INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA NO REVENIMENTO DO AÇO SAE 4340 Adir Rodrigues de Oliveira *, Ismael Caetano de Araújo Junior *, Gilbert Silva ** Resumo- Na indústria atual, a utilização do aço se faz presente de forma ostensiva, mesmo com o surgimento de materiais alternativos. Isto se deve ao fator custo, visto que estes materiais com características próximas ao aço geralmente possuem valor agregado mais elevado. O aço possui a grande vantagem de ter suas características alteradas mediante tratamentos térmicos adequados a um baixo custo. Assim sendo, este trabalho baseia-se em submeter amostras do aço SAE 4340 ao tratamento térmico de têmpera e posteriormente revenimento, com temperaturas que variaram entre 200ºC a 650ºC com uma escala de aquecimento de 50 C em 50 C. Os resultados indicaram uma grande quantidade de fase martensítica para temperaturas inferiores no tratamento térmico de revenimento, e menores valores de dureza para temperaturas maiores do tratamento térmico de revenimento. Através dos valores encontrados podemos utilizar como ferramenta complementar na especificação de itens mecânicos. Abstract Abstract-In current industry, the use of steel is present prominently, even with the emergence of alternative materials. This is due to the cost factor, since these materials with characteristics similar to steel usually have higher value. The steel has the great advantage of their features altered by appropriate heat treatments at low cost. Thus, this work is based on samples, steel SAE 4340 thermal treatment of quenching and tempering later, with temperatures ranging from 200 to 650 C with a range of heating at 50 C at 50 C. The results indicated a large amount of martensite phase to temperatures below the tempering heat treatment, and lower hardness values for higher temperatures of heat treatment tempering. Through the values found can be used as a complementary tool in the specification of mechanical issues. Palavras-chave: Tratamento térmico, Têmpera, Revenimento, Dureza. 1. INTRODUÇÃO O aço SAE 4340 é um aço de elevada temperabilidade e boa forjabilidade, porém sua usinagem é relativamente pobre. Dependendo do teor de carbono, a dureza na condição temperada varia de 54 a 59 HRC. Devido à sua alta temperabilidade, não é aconselhável * Estudantes da Instituição: Universidade do Vale do Paraíba UNIVAP ** Professor orientador
a sua aplicação em soldagem por métodos convencionais, somente em processos sofisticados. Devido às suas características ele é aplicado para fabricação de virabrequins para aviões, tratores, eixos com elevada solicitação mecânica e veículos em geral. Na indústria aeronáutica é muito utilizado devido sua grande resistência e tenacidade que são fundamentais em projetos aeronáuticos para diversas aplicações, desde peças utilizadas na montagem da aeronave como também em ferramentais que são utilizados para construção e montagem das aeronaves (TORRES, 2002). Nesta segunda aplicação é muito utilizado na fabricação de buchas e pinos de fixação, as quais podem vir a romper por uma estrutura inadequada ou por fadiga. Testes de fadiga por flexão rotativa são realizados para definir a vida útil do material (SOUZA et. Al. 2002). O resfriamento rápido em aços pode conduzir a formação de uma fase não prevista no diagrama de equilíbrio, a martensita. No aço, uma fase metaestável composta por ferro que está supersaturada com carbono e que é produto de uma transformação sem difusão (a térmica) da austenita (WILLIAM D. CALISTER, JR.,2002). Constantemente durante o processo de encalque das buchas e na utilização de pinos, ocorrem quebras desses componentes que pode estar relacionado com a microestrutura obtida através do tratamento térmico de têmpera e revenimento. Descartando-se a possibilidade de dimensional das peças produzidas, através da utilização da norma interna para ajustes de eixos e furos, onde o mesmo se mostrou dentro dessas especificações para um sistema de encalque pelo método de prensagem a frio na temperatura ambiente. A Figura 1 mostra a fratura de um pino de aço 4340 rompido durante o processo de encalque realizado por prensagem a frio. Fig. 1 Micrografia da fratura de um pino de 4340.
