7º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 7th BRAZILIAN CONGRESS ON MANUFACTURING ENGINEERING
20 a 24 de maio de 2013 – Penedo, Itatiaia – RJ - Brasil May 20th to 24th, 2013 – Penedo, Itatiaia – RJ – Brazil
AVALIAÇÃO DE TEMPERABILIDADE DOS AÇOS 1045 e 4340 POR MEIO
DE ENSAIO JOMINY, USANDO A EQUAÇÃO DE
KOISTINEN-MARBURGER PARA ESTIMAR AS FRAÇÕES DE MARTENSITA.
Código COBEF2013-0346
Escola de Engenharia Industrial Metalúrgica de Volta Redonda – UFF – Universidade Federal Fluminense – Av. dos Trabalhadores, 420, Vila Santa Cecilia – Volta Redonda – RJ – Brasil, CEP: 27255 -125
Resumo: O conhecimento da temperabilidade do aço é importante, pois o objetivo principal do tratamento térmico é
obter a adequada dureza e a tenacidade, em condições controladas de resfriamento. No presente trabalho foi realizado um resfriamento controlado e direcional da extremidade, conhecido como ensaio Jominy, em dois aços com distintas composições químicas, visando à compreensão e correlação com as informações expostas na literatura. As microestruturas dos aços 1045 e 4340 foram caracterizadas por microscopia óptica ao longo da distância da extremidade resfriada com relação à quantidade de martensita presente. Também foram levantadas as curvas de dureza para os corpos de prova, confirmando que as propriedades adquiridas depois da têmpera, são funções do processo de resfriamento e da composição química. Os ensaios foram monitorados por um sistema de aquisição de dados SPIDER 8, permitindo gerar os diagramas de taxas de resfriamento e facilitando o entendimento dos processos de transformação de fases durante tratamentos térmicos destes aços. Para o aço 4340, observou-se uma microestrutura basicamente martensítica ao longo do CP, o que está diretamente correlacionado com as faixas de dureza encontradas. O contrário foi constatado no aço 1045, onde foram observadas ferrita acicular e perlita, confirmando a baixa temperabilidade desse material. Para avaliação da fração de martensita ao longo do corpo de prova foi utilizado o modelo de Koistinen-Marburger, obtendo-se os parâmetros adequados para representar as transformações ocorridas nos diferentes aços analisados.
Palavras-chave: Ensaio Jominy, Martensita, Dureza, Koistinen-Marburger.
1. INTRODUÇÃO
A velocidade de resfriamento afeta consideravelmente o nível de dureza do aço, por isso, um dos tratamentos térmicos mais utilizados é o de tempera. Este tratamento proporciona um aumento de dureza possibilitando a utilização de aços com menores teores de elementos de liga para aplicações onde a resistência mecânica é de grande relevância1.
A máxima dureza é função do teor de carbono, já a temperabilidade depende mais da presença de elementos de liga2 e da velocidade de resfriamento. Os elementos de liga têm a função de atrasar a expulsão do carbono da rede austenítica, para que se forme mais martensita e o aço fique ainda mais duro em toda a seção. A temperabilidade pode ser demostrada em termos de profundidade de endurecimento com um resfriamento controlado e direcional. Até 50 mm o resfriamento predominante é pela água, sendo desprezível o resfriamento pelo ar3, acima de 50 mm o resfriamento pelo ar já é mensurável. A significante vantagem do ensaio Jominy é a de se obter diferentes velocidades de resfriamento, que ocasionam diferentes durezas ao longo do corpo de prova. A taxa de resfriamento determina a porcentagem de martensita e o grau de dureza em cada ponto2. Com alta fração volumétrica de martensita se desenvolve dureza alta, ao contrário a baixa dureza indica transformação em ferrita e perlita e/ou bainita.
SAE 4340 é famoso por ter uma boa temperabilidade e SAE 1045 tem esta propriedade baixa, a escolha dos aços se deu por conta deste contraste, que facilita o entendimento de formação martensitica. O modelo Koistinen-Marburger4 revelou a necessidade de ajuste do mesmo aos resultados experimentais, para poder descrever com precisão a cinética de transformação deste estudo e para comparar com os dados averiguados nas publicações recentes5-7.
