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Tipos de Alterações

Microestrutural

Autor: Diogo Piszxzalka

Formação: Eng.º Mecânico pela Universidade Luterana

do Brasil

&

Técnico em Gestão da Qualidade (IESE)

www.manufacturing.com.br

Sumário Introdução .................................................................................................... 2

1.0 Objetivo.................................................................................................. 3

2.0 Materiais e Métodos ............................................................................... 3

3.0 Resultados ............................................................................................. 4

3.1 Tempera .............................................................................................. 4

3.2 Normalização ...................................................................................... 7

3.3 Recozimento Pleno ............................................................................. 9

3.4 Ensaios de Temperabilidade (Jominy) .............................................. 11

4.0 Conclusão ............................................................................................ 16

5.0 Referências .......................................................................................... 17

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.

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 1045. (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).

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.

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

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.

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 usou-

se 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

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.

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 1045.

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.

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.

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

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;

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, procurou-

se 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 1045. 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.

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

55 5451

47

41

35

3027 26 25 24

0

10

20

30

40

50

60

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Curva do Ensaio Jominy (Escala HRC)

(mm)

(HRC)

Figura 8: Variação da Dureza ao longo corpo de prova.

Figura 9: Variação granular de acordo com a profundidade do material.

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.

5.0 Referências

https://www.cimm.com.br/portal/material_didatico/6445-o-teste-jominy#.WoGtDa6nHIU

https://www.google.com.br/search?q=ensaio+de+jominy+para+determinação+da+temperabilida

de+dos+aços&source

Materiais Metálicos para construção mecânica. / José Carlos Krauser de

Verney - Canoas: Ed. ULBRA, 2002.

http://slideplayer.com.br/slide/11599082/