Pela micrografia podemos descartar a possibilidade deste material ter falhado pelo fenômeno de fadiga. Este tipo de fratura é característica de materiais que possuem diferentes estruturas, tendo regiões onde ocorreram maiores deformações plásticas que outras. Analisando-se a norma interna de especificação, notou-se que a mesma não especificava o tratamento térmico mais adequado para obtenção da microestrutura ideal para se obter a resistência desejada. Assim sendo, este trabalho baseia-se em submeter amostras do aço SAE 4340 ao tratamento térmico de têmpera e posteriormente ao tratamento de revenimento, com temperaturas entre 200 a 650ºC. A têmpera consiste no aquecimento do aço visando uma austenitização total (aços hipoeutetoides) ou parcial (aços hiper-eutetoides) seguido de um resfriamento, tal que se consiga evitar a transformação da austenita nos seus produtos de decomposição a temperaturas mais altas (ferrita ou cementita + perlita), dando lugar preferencialmente à transformação em martensita (FERNADES, 2006). Um dos grandes problemas relacionados com o tratamento térmico de têmpera está ligado com a baixa ductilidade e a baixa tenacidade do material após o tratamento. Embora tenhamos um significativo ganho na resistência mecânica e na dureza, fatores primordiais quando se quer reduzir o peso da peça ou evitar o desgaste superficial, a ductilidade cai quase à zero. A utilização de um aço nestas condições é impossível, devido aos riscos de uma falha catastrófica, este problema tem que ser corrigido, que é conseguido através do tratamento térmico de revenimento. O revenimento é um tratamento térmico em que se faz o reaquecimento da peça temperada dentro de uma faixa de temperatura, geralmente entre 150 C a 600 C. As peças são aquecidas e permanecem durante um intervalo de tempo suficiente para que ocorram as transformações necessárias à recuperação de parte da ductilidade e tenacidade perdidas, sendo depois resfriadas até a temperatura ambiente. Com esse estudo de tempera e posteriormente revenimento, os quais irão gerar dados sobre temperatura de revenimento versus dureza, de maneira que podemos utilizar estes dados como ferramenta complementar na especificação de projeto. 2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL O procedimento experimental originou-se da necessidade de se estabelecer parâmetros para especificar em projeto a dureza adequada, em função da utilização de tratamentos térmicos de têmpera e revenimento.
Para a análise de fratura da Figura 1, foi utilizado um microscópio eletrônico de varredura da marca Zeeis modelo EVO MA10. O aço SAE 4340 possui a seguinte composição química, conforme listado na Tabela 1. Tabela 1 - Composição química aço SAE 4340 ABNT SAE 4340 C 0,38-0,43% Mn 0,60-0,80% Fósforo 0,030% Enxofre 0,040% Si 0,15-0,35% Ni 1,65-2,00% Cr 0,70-090% Mo 0,20-0,30% Foram utilizadas onze amostras de aço SAE 4340, onde foram seccionadas através de usinagem convencional com as dimensões de ( 10mmx10mm). As amostras foram identificadas com números de (1 à 11), e separadas para ensaio de dureza, que adotou-se a dureza Rockwell (HRC). Foram medidos 10 pontos ao longo do diâmetro das amostras utilizando-se um durômetro digital modelo FR-3- Tech Corp. A amostra (1) não sofreu tratamento térmico, pois a finalidade era obter o valor da dureza do material adquirido. As amostras (2 à 11), foram submetidas ao tratamento térmico de têmpera onde foram aquecidas até uma temperatura de 843 C para austenitização do aço. A taxa de aquecimento foi de 20 C/min, utilizando um forno modelo EDG 1200 com elemento resistivo. Para o resfriamento das amostras foi utilizado óleo SAE W40 e permaneceram no óleo até atingir a temperatura ambiente. Não foi utilizado controle de atmosfera no forno. A fase seguinte ao tratamento térmico de têmpera, realizou-se o tratamento térmico de revenimento. As temperaturas de revenimento estão listadas conforme tabela 2.
Tabela 2 - Temperaturas para o revenimento. Amostras Temperatura de revenimento 2 200 C 3 250 C 4 300 C 5 350 C 6 400 C 7 450 C 8 500 C 9 550 C 10 600 C 11 650 C Após o tratamento térmico de revenimento foi realizada a metalografia das amostras. Para este procedimento as amostras foram lixadas na seqüência granas de 320, 400 e 600. O polimento foi realizado com alumina, com granulação de 1,0 e 0,3 µm, e em seguida as amostras foram atacadas quimicamente com uma solução de Nital 4% (solução de ácido nítrico em etanol) com a finalidade de revelar a martensita. 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO Medição de dureza do material adquirido (amostra 1). Tabela 3 - Leitura das durezas do material adquirido. Leitura HRC Média 1º 2º 3º 4º 5º 14,1 13,7 13,7 12,8 14,0 13,66
Medição de dureza após o tratamento térmico de têmpera (amostras 2 a 11) Tabela 4 - Leitura das durezas do material após a têmpera. Leitura HRC das amostras após a têmpera Média HRC 2 3 4 5 6-7 8-9 10-11 51,9 52,1 52,4 52,8 52,1 52,9 52,9 51,1 52,4 52,0 52,09 Após realizado o ensaio de dureza das amostras e obteve-se o gráfico de dureza x temperatura de revenimento como mostra a Figura 2, onde notou-se que a amostra 6 com temperatura de revenimento de 400 C apresentou uma menor variabilidade, em comparação às demais Dureza HRC 60 55 50 45 40 35 200 ο C 250 ο C 300 ο C 350 ο C 400 ο C 450 ο C 500 ο C 550 ο C 600 ο C 650 ο C 30 25 20 2 4 6 8 10 Origem da medição (mm) Fig. 2 Gráfico de Dureza x Temperatura de Revenimento Para a analise metalografica foram selecionadas as amostras 2,6 e 10, devido a faixas de temperaturas que se encontram entre o inicio meio e fim das faixas utilizadas para o revenimento conforme Figura 3, Figura 4 e Figura 5.
