Estudo Das Propriedades Mecânicas Dos Aços H13 e H13modificado Aplicado Em Matrizes de Extrusão...

8/18/2019 Estudo Das Propriedades Mecânicas Dos Aços H13 e H13modificado Aplicado Em Matrizes de Extrusão de Alumínio

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Universidade de São Paulo

Escola de Engenharia de Lorena

MAYARA RIGOLDI LEANDRO

Estudos das propriedades mecânicas dos aços H13 e “H13modificado“ aplicados em matrizes de extrusão de alumínio

Lorena – SP

2009


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MAYARA RIGOLDI LEANDRO

Estudos das propriedades mecânicas dos aços H13 e “H13modificado” aplicados em matrizes de extrusão de alumínio

Trabalho de Graduação apresentado à

Escola de Engenharia de Lorena da

Universidade de São Paulo para obtenção

do título de Engenheiro de Materiais.

Orientador: Prof. Dr. Miguel Justino RibeiroBarboza

Co-Orientador: Prof. Dr. César Alves daSilva Leandro

Lorena – SP

2009


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AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE

TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA

FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.

Ficha Catalográfica Elaborada pela Biblioteca Especializada em Engenharia de Materiais

USP/EEL

Leandro, Mayara Rigoldi

Estudos das propriedades mecânicas dos aços H13 e “H13modificado” aplicados em matrizes de extrusão de alumínio. /MayaraRigoldi Leandro ; orientador Miguel Justino Ribeiro Barboza .--Lorena,2009.

83 f.: il.

Trabalho apresentado como requisito parcial paraobtenção do grau de Engenheiro de Materiais – Escola deEngenharia de Lorena - Universidade de São Paulo.

1. Aço ferramenta 2. Propriedades mecânicas 3.Tratamento térmico I. Título.

CDU 620.193


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Dedico esse trabalho aos meus queridos

pais, César e Meire, pelo amor, paciência,

carinho, compreensão que tanto me

deram para a conclusão da graduação.

Ao meu grande ídolo vovô Professor

Mestre Thiago Alves da Silva Leandro que

me inspira para seguir na área de exatas,

me inspira a crescer como profissional e

como pessoa, sempre me comovendo

com uma palavra doce e um carinho

imenso nos olhos.

Ao meu querido professor Doutor Miguel

Justino que acredita no meu potencial.


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AGRADECIMENTOS

Primeiramente a Deus;

À escola de Engenharia de Lorena pela minha formação em engenharia;Ao Prof. Dr. Miguel Justino Ribeiro Barboza pela colaboração e dedicação a minha

formação como engenheira e ao meu trabalho de final de curso.

“O professor se liga à eternidade; ele nunca sabe onde cessa a sua influência ”

(Henry Adams)

Ao meu pai e Herói da minha vida, o Engenheiro e Prof. Dr. César Alves da SilvaLeandro, o qual com grande amor me guiou para a formação de engenharia e com

muito amor e carinho sempre esteve ao meu lado;

A minha mãe, Prof. Shirley Meire Rigoldi Leandro, que me educou com tanto esforço

e batalha na jornada dupla de mãe de família e profissional excepcional;

Ao Antônio Donizeti de Souza, Genilson Mota, João Carlos Batista, João Bosco,

Raoni Cabral, Noda e toda equipe do Maurício Godoy da Confab Tubos de

Pindamonhangaba que proporcionou a realização dos ensaios mecânicos de

impacto e utilização do MEV e Microscópio óptico para o desenvolvimento desse

trabalho;

À Gerdau Pindamonhangaba pela análise da composição química;

À TecTTerm pela realização dos tratamentos térmicos;

À escola ETEC – João Gomes de Araujo que usinou o entalhe dos corpos de prova

de impacto;

Aos meus amigos, Isabel, Ana, Bruno, Débora, Viviane, Letícia e Larissa que sem

eles eu não teria tantas lembranças memoráveis nos 5 anos de graduação;

Ao meu namorado, Valmes Rocha Corrêa, que teve paciência e carinho

compreendendo a minha ausência;

E todos aqueles que de alguma forma direta ou indiretamente estiveram envolvidos

com meu trabalho de conclusão de curso ou completaram meu 5 anos de faculdade

com a respectiva presença.


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“Não tenha medo da vida, tenha medo de não vivê-la.