Foram confeccionados corpos de prova de aços 1045 e 4340, seguindo a norma NBR 6339/1989, com diâmetro de 25,4 mm e 101,6 mm de comprimento. Para cada aço foram usinados 2 corpos de prova (CP), em cada CP foram introduzidos 5 termopares em diferentes profundidades. As composições químicas estão apresentadas nas Tabelas 1 e 2:
Tabela 1 : Composição química (% em peso) do aço 1045
ABNT/SAE C Mn P (máx) S (máx) Si
1045 0,43 - 0,5 0,6 - 0,9 0,04 0,04 0,15 - 0,19
Tabela 2 : Composição química (% em peso) do aço 4340
ABNT/SAE C S P Si Mn Cr Ni Mo
4340 0,38 –0,43 <0,025 <0,025 0,15 – 0,35 0,60 – 0,80 0,70 – 0,90 1,65 – 2,00 0,15 – 0,25 O ensaio foi monitorado por um sistema de aquisição de dados, SPIDER (HBM) 600 Hz - CATMAN 4.5, para o controle das variáveis. Cada CP foi aquecido até a temperatura de austenitização, colocado no equipamento Jominy e resfriado por um jato de água de 12,5 mm. A Figura 1 ilustra o procedimento do ensaio realizado na EEIMVR:
Figura 1 – Etapas do ensaio: Começo do ensaio e Peça totalmente resfriada.
Após o ensaio de dureza Rockwell C foram feitos cortes transversais em regiões próximas aos termopares, de modo a estudar a microestrutura nessas regiões, associada com os efeitos do resfriamento contínuo. A Figura 2 e as Tabelas 3-4 esquematizam os cortes, que totalizaram 6 em cada CP, sendo representados por letras, no total - 12 amostras para o aço 1045 e a mesma quantidade para o 4340. A parte de 5 mm foi descartada.
Figura 2 – Corpo de Prova e marcação de cortes realizados.
Tabela 3 : Identificação dos CP’s relativos ao aço 4340
4340 1 A B C D E F
Tabela 4 : Identificação dos CP’s relativos ao aço 1045 1045
1 M N O P Q R
2 S T U V X Z
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os resultados apresentados nesta seção seguem a nomenclatura dos pontos indicados dos termopares. Todas as curvas apresentadas e correspondentes microestruturas foram realizadas no entorno dos termopares, entretanto os resultados e discussões podem ser estendidos para ao longo do corpo de prova de cada ensaio.
O modelo K-M é utilizado para prever a evolução martensitica e comparar com as medições finais, a aplicabilidade do modelo é abordada e com base em resultados experimentais deste trabalho foi possível obter melhores parâmetros para a simulação K-M, que representa a cinética das transformações reais para os aços 4340 e 1045.
Figura 3 – Curvas comparativas entre as amostras 1 e 2 referentes ao aço 1045.
Figura 4 – Curvas comparativas entre as amostras 1 e 2 referentes ao aço 4340.
A Figura 3 representa a comparação entre ás médias obtidas pelo ensaio de dureza nas amostras 1 e 2 relativas ao aço 1045. A ponta temperada tem a máxima dureza para um aço com essa porcentagem de carbono - o resfriamento foi bastante rápido para obter 90% de martensita. Posteriormente esse material apresenta uma queda brusca nos valores de dureza, podendo isso ser relacionado com os resultados obtidos por microscopia óptica, pois a velocidade não foi suficientemente rápida para evitar a formação de ferrita e cementita. A Figura 4 representa a comparação das amostras 1 e 2 do aço 4340. Esses resultados mostram que para esse material, a dureza permanece acima de 50 HRC mesmo em distâncias da ordem de 60 mm, o que está em consonância com a presença de estrutura martensítica (Fig.10).
Através do software Image Pro-Plus foi possível estimar, com alto grau de confiança, a fração volumétrica de martensita nos aços em questão. O resultado dessa estimação pode ser visto nas Figuras 5 - 6, cada letra apresenta uma região de um corpo de prova, como foi indicado nas Tabelas 3 - 4 e na Figura 2. A fração volumétrica de martensita do aço 1045 se muda exatamente como a dureza deste material, mesma afirmação deve ser feita sobre o aço 4340.
Figura 7 – Microdureza das amostras do aço 1045. Figura 8 – Microdureza das amostras do aço 4340. Os gráficos nas Figuras 7 e 8 representam os valores de microdureza obtidos após a realização de quinze identações sobre cada corpo de prova identificado nas Tabelas 3 e 4. Nota–se facilmente que os resultados obtidos e apresentados nas Figuras 3 – 4, 5 – 6 e 7 – 8 estão em perfeita concordância tanto entre si, quanto com os resultados da análise metalográfica, que pode ser vista abaixo.
a a b b c c Figura 9 - Aspecto microestrutural do Aço 1045. (a)
na região M, amostra M5_200x. (b) na região N, amostra N4_200x. (c) na região R, amostra R1_200x.
