Efeito da microestrutura de uma liga de aço carbono obtido por processos distintos

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1 Efeito da microestrutura de uma liga de aço carbono obtido por processos distintos R. C. Proiete 1, C. R. Serantoni 2, A. Sinatora 2 1 Laboratório de Fundição, LMMC, Instituto de Pesquisas Tecnológicas IPT. 2 Aços Villares/Sidenor. para contato: Resumo Este trabalho tem como objetivo mostrar a modificação da estrutura bruta de fusão através de processos com e sem forjamento. Para isto, foram estudadas duas ligas de aço carbono extraduro contendo teores acima de 1%. Ambas ligas foram tratadas térmicamente após os processos de fundição e forjamento. Para avaliar o desempenho das ligas foram feitas caracterizações da microestrutura, microdureza da matriz, ensaios abrasivos (pino-lixa) e de fadiga térmica. Os resultados mostraram que a resistência ao desgaste do aço forjado apresentou uma menor perda de massa em relação ao aço fundido. O mesmo ocorre para os ensaios de fadiga térmica, onde a nucleação e propagação de trincas térmicas foi menor no aço forjado. Palavras-chave: Aços carbono, desgaste abrasivo, resistência à fadiga térmica. Resumen Este trabajo tiene como objetivo mostrar la modificación de la estructura bruta de fusión a través de procesos de forja e tratamientos térmicos. Para esto fueron estudiadas dos aleaciones de acero al carbono extraduro con contenidos superiores a 1%. Ambas aleaciones fueron tratadas térmicamente después de los procesos de fundición y forja. Para evaluar el desempeño de las aleaciones fueron realizadas caracterizaciones de la microestructura, microdureza de la matriz, ensayos abrasivos (pino-lija) e de fatiga térmica. Los resultados mostraron que la resistencia al desgaste del acero forjado presentó una menor perdida de masa en relación al acero fundido. Lo mismo ocurre para los ensayos de fatiga térmica, donde la nucleación y propagación de grietas térmicas fue menor en el acero forjado. Palabras clave: Aceros al carbono, desgaste abrasivo, resistência à fadiga térmica. 1. INTRODUÇÃO De acordo com o diagrama ferro-carbono, são considerados aços as ligas que possuem teor de carbono entre 0 e 2 %. Os aços podem ser classificados como baixo, médio e alto carbono. Souza (1989) descreveu que os aços na faixa entre 1,40 a 2,00% C são tratados como extraduro e, em alguns casos, são incorporados vários elementos químicos em teores baixos para melhorar as propriedades mecânicas do aço. Após o processo de fundição de uma liga metálica de aço carbono, os grãos apresentam uma estrutura heterogênea, afetando as propriedades mecânicas necessárias durante uma aplicação determinada. Filho et al. (1991) descreveram que para melhorar as propriedades brutas de fundição do metal são realizados 39

2 processos tais como, tratamentos térmicos ou conformação plástica, que visam modificar e melhorar a estrutura bruta de fundição do material. Após o processo de forjamento, o material possui uma microestrutura com grãos mais refinados e distribuição homogênea dos constituintes. Para avaliação da microestrutura resultante podem ser empregados diversos ensaios mecânicos, como ensaio de dureza, tração, impacto, abrasão, resistência à fadiga térmica, entre outros. 2. OBJETIVO Estudar o desempenho ao desgaste abrasivo e resistência à fadiga térmica de ligas de aço carbono. 3. MATERIAIS E MÉTODOS Para este trabalho foram estudas duas ligas de aço carbono com composição química nominal conforme descritas na Tabela 1. A liga A foi obtida pelo processo de forjamento e a liga B foi obtida pelo processo de fundição. Ambas as ligas foram tratadas termicamente conforme Tabela 2, normalização, e alívio de tensões. Tabela 2. Composição química nominal das ligas fundidas. Liga C Si Mn Cr Ni Mo A 1,28-1,48 0,20-0,55 0,95-1,30 1,30-1,60 0,74-1,00 0,35-0,55 B 1,72-1,92 0,40-0,80 0,45-0,60 1,35-1,55 1,41-1,65 0,10-0,30 Tabela 3. Ciclo de tratamento térmico das ligas fundidas. Liga A B Tratamento Térmico Normalização 930ºC/ 26h + Revenimento à 450ºC/ 31h Normalização 930ºC/ 17h + Revenimento à 450ºC/ 30h Após tratamento térmico, foram obtidos corpos-de-prova para ensaio de abrasão e fadiga térmica. As amostras foram caracterizadas em microscópio ótico. Realizaram-se medidas de microdureza na matriz utilizando microdurômetro Vickers da marca Büehler com carga de 100gf e a macrodureza foi feita em durômetro Rockwell da marca Wilson. Foram realizadas 15 repetições em cada amostra para as medições de dureza da matriz, e 5 repetições Rockwell. 3.1 Ensaio de desgaste abrasivo (pino-lixa) Os ensaios de desgaste foram realizados em um abrasômetro do tipo pino contra lixa da marca PLINT modelo TE 79. Para os ensaios utilizaram-se os seguintes parâmetros: carga de peso morto de 4,6N, pressão nominal 0,65 MPa, um 40