Não há céu sem tempestade, nem caminhos sem acidentes.

Só é digno do pódio quem usa as derrotas para alcançá-lo.

Só é digno da sabedoria quem usa as lágrimas para irrigá-las.

Os frágeis usam a força; os fortes, a inteligência.

Seja um sonhador, mas una seus sonhos com disciplina, pois sonhos sem disciplina

produzem pessoas frustradas.

Seja um debatedor de idéias.

Lute pelo que você ama.”

Augusto Cury - Filhos brilhantes, alunos fascinantes

“Você é tão livre quanto o tamanho do seu conhecimento”

César Alves da Silva Leandro

“Sem sonhos, as perdas se tornam insuportáveis,

As pedras do caminho se tornam montanhas,

Os fracassos se transformam em golpes fatais.

Mas, se você tiver grandes sonhos...

Seus erros produzirão crescimento,

Seus desafios produzirão oportunidades,

Seus medos produzirão coragem.

Por isso, meu ardente desejo é que você

NUNCA DESISTA DOS SEUS SONHOS”

Augusty Cury – Nunca desista dos seus sonhos


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RESUMO

Leandro, M. R. Estudos das propriedades mecânicas dos aços H13 e “H13

modificado” aplicados em matrizes de extrusão de alumínio. 2009. 83 f.Monografia (Trabalho de Graduação em Engenharia de Materiais) – Escola deEngenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2009.

Aços para aplicações em ferramentas estão sujeitos às mais rigorosas solicitações

entre as aplicações. Em princípio, os fatores que fundamentalmente possibilitam o

atendimento das exigências de qualidade dos aços ferramenta envolvem a

composição química e o tratamento térmico. Neste trabalho foram avaliados três

tipos de aços ferramenta com aplicação em matrizes comparando suas propriedades

mecânicas. Os aços testados são 2340 (AISI H11), 2344 (AISI H13) e 2367 (entre

H11 e H13) da empresa Schmolz-Bickenbach.Estes foram temperados com

resfriamento em água e ar e revenidos pela empresa TecTTerm e submetidos a

ensaios mecânicos. Os aços tratados termicamente apresentaram maiores valores

de dureza quando comparados aos aços na condição inicial. Não se observou

diferenças nos limites de resistência entre os aços, porém foi observada uma leve

tendência de limite de resistência maior no aço 2367, classificado pela norma

NADCA #207 2006 de grade C tipo 2367 & Modificado. No ensaio Charpy os açosresfriados em água apresentam maior energia absorvida.

Palavras Chaves: aço ferramenta, propriedades mecânicas, tratamento térmico.


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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Tendência geral de distribuição dos elementos nos aços (Pedraza,

Coutinho, & Silva, 1989) ............................................................................................ 32Figura 2 - Efeito do aumento de dureza em relação aos elementos de liga na ferrita(Chiaverini, 1996) ...................................................................................................... 33

Figura 3 - Elementos de liga e o efeito no campo austenítico (Chiaverini, 1996) ...... 35

Figura 4 - Foto de uma matriz ................................................................................... 41

Figura 5 - Figura esquemática de uma extrusora direta ............................................ 41

Figura 6 - Representação esquemática de uma curva Transformação-Tempo-Temperatura para um aço eutetóide. (Chiaverini, 1996) .......................................... 45

Figura 7 - Diagrama TTT para um aço hipoeutetóide (Chiaverini, 1996) ................. 46

Figura 8 - Efeito do manganês do carbono na temperatura Mi (Chiaverini, 1996) .... 48

Figura 9 - Efeito do cromo e do carbono na temperatura Mi (Chiaverini, 1996) ........ 48

Figura 10 - Diagrama TTT para o aço 2367 (schmolz-bickenbach, 2009) ................ 49



Figura 13 - Estrutura cristalina a) austenita, b) ferrita, c) martensita (Totten,Narazaki, Blackwood, & Jarvis, 2002) ....................................................................... 51

Figura 14 - Expansão da estrutura cristalina com o teor de carbono (Totten,Narazaki, Blackwood, & Jarvis, 2002) ....................................................................... 52

Figura 15 - Efeito do teor de C nas temperaturas Mi e Mf (Costa e Silva & Mei, 2006) .................................................................................................................................. 53

