MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE FURG ESCOLA DE ENGENHARIA EE PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÂO EM ENGENHARIA MECÂNICA - PPMEC

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1 MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE FURG ESCOLA DE ENGENHARIA EE PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÂO EM ENGENHARIA MECÂNICA - PPMEC EDUARDO DA ROSA VIEIRA ANÁLISE DOS AÇOS AISI 1045 E 4140 TEMPERADOS EM DIFERENTES CONCENTRAÇÕES DE SOLUÇÃO POLIMÉRICA AQUOSA DE POLIVINILPIROLIDONA RIO GRANDE 2018

2 EDUARDO DA ROSA VIEIRA ANÁLISE DOS AÇOS AISI 1045 E 4140 TEMPERADOS EM DIFERENTES CONCENTRAÇÕES DE SOLUÇÃO POLIMÉRICA AQUOSA DE POLIVINILPIROLIDONA Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande como requisito parcial para obtenção do Título de Mestre em Engenharia Mecânica. Orientador: Prof. Dr. Luciano Volcanoglo Biehl Coorientador: Prof. Dr. Jorge Luis Braz Medeiros Rio Grande 2018

3 Ficha de identificação da obra elaborada pelo autor através da Biblioteca Universitária da FURG. VIEIRA, Eduardo da Rosa Análise dos aços AISI 1045 e 4140 temperados em diferentes concentrações de solução polimérica aquosa de polivinilpirolidona. 95p. Dissertação (Mestrado) Universidade Federal do Rio Grande, Escola de Engenharia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, "Orientação: Luciano Volcanoglo Biehl". 1. Engenharia Mecânica. 2. Tratamentos Térmicos. 3. Têmpera 4. Propriedades Mecânicas.

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5 Dedico este trabalho à memória de minha mãe, que sempre foi o meu maior exemplo de força, amor e dignidade.

6 AGRADECIMENTOS À minha noiva, Roberta Katrein da Costa, por todo o carinho, apoio incondicional e principalmente por sempre acreditar no meu potencial. À minha família e à família da minha noiva, pelo apoio dedicado. Aos meus orientadores pelos conselhos, paciência e orientações técnicas dedicados durante o mestrado. Aos futuros engenheiros Laura Suárez e Rafael Fuscaldo, que me auxiliaram em diversos experimentos. Aos funcionários do CEME-SUL, Rudimar e Caroline, pela a amizade e conhecimentos compartilhados. Ao Prof. Tito, à Prof. Helena e à Eng. Bruna que me auxiliaram com a caracterização das soluções. Aos técnicos do setor de manutenção da universidade pela construção do tanque de recirculação, em especial ao Eng. Marcelo e ao Téc. Henrique. Ao Prof. Serguei Nogueira e aos alunos do terceiro ano da Eng. Mecânica do IFRS, pelo auxílio com a aquisição dos dados. Aos funcionários da Escola de Engenharia da FURG, em especial à secretária Mariana, que está sempre de prontidão para auxiliar os alunos do PPMec. Aos meus amigos e colegas do PPMec, que além de compartilhar esse período de aprendizado e tornaram essa caminhada muito mais agradável.

7 Não há felicidade na comodidade, a felicidade se compra com sacrifício Fiódor Dostoiévski

8 RESUMO A têmpera é um tratamento térmico que tem como objetivo a transformação microestrutural do material, visando a elevação da dureza e resistência mecânica. O processo consiste no aquecimento do material até a temperatura de austenitização, seguido de um arrefecimento rápido o suficiente para evitar a difusão do carbono. Esse resfriamento é normalmente realizado por meio da imersão em um fluido líquido, sendo os mais utilizados para esse fim os óleos minerais, a água e as soluções salinas. Atualmente, soluções poliméricas aquosas vêm sendo utilizadas para o tratamento, visto que apresentam algumas vantagens em relação aos fluidos tradicionais. Essas soluções consistem na mistura de polímero com água e, de acordo com a concentração empregada, promovem diferentes taxas de arrefecimento e, por consequência, distintas propriedades mecânicas. Com o intuito de avaliar as propriedades mecânicas dos aços AISI 1045 e 4140 resultantes do resfriamento em diferentes concentrações de solução à base de polivinilpirolidona (PVP), esse trabalho realizou a têmpera desses materiais em água e em concentrações de 10, 15, 20 e 25% de PVP. Dessa forma, foi evidenciado que de acordo com a elevação da concentração do polímero na solução houve a diminuição das velocidades de resfriamento, evidenciadas pelas maiores taxas de troca térmica e pelos menores intervalos de tempo necessários para o equilíbrio térmico entre peça e fluido. Além disso, a análise microestrutural demonstrou uma queda da quantidade de martensita, paralelamente, houve a elevação de bainita. Para os aços 1045, foi encontrada a formação de ferrita em maiores concentrações de PVP. Então, os perfis de microdureza demonstraram uma queda conforme a troca térmica era diminuída. Ainda, por meio do estudo dos índices de Miller foi evidenciado uma formação predominante de martensita nos aços. Palavras-chave: tratamentos térmicos, têmpera, soluções poliméricas aquosas, polivinilpirolidona, propriedades mecânicas.

