UNICAMP FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS INTRODUÇÃO À METALOGRAFIA DOS AÇOS CARBONO

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1 UNICAMP FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS INTRODUÇÃO À METALOGRAFIA DOS AÇOS CARBONO Este texto é parte do material didático utilizado na disciplina ES333 Laboratório de Ensaios dos Materiais. Carmo Roberto Pelliciari de Lima ( Campinas, Março de 2005

2 Introdução à metalografia dos aços carbono 1. Introdução aços carbono Aços carbono basicamente são ligas contendo ferro e carbono, com teor de carbono até 2,1%. Acima desse teor de carbono a liga passa a ser denominada ferro fundido. Apesar dessa definição, outros quatro elementos normalmente estão presentes nos aços carbono: fósforo, enxofre, manganês e silício. Fósforo e enxofre são impurezas prejudiciais ao material, portanto se deseja que o seu teor seja o mais baixo possível. São elementos fragilizantes, que podem ocasionar problemas durante a fabricação ou a utilização do aço. As especificações de composição química para aços carbono normalmente indicam teores máximos para esses elementos em torno de 0,04-0,05%. O manganês em quantidades pequenas e controladas confere propriedades aprimoradas aos aços carbono, tais como maior temperabilidade, maior soldabilidade e resistência à tração mais elevada. Os teores especificados normalmente estão em torno de 0,6-0,9%. O silício é usado como desoxidante no processo de produção do aço. Aumenta a resistência da ferrita, mas em teores acima de 1% diminui muito a ductilidade e a tenacidade do aço. O seu teor máximo é normalmente de 0,35% Aços carbono de usinagem fácil Alguns aços carbono de usinagem fácil, ou corte fácil (free-machining, ou free-cutting carbon steels) apresentam teores mais elevados de enxofre e/ou fósforo do que os anteriormente apresentados. O objetivo, nesses casos, é aumentar a usinabilidade ao facilitar a quebra dos cavacos. Nos aços ressulfurados o teor de manganês é relativamente elevado, para que se formem inclusões de MnS ao invés de FeS. O FeS é fragilizante, enquanto o MnS torna o material mais usinável. 2. Classificação dos aços carbono Os aços carbono e aços ligados são classificados, segundo os padrões AISI- SAE, por um sistema de quatro dígitos. Os dois primeiros dígitos indicam a série do aço; os aços carbono são os das séries 10XX, 11XX e 12XX. O teor de carbono é dado pelos dois últimos dígitos, que indicam os décimos de pontos percentuais de carbono, em peso. Um aço 1020, por exemplo, tem 0,20 % de carbono. A Tabela 1

3 Março de CRPL mostra a composição de alguns aços carbono. Os aços 11XX são ressulfurados e os 12XX são ressulfurados e refosforados; esses dois tipos de aço são chamados de aços carbono de corte livre, ou de usinagem fácil. Tabela 1. Composição química dos aços carbono, segundo a classificação AISI/SAE ASM, Elemento químicos, % em peso AISI/SAE C Mn P, máximo ou faixa S, máximo ou faixa Outros Aços carbono comuns ,08-0,13 0,30-0,60 0,04 0, ,13-0,18 0,30-0,60 0,04 0, ,18-0,23 0,30-0,60 0,04 0, ,28-0,34 0,60-0,90 0,04 0, ,43-0,50 0,60-0,90 0,04 0, ,55-0,65 0,60-0,90 0,04 0, ,65-0,75 0,60-0,90 0,04 0, ,90-1,03 0,30-0,50 0,04 0,05 Aços carbono ressulfurados ,13 máx. 0,60-0,90 0,07-0,12 0,08-0, ,13 máx. 0,70-1,00 0,07-0,12 0,16-0, ,13 máx. 0,70-1,00 0,07-0,12 0,24-0,33 Aços carbono ressulfurados e refosforados ,13 máx. 0,60-0,90 0,07-0,12 0,10-0,15 12L14 0,15 máx. 0,85-1,15 0,04-0,09 0,26-0,35 Pb 0,15-0,35 Obs: os teores de silício normalmente se situam na faixa de 0,1 a 0,35 % 3. Diagrama de fases ferrita-cementita O diagrama ferrita-cementita mostra as fases presentes no aço para um determinado par composição/temperatura Figura 1. O eixo horizontal mostra a porcentagem de carbono. No eixo vertical estão as temperaturas. Para acompanhar as transformações pelas quais o material passa, deve-se primeiramente localizar no eixo horizontal a composição do material que se está analisando. Em seguida faz-se um deslocamento vertical no diagrama, verificando quais campos de fases se cruza.