Figura 16 - Variação da dureza martensítica com relação ao %C (Costa e Silva &Mei, 2006) ................................................................................................................. 53

Figura 17 - Temperatura e taxa de resfriamento (Costa e Silva & Mei, 2006) .......... 54

Figura 18 - Ilustração do estado de tensão para os estágios da têmpera (Costa eSilva & Mei, 2006) ..................................................................................................... 55

Figura 19 - Ciclo de têmpera e revenimento (Costa e Silva & Mei, 2006) ................. 57

Figura 20 - Amostras do aço 2340 ............................................................................ 59


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Figura 23 - Desenho do corpo-de-prova de impacto em mm. ................................... 61Figura 24 - Desenho do corpo-de-prova de tração em mm. ..................................... 61

Figura 25 - Microestrutura obtida em MEV do aço 2340 água com 500X ................ 67

Figura 26 – Microestrutura obtida em MEV do aço 2340 ar com 500X .................... 67

Figura 27 - Microestrutura obtida em microscópio óptico do aço 2344 água com500X ......................................................................................................................... 68

Figura 28 - Microestrutura obtida em MEV do aço 2344 ar com 500X ..................... 68

Figura 29 - Microestrutura obtida em MEV do aço 2367 ar com 500X ..................... 69

Figura 30 - Microestrutura obtida em microscópio óptico do aço 2367 água com500X ......................................................................................................................... 69

Figura 31 - Esquema de microestrutura de aço ferramenta H13 com aumento de500X segundo norma NADCA #207 2006 ................................................................ 70

Figura 32 - Gráfico tensão x deformação para os aços resfriados em água............. 73

Figura 33 - Gráfico tensão x deformação para os aços resfriados ao ar .................. 75

Figura 34 - Imagem da inclusão no 2367 água ......................................................... 77

Figura 35 – Diagrama referente ao EDS de inclusão no aço 2367 resfriado em água .................................................................................................................................. 77

Figura 36 - Resultados de impacto sem entalhe e com entalhe em V. (Mesquita &Barbosa, 2007) ......................................................................................................... 79

Figura 37 - Região da fratura do 2344 água o qual foi realizado EDS ...................... 79

Figura 38 - Diagrama referente ao EDS da região 1 no aço 2344 resfriado em água .................................................................................................................................. 80

Figura 39 - Diagrama referente ao EDS da região 2 no aço 2344 resfriado em água .................................................................................................................................. 80


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LISTA DE TABELA

Tabela I - Sistema SAE e AISI de classificação dos aços (Silva & Della Coletta,

1989) ......................................................................................................................... 28

Tabela II - Efeito do tamanho de grão austenítico sobre algumas características dosaços (Chiaverini, 1996) ............................................................................................ 30

Tabela III - Solubilidade de elementos de liga no ferro alfa à temp. ambiente(Pedraza, Coutinho, & Silva, 1989) ........................................................................... 37

Tabela IV - Habilidade dos elementos de liga em aços ferramentas (Costa e Silva &Mei, 2006) ................................................................................................................. 37

Tabela V - Classificação AISI dos aços ferramentas (Costa e Silva & Mei, 2006) .... 38

Tabela VI - Composição química conforme norma NADCA #207 2006 .................... 39

Tabela VII - Aços para trabalho a quente, composição química e aplicações(Chiaverini, 1996) ...................................................................................................... 42

Tabela VIII - Elementos de liga e suas formas dissolvidos na ferrita (Chiaverini, 1996) .................................................................................................................................. 47

Tabela IX - Composição química dos aços estudados .............................................. 65

Tabela X - Resultado das microdurezas obtidas para os aços 2367, 2340 e 2344. .. 70

Tabela XI - Resultados das microdurezas obtidos para os aços 2367, 2340 e 2344após tratamentos térmicos. ....................................................................................... 71

Tabela XII - Diâmetro interno da seção transversal dos corpos-de-prova de tração . 72

Tabela XIII - Cálculo da área seção transversal do corpo-de-prova de tração .......... 72

Tabela XIV - Tensão de escoamento e tensão de resistência para 2367 resfriados

em água e ar ............................................................................................................. 73

Tabela XV - Média e desvio padrão dos corpos-de-prova temperados a água ......... 74

TTabela XVI - Cálculo da área seção transversal do corpo-de-prova de tração ....... 74