Figura 10 - Aspecto microestrutural do Aço 4340. (a) na região G, amostra G4_200x. (b) na região H, amostra H1_200x.(c) na região L, amostra L5_200x.
A Figura 9 é relativa à Amostra 1, Aço 1045, indicada pela Tabela 4. É observada, na Figura 9 (a), a presença de estrutura martensítica, como resultado do rápido resfriamento dessa região. Diferentemente do aço 4340, a partir do segundo termopar, Figura 9 (b), nota-se a presença de ferrita acicular delimitando os contornos de grãos austeníticos prévios. Nas regiões delimitadas pela ferrita acicular têm-se subprodutos de baixa transformação como, por exemplo, a martensita e/ou uma perlita fina.
Nas outras imagens metalográficas, por exemplo, figura 9 (c), relativas a regiões mais afastadas da extremidade temperada, observa-se o sequencial incremento na fração de ferrita acicular e, em adição, a presença do constituinte perlita que se destaca na forma de lamelas alternadas de ferrita e cementita.
A Figura 10 se refere ao aço 4340, Amostra 2, conforme indicado na Tabela 3. Observa-se que esta amostra apresenta estrutura principalmente martensítica ao longo de todo o corpo de prova. Esse comportamento constatado se deve provavelmente a presença dos elementos de liga desse material, que aumentam a temperabilidade permitindo a obtenção de martensita em profundidade. Dessa forma a dureza, ao longo do corpo de prova desse material, permaneça em valores elevados mesmo para maiores distâncias a partir da extremidade temperada.
Ambos os aços são hipoeutetóides e teoricamente possuem uma matriz semelhante, mas devido à presença de elementos químicos como Ni, Cr, Mo no aço 4340 fácil de explicar uma maior concentração de martensita do que no aço 1045.
Analisando as figuras 3-10 notamos que a dureza média e a microestrutura mudam, mesmo que de maneira muito diferente para SAE 1045 e SAE 4340, de acordo com o afastamento da ponta temperada, isto porque quanto mais aumenta essa distância, mais lentas se tornam as taxas de resfriamento e como consequência se diminui a formação de martensita e aumenta a formação de ferrita e cementita. Como já constatamos também, o aço 4340, mesmo sendo um aço de menor concentração de carbono que o 1045, tem maior temperabilidade – mais uma vez, isso se deve ao fato de que o 4340 detém em sua composição elementos químicos como Ni, Cr, Mo, que aumentam a temperabilidade funcionando como elementos estabilizadores. Os elementos da liga conseguem temporizar as curvas de formação de ferrita e bainita, por este motivo que o aço 4340 sustenta os níveis de dureza altos enquanto comparado a primeira e a última seção arrefecida. Seguindo esse raciocínio podemos assentar que a temperabilidade dos aços é afetada pelo teor de carbono (na ponta temperada), mas a temperabilidade da peça toda depende muito mais de outro fator – inserção de elementos de liga.
De acordo com Askeland & Phule8a Taxa de resfriamento de 8°C/s para o aço 4340 permite uma formação totalmente martensitica, as taxas mais baixas, na faixa de 0,3 °C/s formam martensita mais perlita ou martensita mais bainita. Existe uma significativa diferença entre os aços carbonos do tipo 10XX e aços microligados do tipo 43XX – o grupo 10XX precisa uma Taxa de resfriamento muito mais alta para obter uma concentração maior de martensita, já os aços 43XX conseguem a transformação com as taxas menores.
Assumindo que a formação de martensita é uma função de Taxa de resfriamento, entendemos logicamente que com o aumento de distânciada ponta temperada o resfriamento decresce, então com afastamento da ponta o resfriamento pode não ser satisfatório para formar martensita – então o avanço da formação de martensita será diferente, dependendo da temperabilidade. Logicamente existe uma necessidade de prever, através de algum modelo cinético, as tendências desta transformação martensítica.
Koistinen e Marburger4 estabeleceram, na base de dependência exclusivamente da temperatura, uma modelagem da transformação de martensita. Eles perfizeram medições de teores de austenita residual por difração de raios X em vários corpos de prova temperados, chegando ao final fixar a seguinte formula:
= exp [– α ( – T)] (1) onde é a fração de austenita residual; α foi considerado aproximadamente igual a 1,10×10-2 K-1.
Meyzaud e Sauzay6 testaram a fórmula de Koistinen e Marburger modificando a equação original para:
= exp {– 0,011 ( – T) [1 – µ ]} (2)
onde µ = 0,41 exp {1 – exp [– 0,03 ]}
é o tempo que o material leva para resfriar de 700 ºC ate 300 ºC.
