Figura 67, observa-se uma descarbonetação devido ao processo de tratamento térmico de normalização com um consequente aumento da fase ferrítica.
Figura 67 - Análise em MEV e MO da borda do aço 300M, na condição CR.
As Figuras 68 e 69 mostram imagens do material base do aço 300M obtidas por meio de microscopia óptica, MEV e EDS. A constituição é basicamente ferrítica-perlítica.
Figura 68 - Análise microestrutural via MO e MEV do meio do MB do aço 300M.
Figura 69 - Análise de EDS, referente ao meio do MB do aço 300M, condição CR. Elem. W% At%
C 4.64 18.23
Si 1.46 2.45
Cr 1.25 1.14
Mn 1.29 1.11
Fe 89.80 75.83
A Figura 70 mostra a análise por EDS, de um glóbulo branco, presente na microestrutura do aço 300M, indicando que este é um composto rico em cromo e também mostra traços de vanádio, sendo provavelmente um carboneto.
Figura 70 - Análise composicional dos precipitados dispersos na matriz perlitica do aço 300M.
5.5.2.2 Material soldado (S)
A Figura 71 revela a sessão transversal do cordão de solda das chapas de aço 300M. A soldagem a laser autógena levou a formação de uma ZTA pequena para ambos os materiais quando comparadas com outros processos de soldagens convencionais. Pode-se notar a ocorrência de gradiente térmico, Pode-sendo diferenciado pela distância do centro da solda até o metal base. Na região central da ZF ocorreu fusão e solidificação rápida, apresentando fases frágeis como a martensita, ferrita e austenita retida. Com a passagem do feixe, têm-se a ocorrência de austenitização na transição ZF/ZTA, nesta região encontramos fases como a martensita e bainita, juntamente com a segregação de elementos de ligas.
Os processos de macro e segregação presentes no cordão e ZTA estão relacionados com as correntes convectivas proveniente da fusão e solidificação rápida. Após análises de EDS, na horizontal (em x) e na vertical (em y), da transição ZF/ZTA, foi possível observar o aumento de elementos tais como o cromo, silício e molibdênio e aparecimento de vanádio, as Figuras 72 a 74 mostram alguns desses resultados.
Com a aproximação da ZTA ao MB encontramos material composto por bainita, perlita e carbonetos, contudo na transição ZTA/MB observa-se o aumento de fases duras como a cementita e redução da fase ferrítica.
Elem. Weight% Atomic%
C 4.51 17.73
Si 1.18 1.99
S 0.49 0.73
V 0.21 0.20
Cr 2.84 2.58
Mn 2.21 1.90
Fe 87.12 73.72
Figura 71 - Análise de MO e MEV das transições da ZF, ZTA e MB, do aço 300M.
Figura 72 - Análise composicional por EDS da transição ZF/ZTA, do aço 300M.
Figura 73 - Análise composicional por EDS da transição ZF/ZTA, do aço 300M.
Elem W% At%
C 2.37 10.01
Si 1.53 2.76
S 0.13 0.21
Cr 0.74 0.72
Mn 0.84 0.78
Fe 92.84 84.19
Ni 1.53 1.32
ZTA
MB
ZF
ZTA ZF
Figura 74 - Análise composicional por EDS da transição ZF/ZTA, do aço 300M.
O cordão de solda dos aços 300M, na região fundida, encontra-se martensita, conforme mostrado nas Figuras 75 e 76 e a presença de microsegregação nas redes dendríticas, conforme Figuras 77 e 78.
Figura 75 - Início (topo) e região central do CS do aço 300M.
A região da ZF é caracterizada pela presença de dendritas equiaxiais (no centro do cordão de solda) ou colunares (no topo).
Elem W% At%
C 2.32 9.82
Si 1.66 3.00
Cr 0.59 0.57
Mn 0.64 0.60
Fe 92.99 84.46
Figura 76 - Análise de MEV da formação dendrítica na ZF do aço 300M.
Figura 77 - Análise composicional da ZF do aço 300M.