4 Introdução à metalografia dos aços carbono Figura 1. Diagrama ferrita-cementita O diagrama ferrita-cementita mostra as fases presentes em um resfriamento lento, quando as transformações nele indicadas têm tempo de ocorrer. As fases sólidas que aparecem na Figura 1 são ferrita alfa, austenita, ferrita delta e cementita. A ferrita alfa (α) está na região à esquerda do diagrama. É formada por ferro CCC com uma porcentagem pequena de carbono em solução sólida. Existe até a temperatura de 912 o C. A solubilidade do carbono na ferrita é bastante baixa; à temperatura ambiente essa solubilidade é de apenas 0,008%, com um máximo de 0,0218% a 727 o C. É comum chamar a ferrita alfa simplesmente de ferrita, o que será adotado neste trabalho. A austenita (γ) também é uma solução sólida de carbono em ferro, com a diferença fundamental de que o ferro está em sua forma CFC. A solubilidade do

5 Março de CRPL carbono no ferro CFC é maior que no ferro CCC, atingindo um limite de 2,11% a 1148 o C. A ferrita delta (δ), a exemplo da ferrita alfa, é uma solução sólida de carbono em ferro CCC. Existe de 1394 a 1538 o C. Por ocorrer numa temperatura mais elevada, a solubilidade do carbono é um pouco mais elevada do que na ferrita alfa, chegando a 0,09% a 1495 o C. A cementita é um carboneto de ferro de fórmula Fe 3 C, com estrutura ortorrômbica. Possui elevada dureza e baixa tenacidade Reação austenita (ferrita +cementita) O diagrama ferrita-cementita apresenta um reação eutetóide a 0,77% de C. Numa reação eutetóide tem-se uma fase sólida se transformando em duas fases sólidas; no caso do diagrama da ferrita-cementita a austenita se transforma em ferrita e cementita, as duas fases estáveis à temperatura ambiente. A presença dessa reação dá origem a três diferentes tipos de aço, de acordo com o teor de carbono: - hipoeutetóides, com teor de carbono menor que 0,77%; - eutetóides, com teor de carbono de 0,77%, e - hipereutetóides, com teor de carbono acima de 0,77%. Existe no sistema ferro-carbono uma estrutura chamada de perlita, formada por lamelas alternadas de ferrita e cementita, como mostrado na Figura 2. Sempre é bom frisar que a perlita não é uma fase, mas sim uma mistura de duas fases.

6 Introdução à metalografia dos aços carbono Figura 2. Perlita, formada por camadas alternadas de ferrita e cementita. Aumento de 2000 X, ataque com nital. Os aços acima, quando resfriados lentamente a partir do campo austenítico, apresentam microestruturas diferentes. Esses aços são então formados por: - hipoeutetóides formados por ferrita e perlita - eutetóides formados por perlita - hipereutetóides formados por perlita e cementita 3.2. Martensita e bainita A transformação da austenita em ferrita e cementita exige um certo tempo para ocorrer, pois é necessário que haja difusão dos átomos de carbono. Em resfriamentos bruscos, quando não há tempo suficiente para a formação das fases estáveis, formam-se constituintes não previstos pelo diagrama de fases ferritacementita; esses constituintes são a martensita e a bainita. A martensita é uma fase formada pelo resfriamento brusco da austenita. Não há tempo para difusão do carbono para fora da estrutura do ferro, havendo então cisalhamento da estrutura. Esse cisalhamento dá origem a tensões internas, que tornam a martensita uma fase dura, resistente e de baixa tenacidade. A martensita é obtida pelo tratamento térmico de têmpera, que confere elevada dureza ao aço. Quanto maior o teor de carbono, maior a dureza obtida. A bainita é formada pela precipitação de carbonetos muito finos na ferrita. Existem dois tipos de bainita: superior e inferior. A bainita superior é composta por ripas de ferrita com precipitação de cementita no contorno das ripas. A bainita inferior é formada por agulhas de ferrita com precipitação de cementita no seu interior, na forma de fileiras que formam ângulos de 60 o com o eixo da agulha de bainita. A formação da bainita inferior exige resfriamento mais brusco que o necessário para a formação da bainita superior. A bainita é muito mais dura que a ferrita e a perlita e menos dura que a martensita. Apresenta no entanto tenacidade bem mais elevada que a da martensita, não exigindo revenimento Influência do teor de carbono A ferrita é uma fase mais mole, mais dúctil e com menor resistência mecânica que a cementita. Quanto maior o teor de carbono, maior a quantidade de cementita, portanto maiores a resistência mecânica e a dureza do aço. No entanto, com teores

