Londrina 2017
GUILHERME AUGUSTO SCHUSTER
INFLUÊNCIA DOS MÉTODOS DE RESFRIAMENTO NAS
PROPRIEDADES MECÂNICAS E MICROESTRUTURAL DO
Londrina 2017
INFLUÊNCIA DOS MÉTODOS DE RESFRIAMENTO NAS
PROPRIEDADES MECÂNICAS E MICROESTRUTURAL DO
AÇO ABNT 4340
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Faculdade Pitágoras de Londrina, como requisito parcial para a obtenção do título de graduado em Engenharia Mecânica.
INFLUÊNCIA DOS MÉTODOS DE RESFRIAMENTO NAS
PROPRIEDADES MECÂNICAS E MICROESTRUTURAL DO AÇO
ABNT 4340
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Faculdade Pitágoras de Londrina, como requisito parcial para a obtenção do título de graduado em Engenharia Mecânica.
BANCA EXAMINADORA
Prof(ª). Titulação Nome do Professor(a)
Prof(ª). Titulação Nome do Professor(a)
Prof(ª). Titulação Nome do Professor(a)
“Valeu a pena? Tudo vale a pena Se a alma não é pequena.
Quem quer passar além do Bojador Tem que passar além da dor.
Deus ao mar o perigo e o abismo deu, Mas nele é que espelhou o céu”.
propriedades mecânicas e microestrutural do aço ABNT 4340. 2017. 46 f.
Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) – Faculdade Pitágoras, Londrina, 2017.
RESUMO
O aço baixa liga ABNT 4340 possui alta temperabilidade e elevada resistência mecânica, sendo geralmente utilizado na forma temperado e revenido. Este trabalho apresenta uma revisão bibliográfica para compreender como a estrutura e propriedades mecânicas do aço em estudo é afetada por meios de resfriamento líquidos na têmpera. A pesquisa foi baseada em livros e trabalhos já publicados, onde realizou-se um estudo sobre meios de resfriamento e as propriedades do aço ABNT 4340 pós temperado e revenido. Verificou-se que além dos meios de resfriamento, a forma da peça e a escolha correta do aço podem levar ao sucesso final da têmpera. Mas também como o aço 4340 após temperado possui pouca variação da dureza pela sua seção e boas propriedades mecânicas dependendo da temperatura do revenido e do tempo de permanência nesta. A partir desses resultados conclui-se que o aço 4340, para se tirar o máximo proveito das suas características, deve ser temperado e revenido a uma temperatura que não promova grandes perdas nas propriedades finais desejadas para determinada aplicação.
Palavras-chave: Têmpera; Tratamento Térmico; Meios de resfriamento; Aço ABNT
microstructural properties of ABNT 4340 steel. 2017. 46 f. Trabalho de Conclusão
de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) – Faculdade Pitágoras, Londrina, 2017.
ABSTRACT
Low alloy steel ABNT 4340 has high hardenability and high mechanical resistance, being generally used in quenched and tempered form. This work presents a literature review to understand how the structure and mechanical properties of steel under study is affected by means of cooling liquids in tempera. The research was based on already published works and books, where a study on means of cooling and the properties of the ABNT 4340 steel quenched and tempered powders. It was found that in addition to the means of cooling, the shape of the piece and the correct choice of steel can lead to the ultimate success of tempering. But also as 4340 steel after seasoned has little variation of hardness for your section and good mechanical properties depending on the temperature of the tempering and of on-call time on this. From these results it is concluded that the 4340 steel, to take full advantage of its features, must be hardened and tempered at a temperature that does not further heavy losses in the final desired properties for a given application.
Figura 1 - Influência dos elementos de liga sobre o teor de carbono e a temperatura
do eutetóide. ... 19
Figura 2 - Efeito de certos elementos de liga sobre o campo austenítico. ... 19 Figura 3 - Representação esquemática do diagrama de transformação isotérmica
eutetóide... 21
Figura 4 - Diagrama para resfriamento contínuo de um aço SAE 4340, com curvas
de resfriamento superpostas, de modo a indicar as várias microestruturas que
podem ser obtidas. ... 22
Figura 5 - Transformações possíveis envolvendo a decomposição da austenita. As
setas contínuas representam transformações que envolvam difusão; a seta tracejada envolve uma transformação sem difusão. ... 23
Figura 6 – Aço de teor de carbono extra baixo, Ferro Armco. ... 24 Figura 7 – Aço de composição eutetóide, resfriado muito lentamente ... 25 Figura 8 – Martensita em ripas aço com C = 0,13% (a), e em placas com C = 0,27%
(b). ... 26
Figura 9 – Bainita produzida por tratamento isotérmico a 250 °C. ... 27 Figura 10 – Representação esquemática da superposição de curvas de esfriamento
no diagrama de transformação para resfriamento contínuo. ... 32
Figura 11 – Representação esquemática do estabelecimento de tensões durante a
têmpera em água de um bloco de aço. ... 34
Figura 12 – Curvas de resfriamento da superfície e do centro de uma barra de aço
de 28 mm de diâmetro resfriada em água. ... 35
Figura 13 – Diferentes condições de resfriamento aplicadas a uma barra de um
determinado aço. ... 35
Figura 14 – Curvas de endurecibilidade para cinco ligas de aço diferentes, todas
contendo 0,4% C. ... 36
Figura 15 – Variação do Limite de Resistência e Limite de Elásticidade como função
da Temperatura de Revenimento para 2 h e 48 h. ... 40
Figura 16 - Variação da Dureza como função da Temperatura de Revenimento para
2 h e 48 h. ... 40
Figura 19 – Martensita Revenida em 300 °C, por 2 h. ... 42
Figura 20 – Martensita Revenida em 650 °C, por 2 h e 48 h, respectivamente. ... 42
Figura 21 – Microestruturas das amostras do aço SAE 4340... 44
Quadro 1 - Sistemas SAE e AISI de classificação dos aços. ... 17
Quadro 2 – Severidade de têmpera de diferentes meios comparados com a água. 33 Quadro 3 – Composição química do aço SAE 4340. ... 38
Quadro 4 – Propriedades mecânicas do aço AISI 4340 após 2 h de Revenimento . 39 Quadro 5 – Propriedades mecânicas do aço AISI 4340 após 48 h de Revenimento ... 39
Quadro 6 – Resultados de dureza das amostras do aço SAE 4340 ... 43
Quadro 7 – Resultados do ensaio de tração das amostras do aço SAE 4340. ... 43
1 INTRODUÇÃO ... 13 1.1 MOTIVAÇÃO ... 14 1.2 OBJETIVOS ... 15 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 16 2.1 AÇOCARBONO ... 16 2.2 AÇOSLIGA ... 18
2.3 CURVASTTTECURVASDERESFRIAMENTOCONTÍNUO ... 20
2.4 MICROESTRUTURAS ... 23 2.4.1 Austenita ... 23 2.4.2 Ferrita ... 24 2.4.3 Perlita ... 24 2.4.4 Cementita ... 25 2.4.5 Martensita ... 25 2.4.6 Bainita ... 26 2.5 TRATAMENTOTÉRMICO ... 27 2.5.1 Recozimento ... 27 2.5.2 Normalização... 29 2.5.3 Têmpera ... 29 2.5.4 Revenido ... 30
3 MEIOS DE RESFRIAMENTO PARA TÊMPERA ... 31
4 PROPRIEDADES AÇO ABNT 4340 PÓS TÊMPERA ... 38
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 46
1 INTRODUÇÃO
Geralmente os processos de fabricação comumente usados não proporcionam as propriedades adequadas para determinada aplicação. As propriedades dos aços, são dependentes da sua composição química e microestrutural. A microestrutura do aço é formada por cristais que podem ser modificadas na transformação de fases no estado sólido, deformações a quente e a frio e tratamentos térmicos (CALLISTER, 2008).