5.5.2.3 Material soldado e revenido (SR)
O aço 300M também foi revenido a 400ºC durante 2 horas no qual com microestruturas mostradas nas Figuras 79 a 81, observa-se visualmente o crescimento de grãos proveniente da temperatura de tratamento (MUJICA et al., 2010) e presença de ferrita em alguns contornos do MB, conforme mostrado na Figura 79.
Figura 79 - Análise do MB e transição ZTA/ZF do aço 300M, após revenimento.
Figura 80 - Análise da ZTA e ZF em MO do aço 300M, após revenimento.
Figura 81 - Análise da ZTA e ZF em MEV do aço 300M, após revenimento.
Ferrita no Contorno
ZTA
ZF
MB
ZF
ZTA ZF
ZTA
5.5.2.4 Material soldado nitretado (SN) e soldado, revenido e nitretado (SRN)
A Figura 82 mostra a CN, formada na superfície do aço 300M, após tratamento superficial de nitretação a plasma, na qual foi utilizada a temperatura de 500ºC por 3 horas. Na Figura 83, observa-se o trincamento da superfície do material nitretado, evidenciando a ocorrência de baixa tenacidade.
Durante as análises em MO, foi possível verificar a espessura da camada nitretada, que apresentou 3 a 5µm para ambos os materiais, na condição SN. A camada difusa apresentou profundidade de 100 a 126µm para o aço 300M e de 109 a 139µm para o aço 4340. Na condição SRN a espessura da camada nitretada foi de 5 a 8µm para ambos os materiais. A camada difusa apresentou profundidade de 86 a 111µm para o aço 300M e de 87 a 119µm para o aço 4340.
Figura 82 - Análise em MEV e MO da CN e CD, do aço 300M, soldado e nitretado.
Nos estudos de Nicolett (1996) observou-se a precipitação de nitretos e a difusão de nitrogênio na superfície do aço, no caso do aço 300M a precipitação e difusão causaram trincamento no material, esta fragilização também pode ser proveniente da precipitação de segunda fase em função da temperatura escolhida. Os ensaios de tração e análise microestrutural corroboram a observação de que este tratamento superficial de nitretação a plasma, com a temperatura de 500º C, não é ideal para o aço 300M.
Figura 83 - Análise em MO da CD do aço 300M, na condição SRN.
5.5.2.5 Caracterização da austenita retida
Foram feitos ataques químicos, Klenn e Metabissulfito no aço 300M, com intuito de revelar a austenita no material. As Figuras 84 e 85 mostram alguns pontos brancos na transição ZF/ZTA e na ZF, revelando a presença de austenita retida e/ou microconstituinte MA (BHADESHIA, 2001). Ao compararmos os dois materiais observou-se, na transição ZF/ZTA do aço 300M, o aumento da fração volumétrica (5%) da fase austenítica em função da maior quantidade de silício presente nesta região. A ZF apresentou uma queda na fração volumétrica de austenita retida (1,6% em média).
Figura 85 - Ataque com metabissulfito 10%, na ZF e transição ZF/ZTA, do aço 300M. ZF/ZTA
6 CONCLUSÕES
Os resultados obtidos neste trabalho permitem concluir que:
Os aços SAE 4340 e 300M na condição CR apresentam microestrutura típica dos aços com médio teor de carbono, sendo que no aço 300M verificou-se a presença de precipitados provenientes da adição de elementos químicos, o que conferiu ao aço 300M maiores limites de escoamento e resistência à tração, maior dureza e menor ductilidade medida pelo alongamento, quando comparado ao aço 4340.
A soldagem a laser autógena dos aços (condição S) leva à fusão (ZF) e ao tratamento térmico local (ZTA) do material. Na ZF, ocorreram fusão e solidificação rápida, apresentando fases frágeis como a martensita. Na ZTA ocorreu a austenitização e com a troca de calor, a matriz apresentou-se predominantemente multifásica. Nos ensaios de tração observou-se que os cdps romperam no MB e os resultados foram superiores à condição CR. Na ZF e ZTA observou-se o aumento da dureza, sendo que o aço 300M apresentou valores superiores ao aço 4340. O ganho adicional que apareceu no aço 300M, com relação ao aço 4340, pode ser justificado pela composição química, que favoreceu a formação de carbonetos e precipitados de Cromo, Vanádio e Molibdênio. Na condição SR observou-se queda de dureza na ZF, mostrando que ocorreu alívio de tensão local, sendo que a ZTA e ZF mostraram resultados com valores próximos.