Fig. 3 - Metalografia após revenimento à 200 C Fig. 4 - Metalografia após revenimento à 400 C Fig. 5 - Metalografia após revenimento à 600 C. Na Figura 3, Figura 4 e Figura 5, pode-se notar as fases clara e fases escuras, onde a fase clara é ferro α + cementita e a fase escura é a martensita, Quanto maior a temperatura de revenimento mais fases claras surgirão.
Através do gráfico podemos analisar que quanto maior a temperatura de revenimento, menor a dureza das amostras, isto tem uma grande relação com a quantidade de martensita presente nas amostras. Para análise do nosso estudo verificamos também a porcentagem de martensita em cada faixa de temperatura de revenimento conforme mostra a Figura 6. 80.0 Porcentagem de Martensita Retida 70.0 60.0 50.0 40.0 30.0 20.0 10.0 0.0 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 Temperatura C Fig. 6 - Gráfico de Temperatura x Porcentagem de Martensita. Como observado nas Figuras 2, 3 e 4 pode-se notar uma maior quantidade de martensita em temperaturas inferiores de revenimento Os grãos passam a ter um formato de agulhas, fase da martensita, enquanto as demais regiões representam a austenita que não se transformou durante o processo de resfriamento rápido da têmpera. Com o revenimento houve a formação da martensita revenida que pode ser tão dura e resistente quanto a martensita, porém com a dutilidade e a tenacidade melhoradas. Martensita Martensita revenida (TCC, monofásica) => (fase α + Fe 3 C) Desta forma a dureza e a resistência são obtidas pela grande quantidade de contornos de que existem entre a ferrita e a cementita.
5. CONCLUSÃO A norma interna de especificação de buchas e pinos de fixação, relatava grande faixa de durezas que variavam entre 28 à 44 HRC. Durante a análise em campo desses pinos e buchas, a dureza encontrada foi de aproximadamente de 55 HRC. Esta dureza apresenta uma porcentagem elevada de martensita que ficou por volta de 72%, isso pode significar que os pinos e buchas não sofreram o tratamento térmico de revenimento. Com essa grande quantidade de martensita, o material possui elevada dureza, porém se torna muito frágil que acarreta em falhas catastróficas (quebras). Um outro fator que foi observado que quanto maior a temperatura de revenimento menor e a quantidade de martensita presente, com isso ocorre a diminuição da dureza do material. Através desses dados foi sugerida uma revisão da norma interna com a finalidade de tornar o material tenaz. A revisão solicitada, seria para realizar o tratamento térmico de revenimento com a faixa de temperatura de 400 C que vai fornecer uma dureza média de 44 HRC, com 61% de martensita (fase escura), ferro α + cementita (fase clara) Figura 3, conforme realizado no trabalho. Com este procedimento vamos obter peças com excelente resistência mecânica e também uma boa dutilidade, ideal para não ocorrer quebras no processamento desses ferramentais. 6. AGRADECIMENTOS Agradecemos ao laboratório de Microscopia Eletronica de Varredura da Universidade do Vale do Paraiba UNIVAP IP&D, pela realização da microscopia das amostras deste artigo. 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS - CALLISTER Jr, William D. Ciência e Engenharia de Matérias 5 Edição Rio de Janeiro: LTC Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 2002. - FERNANDES, Prof.Braz Ciências do Materiais- Material didático Fundação das Universidades Portuguesas, disponível em http://bfsecmet.no.sapo.pt/new-www/, Acesso em março de 2009.
- SOUZA, C.R; NASCIMENTO, P.M.; VOORZALD, H.J.C.; PIGATIN, W.L. Análise de fadiga, corrosão e desgaste abrasivo do cromo duro eletrodepositado e revestimento de carbeto de tungstênio por HVOF no aço ABNT 4340, 2002, Projeçoes, v.19/20, p.59-69, Jan./Dez. 2001/2002. - TORRES, M.A.S.; VOORWALD, H.J.C.; An evaluation of shot peening, residual stress and estress relaxation on the fatique life of AISI 4340 steel. International Journal of Fatigue 2002; pag. 877-886; vol 24.