Tipos de Alterações Microestrutural

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1 Tipos de Alterações Microestrutural Autor: Diogo Piszxzalka Formação: Eng.º Mecânico pela Universidade Luterana do Brasil & Técnico em Gestão da Qualidade (IESE) 18

2 Sumário Introdução Objetivo Materiais e Métodos Resultados Tempera Normalização Recozimento Pleno Ensaios de Temperabilidade (Jominy) Conclusão Referências... 17

3 Introdução Com as várias características existentes entre os elementos e materiais disponíveis em nosso universo, e, alguns com a capacidade de alterações em suas propriedades físicas, uma gama de possibilidades nos ficam disponíveis às nossas aplicações e utilidades, Estas alterações tem facilitado muito a vida de muitos profissionais em diversas áreas, em destaque principal área de engenharia. Entender estas alterações, às vezes não se torna fácil, pois geometricamente as não aparecem, mas possuem uma forte influência nas características mecânicas dos materiais. Portanto, através deste trabalho, compartilho uma experiência que desenvolvi ao longo da minha graduação no curso de engenharia mecânica, realizada na Universidade Luterana do Brasil (ULBRA), na disciplina de Materiais de Construção Mecânica, onde se realizou em aula prática no laboratório do campus. A experiência detém como ênfase, conhecer e analisar o comportamento do Material Aço SAE 1045, quando submetido aos processos de Têmpera, Normalização, Recozimento Pleno e Ensaio de Temperabilidade (Jomminy). Estes processos são bem conhecidos no meio Metalúrgico, sendo utilizados por várias indústrias em busca de melhoria nas propriedades mecânicas dos materiais, através dos diferentes tipos de tratamentos térmicos. Para cada um destes experimentos, observará se ao final de cada processo ocorreu alguma modificação estrutural na sua estrutura, alterações que serão verificadas através da análise da estrutura granular do material com auxílio de um microscópio.

4 1.0 Objetivo Após introdução teórica em sala de aula ministrada pelo professor, Dr: José Carlos Krauser de Verney deram se início às atividades de experimento no laboratório, o experimento avaliativo buscou o entendimento dos diferentes tipos de tratamentos térmicos através de testes que foram realizados, já sabemos que alguns materiais após serem submetidos a um aquecimento, e, ao sofrerem diferentes tipos de resfriamentos, possuem alterações na sua estrutura granular, estas alterações, proporcionam impactos nas propriedades mecânicas dos materiais, podendo deixar os materiais mais frágeis ou dúcteis dependendo do tipo de tratamento que os mesmos receberem, e se assim poderem receber, cabe lembrar que nem todos os materiais obedecem aos processos que estarei apresentando abaixo. 2.0 Materiais e Métodos Durante a Experiência fizeram-se uso dos seguintes materiais; Um medidor de Dureza para comparação das medições inicial e final do projeto experimento, utilizou-se de um formo de alta temperatura onde foram aquecidos as amostras que foram utilizadas durante as análises, lixas das classificações 120, 320, 600,1200 para realizar o acabamento das superfícies do corpo, um microscópio eletrônico para comparação da estrutura granular antes e depois de cada experimento, uma máquina para ensaio de Jomminy e 4 (quarto) amostra de material Aço SAE (Obs. os corpos de prova receberão as seguintes classificações ao longo do relatório: Corpo (A) Tempera; (B) Normalização; (C) recozimento Pleno e (D) Ensaio de Temperabilidade Jomminy).