Tabela XVII - Tensão de escoamento e tensão de resistência para 2367 resfriadosao ar .......................................................................................................................... 75

Tabela XVIII - Média e desvio padrão dos corpos-de-prova temperados ao ar ........ 76

Tabela XIX - Elementos encontrados nos pontos 1 .................................................. 77


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Tabela XX - Resultados da energia de Impacto ....................................................... 78

Tabela XXI - Elementos encontrados nos pontos 1 e 2 ............................................ 80


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LISTA DE SIGLAS

AISI American Iron and Steel Institute

SAE Society of Automotive Engineers

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas

NADCA North American Die Casting Association

DIN Instituto Alemão de Normalização

TTT Temperatura-Tempo-Transformação

CFC Cúbica de face centrada

CCC Cúbica de corpo centrado

TCC Tetragonal de corpo centrado

ASTM American Society for Testing and Materials

MEV Microscopia eletrônica de varredura

EDS Espectroscopia de energia dispersiva

MO Microscopia óptica


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LISTA DE SÍMBOLOS

σ Tensão

°C Celsius

HV Dureza vickers

HC Dureza rockwell

J Joule

gf Grama-força

ε Deformação


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SUMÁRIO

1 Introdução .............................................................................................................. 21

2 Revisão da Literatura ............................................................................................. 26

2.1 Aços .................................................................................................................... 26

2.1.1 Classificação .............................................................................................. 27

2.1.2 Propriedade Mecânica dos Aços ............................................................... 29

2.2 Aços – Ligas..................................................................................................... 30

2.2.1 Elementos de Liga ..................................................................................... 31

2.2.2 Efeito dos elementos de liga sobre a ferrita ............................................... 33

2.2.3 Efeito dos elementos de liga na formação da austenita e na suatransformação ..................................................................................................... 34

2.3 Soluções Sólidas .............................................................................................. 36

2.4 Aços Ferramenta .............................................................................................. 37

2.5 Aços para trabalho a quente ............................................................................ 40

2.6 Processamento dos aços para trabalho à quente ............................................ 43

2.6.1 Têmpera .................................................................................................... 43

2.6.2 Revenimento .............................................................................................. 44

2.7 Tratamentos Térmicos ..................................................................................... 44

2.7.1 Diagrama TTT (Transformação-Tempo-Temperatura) .............................. 44

2.8 Transformação de fase durante aquecimento e resfriamento .......................... 512.8.1 Transformação do Aço ............................................................................... 51

2.8.2 Revenimento .............................................................................................. 56

3 Materiais e Métodos ............................................................................................... 59

3.1 Materiais .......................................................................................................... 59

3.2 Confecção dos corpos-de-prova ...................................................................... 61

3.3 Composições Químicas ................................................................................... 62


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3.4 Tratamentos Térmicos ..................................................................................... 62

3.5 Caracterizações Mecânicas ............................................................................. 62

3.5.1 Ensaio Charpy ........................................................................................... 623.5.2 Microdureza ............................................................................................... 63

3.5.3 Ensaio de Tração ...................................................................................... 63

3.6 Caracterização Metalográfica .......................................................................... 63

3.6.1 Microscopia eletrônica de varredura e EDS (Espectroscopia de energiadispersiva) .......................................................................................................... 63

3.6.2 Microscopia Óptica .................................................................................... 64

4 Resultados e Discussão ........................................................................................ 65

4.1 Composição Química ...................................................................................... 65

4.2 Tratamento Térmico ........................................................................................ 65

4.3 Caracterização Metalográfica ...................................................................... 67

4.4 Microdureza ................................................................................................. 70

4.5 Propriedades obtidas no ensaio de tração .................................................. 72

4.5.1 2367, 2344 e 2340 temperado em água ............................................... 72

4.5.2 2367, 2344 e 2340 temperado ao ar ..................................................... 74

4.6 Ensaios de Impacto ..................................................................................... 78

5 Conclusão .......................................................................................................... 81

6 Referencias ........................................................................................................ 82


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1 Introdução

Aço é uma liga metálica formada essencialmente por ferro e carbono, comporcentagens entre 0,008 e 2,11%. Distingue-se do ferro fundido, que também é

uma liga de ferro e carbono, pelo teor de carbono entre 2,11% e 6,67%.

