ANÁLISE METALOGRÁFICA E TRATAMENTOS TÉRMICOS DE TÊMPERA E NORMALIZAÇÃO Joy Williams, Vitor Amaro

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1 Universidade Santa Úrsula CCET - Centro de Ciências Exatas e Tecnologia Curso de Graduação em Engenharia Mecânica EME-013 Metalografia e Tratamentos Térmicos I Data: 29/11/2004 Professor Daniel Cypriano ANÁLISE METALOGRÁFICA E TRATAMENTOS TÉRMICOS DE TÊMPERA E NORMALIZAÇÃO Joy Williams, Vitor Amaro O TÍTULO DO TRABALHO DEVE CONSTAR EM LETRAS MAIÚSCULAS, SEM GRIFO, Resumo Objetivando o desenvolvimento acadêmico das técnicas micrograficas e de realização de tratamento térmico em forno; duas amostras foram preparadas e submetidas, após prévia avaliação de sua microestrutura, à tratamentos térmicos de têmpera e normalização respectivamente, com parâmetros de tempo e temperatura de encharque arbitrados a partir das suas aparentes composições químicas (%C). A análise micrografica das estruturas obtidas após realização dos tratamentos térmicos revelou alguns desvios em relação às características teoricamente esperadas, ocasionados possivelmente pela aplicação de tempos e temperaturas de encharque excessivos, que além de ocasionarem o aumento indesejável do grão, provocaram aparentemente a redução do teor de carbono dissolvido na rede cristalina do material, pelo fenômeno da descarbonetação. Introdução Este trabalho tem como objetivo analisar do ponto de vista micrográfico os resultados obtidos na realização de tratamentos térmicos de normalização e têmpera, com a finalidade de promover alterações microestruturais e conseqüentes mudanças de propriedades mecânicas em amostras de origem desconhecida. A análise dos resultados obtidos é feita a partir da comparação com micrografia previamente realizada das amostras e fontes bibliográficas contemplando os aspectos normalmente verificados por ocasião da realização de tratamentos térmicos similares em laboratório. 1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Para efeito deste trabalho, alguns conceitos técnicos são abaixo relacionados visando auxiliar a compreensão do conteúdo. Descarbonetação - Redução de teor de carbono em toda a extensão ou parte do material. Martensita - Solução sólida metaestável supersaturada da transformação por cisalhamento sem difusão, de uma alotrópica do solvente estável em temperatura elevada. A martensita da rede cristalina nas ligas ferro-carbono, é a solução sólida intersticial supersaturada de carbono em ferro alfa e possui reticulado tetragonal de corpo centrado, resultante da distorção do reticulado cúbico provocado pelo excesso de carbono.

2 Metalografia - Estudo da constituição, estrutura e textura dos metais, ligas e produtos metálicos e de seu relacionamento com propriedades e processos de fabricação. Micrografia - Aspecto ou reprodução gráfica de uma amostra metálica devidamente preparada, com aumento linear maior que dez vezes. O termo é também utilizado para designar a técnica micrográfica. Normalização - Tratamento térmico caracterizado por aquecimento acima da zona crítica e por equalização nesta temperatura seguida de resfriamento uniforme ao ar, sem restringi-lo ou acelerálo, até a temperatura ambiente. Perlita - Constituinte eutetóide do sistema metaestável ferro-carboneto de ferro, apresentando-se como uma agregado lamelar de ferrita e cementita. Tëmpera - Tratamento térmico caracterizado pelo resfriamento em velocidade superior à velocidade crítica de têmpera de uma liga ferro-carbono, a partir de uma temperatura acima da zona crítica, resultando em transformação da austenita em martensita. Tratamento Térmico - Conjunto de operações de aquecimento e resfriamento sob condições controladas de temperatura, tempo, atmosfera e velocidade de resfriamento, com o objetivo de alterar as propriedades mecânicas do material. 2. METODOLOGIA 02 (duas) amostras de diferentes materiais foram selecionadas para realização da experiência em questão. As amostras foram identificadas como 2.2 e 3.2 respectivamente visando suas diferentes aplicações, registro e rastreabilidade dos resultados. Ambas as amostras foram inicialmente preparadas para análise metalografica, seguindo os seguintes passos: 1º) Polimento manual da superfície plana da amostra, utilizando seqüência de lixas a partir da de nº 80, passando pela 120, 220, 320, 400, 500 e 600, alternando o sentido de lixamento em 90º a cada mudança da granulometria da lixa. 2º) Polimento em disco giratório de feltro aplicando-se uma solução com água destilada contendo alumina. Inicialmente utilizou-se a solução de alumina nº 1 até que eventuais riscos oriundos da lixa nº 600 fossem totalmente eliminados. A seguir com a solução de alumina nº 2 procedeu-se o polimento final. 3º) Ataque da superfície polida com solução de Nital à 5% de concentração durante aproximadamente 6 a 8 segundos, seguido de lavagem com álcool etílico e secagem com ar quente. 4º) Análise da microestrutura em microscópio com aumento de 340X e registro fotográfico da mesma. 2/2