7 Março de CRPL de carbonos mais elevados, perde-se em ductilidade e tenacidade. O maior teor de carbono também propicia a obtenção de martensita de maior dureza. 4. Tratamentos térmicos dos aços carbono Os tratamentos térmicos são operações controladas de aquecimento e resfriamento, realizadas para alterar as propriedades dos aços. Os objetivos dos tratamentos térmicos são basicamente dois: - tornar mais fácil ou mesmo possível determinadas etapas do processo produtivo, ou - melhorar as propriedades do produto final. Serão apresentados aqui, de forma sucinta, os principais tratamentos térmicos dos aços. Essa apresentação será feita por se considerar que isso será útil para a compreensão das microestruturas apresentadas mais adiante neste trabalho; informações mais detalhadas podem ser encontradas nas referências bibliográficas apresentadas Recozimento Existem três tipos principais de recozimento: - recozimento pleno - recozimento subcrítico e alívio de tensões - esferoidização Recozimento pleno O aço é austenitizado e resfriado lentamente. A austenitização ocorre pelo aquecimento até uma temperatura dentro da faixa de formação de austenita ver diagrama ferrita-cementita. O recozimento pleno recristaliza o material, apagando o efeito de tratamentos térmicos e mecânicos anteriores. Através do recozimento pleno se obtêm dureza menor e ductilidade maior que as obtidas no recozimento subcrítico Recozimento subcrítico e alívio de tensões O aquecimento é feito até uma temperatura abaixo da temperatura de austenitização, normalmente com resfriamento ao ar. É realizado para diminuir a dureza e aumentar a ductilidade de materiais encruados. Pode também ser usado

8 Introdução à metalografia dos aços carbono para alívio de tensões após soldas. O recozimento pleno é um processo relativamente demorado, fazendo-se sempre que possível o recozimento subcrítico por ser este mais rápido Esferoidização A esferoidização é realizada para se obter cementita esferoidal em uma matriz ferrítica. Há várias formas de se obter uma microestrutura esferoidizada, envolvendo aquecimentos acima e/ou abaixo da temperatura de austenitização. A esferoidização é realizada principalmente em aços de teor elevado de carbono, com dois objetivos básicos: - conferir maior ductilidade e menor dureza ao material, permitindo assim operações de usinagem e conformação. Se a estrutura não estivesse esferoidizada poderia haver uma rede de cementita, diminuindo muito a ductilidade do material. - formar carbonetos que vão ser responsáveis pela retenção do corte e resistência ao desgaste em gumes cortantes e ferramentas Normalização Na normalização o aço é completamente austenitizado e em seguida resfriado ao ar. É utilizada para homogeneização e refino da estrutura, sendo realizada após trabalho mecânico, antes da têmpera, ou em estruturas brutas de fusão. O resfriamento mais rápido do que no recozimento pleno dá origem a uma estrutura mais refinada, com perlita mais fina e menor quantidade de ferrita em aços hipoeutetóides ou cementita em aços hipereutetóides livres Têmpera Na têmpera o aço é completamente austenitizado, sofrendo em seguida resfriamento brusco. O resfriamento deve ser brusco o suficiente para se obter a estrutura metaestável martensita, anteriormente apresentada neste texto. Aços carbono apresentam baixa temperabilidade, portanto precisam ser esfriados muito rapidamente para se obter martensita. Aços ligados apresentam maior temperabilidade, podendo ser resfriados em meios de taxas mais baixas de remoção de calor, tais como óleo e ar.