O tratamento térmico dos aços é um conjunto de procedimentos de aquecimento, cozimento a determinada temperatura e posterior resfriamento, com a finalidade de alterar as propriedades e a microestrutura dos aços, após os processos de fabricação. A variação desses parâmetros é que vai determinar o desempenho do aço na sua aplicação final (CHIAVERINI, 2012).
Um dos tratamentos térmicos mais utilizados na indústria em geral é a têmpera, onde o aço é submetido a um resfriamento rápido, após a completa austenitização. A velocidade a qual o aço é resfriado, afeta expressivamente a dureza do mesmo. Para atingir tal velocidade, vários meios de resfriamentos são usados, tais como: ar, óleo, água e salmoura. A seleção dos meios para a têmpera, dependera da composição química do aço e das propriedades finais desejadas, assim como as dimensões da peça a ser temperada (COLPAERT, 2008).
O aço ABNT 4340 e similares, é um aço de baixa liga, de alta temperabilidade e elevada resistência a fadiga, que proporciona uma combinação vantajosa de resistência, ductilidade e dureza, amplamente utilizado em peças de maior porte de uso geral, que necessitam de alta dureza e resistência mecânica, particularmente nas industrias siderúrgica, de mineração e exploração de petróleo. Este aço para ser usado em suas solicitações particulares, passa por algum tratamento térmico. Portanto, como métodos de resfriamento afetam a microestrutura do aço ABNT 4340 e suas propriedades mecânicas, em um tratamento térmico de tempera?
A metodologia usada para a formulação do presente trabalho, foi uma pesquisa bibliográfica exploratória e descritiva, onde realizou-se levantamento bibliográfico em livros, artigos, monografias, dissertações e teses, sobre tratamento térmico de têmpera e propriedades dos aços. Dando ênfase no aço ABNT 4340 e como o seu resfriamento em uma têmpera pode mudar suas propriedades mecânicas.
Este trabalho está organizado em três capítulos principais. No primeiro capítulo, apresenta-se uma revisão de literatura sobre os aços ao carbono, aços liga, curvas TTT e curvas de resfriamento contínuo, microestruturas presentes nos aços e uma breve descrição dos processos de tratamentos térmicos comuns. Assuntos que serão necessários para a melhor compreensão dos capítulos seguintes. No segundo capítulo, aborda-se os métodos de resfriamento líquidos, e como esses influenciam a microestrutura dos aços. No terceiro capítulo, estuda-se o aço ABNT 4340 e similares, após a têmpera, com base em artigos já publicados, apresentando suas propriedades já modificadas pela tempera. E por fim, apresenta-se as conclusões sobre o que foi desenvolvido ao longo do trabalho, e apresenta-se sugestões para trabalhos futuros.
1.1 MOTIVAÇÃO
Os aços são os materiais usados em praticamente todos os projetos de engenharia. E junto com o crescente avanço dos processos de fabricação e a constante busca por componentes mecânicos mais resistentes, e visando redução constante de material, há a necessidade de os mesmos suportarem as solicitações mecânicas exigidas, durante sua utilização. Devido a estes fatores torna-se de extrema importância conhecer os processos que alteram a microestrutura dos aços e suas propriedades mecânicas.
Segundo Monteiro (2013, p.60) “são de fundamental importância para o aço e algumas ligas de alumínio, ligas cujas propriedades mecânicas mais vantajosas somente podem ser obtidas através de um tratamento térmico”.
Entre os diversos processos de tratamentos térmicos, o processo com destaque é a têmpera, sendo este o tratamento térmico mais importante dos aços, principalmente aqueles utilizados em construções mecânicas, porque confere propriedades e estruturas que permitem o uso de peças de elevada responsabilidade, tais como eixos, engrenagens, colunas, bielas, virabrequins e elementos de fixação, podendo ser usado em seguimentos industriais de uso crítico como aeroespacial e energia nuclear.
Além de atender a tais aplicações, o procedimento para realização deste tratamento térmico é de fácil implantação na indústria, sendo um processo com investimento relativamente baixo e de fácil execução.
1.2 OBJETIVOS
Realizar uma revisão de bibliografia para estudar como as propriedades mecânicas e a microestrutura do aço ABNT 4340 e similares, são afetadas por meios de resfriamento líquidos, no tratamento térmico de tempera.
Ao término desde trabalho, os seguintes resultados devem ser atingidos:
Revisar a literatura nas áreas de materiais e tratamentos térmicos;
Compreender como os métodos de resfriamento afetam a microestrutura do aço;
Relatar as propriedades mecânicas do aço ABNT 4340 e similares, após a têmpera, tendo como base trabalhos já publicados.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 AÇO CARBONO
O aço é uma liga metálica constituída principalmente por ferro e carbono com níveis aproximados de 0,008% até 2,11% de carbono, além de elementos residuais proveniente dos processos de fabricação, tais como silício, cobre e manganês. A quantidade de carbono pode variar dependendo da aplicação do aço.
O aço carbono pode ser classificado perante o ter de carbono presente na liga metálica:
Aço baixo carbono ou doce, são aços com teores de carbono até 0,25%, não são tratáveis termicamente e um eventual aumento da resistência é obtido a partir de trabalhos a frio. Sua microestrutura é constituída de ferrita e perlita, e por isso esses aços possuem baixa dureza e resistência, porém apresentam boa ductilidade e tenacidade, sendo usináveis e soldáveis. Os aços doces podem ser usados em perfis estruturais e carcaças de automóveis.