3 total de 10 lixas de óxido de alumínio (Al 2 O 3 ) e tamanho médio de grão de 3,6 µm (# 320). A perda de massa foi medida utilizando balança analítica com precisão de 0,1 mg e para cada ensaio foram feitas 2 repetições para cada material. 3.2 Ensaio de resistência à fadiga térmica Para os ensaios de fadiga térmica foi utilizado um equipamento constituído de uma fonte de bobina de indução para aquecimento do corpo-de-prova, com controle automático de temperatura e tempo. Os parâmetros para os ensaios foram: temperatura de aquecimento de 645ºC, ciclos 100, tempo de permanência para aquecimento 12 s e tempo de permanência para resfriamento de 40 s imerso em água. Para cada material foram realizados um ensaio e 2 repetições. Após os ensaios os corpos-de-prova foram cortados em seção transversal conforme desenho da Figura 1. Utilizou-se máquina de corte de precisão para evitar danos ao material. (a) (b) Figura 5. Corpo-de-prova para ensaio de fadiga térmica. Geometria e dimensões do corpo-de-prova (a) e seção de corte para caracterização quantitativa das trincas térmicas (b). Para a caracterização da quantidade de trincas térmicas, foi utilizado microscópio óptico com aumento de 500x. A contagem das trincas foi realizada em um quadrante apenas (Figura 1 (b)). Com os resultados medidos foi calculada a densidade de trincas (Dt). Mediu-se também a profundidade máxima de trincas (Pmáx) em microscópio óptico com aumento de 25x. As trincas foram caracterizadas, qualitativamente, para revelar o caminho de propagação das trincas. Para isso, foram obtidas fotos com reagente nital 3%. 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO A Figura 2 mostra a microestrutura das ligas estudadas. Observa-se que a microestrutura da liga A (Figura 2 (a)), forjada a quente, é de um aço hipereutetóide com matriz perlítica. A rede de cementita foi segmentada pelo processo de forjamento. Na liga B (Figura 2 (b)) a microestrutura revela carbonetos eutéticos M 3 C com morfologia ledeburítica e carbonetos hipereutetóides em uma matriz perlítica. 41

4 (a) (b) Figura 2. Microestrutura das ligas estudadas (a) liga A e (b) Liga B. Reagente de ataque: nital 3 %. Nota-se que para a liga A, a microestrutura apresenta melhor distribuição dos carbonetos e grãos refinados provenientes do forjamento e subseqüente tratamento térmico. A Tabela 4 mostra os valores de macrodureza e microdureza da matriz das ligas A e B. Os intervalos de variação foram calculados para um nível de confiança de 95 %. Tabela 3. Microdureza da matriz e Macrodureza. Liga Microdureza Matriz (HV 100gf ) HRC A 360 ± 8 31 ± 1 B 355 ± ± 0,3 Embora as duas ligas apresentem o mesmo valor de dureza da matriz, a macrodureza da liga B é maior devido à presença de carbonetos eutéticos. 4.1 Desgaste abrasivo (pino-lixa) A Figura 3 apresenta os valores de perda de massa das ligas A e B. A perda de massa da liga A é 16% menor do que a da liga B. É possível que a maior taxa de desgaste da liga B esteja ligada ao arrancamento dos carbonetos eutéticos devido à baixa dureza da matriz, que não oferece sustentação aos carbonetos. 42

5 Liga A Liga B y = 0.248x R 2 = y = 0.288x R 2 = Perda de massa [mg] Distância percorrida [m] Figura 3. Perda de massa em função da distância percorrida para as ligas estudadas. 4.2 Resistência à fadiga térmica A densidade de trincas aumenta com a quantidade e tamanho dos carbonetos presentes. A Tabela 5 mostra os resultados de densidade de trincas e profundidade máxima após os ensaios de fadiga térmica. Tabela 4. Densidade e profundidade máxima de trinca dos corpos-de-prova ensaiados. Liga Dt (trincas/mm) P máx (µm) A 1,9 95 B 2, Observa-se que a liga A obteve menor concentração de trincas por mm e profundidades máximas de trincas térmicas. A propagação da trinca ocorre principalmente pela interface carboneto/ matriz e, em algumas situações, pelo próprio carboneto, segundo Silva (2003). Para a liga B os resultados mostram que as trincas se propagam ao longo dos carbonetos. Nota-se nas fotos da Figura 6 a diferença na propagação das trincas para as liga A e B. 43

6 (a) (b) Figura 3. Diferença na propagação de trincas térmicas da liga (a) e B (b). Reagente de ataque: nital 3 %. 25x de aumento. O caminho de propagação de trincas na liga B ocorre pelos carbonetos eutéticos e na liga A pela interface matriz/carboneto. 5. CONCLUSÕES Conclui-se deste trabalho que a microestrutura da liga forjada apresentou melhor desempenho nos ensaios de desgaste abrasivo e resistência à fadiga térmica. Os carbonetos eutéticos são mais propícios à propagação de trincas térmicas, como comprovadas pelos ensaios. Com o aumento da fração de carbonetos, ocorre maior propagação de trincas térmicas. 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Silva, C. R. S, Fadiga Térmica De Ferros Fundidos Brancos Multicomponentes, Tese de Mestrado, São Paulo, SP, Souza, S. A, Composição Química dos Aços, Ed. Edgard Blücher, São Paulo, Brazil, 1989, p Silva, A. L. C, Tecnologia Dos Aços, Ed. Hamburg, São Paulo, Brazil, 1981, p Filho, B. E., Zavaglia, C. A. C., Button, S. T., Gomes, E. e Nery, F. A. C, Conformação Plástica dos Metais, Ed. UNICAMP, São Paulo, Brazil, 1991, p

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