9 Março de CRPL Após a têmpera pode haver no material certa quantidade de austenita que não se transformou, chamada de austenita retida. A austenita retida é bem menos dura que a martensita, causando menor dureza no aço. Sua presença também pode levar a alterações dimensionais com o uso da peça, devido à possibilidade da austenita retida se transformar em outras estruturas. A retenção de austenita após a têmpera ocorre especialmente em aços ligados com elementos estabilizadores de austenita Revenimento Por causa da baixa tenacidade da martensita o material quase nunca é usado como temperado, devendo passar antes pelo processo de revenimento, que diminui a dureza e aumenta a tenacidade do aço. Para se fazer o revenimento o aço é aquecido a uma determinada temperatura e nela mantido por certo tempo, o que causa a precipitação de carbonetos extremamente finos na martensita. Além de diminuir a dureza da martensita, o revenimento pode ser usado para transformar a austenita retida. Há alguns aços ferramenta que exigem dois ou mais revenimentos, devido à grande quantidade de austenita retida após a têmpera. 5. Microestruturas dos aços carbono Serão apresentadas aqui algumas microestruturas típicas de aços carbono. A idéia básica é mostrar algumas das variações microestruturais causadas por dois fatores: 1 diferença no teor de carbono e 2 tratamentos térmicos (recozimento, normalização, têmpera e revenimento). Cabe aqui uma observação sobre o ataque químico utilizado para revelar as microestruturas. O ataque químico mais utilizado para aços carbono é o Nital, que foi o único ataque usado neste trabalho. Outro ataque que pode ser usado é o Picral, apontado em alguns casos como uma alternativa que pode apresentar melhores resultados que o Nital para determinadas estruturas. Uma discussão mais detalhada sobre tipos de ataque foge ao objetivo deste trabalho, sendo recomendada a leitura do clássico livro de Van der Voort Voort, Estruturas de materiais recozidos Como apresentado anteriormente, os aços hipoeutetóides esfriados lentamente apresentam ferrita e perlita, os aços eutetóides somente perlita e os aços

10 Introdução à metalografia dos aços carbono hipereutetóides perlita e cementita. As Figuras de 3 a 8 mostram micrografias de aços com diferentes teores de carbono, recozidos. Todas as fotos foram tiradas com aumento de 125 vezes e se usou Nital para revelar a microestrutura. Nas Figuras 3, 4, 5 e 6 os aços são hipoeutetóides; as áreas claras são ferrita e as escuras perlita. Pode-se ver claramente nesses aços que à medida que o teor de carbono aumenta, as áreas de perlita aumentam. A Figura 7 mostra um aço eutetóide, composto somente por perlita. No aço hipereutetóide mostrado na Figura 8, as áreas claras são cementita livre e as escuras são perlita. As diversas áreas de perlita apresentam coloração diferente devido ao ataque químico; para que não se faça confusão entre áreas claras de perlita e áreas de ferrita ou cementita livres, deve-se fazer observações com aumentos elevados, da ordem de vezes. O aumento utilizado (125X) não foi suficiente para mostrar a estrutura lamelar da perlita; para isso é necessário usar aumentos maiores, às vezes até da ordem de 2000 vezes. É sempre recomendado, principalmente em aços de teor elevado de carbono, a observação com um aumento elevado, para evitar interpretações incorretas. Por exemplo, a micrografia de um aço 1070 tirada com baixo aumento pode ter a aparência de uma estrutura temperada (Figura 6), mas se a observação for feita com grande aumento a estrutura perlítica se torna visível (Figura 9). As micrografias de aços de elevado teor de carbono normalmente apresentam áreas de perlita com diferentes tonalidades; essa ocorrência pode fazer com que se confundam áreas de perlita com áreas de ferrita. O aço 1080, eutetóide, é composto apenas por perlita, mas a Figura 7 apresenta algumas áreas claras que podem ser confundidas com ferrita. Na Figura 10 pode-se ver que as áreas claras não são ferrita, mas sim áreas de perlita mais grossa que a perlita das áreas escuras. Uma observação com maior aumento do material apresentado na Figura 8 mostra a rede de cementita envolvendo as áreas de perlita Figura 11. As Figuras 12 e 13 mostram um aço 1095 esferoidizado. Mais uma vez se faz necessário usar grandes aumentos para observar a estrutura do material, pois a 125 X de aumento (na Figura 12) não se enxergam grandes detalhes. A Figura 13 mostra de forma bastante clara a cementita esferoidal em matriz ferrítica.