Aço médio carbono ou meio doce, são aços com teores de carbono aproximado entre 0,25 e 0,6 %. Respondem bem a tratamentos térmicos de austenitização, têmpera, e revenido para alivio de tensões internas e melhora das propriedades mecânicas. Assim possuindo a microestrutura martensita revenida. Esses aços apresentam resistência e dureza melhores que os aços doces, porém perdem em ductilidade e tenacidade com o aumento de carbono. Por esses aços possuírem baixa temperabilidade, a tempera pode ser realizada com sucesso em peças com seções pequenas. A adição de elementos de liga, como o cromo, níquel e molibdênio tem o objetivo de aumentar a temperabilidade desses aços. É comum ver essas ligas como material base para eixos, engrenagens, virabrequins e equipamentos ferroviários.
Aço alto carbono ou duro, são os aços que possuem quantidades de carbono superiores a 0,6%, são mais duros e resistentes em relação aos aços citados acima, porém menos dúcteis. São comumente utilizados na forma temperada e revenida. Esses aços por terem alta resistência ao desgaste, podem ser usados na fabricação de ferramentas de corte, matrizes para moldar, molas e martelos.
As instituições responsáveis pela designação e classificação dos aços, são várias, porém as mais usuais são A Sociedade de Engenheiros Automotivos (SAE –
Society of Automotive Engineers) e o Instituto Americano do Ferro e do Aço (AISI – American Iron and Steel Institute). A indicação das ligas metálicas segundo essas
instituições é um número de quatro dígitos, sendo que os dois primeiros dígitos correspondem ao teor da liga e os dois últimos correspondem ao teor de carbono. Por exemplo, um aço carbono comum possui os dois primeiros dígitos sendo o 1 e 0, já um aço liga possui combinações diferentes com dois algarismos iniciais (12, 43, 86) (ASKELAND, 2008). Conforme pode ser visto no Quadro 1.
Designação
Tipos de Aço AISI-SAE
10XX Aços-carbono comuns
11XX Aços de usinagem fácil, com alto S
12XX Aços de usinagem fácil, com alto P e S
15XX Aços-Mn com manganês acima de 1%
13XX Aços-Mn com 1,75% de Mn médio
40XX Aços-Mo com 0,25% de Mo médio.
41XX Aços-Cr-Mo com 0,4 a 1,1% de Cr e 0,08 a 0,35% de Mo
43XX Aços-Ni-Cr-Mo com 1,65 a 2% de Ni, 0,4 a 0,9% de Cr e 0,2 a 0,3% de Mo
46XX Aços-Ni-Mo com 0,7 a 2% de Ni e 0,15 a 0,3% de Mo
47XX Aços-Ni-Cr-Mo com 1,05% de Ni, 0,45% de Cr e 0,2% de Mo
48XX Aços-Ni-Mo com 3,25 a 3,75% de Ni e 0,2 a 0,3% de Mo
51XX Aços-Cr com 0,7 a 1,1% de Cr
61XX Aços-Cr-V com 0,6 ou 0,95% de Cr e 0,1 ou 0,15% de V min.
86XX Aços-Ni-Cr-Mo com 0,55% de Ni, 0,5 % de Cr e 0,2% de Mo
87XX Aços-Ni-Cr-Mo com 0,55% de Ni, 0,5% de Cr e 0,25% de Mo
88XX Aços-Ni-Cr-Mo com 0,55% de Ni, 0,5% de Cr e 0,3 a 0,4 de Mo
9260 Aços-Si com 1,8% a 2,2% de Si
Fonte: Adaptado de Chiaverini (2012, 177).
2.2 AÇOS LIGA
Devido as diversas aplicações críticas presentes na indústria, onde os aços carbonos não possuem bom desempenho, pesquisas foram realizadas com o objetivo de projetar aços que suportassem tais aplicações. Esses aços são ligados com elementos como cromo, molibdênio, níquel e titânio, com o objetivo de melhorar propriedades do mesmo, tais como temperabilidade, tenacidade e dureza.
Segundo Sevale (apud SILVA, 2006) “[...] através da variação dos elementos de liga, na composição dos aços, obtêm-se ligas com comportamentos totalmente diferenciados”.
Os aços ligados são “aço-carbono que contém outros elementos de liga ou apresenta os elementos residuais em teores acima dos que são considerados normais” (CHIAVERINI, 2012, p. 22).
Podem ser classificados segundo a quantidade de elementos de liga na sua composição:
- Aços baixa liga: possuem elementos de liga com quantidade, menor que 5%, sendo responsáveis por aumentar a temperabilidade e a resistência ao revenido.
- Aços médio liga: possuem elementos de liga somados em aproximadamente 5 a 10%. Usados em situações onde exige-se elevada resistência a altas temperaturas, como aços para trabalho a quente.
- Aços alta liga: com níveis acima de 10% de elementos de liga, são usados em meios corrosivos, meios com a necessidade de alta resistência mecânica e ao desgaste.
Os elementos de liga quando introduzidos no aço, não afetam apenas as propriedades mecânicas, mas também as linhas de transformação dos microconstituintes do aço. Os efeitos desses elementos podem ser destacados por três aspectos distintos: sobre a composição do eutetóide, sobre a temperatura do eutetóide e sobre o campo austenítico. Alguns elementos de liga como o manganês e níquel diminuem a temperatura do eutetóide, ao passo que o cromo, molibdênio e silício tendem a aumentar. Esses elementos diminuem os teores de carbono da liga, e com exceção do manganês tendem a diminuir o campo austenítico, transformando o aço quase que ferrítico (Chiaverini, 2012). Esses efeitos podem ser melhor vistos na Figuras 1 e na Figura 2.
Fonte: Chiaverini (2012, p.39)
Fonte: Chiaverini (2012, p.39).
Figura 1 - Influência dos elementos de liga sobre o teor de carbono e a temperatura
do eutetóide.
Vale ressaltar que a microestrutura perlita presente nos aços eutetóides, faz com que estes tenham resistência mecânica expressiva, porém como a dureza e a fragilidade aumentam com a elevação do teor de carbono, fica claro que, obtendo-se níveis desejáveis de elementos de liga, pode-se abaixar o nível do eutetóide e assim manter uma microestrutura perlítica. Como resultado obtém-se um aço mais tenaz que outros aços comuns (CHIAVERINI, 2012).
O aço ABNT 4340, foco de estudo deste trabalho, é um aço baixa liga com médio carbono, com teores entre 0,38 e 0,43%. Possui o Cromo (0,8 – 1,1%), Molibdênio (0,2 – 0,3%), Manganês (0,6 – 0,8%), Níquel (1,65 – 2%) e Silício (0,15 – 0,3%) como elemento de liga. Apresenta alta resistência mecânica, alta resistência a fadiga, alta temperabilidade e alta tenacidade. São fáceis de serem usinados na forma recozida e possuem baixa soldabilidade. Podendo ser forjado nas temperaturas entre 900° - 1220°C. É utilizado na fabricação de componentes como: eixos, bielas, virabrequins, engrenagens, colunas e várias outras peças que necessitam de uma homogeneidade de dureza ao longo da seção transversal.