5 Todos os experimentos realizaram-se através de uma metodologia, esta consistia em levar as amostra dos materiais ao forno por um período de tempo controlado em temperatura de 900ºC, variando apenas na forma de resfriamento de cada material conforme o tipo de experimento que estava sendo realizado. 3.0 Resultados 3.1 Tempera O Processo tempera é um processo utilizado para alterar as características mecânicas dos materiais, este processo constitui-se normalmente no aumento da dureza e perda da ductilidade do material. Para realização deste experimento, utilizou-se o corpo de prova (A), com a finalidade de verificar-se há aumento da dureza e consequentemente perda da ductilidade após o processo. O Procedimento da têmpera consistiu-se em duas etapas: aquecimento e esfriamento rápido ou brusco. No aquecimento realizado o objetivo obter a organização dos cristais do metal, numa fase chamada austenitização. Após o aquecimento das amostras a uma temperatura de 900ºC durante um intervalo de tempo de aproximadamente 18mim, após atingir esta temperatura, submeteu-se o corpo de prova ao esfriamento brusco onde se obteve uma estrutura martensita. (supersaturada em carbono). Para realizar a tempera no corpo de prova (A) o aquecimento precisou-se ser superior à temperatura crítica, que é de 727ºC, conduzindo o metal a uma fase na qual se obtém o melhor arranjo possível dos cristais do metal, e, no entanto, a futura dureza esperada. O tempo de aquecimento de um material varia conforme o tamanho de sua Geometria, na prática utiliza-se 1pol/h.

6 Algumas propriedades mecânicas do corpo de prova devem ser levadas em consideração antes dos experimentos, como base para o dimensionamento destes resultados, considerou-se apenas a verificação da dureza do corpo de prova (A) antes e depois do processo de tempera. A tabela e o gráfico abaixo mostram a diferença de dureza da peça no início e após o tratamento térmico, seguida das imagens da alteração granular pelo processo de tempera. Processo Tempera Corpo de Prova (A) Dureza Inicial Dureza Final 28 HRC 60 HRC 30 HRC 58 HRC 25 HRC 63 HRC Média 27 HRC Média 60 HRC Tabela 1: Comparação das durezas antes e depois da tempera. Gráfico 1: Comparação das durezas antes e depois do processo de tempera. Conforme análise do corpo de prova (A), após o esperimento do processo de tempera, observou-se que há uma alteração granular do

7 material, antes do processo de tempera tinhamos uma estrutura granular na classe de Ferrita mais Perlita, pós tempera verificou-se um estrutura granular Martensítica onde se obteve um aumento de dureza susperficial de aproximadamente 100% em relação ao material recebido da indústria. Figura 1: Estrutura Granular Normal Figura 2: Estrutura Granular Pós Tempera.

8 3.2 Normalização Tratamento térmico que consistiu no aquecimento do aço a uma temperatura acima da zona Crítica. Este Processo é realizado através do processo de normalização, verificando a refinação granular grosseira do corpo de prova (B), seja ele laminado ou forjado, para este processo usouse o material Aço SAE 1045, onde aquecido a uma temperatura de 900ºC acima da zona crítica que é considerada 727ºC, durante um intervalo de tempo de 18min, o corpo de prova foi retirado do forno e submetido ao refriamento sobre temperatura ambiente contribuindo assim para o processo de normalização. Algumas propriedades mecânicas do corpo de prova(b) também devem ser levadas em conta antes dos experimentos, novamente como base para o resultado considerou-se apenas a verificação da dureza do corpo de prova(b) antes e depois do processo de Normalização. A tabela e o gráfico abaixo mostram a diferença de dureza da peça antes e após o processo de normalização, seguida das imagens da alteração granular do processo de normalização. Processo Normalização Corpo de Prova B Dureza Inicial Dureza Final 28 HRC 10 HRC 30 HRC 11 HRC 25 HRC 4 HRC Média 27HRC Média 8HRC Tabela 2: Dureza inicial x Processo de Normalização

9 Gráfico 2: Comparação das durezas antes e depois da tempera por normalização. Analisando-se o corpo de prova (B) após o esperimento realizado pelo processo de Normalização, observou-se uma refinação granular do material. Antes do processo de Normalização, tinhamos uma estrutura granular Ferrita mais Perlita grosseira, pós-normalização verificou-se uma estrutura granular de forma mais refinada, onde se obteve a dimunição da dureza susperficial conforme podemos observar no gráfico acima, e, o metal passou a ser mais ductil em relação ao material recebido da indústria. Figura 3: Estrutura granular antes processo normalização.