11 Março de CRPL Figura 3. Aço Aum.: 125X, Ataque: Nital. Figura 4. Aço Aum.: 125X, Ataque: Nital. Figura 5. Aço Aum.: 125X, Ataque: Nital. Figura 6. Aço Aum.: 125X, Ataque: Nital. Figura 7. Aço Aum.: 125X, Ataque: Nital. Figura 8. Aço com 1,2%C. Aum.: 125X, Ataque: Nital.

12 Introdução à metalografia dos aços carbono Figura 9. Aço 1070, recozido. A estrutura lamelar da perlita fica visível a aumentos elevados. Aumento de 2000 X, ataque com Nital. Figura 10. Aço As áreas de perlita mais grossa à direita da foto apresentam cor mais clara. Aumento de 1000 vezes, ataque com nital. Figura 11. Rede contínua de cementita envolvendo áreas de perlita. Aumento de 1000 vezes, ataque com nital.

13 Março de CRPL Figura 12. Aço 1095, esferoidizado. Aumento de 125 X, ataque com Nital. Figura 13. Mesmo material da Figura 10, observado com aumento de 1000 X. Cementita esferoidal em matriz ferrítica Variações microestruturais com os tratamentos térmicos Como apresentado anteriormente, os tratamentos térmicos alteram as propriedades dos aços. Essas alterações vêm das mudanças que ocorrem na microestrutura do material. Este item apresenta algumas alterações microestruturais causadas por diferentes tratamentos térmicos. Para representar o efeito de diferentes teores de carbono foram escolhidos três aços, com baixo, médio e alto teor de carbono: 1020, 1045 e 1095, respectivamente. Algumas estruturas podem ser facilmente analisadas. Ferrita, perlita, cementita esferoidal e cementita em rede podem ser corretamente observadas através de microscopia óptica, usando-se os ataques e aumentos apropriados. Estruturas obtidas através de têmpera, tais como martensita, martensita revenida, bainita inferior e bainita superior, exigem maior cuidado em sua análise. A martensita, por exemplo, apresenta estruturas diferentes de acordo com o teor de carbono: aços de baixo carbono formam martensita em forma de ripas (lath martensite), enquanto aços de alto carbono apresentam martensita na forma de lâminas finas ou agulhas (plate martensite). A observação das estruturas de têmpera normalmente deve ser realizada a aumentos elevados, muitas vezes acima do limite da Microscopia Óptica. Recomenda-se uma consulta ao Metals Handbook (na edição mais nova, ASM Handbook), onde se pode ver que algumas estruturas só são observáveis através de microscopia eletrônica, utilizando-se aumentos da ordem de dez mil vezes ASM,

14 Introdução à metalografia dos aços carbono Muitas vezes, portanto, análises conclusivas só podem ser feitas com a utilização de microscopia eletrônica. Quando se tem padrões de um determinado material, que foram submetidos a diferentes e bem conhecidos ciclos de tratamento térmico, a análise fica mais fácil porque se pode fazer comparações. É sempre recomendável a preparação e utilização de um bom banco de amostras, algo particularmente útil na análise de amostras temperadas Aço 1020 As Figuras mostram variações entre o aço 1020 recozido e normalizado. Basicamente pode-se ver que as áreas de ferrita são mais alongadas no material normalizado que no material recozido. Figura 14. Aço 1020 recozido. Aumento de 125 X Figura 15. Aço 1020 normalizado. Aumento de 125 X