As propriedades mecânicas em tração da condição SR foram próximas à condição S para o aço 300M; já o aço 4340 na condição SR apresentou melhoria das propriedades mecânicas, indicando que o revenimento melhorou a microestrutura do MB deste aço.
propriedades mecânicas, o que indica que os parâmetros de nitretação para este aço devem ser revistos.
7 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
• Comparar a vida em fadiga dos aços 4340 e 300M após soldagem a laser (autógena), com posteriores tratamentos, térmico e de superfície a plasma e a laser CO2.
• Estudo do aço 300M, após soldagem a laser e tratamentos, térmico e termoquímico, visando encontrar temperatura ideal para tratamento termoquímico de nitretação a plasma.
REFERÊNCIAS
ABDALLA, A. J.; HASHIMOTO, T. M.; MOURA NETO, C.; PEREIRA, M. S.; SOUZA, N. S.; MENDES, F. A. Alterações nas propriedades mecânicas em aços 4340 e 300M através de tratamentos térmicos isotérmicos e intercríticos. In: CONGRESSO ANUAL DA ABM, 59, São Paulo, Anais... São Paulo: ABM, 2004.
ABDALLA, A. J., HASHIMOTO T. M., PEREIRA, M. S., ANAZAWA, R. M. Formação da fase bainítica em aços de baixo carbono. Revista Brasileira de Vácuo, v. 25, p. 175-181, 2006.
ABDALLA, A. J.; SHEID V. H. B. Tratamentos termoquímicos a plasma em aços carbono, Revista Corrosão e Proteção de Materiais, v. 25, p. 92 – 96, 2006.
ALLEN, C. O. M. Laser welding of aluminium alloys. Scottsdale: The Welding Institute, 2004, 40p. p.1-31.
ANAZAWA, R. M. Caracterização mecânica e microestrutural de um aço 300M
com microestrutura multifásica. 2007. 194f. Tese (Doutorado em Engenharia
Mecânica) – Faculdade de Engenharia do Câmpus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista,Guaratinguetá, 2007.
ANAZAWA, R. M.; ABDALLA, A. J.; HASHIMOTO, T. M; PEREIRA, M. S.; CARRER, G. R.; ELISEI, C. C. A.; BAPTISTA, C. A. R. P. Aumento do limite de escoamento de um aço multifásico devido ao envelhecimento por deformação e efeito TRIP. Revista Brasileira de Aplicações de Vácuo, v. 27, n. 1, p. 19-23, 2008.
AMERICAN SOCIETY FOR TESTING MATERIALS. ASTM E8 / E8M - 08
Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials. Disponível em:
ASHBY, M. F.; JONES, D. R. H. Engineering Materials 2: An Introduction to Microstructures, Processing and Design, 2nd ed. Oxford: Butterworth-Heinemann, 1999.392p.
ASM HANDBOOK. Properties and Selection: Irons, Steels, and High-Performance Alloys, v I, 10. ed. Ohio (EUA): Metals Handbook, v. 1, 2521p., 1990.
BHADESHIA, H.K.D.H.; HONEYCOMBE, R.W.K.; Steels Microstructure and properties. 3nd ed. Oxford, EUA: Elsevier Ltd, 2006, 344p.
BOSCOV, J. Veículos Lançadores de Satélites. Brasília: Agência Espacial
Brasileira, 1996b.
CALLISTER Jr. W. D. Materials Science and Engineering: An Introduction, 5. ed. London (UK): John Wiley, 2002, 559p.
CARVALHO, S. M. Soldagem com laser a fibra do aço 300M de alta resistência. Dissertação (Mestrado), 2009, 80 f. – Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, 2009.
CHIAVERINI, V. Aços e Ferros Fundidos. 7. ed, São Paulo: Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais, 2008, 599p.