2.3 CURVAS TTT E CURVAS DE RESFRIAMENTO CONTÍNUO
As propriedades mecânicas e as várias microestruturas dos aços podem ser obtidas por transformação isotérmicas ou transformações com resfriamento contínuo. A transformação isotérmica consiste em aquecer o aço acima da zona de transformação e depois resfria-lo rapidamente em uma temperatura abaixo de 727°C (temperatura de transformação do ferro alfa em gama), e mantê-lo nesta temperatura, tempo suficiente para a formação da microestrutura desejada e depois resfria-lo a temperatura ambiente (Chiaverini, 2012).
Para descrever as transformações dos aços submetidos ao processo acima citado, usa-se os diagramas curvas TTT – Temperatura, Tempo e Transformação, que relacionam a temperatura e os tempos de início e fim das transformações. Onde identifica-se as regiões onde forma-se a perlita, ferrita, bainita e martensita. Na Figura 3, verifica-se o diagrama isotérmico de um aço eutetóide, separado por 4 zonas distintas onde forma-se as microestruturas citadas.
Fonte: Adaptado de Chiaverini (2012, p. 45).
Zona 1 - respectivo a linha de transformação do ferro alfa para beta, a temperatura de 723°C e temperaturas acima.
Zona 2 – nesta parte, dependendo da temperatura forma-se perlita grossa e fina. O início e fim da transformação da austenita em perlita é indicado pelas curvas Pi e Pf.
Zona 3 – nesta parte forma-se a bainita, que com temperaturas mais altas forma-se uma variação desta designada de bainita superior e para temperaturas mais baixas a bainita acicular. O início e fim da transformação da austenita em bainita é indicado pelas curvas Bi e Bf.
Figura 3 - Representação esquemática do diagrama de transformação isotérmica
Zona 4 – parte do diagrama onde verifica-se a formação da martensita, sendo esta independente do tempo. Onde as linhas Mi e Mf representam o início e fim desta transformação.
Na prática os tratamentos térmicos de têmpera, recozimento e normalização, são realizados a partir de resfriamento contínuo, variando a velocidade deste. Onde o procedimento inicia-se na temperatura de austenitização até a temperatura ambiente.
O aço ABNT 4340, por seu um aço ligado, terá a curva TTT diferente, comparadas com dos aços ao carbono. Permitindo assim a formação de uma estrutura multifásica, tanto pelo método de resfriamento continuo, como isotérmico (SILVA, 2006).
Fonte: Chiaverini (2012, p. 64).
A Figura 4, mostra uma curva de resfriamento continuo para o aço ABNT 4340, onde pode identificar as seguintes microestruturas.
Figura 4 - Diagrama para resfriamento contínuo de um aço SAE 4340, com curvas
de resfriamento superpostas, de modo a indicar as várias microestruturas que podem ser obtidas.
2.4 MICROESTRUTURAS
2.4.1 Austenita
A austenita é a fase CFC (cúbica de face centrada) ou ferro gama dos aços carbono. Em ligas de aço carbono comuns, só é possível visualiza-la com microscópios capazes de atuar em elevadas temperaturas, possui uma estrutura de grãos poligonais irregulares. (COLPAERT, 2008).
Nos aços ligados apenas com o carbono, a austenita não é estável abaixo de 727°C, sendo está não possuindo propriedades ferromagnéticas. Vale ressaltar que as transformações de fase incluindo a austenita, são de extrema importância para o tratamento térmico dos aços (CALLISTER, 2008).
Através de várias condições de resfriamento, a austenita sofre transformações, dando origem as várias estruturas dos aços, presentes em temperatura ambiente. Esse efeito pode ser visto na Figura 5.
Fonte: Adaptado de Callister (2008, p. 249).
Figura 5 - Transformações possíveis envolvendo a decomposição da austenita. As
setas contínuas representam transformações que envolvam difusão; a seta tracejada envolve uma transformação sem difusão.
2.4.2 Ferrita
A ferrita é a fase CCC (cubica de corpo centrado) dos aços-carbono, estáveis a temperatura ambiente. Possui solubilidade máxima de 0,022% de carbono a 723°C. Origina-se na zona crítica de transformação, a partir da austenita a 912°C para ferro comercialmente puro e a 723° para teores de 0,022% de carbono. (COLPAERT, 2008). Possui “[...] uma estrutura de grãos poligonais irregulares; possui baixa dureza e baixa resistência a tração, cerca de 270 MPa, mas excelente resistência ao choque e elevado alongamento”. (CHIAVERINI, 2012, p. 33). Na Figura 6 verifica-se a fase ferrita em Ferro Armco, comercialmente puro com teor de até 0,16% de carbono.
Fonte: Colpaert (2008, p. 97).
2.4.3 Perlita
De acordo com Silva (apud VAN VLACK, 1970, p. 44) “a perlita é uma mistura específica de duas fases, formada pela transformação da austenita, de composição eutetóide, em ferrita e cementita.”. É o microconstituinte formado por lamelas de ferrita e cementita, através de resfriamento lento da austenita de um aço eutetóide (CALLISTER, 2008). A formação da perlita grosseira e fina são afetadas pela velocidade de resfriamento, onde resfriamento lento tem a formação da grosseira e resfriamento mais rápido que o anterior, forma-se a perlita fina. Esta microestrutura
por ser formada por cementita e ferrita, associa ductilidade da ferrita junto com a dureza da cementita. Possui elevada dureza, alta resistência mecânica, resistência ao desgaste e resistência a fadiga e tenacidade razoável (COLPAERT, 2008). Na Figura 7 verifica-se perlita fina obtida por resfriamento mais rápido que a grosseira, apresentado espaçamentos interlamelares mais finos.
Fonte: Colpaert (2008, p. 107).
2.4.4 Cementita
“Quando a solubilidade de carbono na ferrita é excedida, a cementita começa a aparecer na estrutura do aço [...]”. (COLPAERT, 2008, p. 102). O carboneto de ferro ou cementita, é muito dura e encarregada da alta dureza e resistência nos aços de alto teor carbono, tal como menor ductilidade do mesmo. Na Figura 7, a cementita é identificada como as lamelar pretas da perlita.
2.4.5 Martensita
A transformação da austenita em velocidade de resfriamento elevadas impede a formação de microconstituintes dependentes da difusão, formando assim, uma solução supersaturada de carbono, a martensita, que possui estrutura cristalina TCC
(tetragonal de corpo centrado). Dentre as microestruturas possíveis de se formar em um aço, a martensita é a mais dura e mais resistente, porém a mais frágil. A Transformação da martensita depende apenas da temperatura, ou seja, a quantidade de martensita aumenta com o decaimento da temperatura. Vale ressaltar a importância dos elementos de liga para a formação da martensita, como grande parte desses elementos diminui a velocidade de transformação da austenita em ferrita e cementita, pode-se utilizar de períodos de resfriamento mais longos e assim reduzir a queda brusca da temperatura com o resultado de diminuir as tensões internas. Outra vantagem dos elementos de liga é que estes permitem maiores profundidades da martensita, com resfriamentos menos severos (VAN VLACK, 1998). Na Figura 8 observa-se exemplos de martensita em ripas 8 (a) e em placas 8 (b).