15 Março de CRPL Figura 16. Aço 1020 recozido. Aumento de 1000 X Figura 17. Aço 1020 normalizado. Aumento de 1000 X A Figura 18 mostra o aço 1020 temperado. Pode-se ver a presença de martensita em forma de ripas e algumas áreas de ferrita. A presença de ferrita se dá devido à baixíssima temperabilidade desse tipo de aço. Não se percebe grande variação nas microestruturas das amostras temperada Figura 18 e revenida Figura 19. Figura 18. Aço 1020 temperado. Aumento de 1000 X Figura 19. Aço 1020 temperado e revenido. Aumento de 1000 X Aço 1045 Nesse tipo de aço é bastante visível a diferença entre o material recozido e o material normalizado. No aço 1045 recozido Figura 20 as áreas de perlita são

16 Introdução à metalografia dos aços carbono mais arredondadas, enquanto no aço normalizado Figura 21 a perlita está em forma alongada, formando uma rede contínua em diversas regiões. Figura 20. Aço 1045 recozido. Aumento de 125 X. Figura 21. Aço 1045 normalizado. Aumento de 125 X. Nas Figuras 22 e 23, com aumento de 1000 X, pode-se ver que a perlita do material normalizado é mais fina que a do recozido. Figura 22. Aço 1045 recozido. Aumento de 1000 X. Figura 23. Aço 1045 normalizado. Aumento de 1000 X. A estrutura martensítica mostrada na Figura 24 é intermediária entre a martensita em forma de ripas da Figura 18 e a martensita em forma de agulhas da Figura 28 apresentada mais adiante. Neste aço, diferentemente do que ocorre com o aço 1020, há grande diferença microestrutural quando o material está revenido Figura 25.

17 Março de CRPL Figura 24. Aço 1045 temperado. Aumento de 1000 X. Figura 25. Aço 1045 temperado e revenido. Aumento de 1000 X Aço 1095 Quando se adquire o aço 1095, ele normalmente está na forma esferoidizada apresentada anteriormente na Figura 13. Esse aço, quando recozido de forma convencional, apresenta uma rede de cementita que o torna muito pouco dúctil Figura 26. A estrutura do material normalizado apresenta perlita muito fina Figura 27. Figura 26. Aço 1095 recozido. Aumento de 1000 X. Figura 27. Aço 1095 normalizado. Aumento de 1000 X. O aço 1095 temperado apresenta martensita em forma de agulhas, estrutura típica de aços de alto carbono áreas cinzas da Figura 28. As áreas claras nessa

18 Introdução à metalografia dos aços carbono figura são austenita retida. A Figura 29 mostra o material revenido, composto por martensita revenida. Figura 28. Aço 1095 temperado. Aumento de 1000 X Figura 29. Aço 1095 temperado e revenido. Aumento de 1000 X. A Figura 30 mostra um aço que foi austenitizado, antes da têmpera, a uma temperatura insuficiente para dissolver os carbonetos esferoidais existentes no material inicial. Além da martensita e da austenita retida, nota-se a presença de cementita esferoidal. Figura 30. Aço 1095 temperado. Martensita não revenida, cementita esferoidal e austenita retida.

19 Março de CRPL 6. Bibliografia ASM AMERICAN SOCIETY FOR METALS. Metals Handbook. 8. ed. Metals Park, Ohio, Vol. 1. ASM AMERICAN SOCIETY FOR METALS. Metals Handbook. 8. ed. Metals Park, Ohio, Vol. 7. COLPAERT, H. Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns. 2. ed. São Paulo: Editora Edgard Blücher, p. VOORT, G. F. V. Metallography, principles and practice. New York: McGraw-Hill Book Company, 1984, 752p. ZAKHAROV, B. Heat-treatment of metals. Tradução de N. Ivlev. 1 ed. Moscow: Peace Publishers, p.