10 Figura 4: Estrutura granular pós-processo de normalização. 3.3 Recozimento Pleno Tratamento térmico que consistiu no aquecimento do aço a uma temperatura também acima da zona Crítica (727ºC). O objetivo do processo de recozimento pleno visa em reduzir a dureza e obter uma maior usinabilidade da peça quando necessário. Este processo é realizado de maneira lenta, dentro do próprio forno ou também pode ser em caixas apropriadas quando o recurso for disponível, quanto maior o tempo de exposição a uma dada temperatura e tempo de resfriamento também longo, obtém-se as características básicas do recozimento. Para este processo de recozimento utilizou-se o corpo de prova (C) da classe Aço SAE Algumas propriedades mecânicas do corpo de prova (C) foram levadas em conta ante do experimento, como base para o resultado considerou-se apenas a verificação da dureza do corpo de prova, antes e depois do processo de recozimento. A tabela e o gráfico abaixo mostram a diferença de dureza da peça inicial e pós-experimento do processo, seguida das imagens da alteração granular após processo de recozimento pleno.

11 Processo recozimento pleno do corpo de prova C Dureza Inicial Dureza Final 28 HRC 16 HRC 30 HRC 16 HRC 25 HRC 11 HRC Média 27HRC Media 8HRC Tabela 3: Dureza inicial x Processo recozimento pleno Gráfico 3: Comparação gráfica entre a dureza inicial do material x Processo de tempera por recozimento pleno. Analisando-se o corpo de prova (C) após a experiência realizada pelo processo de Recozimento Pleno, notou-se que o material teve uma grande perda de dureza e possivelmente um aumento de ductilidade, conforme podemos observar no gráfico acima, com isso, o material passou a ser mais ductil em relação ao material recebido da indústria.

12 Figura 5: Imagem estrutura granular recebido da indústria Figura 6: Estrutura granular após o recozimento pleno 3.4 Ensaios de Temperabilidade (Jominy) Desenvolvido por Walter Jomminy e seus colaboradores [Callister Jr.,1997], é o ensaio mais usado na indústria, pois a partir de um único corpo de prova é possível determinar-se a diminuição do teor de martensita no aço, como função do seu tamanho, levando-se em consideração a ação

13 de diferentes taxas de resfriamento ao longo do seu comprimento. O ensaio consiste na austenitização, seguido do um resfriamento rápido, de um corpo de prova. Como a estrutura inicial tem uma importância muito grande na Temperabilidade, o corpo de prova é submetido a um tratamento térmico de normalização antes de ser ensaiado. Este consiste de um reservatório para água servida, com adequada adaptação hidráulica para provocar o resfriamento de uma das extremidades do corpo de prova. A válvula hidráulica deve ser de abertura rápida, o que permite fluxo e pressão adequados ao ensaio conforme prevê a norma. Depois da peça resfriada até a temperatura ambiente, são feitos planos longitudinais paralelos na mesma de 0,5 a 0,9 mm de profundidade, através de operação de retífica, e então são realizadas medições de dureza Rockwell para distâncias de até 50 mm ao longo do plano retificado, a partir da extremidade resfriada pelo jato de água; para os primeiros 12,8 mm, as leituras de dureza são feitas no intervalo de 1/16 (1,6 mm) e para os restantes 38,4 mm todas a 1/8 (3,2 mm). Para que o ensaio tenha êxito é importante que alguns cuidados sejam observados ao executar-se o tratamento térmico, tal como segue abaixo: Período de tempo entre a retirada do corpo de prova do forno e início da têmpera pela água deve ser no máximo de 5 segundos; O dispositivo de têmpera deve estar seco; Acionamento do dispositivo de abertura rápida da água, dando início à têmpera, evitar agitação do ar ambiente em torno do corpo de prova; Deixar a água aplicada à superfície de têmpera fluir durante no mínimo 10 minutos;