Fonte: Colpaert (2008, p. 107).
2.4.6 Bainita
A bainita se forma com o resfriamento da austenita a temperaturas constantes entre as temperaturas de formação da perlita fina e início da martensita. A microestrutura da bainita superior é formada por ripas finas de ferrita paralelas entre si, onde carbonetos são presentes entre as ripas de ferrita, possuindo a aparência de penas de aves. Já a bainita inferior possui placas de ferrita longas e não paralelas, onde os carbonetos se precipitam dentro da ferrita, possuindo a aparência acicular (COLPAERT, 2008). A martensita e a bainita podem ser facilmente confundidas quando analisada por microscopia ótica, em geral a martensita possui aparecia mais
Figura 8 – Martensita em ripas aço com C = 0,13% (a), e em placas com C = 0,27%
fina que a bainita. Na figura 9, verifica-se a estrutura bainitica produzida por tratamento isotérmico a 250 °C.
Fonte: Colpaert (2008, p. 202).
2.5 TRATAMENTO TÉRMICO
Os tratamentos térmicos compreendem os procedimentos para aquecer um determinado aço, em parâmetros controlados de temperatura, tempo, atmosfera e velocidade de resfriamento, com a finalidade de alterar as propriedades do material e atribuindo-lhe características específicas (CHIAVERINI, 2012).
“Submetendo-se o aço a estas variações controladas de temperatura, por tempos definidos, obtêm-se diversas alterações nas microestruturas e nos tamanhos de grãos que influenciam de forma significativa no comportamento do aço”. (SILVA, 2006, p. 39).
2.5.1 Recozimento
O recozimento é um processo, no qual o material é colocado a uma temperatura elevada, por um longo período de tempo e então resfriado lentamente. Geralmente este processo é usado para: aliviar tensões; tornar o material mais mole, dúctil e tenaz;
e produzir uma microestrutura específica. (CALLISTER, 2008). Segundo Chiaverini (2012), o tratamento térmico de recozimento, pode ser subdivido em cinco tratamentos específicos:
- Recozimento Pleno: consiste no aquecimento da peça em uma temperatura 50°C acima da linha A3, para aços com teores até o eutetóide. Já para aços de teor acima do eutetóide 50°C acima da linha A1. Por tempo suficiente para a completa transformação da austenita. E posteriormente com resfriamento lento, dentro do forno, onde ambos resfriam até a temperatura ambiente. A microestrutura resultante deste processo é a perlita grosseira, pouca resistente e dúctil (CALLISTER, 2008).
- Recozimento Isotérmico: procedimento de aquecer o material nos mesmos parâmetros do recozimento pleno, com posterior resfriamento rápido até uma temperatura dentro da região superior das curvas TTT, onde a peça é mantida para a completa transformação, seguindo de resfriamento continuo. A microestrutura resultante é perlita e ferrita, perlita e cementita ou perlita apenas. Este processo tem a vantagem de ser mais rápido que o processo anterior e gerando uma estrutura mais uniforme, porém não é indicado para peças de grandes seções, por causa da velocidade resfriamento do centro e da extremidade das peças serem diferentes, dificultando a temperatura de transformação (CHIAVERINI, 2012).
- Recozimento para alivio de tensões ou subcrítico: Segundo Colpaert (2008, p.262) “este tratamento visa a redução ou eliminação de tensões residuais e é empregado, com frequência, após soldagem [...], após solidificação [...] e após usinagem”. Este processo ocorre com o aquecimento do aço abaixo da zona crítica, em temperaturas em torno de 500 a 800°C, dependendo do aço e da seção da peça (CHIAVERINI, 2012).
- Esferoidização: este processo tem por finalidade melhorar a usinabilidade dos aços médio e alto carbono e melhorar deformação severa em aços baixo carbono para processos de conformação. O tratamento é realizado por meio do aquecimento e resfriamento subsequentes para produzir uma estrutura globular ou esferoidal do carboneto no aço. (ASKLAND, 2008). Segundo Callister (2008) o processo pode ocorrer de três métodos diferentes: aquecimento a uma temperatura acima da linha A1 e posteriormente resfriamento lento; aquecimento demorado a uma temperatura logo abaixo da linha A1; e aquecimento e resfriamento alternados em temperatura logo acima e abaixo da linha A1.
- Recozimento em caixa: é um processo utilizado para proteger contra oxidação e outros efeitos típicos do tratamento térmico, grandes quantidades de aço. Aplicado em chapas e tiras de aço, para produção de uma recristalização da ferrita, após laminação a frio (CHIAVERINI, 2012).
2.5.2 Normalização
A normalização “consiste no aquecimento a cerca de 100°C acima da temperatura crítica, seguida de um resfriamento ao ar até a temperatura ordinária”. (SEVALE apud FREIRE, 1983, p.22). A temperatura de aquecimento para aços hipoeutetóides supera a linha Ac3 e para aços hipereutetóides supera a linha Acm. Os objetivos deste processo são:
- Refinar os grãos grosseiros do aço, em peças fundidas;
- Uniformizar a estrutura do material, após forjamento e laminação;
- Refinar os grãos, produzindo uma distribuição de tamanhos mais uniformes; - Reduzir a tendência ao empenamento na têmpera. (CHIAVERINI, 2012).
2.5.3 Têmpera
A têmpera é o processo mais essencial, pois por intermédio deste e do revenido, é que se atinge estruturas e propriedades que possibilitam o uso de aços em componentes mecânicos de alta responsabilidade presentes na indústria mecânica em geral. (CHIAVERINI, 2003).
Define-se e a têmpera como:
[...] o resfriamento rápido de um aço após o aquecimento acima da temperatura de austenitização em um meio de grande capacidade de resfriamento. O objetivo é transformar a austenita em martensita, que é o produto de maior dureza das transformações dos aços. (SEVALE apud DUFOUR, 2002, p. 24).
A microestrutura formada depende da velocidade de resfriamento a qual o aço for submetido, a partir da temperatura de austenitização. Para que a martensita se forme a curva de resfriamento deve pelo menos tangenciar o cotovelo do diagrama TTT, de modo a evitar que a austenita se transforme nos produtos de transformação
macios, tais como a ferrita e perlita. A taxa com que a peça é resfriada, depende do meio à qual é resfriado, estes podem ser: água, salmoura, óleo contendo uma variedade de aditivos, solução aquosa de polímeros, ou ar. (CHIAVERINI, 2012).