Este modelo, de Koistinen e Marburger, representa bem a grande parte das cinéticas que eles examinaram, mas também foi constatado, que a cinética experimental para vários aços é diferente daquela predita pelo cálculo.
Observando a receita (2), constatamos existência de três valores a serem analisados: a) (∆t) – é obtido empiricamente, durante cada experimento b) duas constantes – 0,41 e 0,03.
Levando em conta que realizamos o ensaio Jominy e temos os dados experimentais, podemos confirmar que estas duas constantes representam bem o modelo cinético de transformação martensítica ou varia-las ajustando a uma situação especifica, ou seja, para os aços 1045 e 4340. No que diz respeito a constante α (equação 1 e 2), que é igual a – 0,011, ela foi investigada por van Bohemen e Sietsma5, que apresentaram um modelo para calcula-la, mas essa
matéria não será discutida neste artigo.
Nas Figuras 11 e 12 abaixo, significando os aços 1045 e 4340 respectivamente, estão apresentadas as comparações entre as simulações de formula (2) Koistinen Marburger Meyzaud Sauzay (K-M) e de K-M com as constantes corrigidas/propostas por nós (K-M-c).
Cada figura tem uma parte inferior, que apresenta Taxa de Resfriamento obtida empiricamente, e uma parte superior apresentando Curva de Resfriamento (R) empírica (SPIDER/CATMAN 4.5) e simulações a serem discutidas.
Figuras 11 e 12 – Simulação de formação martencitica, 1045-M (a esquerda) e 4340-G (a direita) , 1 termopar (ponta temperada).
Podemos observar nas Figuras 11 e 12, no momento em que o gráfico de resfriamento (azul-R) atinge 300°C, começa a formação de martensita apresentada pelos dois outros gráficos, um de cor laranja correspondendo a K-M e outro preto com as constantes modificadas K-M-c. Não há grandes diferenças, na ponta temperada, entre estas duas simulações, mesmo assim a K-M-c esta mais perto da condição real. Também as Taxas de resfriamento, no momento quando as curvas azuis passam pelo 300°C, são próximos: -3 °C/s para o aço 1045 e -3,17 °C/s para 4340. Para fazer a simulação nos substituímos as constantes da seguinte maneira: 1045 – de 0,41 para 0,19 e de 0,03 para 0,01; 4340 – de 0,41 para 0,25 e de 0,03 para 0,005. A formação de martensita no caso de aço carbono chega perto de 90%, o aço microligado alcança 95%.
Tabela 5 juntou alguns dados obtidos durante esse estudo, quanto na área experimental, tanto na área de simulações. Tabela 5: Novos constantes para simulação de K-M-c
Termopares 1 2 3 4 5 Taxa de resfriamento °C/s 1045 -3 4340 -3,17 -1,4 -1,45 -1,2 -0,6 -1,2 -0,58 -1,06 -0,57 Constantes 1045 4340 0,19 0,01 0,25 0,005 0,38 0,018 0,25 0,005 0,39 0,01 0,25 0,005 0,39 0,01 0,25 0,005 0,39 0,01 0,25 0,005 A fórmula usada neste trabalho para efetuar as simulações esta abaixo e as constantes, sublinhadas, foram substituídas conforme indicado na Tabela 5:
Vm =1 - exp {– 0,011 ( – T) [1 – µ ]} (3)
onde µ = 0,41exp { 1 – exp [– 0,03 ]}
As curvas obtidas através da simulação K-M se mostraram inflexíveis, quase não mudam e por isso foram aplicadas somente para a ponta temperada, para demonstrar isso há dois gráficos na Figura 13 apresentando os resultados da simulação K-M: a linha verde com triângulos corresponde a formula (1) Koistinen Marburger original, a linha laranja com quadrados satisfaz a formula (2) Koistinen Marburger Meyzaud Sauzay. Basta ver a Figura 13, a qual corresponde o aço 1045-Q (o último termopar, o mais distante da ponta temperada), para perceber uma grande diferença entre a
200 400 600 800 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 K-M K-M-c Tempo (s) M a rte n s it a fr a ç õ e s ( -) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 R T e m p e ra tu ra ( °C ) -3,0 -2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 200 400 600 800 Tempo (s) Taxa d e Res fr ia men to ( °C/s) -3,5 -3,0 -2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0600 800 1000 1200 1400 Tempo (s) Taxa d e Res fri ame nt o (°C/s )
simulação de K-M e a situação real. A situação real foi sustentada pelos ensaios de dureza, microdureza e análise metalográfica, que por sua vez serviram como base para nossas correções. A Figura 13, como já foi mencionado anteriormente, faz uma demonstração simples da inflexibilidade das formulas (1) e (2), pois os gráficos verde e laranja não podem ser levados em consideração, o que demonstra a contribuição deste artigo e corrobora com outros autores5-7.