O aço pode ser classificado quanto ao teor de carbono, composição química,

quanto à constituição microestrutural e quanto à sua aplicação. A classificação mais

comum é de acordo com a composição química. Dentre os sistemas de classificação

química, o SAE é o mais utilizado e adota a notação ABXX, em que AB se refere a

elementos de liga adicionados intencionalmente, e XX ao percentual em peso de

carbono multiplicado por cem. Muitos aços ligas são igualmente especificados pela

sua endurecibilidade, quando esta característica é exigida. Nesse caso, emprega-se

o sufixo “H” (hardenability) para distingui-los dos tipos correspondentes que não

apresentam exigências de endurecibilidade (Chiaverini, 1996), e são denominados

“aços ferramenta para trabalho a quente”.

Além dos componentes principais indicados, o aço incorpora outros

elementos químicos, alguns prejudiciais, provenientes da sucata, do mineral ou do

combustível empregados no processo de fabricação, como o enxofre e o fósforo.

Outros são adicionados intencionalmente para melhorar algumas características

como a sua resistência à tração, ductilidade dureza.

O aço atualmente é a mais importante liga metálica, sendo empregado de

forma intensiva em numerosas aplicações tais como máquinas, ferramentas, em

construção, etc. Entretanto, a sua utilização está condicionada a determinadas


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Dos elementos que se consideram em definitivo como formadores de

carbonetos, o manganês é o mais fraco. A tendência geral nesse sentido se

manifesta mais ou menos na seguinte ordem de intensidade crescente: Mn, Cr, Mo,

W, Ta, V, Nb e Ti. Os que apresentam menor tendência do que o ferro para

combinar-se com o carbono são: Si, Al, Cu, Ni, Co e talvez o Zr (Chiaverini, 1996).

Há muitos séculos descobriu-se que com as operações de aquecimento e

resfriamento poderia-se modificar as propriedades mecânicas de um aço.

Mais tarde, descobriu-se também que a taxa de resfriamento e a quantidade

de carbono influíam decisivamente nessas modificações.

O processo de aquecer e resfriar um aço, visando modificar as sua

propriedades, denomina-se tratamento térmico.

Existem duas classes de tratamentos térmicos:

1 - Os tratamentos que por simples aquecimento e resfriamento, modificam as

propriedades de toda a massa do aço, tais como: têmpera, revenimento e

recozimento.

2 - Os tratamentos que modificam as propriedades somente numa fina

camada superficial da peça. Esses tratamentos térmicos nos quais a peça é

aquecida juntamente com produtos químicos e posteriormente resfriada são por

exemplo: cementação e nitretação e a nitrocarbonetação (Silva & Della Coletta,1989).

Para se obter eficiência nos tratamentos térmicos é preciso partir de uma fase

austenítica homogênea. Nos aços ocorre a formação de carbonetos, que podem ser

simples ou complexos, dependendo dos elementos de adição. Muitos carbonetos

são cementitas com elementos de liga dissolvidos, quando os elementos de liga


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aumentam muito em solução na cementita, ocorre a formação de carbonetos

complexos. A cementita dissolve rapidamente, mas os carbonetos especiais

requerem muito tempo ou uma temperatura efetivamente alta. Com a dissolução dos

carbonetos, o carbono volta a se solubilizar na austenita, favorecendo assim após

têmpera uma estrutura mais resistente. A dissolução de carbonetos vai depender do

tempo e da temperatura escolhida para a austenitização. Para um dado tempo,

quanto mais elevada a temperatura mais homogênea será a austenita resultante.

Nos aços comerciais e especialmente nos aços ligados, é necessário um tempo

longo a temperaturas convencionais para se obter uma austenita homogênea.

A têmpera de um aço compreende o aquecimento a uma temperatura em que

a sua estrutura se torne austenítica, seguindo-se um resfriamento a uma velocidade

tal que não permita a ocorrência da reação austenita para ferrita e cementita,

transformando-se a austenita em uma fase metaestável, a martensita (Leandro,

1998).

Com base nessas informações, neste trabalho será realizado um estudo da

influência da taxa de resfriamento nas propriedades mecânicas dos aços H13 e “H13

modificado“ aplicado em matrizes de extrusão de alumínio.