No aço ABNT 4340, como mostra a Figura 4, que a curva de transformação, por estar deslocado para a direita, o início da transformação da ferrita e da bainita sofrem um retardamento, graças aos elementos de liga, possuindo então mais tempo para se realizar a têmpera e formar a martensita, e evitando assim resfriamentos bruscos que possam causar trincas e empenamentos nas peças temperadas.
2.5.4 Revenido
Após a têmpera um processo que sempre a acompanha é o revenido, este tem a função de eliminar os inconvenientes produzidos pela têmpera, além de aliviar ou remover as tensões internas, e reparar as grandes durezas e fragilidade da peça, elevando a sua ductilidade e resistência ao choque (CHIAVERINI, 2003).
Segundo Monteiro (2013, p.71) “revenimento é o Tratamento Térmico efetuado sobre um produto temperado, com a finalidade de obter modificações que lhe confiram as características de emprego desejadas”.
A martensita produzida pela têmpera é muito frágil para uso comercial, sendo esta microestrutura caracterizada pelas altas tensões residuais internas. O revenido faz o reaquecimento desde material, permitindo que o reticulado instável TCC se transforma no CCC estável diminuindo essas tensões e produzindo uma estrutura nova chamada martensita revenida (DIAS, 2010).
3 MEIOS DE RESFRIAMENTO PARA TÊMPERA
Os constituintes normais da decomposição da austenita (ferrita, cementita e perlita) decorrentes de velocidades de resfriamento lentas, possibilitam uma enorme variação das propriedades mecânicas dos aços, porém não se compara com o efeito que pode ser alcançado com o resfriamento rápido da austenita. Essas transformações lentas, são funções das alterações do reticulado cristalino do ferro, processo dependente da difusão dos átomos através da austenita, sendo uma etapa que necessita de tempo para se completar. Entretanto se a velocidade de resfriamento for aumentada, não haverá tempo para completa difusão atômica e a transformação da austenita se modifica, formando a martensita (VAN VLACK, 1984).
Rasma (2015, p. 26) salienta que “a taxa de resfriamento no processo de têmpera afeta de forma substancial o resultado do tratamento, sendo dependente do meio de resfriamento que entra em contato com a amostra”.
Os meios de resfriamento mais utilizados são, ambiente do próprio forno de aquecimento do aço, ar sem ou com movimentação forçada e os meios líquidos. O resfriamento mais lento é o proporcionado pelo próprio ambiente do forno e torna-se mais rigoroso quando se muda para o ar ou para um meio líquido, neste último onde a agitação da origem aos meios mais severos.
Na Figura 10, observa-se um exemplo de diagrama de resfriamento continuo para um aço qualquer, onde são plotadas, várias velocidades de resfriamento, onde verifica-se as estruturas e propriedades resultantes de cada uma delas:
Pela curva A, obtém-se um aço, resfriado muito lentamente (dentro do forno), onde este começa a transformar-se em perlita ao alcançar o ponto Ai e concluir-se ao passar por Af, constituindo inteiramente de perlita, onde está é de granulação grosseira e de baixa dureza;
Aumentando-se a velocidade de resfriamento, pela curva B, um aço resfriado ao ar, possuirá perlita mais fina, consequentemente a dureza será mais alta que no processo anterior. Elevando-se mais a velocidade de resfriamento, em óleo por exemplo, a transformação começando em Ci e terminando em Cf, obtendo assim perlia mais fina e mais dura;
Pela curva D, onde a velocidade de resfriamento é ainda maior, inicia-se a transformação de perlita em Di, e devido a tamanha velocidade esta não termina de se transformar pois alcança o ponto Dmi, a austenita remanescente passa para martensita, terminando em Dmf, resultando em uma composição de perlita e martensita;
Com o resfriamento em agua, obtém-se velocidades de resfriamento, onde a curva F passa direta por Mi e Mf, sem a transformação da austenita em perlita;
Pela curva E, verifica-se uma velocidade de resfriamento que tangência a curva de transformação, está por sua vez indica que não há necessidade de resfriamento mais bruscos para a formação da martensita (CHIAVERINI, 2012).
Fonte: Chiaverini (2012, p. 50).
Figura 10 – Representação esquemática da superposição de curvas de esfriamento
A eficiência dos meios de tempera pode ser analisado pela habilidade destes em extrair calor da peça, o Quadro 2 apresenta a severidade de diferentes meios de resfriamento, comparados com a água, Colpaert (2008, p.287) afirma que “quanto maior a severidade de têmpera, mais rápido é o resfriamento. Entretanto, o potencial de ocorrência de distorções e trincas também cresce com o aumento da severidade de têmpera”.
Fonte: Colpaert (2008).
Essas trincas acontecem porque o aço resfriado rapidamente está sujeito a tensões, devido a variação de temperatura na peça, que cria gradientes de temperatura que por sua vez, originam gradientes de tensões devido à expansão ou contração térmica, pois o centro da peça resfria mais lentamente que a superfície. Outro fator que agrava o citado acima é a drástica variação de volume, resultado da transformação da austenita em martensita, que acontece quando as regiões da peça vão atingindo a temperatura Mi. Portanto, quando essas tensões extrapolam o limite de escoamento do aço, verifica-se sua deformação plástica e as peças tornam-se empenadas, porém, se as tensões derem acima do limite de resistência à tração, as trincas apareceram e o material estará perdido (COLPAERT, 2008) (CHIAVERINI,
2012). Os fenômenos acima citados podem ser melhores vistos da Figura 11, onde verifica-se um esquema das tensões durante a tempera.
Fonte: Colpaert (2008, p. 300).
Fica evidente que a velocidade de resfriamento exerce um papel fundamental para a estrutura e propriedades finais dos aços, Carvalho (2004, p. 17) destaca que “no processo de têmpera, as taxas de resfriamento devem ser rápidas o suficiente para permitir a formação da microestrutura desejada, mas lenta o suficiente para evitar tensões residuais e distorções”. Porém quando uma peça é resfriada, a velocidade com que está é esfriada, é afetada pela seção da mesma, as posições internas desta, resfriam a diferentes temperaturas, com o centro da peça resfriando-se mais lentamente que a superfície, e essa diferença aumenta quanto maior a velocidade de resfriamento e maior a seção da peça, originando assim na seção desta uma variação na microestrutura. Este fato pode ser observado na Figura 12, onde tem-se um exemplo de curvas de resfriamento para um aço qualquer a 0,5 mm da superfície e no centro.
Figura 11 – Representação esquemática do estabelecimento de tensões durante a
Fonte: Colpaert (2008, p. 284).
Fonte: Colpaert (2008, p. 285).
Figura 12 – Curvas de resfriamento da superfície e do centro de uma barra de aço
de 28 mm de diâmetro resfriada em água.
