que o carbono determina a distribuição das fases e age como endurecedor da martensita; o vanádio refina a microestrutura e tem a função de endurecer por precipitação; o nióbio refina a microestruturae o silício abaixa a solubilidade do carbono na ferrita.
Propriedades Mecânicas
A Tabela 2 mostra resultados referentes às propriedades mecânicas dos materiais obtidas através do ensaio de tração analisado. 
Tabela 2. Propriedades mecânicas á tração.
	Aço
	LE
	LR
	AL
	AU
	LE/LR
	LR x AL 
	DP 340/600
	377 Mpa
	658 Mpa
	25%
	18%’
	57%
	16450
	HSLA 340/450
	375 Mpa
	477 Mpa
	26%
	17%
	79%
	12407
Analisando os resultados apresentados na Tabela 2 e o gráfico de tração típico para os materiais testados, ilustrado na Figura 7, verifica-se que ao o aço “Dual Phase” apresenta as propriedades mais favoráveis á absorção de impacto: alta taxa de encruamento inicial, alongamento total (AL), alongamento uniforme (Au), e limite de escoamento (LE) similar, maior limite de resistência, menor razão elástica (LE/LR) e maior área da curva tensão-deformação (LR xAL) que o aço “HSLA” analisado. 
(
b
)
(a)
(a)Figura 7. Característica da curva tensão-deformação do aço “Dual Phase” (a) comparada ao aço “HSLA” (b).
 Processo de Estampagem
Uma solução que se aplica a dificuldade de conformação dos aços Aço Avançado de Alta Resistência é a estampagem em altas temperaturas, seguida da redução nas forças de estampagem e melhor precisão dos componentes estampados. O processo de estampagem a quente é a combinação de conformação e de endurecimento em uma única operação.
Um dos métodos de conformação que pode ser empregado é a estampagem à quente com aquecimento resistivo da chapa.Este processo consiste em aquecer a chapa através de eletrodos, aplicando o efeito Joule. Primeiramente a chapa fica sob uma prensa que estabelece o contato da mesma com os eletrodos, iniciando o aquecimento, conferindo a temperatura desejada. Salienta-se que nesta etapa, não há contato da chapa com o ferramental (Figura 5 a). O tempo para alcançar determinada temperatura, depende apenas de parâmetros geométricos (largura e espessura) e propriedades físicas (densidade, calor especifico e resistividade) da chapa, além de corrente. Isso porque o aquecimento é muito rápido, aproximando-se de uma transformação adiabática. Após a primeira etapa, realiza-se a estampagem da peça (Figura 5b), algo que se realiza em torno de 0,2 segundos após o fim do aquecimento, o que garante a não formação de camada de óxidos.
Figura 5. Etapas da estampagem a quente através do aquecimento resistivo, (a)Aquecimento e (b) Estampagem.
Conclusão
Com base no trabalho realizado foi possível verificar que “Dual Phase”, se destaca entre os Aços Avançados de Alta Resistência empregados na estampagem automobilistica e se apresenta como uma excelente opção a ser empregada em diversos componentes estruturais e de segurança veicular pelas capacidades superiores de tenacidade, ductilidade e resistência à fadiga quando comparado a um aço "HSLA", comumente utilizado pela indústria automotiva.
Entretanto, estes aços a temperatura ambiente possuem baixaconformabilidade e alto retorno elástico. Para implementar melhores resultados na estampagem desse material é empregada a alternativa de estampagem a quente com aquecimento resistivo da chapa quetem como ponto forte o fato de impedir a formação dessa camada de óxido, uma vezque o aquecimento ocorre na própria matriz, não havendo transferência.Por fim, os valores de retorno elástico são reduzidos a praticamente zero emambas as práticas, possibilitando peças com excelente precisão.
Referências Bibliográficas
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ANDRADE, S. L.; BATISTA, J. F.; TAISS, J. M.; ROSA, L. K. ULSAB-AVC – O aço no automóvel do futuro: A estratégia da USIMINAS. In: 55º Congresso da Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais, 2000, Rio de Janeiro, Anais... Rio de Janeiro, Julho 2000 WorldAutoSteel. Advanced High Strength Steel (AHSS) Application Guidelines, Versão 4.1, 2009.Disponível em: www.worldautosteel.org. PORSCHE Engineering. ULSAB-AVC - Ultra Light Steel Auto Body – Advanced Vehicle Concepts.Porsche, October 2001. Engineering Report.
TIGRINHO, L. M. V. Análise da Fratura de Chapas do aço avançado de alta resistência DP600 quando submetido a diferentes estados de tensões. Curitiba, 211, 112f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Setor de Tecnologia, Universidade Federal do Paraná. 
Callister, Ciência e Engenharia de Materiais
SILVEIRA,V.H.M. Estampagem de chapas de alta resistência par uso automotivo – uma revisão . Curitiba, TIGRINHO, L. M. V. Análise da Fratura de Chapas do aço avançado de alta resistência DP600 quando submetido a diferentes estados de tensões. Curitiba, 211, 112f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Minas, Metalúrgia e Materiais) –
Universidade Federal do Rio Grande do Sul.