9 ABSTRACT Quenching is a heat treatment that has the objective of microstructural transformation of the material, aiming at the increase of hardness and mechanical resistance. The process is based on heating the material to the austenitization temperature, followed by cooling fast enough to avoid diffusion of the carbon. This cooling is usually accomplished by immersion in a liquid fluid, of which the most used are mineral oils, water and saline solutions. Nowadays, aqueous polymer solutions have been used for the treatment, because they present some advantages over traditional fluids. These solutions consist of mixing polymer with water and according to the concentration used promote different cooling rates and, consequently, different mechanical properties. In order to evaluate the mechanical properties of AISI 1045 and 4140 steels resulting from the cooling in different concentrations of polyvinylpyrrolidone (PVP) solution, this work quenched these materials in water and in concentrations of 10, 15, 20 and 25% PVP. In this way, it was evidenced that, according to an increase in the concentration of the polymer in the solution, there was a decrease in the cooling rates, evidenced by the lower thermal exchange rates and the smaller time intervals required for the thermal equilibrium between the part and the fluid. In addition, a microstructural analysis showed a decrease in the amount of martensite, in parallel, there was an increase of bainite. For steels 1045, ferrite formation was found at higher concentrations of PVP. Thus, the microhardness profiles showed a decrease as the thermal process was decreased. Also, through the study of Miller indices, a predominant formation of martensite in steels was evidenced. Keywords: heat treatments, quenching, aqueous polymer solutions, polyvinylpyrolidone, mechanical properties.

10 LISTA DE FIGURAS Figura 1: Estágios da troca de calor da têmpera Figura 2: Curva de resfriamento de um processo de têmpera Figura 3: Processo de têmpera de um aço cilíndrico arrefecido em óleo Figura 4: Perfil de tensões residuais de um material temperado Figura 5: Mecanismo de troca de calor em líquidos viscoso na superfície da peça.. 26 Figura 6 Curvas de resfriamento em função da agitação Figura 7: Perfil das tensões residuais com e sem agitação Figura 8: Curvas de resfriamento de um material arrefecido em óleo Figura 9: Quebra do filme de vapor em água Figura 10: Curvas de resfriamento e de taxa de resfriamento em água e salmoura. 32 Figura 11: Mecanismo de troca de calor em soluções salinas Figura 12: Têmpera de um corpo cilíndrico em solução aquosa polimérica Figura 13: Curvas de arrefecimento medidas em diferentes posições Figura 14: Curvas de resfriamento em água e PAG sob concentrações distintas Figura 15: Taxa de resfriamento para água e diferentes concentrações de PAG Figura 16: Fórmula estrutural do polivinilpirolidona Figura 17: Perfil de microdureza de aço AISI 4140 temperado em 10% de PVP Figura 18: Curvas de taxa de resfriamento sob diferentes concentrações de PVP Figura 19: Durezas resultantes em função da variação de parâmetros de processo 45 Figura 20: Organograma geral do trabalho Figura 21: Forno resistivo EDG Figura 22: Tanque de arrefecimento com bomba de recirculação Figura 23: amostras do aço Figura 24: Pontos de identação Figura 25: Microestrutura inicial dos aços Figura 26: Curvas de resfriamento do aço AISI Figura 27: Curvas de resfriamento do aço AISI Figura 28: Curvas das taxas de resfriamento do aço AISI Figura 29: Curvas das taxas de resfriamento do aço AISI Figura 30: Microscopia Óptica do ao AISI Figura 31: Microscopia Óptica do ao AISI Figura 32: Perfil de microdureza do aço AISI

11 Figura 33: Perfil de microdureza do aço AISI Figura 34: Microscopia eletrônica de varredura e pontos de EDS no aço Figura 35: Microscopia eletrônica de varredura e pontos de EDS no aço Figura 36: Espectro difratométrico dos aços AISI Figura 37: Espectro difratométrico dos aços AISI

12 LISTA DE TABELAS Tabela 1: Composições obtidas em água e diferentes concentrações de PAG Tabela 2: Dureza e quantidade de martensita resultante da têmpera com PVP Tabela 3: Comparação das trocas térmicas em PVP e PAG Tabela 4: Composição química aço AISI Tabela 5: Composição química aço AISI Tabela 6: Microdurezas dos aços conforme recebidos Tabela 7: Características dos fluidos de têmpera Tabela 8: Taxas máximas de resfriamento Tabela 9: Quantidade de fases do aço AISI Tabela 10: Quantidade de fases do aço AISI Tabela 11: Índices de microdureza do aço AISI Tabela 12: Índices de microdureza do aço AISI Tabela 13: Composição semi-quantitiva do aço AISI Tabela 14: Composição semi-quantitiva do aço AISI

13 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS µ Viscosidade Dinâmica ρ t AISI ASM C DRX EDS K MEV Ms NaCl PAG PEO PVP TCC ν Massa Específica Variação do Tempo American Iron and Steel Institute (Instituto Americano de Ferro e Aço) American Society for Metals (Sociedade Americana de Metais) Carbono Difração de Raio-x Espectroscopia de Energia Dispersiva Constante do Capilar Microscopia Eletrônica de Varredura Início da Transformação Martensítica Cloreto de Sódio Polialquilenoglicol Polietileno Oxazolona Polivinilpirolidona Tetragonal de Corpo Centrado Viscosidade Cinemática

14 SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS... 9 LISTA DE TABELAS LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS INTRODUÇÃO OBJETIVOS REVISÃO DE LITERATURA Introdução ao Estado da Arte Efeitos Deletérios do Processo de Têmpera Parâmetros de Processo do Tratamento Soluções Poliméricas Aquosas como Fluido de Têmpera Efeitos da Utilização de PVP como Fluido de Têmpera MATERIAIS E MÉTODOS Preparação E Caracterização Das Amostras Preparação E Caracterização Dos Fluidos De Têmpera Procedimento De Têmpera Aquisição De Dados Análise Dos Resultados RESULTADOS E DISCUSSÃO Caracterização dos Aços Caracterização dos Fluidos de Têmpera Curvas e Taxas de Resfriamento Microscopia Óptica Perfil de Microdureza Microscopia Eletrônica de Varredura Análise Difratométrica CONCLUSÕES SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS REFERÊNCIAS... 91