O carbono do aço “H13 modificado” é mais baixo que do aço H13 normal e o

percentual de elementos de liga é maior, resultando em um balanço de composiçãoquímica melhor. A diminuição do carbono melhora a tenacidade e o aumento dos

elementos de liga ajuda na melhor resistência ao desgaste.

Aços ferramenta para trabalho a quente destinam-se a fabricação de

ferramentas utilizadas no trabalho a quente de aços, ligas não ferrosas, entre outras.


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As suas principais características envolvem elevada resistência mecânica à

quente, boa tenacidade, grande resistência à abrasão em temperaturas elevadas,

boa condutividade térmica e elevada resistência à fadiga.

Essas características conferem às ferramentas a capacidade de resistir às

solicitações mecânicas a que estão sujeitas, apesar de serem aquecidas pelo

material que está a ser processado. Os elementos Cr, Mo, V e W ligam-se ao

carbono, que nesses aços está entre 0,30 e 0,60%, formando carbonetos que

contribuem para a obtenção das propriedades requeridas nos aços. Com

tratamentos térmicos adequados essas qualidades podem ser melhoradas

(Universidade de Coimbra).


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2 Revisão da Literatura

2.1 Aços

Os aços são ligas à base de ferro-carbono com teor de soluto entre 0.008 a 2%

e podem conter concentrações apreciáveis de outros elementos de liga e impurezas.

Consideram-se usualmente dois tipos fundamentais de aços:

→ Os aços carbono, caracterizados como ligas ferro-carbono contendo até 2%

em peso de carbono, além de certos elementos residuais, resultantes dos processos

de fabricação;

→ Os aços ligados caracterizados como ligas ferro-carbono contendo outros

elementos adicionais intencionalmente ou apresentando os elementos residuais em

teores acima dos que são considerados normais.

A maioria dos aços carbono de maior aplicação contém de 0.1 a 1.5%C. As

principais impurezas encontradas são: fósforo, enxofre, manganês e o silício,

podendo-se observar ainda a presença de outros elementos como nitrogênio,

oxigênio, estanho e alumínio. Os teores máximos para cada impureza dependem da

aplicação do aço. O fósforo e o enxofre são provenientes da matéria-prima e o

manganês e o silício são utilizados no processo de fabricação e caracterizam-se

como desoxidantes (Pedraza, Coutinho, & Silva, 1989).

É usual reunir os aços em três grupos principais, segundo o teor de carbono:

→ Aços doces, contendo até cerca de 0.25%C, não respondem a tratamentos

térmicos com objetivo de formar martensita e o aumento da resistência é dado com

trabalho a frio. As microestruturas consistem em ferrita e perlita e apresentam baixa

resistência mecânica porém com ductilidade e tenacidade excepcionais.


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→ Aços meio duros, com teor de carbono entre 0.25 e 0.50%, podem ser

tratados termicamente por austenitização, têmpera e depois revenimento para

melhorar as suas propriedades mecânicas. São freqüentemente utilizados na

condição revenida com a microestrutura característica e denominada de martensita

revenida. Possuem baixa endurecibilidade, no entanto, a adição de cromo, níquel e

molibdênio melhoram a capacidade de serem tratadas termicamente dando origem a

uma variedade de combinações resistência-ductilidade.

→ Aços duros, com teores superiores a 0.5%C, são resistentes e menos dúcteis

entre os aços carbonos. São usados na condição endurecida e revenida, tendo

como propriedade a resistência ao desgaste e a abrasão e, são usados para

ferramentas e matrizes contendo cromo, vanádio, tungstênio e molibdênio. Esses

elementos de liga combinam-se com o carbono dando origem a compostos à base

de carbono.

2.1.1 ClassificaçãoDada a grande variedade de tipos de aços, os aços também podem ser

classificados em grupos:

a. Com base na sua composição, como aços-carbono e aços-liga;

b. Processo de acabamento, como os aços laminados a quente ou aços

laminados a frio;

c. Forma do produto acabado, como barras, chapas grossas, chapas

finas, tiras, tubos ou perfis estruturais.

Há divisões desses grupos, como aço carbono de baixo, médio e alto carbono.

Os aços ligas são classificados de acordo com o principal ou os principais elementos

de liga.