Figura 13 – Diferentes condições de resfriamento aplicadas a uma barra de
Na Figura 13, onde um aço qualquer submetido a distintos meios de resfriamento, ocasionam uma variação da microestrutura na seção da peça. Na Figura 13 (a), verifica-se a formação de martensita na superfície, e martensita mais bainita no centro. Figura 13 (b) averígua-se martensita e bainita na superfície, e ferrita e perlita no centro. E na Figura 13 (c) ferrita e perlita em toda a seção da peça.
Apesar dos fatores citados acima, a escolha do aço também favorece para o sucesso nas propriedades finais desejadas, a composição da liga é de grande influência na capacidade do aço endurecer até uma certa profundidade. Temperabilidade é a capacidade do aço endurecer pela formação da martensita (RASMA, 2015).
A temperabilidade mede a redução da dureza ao longo da secção da peça, a partir da superfície até seu interior, como consequência de uma menor quantidade de martensita. A figura 14 mostra 5 curvas de temperabilidade de ligas de aço, todas elas contêm o mesmo teor de carbono (0,4% C), porém a quantidade de elementos de liga é variável.
Fonte: Callister (2008, p. 287).
Figura 14 – Curvas de endurecibilidade para cinco ligas de aço diferentes, todas
Analisando a Figura 14, percebe-se que a temperabilidade do aço 1040 é baixa, pois a dureza decai muito ao longo da peça. Por outro lado, os outros aços-liga, possuem a redução de dureza mais suave, sendo o aço 4340 o mais endurecível de todos. Todos as cinco ligas, possuem dureza na superfície iguais, pois esta depende exclusivamente do teor de carbono.
Os elementos de liga, além de proporcionar uma dureza mais uniforme pela secção de uma peça, possibilita o aumento da temperabilidade do aço, deslocando o início das curvas de transformação dos produtos mais moles como na Figura 4, onde as linhas de início de transformação da perlita são deslocadas para a direita, tornando possível a têmpera de peças maiores e utilização de meios de resfriamento mais brandos, diminuindo o risco de empenamentos e fissuras.
4 PROPRIEDADES AÇO ABNT 4340 PÓS TÊMPERA
O aço ABNT 4340, com seus semelhantes (SAE 4340, AISI 4340, etc.), é um aço baixa liga de médio teor de carbono, com a composição química equivalente ao Quadro 3. Possui alta temperabilidade, com a capacidade de alcançar alta resistência em seções mais profundas nas peças de grande porte. Possui alta tenacidade e resistência à fadiga. Fornecido com dureza máxima de 260 HB, com limite de resistência a tração de 85 a 100 kgf/mm^2.
Quadro 3 – Composição química do aço SAE 4340.
C Si Mn Cr Ni Mo 0,38 – 0,43 0,15 – 0,30 0,60 – 0,80 0,80 – 1,10 1,65 – 2,00 0,20 – 0,30
Fonte: Adaptado de GDM Metals (2017).
Como o aço após temperado, tem como estrutura básica a martensita, e esta raramente é usada em uma condição de não revenimento posterior a têmpera, devido à falta de ductilidade, alongamento e tenacidade, resultantes da transformação da martensita. A aplicação do revenimento em baixas temperaturas é suficiente para reduzir esses inconvenientes, sem prejudicar os benefícios proporcionados pela estrutura martensitica (LEE e SU, 1999). Assim a análise deste texto se dará em cima da estrutura martensita revenida do aço ABNT 4340 e seus similares.
Na primeira análise, o estudo realizado por Lee e Su (1999), foram utilizadas amostras de aço AISI 4340 austenetizados em 850°C por 30 minutos, e resfriados em óleo e com posterior revenimento das amostras em 100, 200, 250, 300, 400, 500 e 650°C, por 2 h e 48 h. Após esses procedimentos as peças foram preparadas para os testes de tração e para testes metalógraficos. Com base no diagrama tensão-deformação obtido através do teste de tração, o limite de elasticidade, limite de resistência e redução da área puderam ser obtidos, e junto com a dureza, são mostrados nos Quadros 4 e 5, onde os dados obtidos por amostras apenas temperadas são informados para comparação.
Quadro 4 – Propriedades mecânicas do aço AISI 4340 após 2 h de Revenimento. Temperado Temperatura de Revenimento (°C) 100 200 250 300 400 500 650 Limite de Elasticidade 2015 1828 1627 1528 1436 1300 1110 814 Limite de Resistência 2214 1997 1792 1696 1587 1437 1294 977 Dureza Vickers 660 617 536 497 486 460 407 356 Redução de área (%) 33,7 40 41 42 35 45 50 57,4 Alongamento (%) 4,5 8,4 8,6 9,8 8,8 10 14 18,1
Fonte: Adaptado de Lee e Su (1999, p. 200).
Quadro 5 – Propriedades mecânicas do aço AISI 4340 após 48 h de Revenimento.
Temperado Temperatura de Revenimento (°C) 100 200 250 300 400 500 650 Limite de Elasticidade 2015 1778 1557 1450 1367 1237 1037 600 Limite de Resistência 2214 1940 1677 1564 1497 1366 1172 699 Dureza Vickers 660 597 512 470 457 430 379 337 Redução de área (%) 33,7 44 48 50 44 50 52 53 Alongamento (%) 4,5 9,8 9,8 11 9,7 11,5 12,5 13
Fonte: Adaptado de Lee e Su (1999, p. 201).
Nas Figuras 15 e 16, pode-se observar a variação do limite de resistência e limite de elasticidade, e a variação na dureza para as amostras. Observa-se nestas imagens que a resistência e a dureza decaem, quando a temperatura de revenimento aumenta. Chiaverini (2012, p. 104) já previa que “o aquecimento da martensita permite a reversão do reticulado instável ao reticulado estável cúbico centrado, produz reajustamentos internos que aliviam as tensões [...]”. Junto com tais alívios, o limite
de resistência e de elasticidade decaem, porém, a redução de área aumenta junto com o alongamento resultantes do aumento da ductilidade do material.
Fonte: Adaptado de Lee e Su (1999, p. 201).
Fonte:Adaptado de Lee e Su (1999, p. 201).
Figura 15 – Variação do Limite de Resistência e Limite de Elasticidade como função
da Temperatura de Revenimento para 2 h e 48 h.
Figura 16 - Variação da Dureza como função da Temperatura de Revenimento para
Nas Figura 17 a morfologia para o aço temperado, é apresentada com sua maioria em martensita em ripas. E nas imagens seguintes, conforme o tempo e a temperatura de revenimento aumentam, carbonetos começam a precipitar (Figura 18) e as ripas de martensita começam a aumentar. Na Figura 19, quando o aço é revenido a 300°C ocorre a transformação da austenita retida em ferrita e cementita. E na Figura 20 a martensita revenida por 2 horas, possui grãos de ferrita equiaxiais com pequenos carbonetos em forma de haste, e a martensita revenida por 48 horas, transforma-se em ferrita com carbonetos distribuídos em sua matriz.