14 Decorrido o período de tempo previsto no item anterior, considera-se terminada a têmpera, podendo então o corpo de prova ser indiferentemente mergulhado em água ou deixado ao ar até atingir a temperatura ambiente. Com a descrição do processo acima para o Ensaio Jominy, procurouse medir a temperabilidade de um aço, observando a sua capacidade de adquirir dureza a uma dada profundidade. Um corpo de prova (D), Material de caracteristica Aço SAE Foi submetido ao experimento, com objetivo avaliar a capacidade de se obter uma estrutura martensita ao longo de sua profundidade. O experimento constituiu-se em um dispositivo, onde se colocou um corpo de prova cilíndrico, austenitizado, durante um tempo de 18mim a uma temperatura de 900ºC. Após este aquecimento colocou-se o corpo de prova sobre um jato de água, até o seu resfriamento a temperatura ambiente. Em seguida verificou-se a medida da dureza do corpo de prova (D) ao longo de todo o seu eixo axial, analisando as variações da dureza de acordo com a profundidade do material. Vejam valores apresentados na tabela e gráfico abaixo. Distância Dureza 1,5 mm 55 HRC 3 mm 54 HRC 5 mm 51 HRC 10 mm 47 HRC 15 mm 41 HRC 20 mm 35 HRC 25 mm 30 HRC 30 mm 27 HRC 35 mm 26 HRC 40 mm 25 HRC 50 mm 24 HRC Tabela 4: Comparação de durezas da superfície externa para centro da peça.

15 (HRC) Curva do Ensaio Jominy (Escala HRC) (mm) Gráfico 4: Curva dureza da superfície externa para centro da peça. Analisando as informações acima podemos concluir que a dureza diminuiu da superfície para o Núcleo, assim temos na superfície uma estrutura Martensítica e no núcleo uma estrutura ferrita mais Perlita. Figura 7: Resfriador de corpos de prova para ensaio Jomminy

16 Figura 8: Variação da Dureza ao longo corpo de prova. Figura 9: Variação granular de acordo com a profundidade do material.

17 4.0 Conclusão Com base nos experimentos realizados, identificaram-se ao longo do processo que os corpos de provas que foram submetidos aos ensaios, sofreram variações na sua estrutura cristalina granular, variações ocorridas através do aquecimento a temperaturas acima da zona critica de 727ºC. Todas estas variações estão diretamente ligadas à forma de resfriamento sofrida pelos materiais, estas formas de resfriamento podem ser de maneira rápida ou brusca, como também pode ser de forma lenta, a temperatura ambiente ou dentro de um forno retardando o processo de resfriamento. Os materiais das amostras (corpos de prova) que foram submetidos aos processos de experimento acima sofreram diferentes formas de resfriamento, gerando diferentes tipos de alterações na sua estrutura granular, variações ocorridas apenas pelo tempo de resfriamento, impactando diretamente nas propriedades mecânicas do material. No caso da tempera, concluiu-se que o carpo de prova (A) obteve um aumento de 100% da sua dureza na superfície, já o corpo de prova (B), no processo de normalização, obtivemos a redução da dureza e ganho na ductilidade do material, a mesma avaliação aplicou-se para o corpo de prova (C), aonde o material sofreu uma variação ainda mais significativa na sua dureza, permitindo uma maior usinabilidade através do processo de recozimento pleno. Para o corpo de prova (D), ensaio de Jomminy, o objetivo foi verificar a variação da dureza da superfície para o Núcleo, onde se formou uma estrutura martensítica na superfície, e, ferrita mais perlita no núcleo do corpo de prova, obtendo maior resistência mecânica na sua superfície e ductilidade ao núcleo do material.

18 5.0 Referências de+dos+aços&source Materiais Metálicos para construção mecânica. / José Carlos Krauser de Verney - Canoas: Ed. ULBRA,