3 Após análise metalografica das amostras, ensaio de dureza foi realizado e em seguida as mesmas submetidas a diferentes ciclos de tratamento térmico conforme segue: Amostra 2.2 Temperatura de Encharque: 900ºC Tempo de Encharque: 1,0 hora Resfriamento: brusco em água fria corrente Amostra 3.2 Temperatura de Encharque: 900ºC Tempo de Encharque: 1,0 hora Resfriamento: ao ar, naturalmente Após realização dos tratamentos térmicos descritos, novo processo de polimento das superfícies de interesse foi realizado, visando nova análise da microestrutura resultante, segundo o mesmo procedimento já descrito anteriormente. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1 Amostra 2.2 A análise micrografica inicial realizada na amostra 2.2, revelou tratar-se de um material similar a um aço carbono com aproximadamente 0,40%C, a partir de comparações da microestrutura apresentada com padrões sugeridos no livro Optical Microscopy of Carbon Steels. A imagem capturada com um aumento de 340X revela uma microestrutura constituída por ferrita e perlita, aparentemente em iguais proporções (ver foto 1). Foto 1 (Amostra 2.2 antes do TT) 3/3

4 Ensaio de dureza realizado na amostra antes de submetê-la ao tratamento térmico registrou valores entre 74,5 e 81 R B. O tratamento térmico de têmpera ao qual submetemos a amostra 2.2 objetivava basicamente a obtenção de uma microestrutura martensítica com significativo aumento da dureza superficial e da resistência mecânica. Análise metalografica e imagem capturada com aumento de 340X (ver foto 2) revelam que o objetivo foi apenas parcialmente atingido. Podemos observar a formação de martensita, mas ainda é possível observar a presença de grãos de perlita, provavelmente fina, na área analisada. Entretanto observa-se também um expressivo aumento no tamanho de grão, muito provavelmente em razão do tempo de permanência à temperatura de encharque. Apesar de a aplicação de uma temperatura de 900ºC (acima da normalmente especificada para o material em questão), favorecer a dissolução do carbono em estrutura autenítica, e por conseqüência a temperabilidade, a mesma favorece o aumento do tamanho de grão, prejudicando as propriedades mecânicas finais desejadas. Foto 2 (Amostra 2.2 após TT) Ensaio de dureza superficial registrou valores entre 21 e 23 R C, confirmando um aumento da dureza superficial na ordem de 22 % em relação aos valores registrados antes do TT, ligeiramente abaixo do esperado conforme literaturas que abordam a realização de têmpera em laboratórios. 3.2 Amostra 3.2 A análise micrografica inicial realizada na amostra 3.2, revelou tratar-se de um material similar a um aço carbono com aproximadamente 0,45%C, a partir de comparações da microestrutura apresentada com padrões sugeridos no livro Optical Microscopy of Carbon Steels. A imagem capturada com um aumento de 340X revela uma microestrutura constituída por ferrita e perlita, tendo esta um percentual de participação ligeiramente superior à ferrita (ver foto 3). 4/4

5 Foto 3 (Amostra 3.2 antes do TT) Ensaio de dureza realizado na amostra antes de submetê-la ao tratamento térmico registrou valores entre 96 e 98 R B. O tratamento térmico de normalização ao qual submetemos a amostra 3.2 objetivava basicamente regularizar e refinar a microestrutura de origem, melhorando as características de ductilidade e tenacidade do material. Análise metalografica e imagem capturada com aumento de 340X (ver foto 4) revelam que o objetivo não foi atingido e que algum provável prejuízo às propriedades mecânicas do material foi introduzido. Foto 4 (Amostra 3.2 após TT) Observa-se acentuada redução da perlita formada, evidenciando uma aparente redução do teor de carbono da liga, muito provavelmente em decorrência dos elevados níveis de tempo e temperatura de encharque a que a amostra foi submetida. Considerando tratar-se de um aço carbono com aproximadamente 0,45%C, e uma amostra com dimensões? 25,0 x 20,0 mm, a temperatura e tempo ideais para encharque no TT de normalização seria de aprox. 800ºC (acima da linha A3) durante 20 min., conforme ilustra a curva TTT na figura abaixo e sugere a prática para tratamentos desta natureza. 5/5

6 Podemos ainda observar a predominância de uma estrutura acicular, onde a ferrita em forma de agulhas penetra nos grãos de perlita, característica de um superaquecimento e conseqüente favorecimento da formação da ferrita de Widmanstätten, típico de uma estrutura com granulação grosseira, consequentemente menos tenaz. Ensaio de dureza superficial registrou valores entre 82 e 85 R B, confirmando uma redução nos níveis encontrados antes da realização do TT, fortalecendo as observações feitas quanto á redução do teor de carbono da liga, favorecendo a formação de uma microestrutura tipicamente ferrítica, embora de granulação grosseira. 4. CONCLUSÃO A temperatura e tempo especificados para os tratamentos térmicos em questão acabaram comprometendo os resultados esperados, especialmente no caso da amostra 3.2, entretanto permitiram a observação de transformações metalúrgicas muito interessantes do ponto de vista didático, permitindo a extensão do aprendizado a cerca dos cuidados requeridos na especificação de um determinado tratamento térmico, quando espera-se deste alterações nas propriedades mecânicas do material para atendimento à certas condições de serviço. 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Hubertus Colpaert Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns 3ª edição [2] Leonard E. Samuels - Optical Microscopy of Carbon Steels [3] William Smith Introdução à Engenharia da Ciência dos Materiais 6/6