CHIAVERINI, V. Tecnologia mecânica: Processos de fabricação e tratamento. 2.ed. São Paulo: McGraw-Hill, v. 3, 388 p., 1986.
CHEN, Y.T.; GUO, A.M.; WU, L.X.; ZENG, J.; LI, P.H. Microstructure and mechanical property development in the simulated heat affected zone of V treated HSLA steels. Acta Metall. Sin., v. 19, n.1, p.57-67, 2006.
DAVIS, J.R. Surface Hardening of Steels: understanding the basics. Materials Park: ASM Internacional, 2002, 351 p.
DIETER,G. E. Metalurgia Mecânica, 2 ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan S.A., 1981, p. 201-203.
GRAÇA, M.L.A.; HOO, C.Y.; SILVA, O.M.M.; LOURENCO, N.J. Failure analysis of a 300M steel pressure vessel, Engineering Failure Analysis, v. 16, p. 182–186, 2009.
GUIMARÃES, J. R. C.. Conceituação, Cinética e Morfologia da Transformação Martensítica em Aços. Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, v.1, n.1, p.3-9, 1981.
LAMPMAN, S. Introduction to Surface Hardening os Steels. Metals Handbook – ASM. Utah: International Library Service, 1991, v.4, p. 259-267.
LEE, W.-S.; SU, T-T.; Mechanical properties and microstructural features of AISI 4340 high-strength alloy steel under quenched and tempered conditions. Journal of
MaterialsProcessing Technology, v. 87, p. 198-206, 1997.
LIMA, M. S. F; GOIA, F. A; RIVA, R; SANTO, A. M. E. Laser Surface Remelting and Hardening of an Automotive Shaft Sing a High-power Fiber Laser. Materials Research, v. 10, n. 4, p. 461-467, 2007.
LIMA, M.S.F. Lasers in Material Processing. In: LACKNER, Lasers in Chemistry:
Influencing Matter, 2008, p.1195-1209.
KNERR, C. H.; ROSE, T.C.; FILKOWSKI, J. H. Gas Nitriding. In: ASM INTERNATIONAL HANDBOOK COMMITTE (eds.), ASM Handbook: Heat Treating. Utah: International Library Service, 1991, v. 4, p. 387- 409.
KEY to steel: Disponível em:<http://steel.keytometals.com/Articles/Art99.htm>.Acesso em: 05 jan. 2010
KRAUSS, G. Steels: Processing, Structure and Performance. Materials Park: ASM Internacional, 2005. 427 p.
MAHBOUBI, F.; SAMANDI, M.; DUNNE, D.; BLOYCE, A.; BELL, T. Plasma nitriding of microalloyed steel. Surface and Coatings Technology, v. 71, p. 135-141, 1995.
MEI, P.R.; SILVA, A.L.C. Aços e Ligas Especiais. 2. ed, revista e ampliada, São Paulo: Blücher, 2006, 646 p.
MUJICA L.; WEBER S.; PINTO H.; THOMY C.; VOLLERTSEN F. Microstricture and mechanical properties of laser-melded joints of TWIP and TRIP steels. Materials
Science and Engineering A, v. 527, p. 2071-2078, 2010.
NICOLETTI, J.C., Caracterização microestrutural e mecânica de aços bifásicos de
ulta alta resistência com médio teor de carbono. 2004. 144f. Dissertação (Mestrado
em Engenharia Mecânica) – Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá. Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2004.
NOLAN, D.; LESKOVSEK, V.; JENKO, M. Estimation of fracture toughness of nitride compound layers on tool steel by application of Vickers indentation method. Surface
O’BRIEN, J. M.; GOODMAN, D. Plasma (Ion) Nitriding. In: ASM INTERNATIONAL HANDBOOK COMMITTE (ed.), ASM Handbook: Heat Treating.Utah: International Library Service, 1991, v. 4, p. 420-424.
OLIVEIRA, A.C. de Relatório de Atividades: Soldagem de Alumínio Estrutural
Aeronáutico utilizando um Laser a Fibra, São Paulo: Fundação de Amparo à
Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP), 2008, 15 p.
PADILHA, A. F. Materiais de Engenharia e microestrutura e propriedades, São Paulo: Hermus, 2007.