Figura 13 – Comparação de três simulações de formação martencitica, aço 1045-Q, último termopar.
4. CONCLUSÕES
O aço 1045, como no geral o grupo 10XX, demonstra um forte declínio de dureza com aumento da distância da ponta temperada. O aço 4340, ao contrário, esta mantendo um nível de valores de dureza estável, o que sugere uma distribuição quase uniforme da estrutura martensitica ao longo de todo corpo de prova. Os testes de microdureza confirmam que o aço 4340 mantém valores altos de dureza também dentro do corpo de prova.
Ficou confirmado no estudo que a velocidade de resfriamento, durante um tratamento térmico, influência a geração de fases com maior dureza, a martensita em questão, e essa propriedade se reflete por toda a estrutura do aço e por sua vez depende da composição química presente, ou seja, de carbono e dos elementos de liga. Quanto mais uniforme esta distribuída a dureza ao longo do corpo de prova, maior será a temperabilidade do material, e essa distribuição da dureza depende da adição de elementos de liga, que permitem, entre outras coisas, que uma peça seja tratada termicamente com mais uniformidade e a uma profundidade maior. É óbvio que a quantidade de carbono aumenta a dureza do aço, mas isso acontece somente na ponta temperada, o que realmente determina a dureza e no final das contas a própria temperabilidade é, mais uma vez, a adição dos elementos de liga.
Para cada liga de aço diferente existem constantes diferentes a serem usadas para simulações do tipo K-M-c visando prever a cinética de formação da martensita, e também uma relação específica entre as taxas de resfriamento e essas constantes. Mais ainda, os aços do grupo 43XX, por possuir uma boa temperabilidade, o que esta ligado a presença de liga, necessitam de apenas uma mudança de constantes (tabela 4 e equação 3), que passam a valer para todas as áreas. Os aços carbono, em contrapartida, precisam uma escolha das constantes mais minuciosa, com divisão em várias áreas dependendo das condições de resfriamento.
5. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a CAPES. 6. REFERÊNCIAS
1. A. Zehtab Yazdi, S.A. Sajjadi, S.M. Zebarjad, S.M. Moosavi Nezhad, 2008, “Prediction of hardness at different points of Jominy specimen using quench factor analysis method”, Journal of materials processing technology, 199, pp. 124-129.
2. Bhaskar Chandra Kandpal, Agnay Chutani, Amit Gulia, Harsimran, Chandan Sadanna, July 2011, “A review on Jominy test and determination of effect of alloying elements on hardenability of steel using Jominy end quench test”, International Journal of Advances in Engineering & Technology, vol.1, Issue 3, pp.65-71.
3. Fong H.S., 1993, “Further observations on the Jominy end quench test”, Journal of Materials Processing Technology, 98(1-2), pp. 221-226.
4. D.P. Koistinen, R.E. Marburger, 1959, “A general equation for Austenite-Martensite transformation in carbon steels”, Acta Metallurgica, vol.7, pp.59-60.
5. S.M.C. van Bohemen, J. Sietsma, 2009, “Effect of composition on kinetics of athermal martensite formation in plain carbon steels”, Material Science & Technology, vol. 25, pp. 1009-1012.
6. Meyzaud Y., Sauzay C., 1994, “Traitement thermique et austenite residuelle”, Traitement thermique. France, v 33-34, pp. 61-74.
7. S. J. Lee, C.J. van Tyne, September 2011, “A Kinetics Model for Martensite Transformation in Plain Carbon and Low-Alloyed Steels”, The Minerals, Metals & Material Society and ASM International, vol. 43A, azz 422-427.
8. Askeland D.R. & Phule P.P., 2006, The Science and Engineering of Materials, Thomson Canada Ltd, Toronto, Ontario, Canada.
EVALUATION OF HARDENABILITY OF 1045 AND 4340 STEELS
THROUGH JOMINY TEST, USING THE KOISTINEN-MARBURGER
EQUATION FOR ESTIMATING OF MARTENSITE FRACTIONS.
Código COBEF2013-0346
School of Industrial Metallurgical Engineering, Federal University – UFF – Volta Redonda – Universidade Federal Fluminense – Av. dos Trabalhadores, 420, Vila Santa Cecilia – Volta Redonda – RJ – Brazil – CEP: 27255-125
Abstract: The knowledge of the hardenability is important because