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Dos sistemas de classificação dos aços os mais aceitos são: “American Iron

and Steel Institute -AISI” e da “Society of Automotive Engineers - SAE” (Chiaverini,

1996). Nesses sistemas, a classificação é designada por quatro algarismos, dos

quais os dois últimos correspondem ao teor de carbono, conforme Tabela I abaixo:

I AE AII ( & D C, 1989)

DesignaçãoTipos de Aço

SAE AISI10XX C 10XX Aços-carbono comuns11XX C 11XX Aços de usinagem (ou corte) fácil, com alto S13XX 13XX Aços manganês com 1,75% de Mn23XX 23XX Aços-níquel com 3,5% de Ni25XX 25XX Aços-níquel com 5% de Ni31XX 31XX Aços-níquel-cromo com 1,25% de Ni e 0,65% de Cr33XX E 33XX Aços-níquel-cromo com 3,5% de Ni e 1,57% de Cr303XX - Aços resistentes à corrosão e ao calor ao Ni-Cr40XX 40XX Aços-molibdênio com 0,25% de de Mo41XX 41XX Aços-cromo-molibdênio com 0,5% ou 0,95% Cr e 0,12%, 02% ou 0,25%

de Mo43XX 43XX Aços-níquel-cromo-molibdênio com 1,82% de Ni, 0,5% ou 0,8% de Cr e

0,25% de Mo46XX 46XX Aços-níquel -molibdênio com 1,57% ou 1,82%de Ni, 0,2% ou 0,25 de Mo47XX 47XX Aços-níquel-cromo-molibdênio com 1,05% de Ni, 0,45% de Cr e 0,20% de

Mo

48XX 48XX Aços-níquel -molibdênio com 3,5% de Ni, e 0,25% de Mo50XX 50XX Aços-cromo com 0,27%, 0,4% ou 0,5% de Cr51XX 51XX Aços-cromo com 0,8-1,05% de Cr501XX - Aços de baixo cromo para rolamentos, com 0,5% de Cr511XX E511XX Aços de médio cromo para rolamentos, com 1,02% de Cr521XX E521XX Aços de alto cromo para rolamentos, com 1,45% de Cr514XX - Aços resistentes à corrosão e ao calor ao Cr515XX - Aços resistentes à corrosão e ao calor ao Cr61XX 61XX Aços-cromo-vanádio com 0,8% ou 0,95% de Cr e 0,1% ou 0,15% de V

(mín)86XX 86XX Aços-níquel-cromo-molibdênio com 0,55% de Ni, 0,5% ou 0,65% de Cr e

0,2% de Mo87XX 87XX Aços-níquel-cromo-molibdênio com 0,55% de Ni, 0,5% de Cr e 0,25% de

Mo92XX 92XX Aços-silício-manganês com 0,65%, 0,82%, 0,85% ou 0,87% de Mn, 1,40

ou 2% de Si e 0%, 0,17%, 0,32% ou 0,65% de Cr93XX 93XX Aços-níquel-cromo-molibdênio com 3,25% de Ni, 1,2% de Cr e 0,12% de

Mo98XX 98XX Aços-níquel-cromo-molibdênio com 1,0% de Ni, 0,8% de Cr e 0,25% de

Mo950 - Aços de baixo teor de em liga e alta resistência

XXBXX XXBXX Aços-boro com 0,0005% de B mínXXLXX CXXLXX Aços-chumbo com 0,15-0,35% de Pb

Por outro lado, os dois primeiros algarismos diferenciam os vários tipos de aços

entre si, pela presença ou somente de carbono como principal elemento de liga,


29/83

29

além das impurezas e outros elementos de liga. Assim, quando os dois primeiros

números são:

→ 10: aços simplesmente ao carbono;

→ 11: aços de fácil usinagem com alto teor de enxofre;

→ 40: aços ao molibdênio;

→ etc.

A norma DIN 17100 classifica os “aços para construção em geral”, por

exemplo, em função do limite de resistência a tração. Entretanto a norma DIN 17200

classifica de acordo com a composição química.

2.1.2 Propriedade Mecânica dos Aços

As propriedades mecânicas dos aços ao carbono são afetadas por:

a. Composição Química:

Em aços que o elemento predominante é o carbono, o aumento do teor deste

elemento melhora as propriedades relativas à resistência mecânica (limite de

escoamento, limite da resistência a tração e dureza) e reduz a ductilidade e a

tenacidade (alongamento, estriccção e resistência ao choque).

b. Microestrutura:

É afetada pelo estado ou condição de fabricação do aço, tamanho de grão

austenítico (Tabela II), velocidade de resfriamento e inicialmente pela composição

química. Os constituintes presentes são ferrita e perlita, perlita e cementita ou

somente perlita (Chiaverini, 1996).