PINEDO, C. E. Fundamentos da Nitretação sob Plasma para o Tratamento Superficial de Aços e Ligas Especiais, In. CONFERÊNCIA BRASILEIRA SOBRE TEMAS DE
TRATAMENTO, v. 2, 2004.
PINEDO, C. E. Nitretação por Plasma, anais do I Seminário Internacional de
Engenharia de Superfície, Mogi das Cruzes: Ed. Núcleo de Pesquisas Tecnológicas da
Universidade de Mogi das Cruzes, 1995, p. 13-26.
PHILIP, T.V. Ultrahigh-Strength Steels. In: Metals Handbook – ASM, Properties and selection. 9th ed. Utah: Iron and Steels, 1978.
PIVATO, P.R.N.; ABDALLA, A.J.; BAPTISTA, C.A.R.P.; HASHIMOTO, T.M.; PEREIRA, M.S.; ANAZAWA, R.M. Estudo comparativo do comportamento mecânico em tração e fadiga de aços com microestruturas multifásicas. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIAS DOS MATERIAIS,17., Foz do Iguaçú, 2006.
PRADO, J. S. A., Tratamento térmico e tenacidade de aços 300M e Maraging 300, 1990, 159f. Dissertação (mestrado em Engenharia Aeronáutica e Mecânica) – Instituto Tecnológico de Aeronáutica, ITA/CTA, São José dos Campos, 1990.
ROCHA, A. da S. Influência do Estado Superficial Prévio Na Nitretação a Plasma
no Aço M2, 2000, 165f. Tese (Doutorado) UFRGS, Porto Alegre, RS, 2000.
SANTOS, C. N., Aspectos cristalográficos da transformação martensítica de uma liga fe-27%ni, 2008,120f.,Dissertação (Doutorado em Engenharia Materiais)- Instituto Militar de Engenharia, IME, Rio de Janeiro, 2008
SANTOS, D.R., Otimização dos parâmetros de tratamento térmico e soldagem do
aço maraging 18Ni 300. 2001. 118f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica)
– Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá, FEG/UNESP, Guaratinguetá, 2001.
SIQUEIRA, G. Soldagem a laser autógena da liga de alumínio aeronáutico
AA6013: Otimização de parâmetros e Análise microestrutural. 2007. 105f.
Dissertação (Mestrado) – Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, 2007.
SIRIN, S. Y.; SIRIN, K.; KALUC, E. Effect of the ion nitriding surface hardening process on fatigue behavior of AISI 4340 steel. Materials Characterization, v. 59, p. 351-358, 2008.
SKONIESK, A. F. O., LIMA E. S., HIRSH T., ROCHA A. da S. 2008. Heterogeneidade de temperaturas em fornos de nitretação a plasma. Estudos Tecnológicos - v. 4, n.1, p. 37-43, 2008
SOUZA, R. C., Estudo do comportamento em fadiga do aço ABNT 4340 revestido com WC-12 Co, WC-17 Co, WC-10 Co-4 Cr, CrC-25NiCr e WC-10Ni pelo sistema
HVOF/HP. 2002, Tese (Doutorado em engenharia de materiais) – Faculdade de
Engenharia de Lorena, FAENQUIL, Lorena-SP, 2002.
SOUZA, R. C., Estudo do comportamento em fadiga do aço ABNT 4340 revestido
(Mestrado em engenharia mecânica) – Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá, FEG/UNESP, Guaratinguetá, 1998.
SOUZA, G. A.; Caracterização microestrutural de um aço médio carbono e baixa liga com estrutura bainítica/martensítica. 2008, 98f. Dissertação (Mestrado em engenharia macânica) - Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá, FEG/UNESP, Guaratinguetá, 2008.
TOMITA, Y.; OKAWA, T. Effect of microstructure on mechanical properties of isothermally bainite-transformed 300M steel. Materials Science and Engineering A, v.172, p.145-151, 1993.
ZEEMANN, A. Soldagem dos Aços Martensiticos. Infosolda. Disponível em <http://www.infosolda.com.br/artigos/metsol09.pdf > Acesso em: 05 jan. 2010.