Fonte:Adaptado de Lee e Su (1999, p. 204 e 205).
Fonte: Adaptado de Lee e Su (1999, p. 205).
Figura 17 – Martensita como temperada.
Fonte: Adaptado de Lee e Su (1999, p. 205).
Fonte: Adaptado de Lee e Su (1999, p. 206).
Na segunda análise, Knoll (2009) realizou um estudo de como o aço SAE 4340, é afetado por 3 diferentes meios de resfriamento, estes sendo duas soluções aquosas de polímero PAG com concentração de 15% e 25%, e óleo mineral. As amostras de aço foram austenetizadas a 830°C por 1 hora, e resfriadas nos meios citados, e após a têmpera as amostras foram revenidas a 600°C. Ensaios de dureza, tração e metalógraficos, foram feitos após os tratamentos térmicos. As durezas foram medidas
Figura 19 – Martensita Revenida em 300 °C, por 2 h.
ao longo da secção transversal da amostra em 3 partes: na superfície, na metade do raio e no núcleo, onde o Quadro 6 apresenta os resultados.
Quadro 6 – Resultados de dureza das amostras do aço SAE 4340.
Meio de Resfriamento
Dureza (HB)
Superfície ½ Raio Núcleo
PAG 25% 224 (±5,0) 220(±7,5) 222(±12,7)
PAG 15% 233(±5,0) 240(±8,7) 238(±5,0)
Óleo 227(±2,9) 226(±13,3) 215(±4,0)
Fonte: Adaptado Knoll (2009, p. 34).
A partir do ensaio de tração, o autor obteve também valores para resistência a tração, limite de elasticidade, redução de área e alongamento. Os valores para os 3 meios de resfriamento são mostrados no Quadro 7.
Quadro 7 – Resultados do ensaio de tração das amostras do aço SAE 4340.
Meio de
resfriamento RT (MPa) LE(MPa) Red. Área (%)
Alongamento (%)
PAG 25% 1097(±7) 976(±5) 54(±0) 18(±0)
PAG 15% 1144(±8) 1033(±6) 54(±1) 18(±1)
Óleo 952(±8) 854(±8) 62(±0) 15(±1)
Fonte: Adaptado Knoll (2009, p. 35).
As durezas apresentaram-se uniformes em todas as amostras ao longo da seção da peça, pelos 3 meios de resfriamento. Já a resistência a tração e limite de elasticidade as amostras de PAG apresentaram-se mais resistentes. Isso se deve pelo fato das soluções aquosas de polímeros permitirem um resfriamento mais uniforme ao longo de toda a superfície da peça, com taxas de resfriamento relativamente altas. O resfriamento com polímero permite também segundo Knoll (2009, p. 12) “uma substancial redução dos gradientes térmicos e de transformação, resultando em menor potencial para o aparecimento de trincas e distorções se comparados ao processo que utiliza óleos minerais”. O que resulta também em uma microestrutura uniforme em toda a secção da peça, influenciando na resistência das peças. A Figura
21, apresenta as microestruturas provenientes das amostras do aço SAE 4340, a martensita revenida pode ser observada.
Fonte: Knoll (2009, p. 36).
Na terceira análise, no estudo realizado por Sevale (2014), foi realizado a têmpera, onde as amostras foram austenetizadas a 850°C por 2 horas, seguindo com o resfriamento em água, e posterior revenimento a 600°C por 2 horas. Após as operações de tratamento térmicos, 5 ensaios de dureza foram realizados ao longo do raio da peça. O Quadro 8, apresenta as durezas obtidas na superfície (ensaio 1) e ao longo do raio.
Quadro 8 – Resultado do ensaio de dureza.
Ensaios Dureza (HRC) 1 54,0 2 53,5 3 54,5 4 54 5 53
Fonte: Adaptado Sevale (2014, p. 27).
Na Figura 22, observa-se a morfologia do aço SAE 4340, temperado e revenido, onde observa-se a matriz ferrita (coloração clara), com a martensita e baianita (coloração escura), espalhadas na matriz de ferrita.
Fonte: Sevale (2014, p. 33).
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS
O desenvolvimento do presente estudo possibilitou compreender como os meios de resfriamento, tamanho da peça a ser temperada e a escolha do aço influenciam no sucesso do tratamento térmico de têmpera e nas qualidades finais da peça, juntamente compreender como o aço 4340 é influenciado por meios de resfriamento líquidos, mais especificadamente água, soluções aquosas de PAG e óleos minerais. Além disso o estudo permitiu ampliar os conhecimentos sobre materiais e tratamentos térmicos.
De um modo geral, percebe-se que quanto maiores as velocidades de resfriamento impostas para uma determinada peça a ser temperada, mais a sua microestrutura tenderá para a martensita. Porém quanto maiores essas taxas de resfriamento, consequentemente aumenta-se o risco de empenamentos e fissuras devido as tensões térmicas e tensões originadas nas transformações microestruturais. Entretanto a forma/tamanho da peça e tipo de aço podem levar ao sucesso do procedimento, pois uma peça grande combinada a um aço de boa temperabilidade, obtém-se uma estrutura mais uniforme e consequentemente melhores propriedades mecânicas.
O aço ABNT 4340 e similares, pela revisão bibliográfica realizada, percebeu-se a variação nas propriedades mecânicas obtidas provenientes dos meios de resfriamento utilizados, onde a maior dureza foi apresentada por amostras temperadas em água e revenidas, devido a este meio ser mais severo dentre os três estudados. Constatou-se através dos estudos, como o aço 4340 após temperado e revenido, possui pouca variação da dureza ao longo da sua seção, fator este decorrente de sua ótima temperabilidade. Tomou-se conhecimento também de como as propriedades mecânicas e a microestrutura do aço 4340 são sensíveis ao aumento de temperatura de revenido e tempo de permanência na mesma, e como essa influência para o alivio de tensões e posterior recristalização e crescimento de grãos do material.
Ao realizar o estudo proposto no começo do trabalho, por meio da revisão bibliográfica realizada, apresentação e estudo das propriedades do aço 4340 temperado e revenido, realizado pelos autores citados, ficou explicito que os objetivos propostos no começo do trabalho foram alcançados.
Devido à importância dos tratamentos térmicos na indústria em geral, apresenta-se propostas de trabalhos futuros:
Comparar aços de mesmo teor de carbono, porém com elementos de liga diferentes, sob meios de resfriamento líquidos, com objetivo de elencar os efeitos dos elementos de liga, nas propriedades finais;
Analisar a estrutura final do aço 4340 sob tratamentos térmicos de tempera, sob meios de resfriamentos líquidos com ou sem agitação;
Estudar quais vantagens e desvantagens os meios poliméricos possuem em relação aos meios convencionais para têmpera.
REFERÊNCIAS
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