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30

II E (C, 1996)

Propriedade

Tendência nos aços temperados

Aços de Austenita

Grosseira (n°5 e acima)

Aços de Austenita Fina

(mais fina do que n°5; de5 a 8)

EndurecibilidadeEndurecimento EndurecimentoMais profundo Menos profundo

Tenacidade à mesma dureza Menos Tenazes Mais TenazesEmpenamento Maior Menor

Fissuras de têmpera Mais frequentes Geralmente AusentesFissuras de retificação Mais susceptíveis Menos Susceptíveis

Tensões residuais Maiores MenoresAustenita retida Mais Menos

NOS AÇOS RECOZIDOS E NORMALIZADOSUsinabilidade (Desbaste) melhor (Desbaste) inferior

Usinabilidade (casos

especiais)

(Acabamento fino) (Acabamento fino)

Inferior Melhor

Trabalhabilidade (casosespeciais) Superior Inferior

2.2 Aços – Ligas

A introdução de elementos de liga nos aços é feita quando se deseja um ou

diversos dos seguintes efeitos:

a) Aumentar a dureza e a resistência mecânica;

b) Conferir resistência uniforme em toda a peça;

c) Resistência a Corrosão;

d) Resistência ao calor;

e) Resistência ao desgaste;

f) Aumentar a capacidade de corte;

g) Melhorar as propriedades elétricas e magnéticas.

Os dois primeiros itens são alcançados porque os elementos de liga aumentam

a resistência da ferrita e formam ainda outros carbonetos, além da cementita,

contribuindo para a melhora da resistência do aço.

Geralmente esse aumento da resistência é conseguido pela adição de um ouvários elementos de liga em teores respectivamente baixos, não ultrapassando o


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31

valor de 5%. Nessas condições, os princípios fundamentais dos tratamentos

térmicos permanecem porque, ainda que a presença de novos elementos de liga

obrigue a um ajuste nas temperaturas dos tratamentos, a transformação da

austenita e as estruturas resultantes são as mesmas que ocorrem nos aços-

carbono.

A obtenção de características referentes aos itens c a g requer a introdução de

elementos em teores mais elevados, produzindo alterações mais profundas na

ferrita, além de resultarem carbonetos mais complexos. Neste caso, os tratamentos

térmicos devem ser modificados, para facilitar muitas vezes a formação de

carbonetos especiais.

Dos elementos que se consideram em definitivo como formadores de

carbonetos, o manganês é o mais fraco. A tendência geral nesse sentido se

manifesta mais ou menos na seguinte ordem de intensidade crescente: Mn, Cr, Mo,

W, Ta, V, Nb e Ti. Os que apresentam menor tendência do que o ferro para

combinar-se com o carbono são: Si, Al, Cu, Ni, Co e o Zr (Chiaverini, 1996).

2.2.1 Elementos de Liga

Os elementos de liga modificam as propriedades do aço através das mudanças

induzidas na microestrutura. Cada elemento de liga se apresenta de uma maneira,

seja em solução sólida com o ferro ou se dissolver na cementita, formar um

composto intermetálico com o ferro, ou ainda apresentar na composição de óxidos

ou inclusões. Em geral, cada elemento mostra uma preferência por um constituinte

determinado e o problema que se coloca é prever as tendências de cada um dos

elementos utilizados.


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32

A Figura 1 mostra a tendência geral de distribuição dos elementos dos aços.

Figura 1 - Tendência geral de distribuição dos elementos nos aços (Pedraza, Coutinho, & Silva, 1989)

Observa-se que certos elementos, como o níquel, o silício, alumínio, cobre, são

freqüentemente encontrados em solução sólida. Outros, como cromo, molibdênio,

tungstênio se apresentam como carbonetos e em menor grau em solução sólida.

Alguns elementos como, Mn, Si, Al, Ti e N contribuem na formação de inclusões

não-metálicas (MnO, MnS, SiO2, Al2O3, TiO2, Fe4N) (Pedraza, Coutinho, & Silva,

1989).


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33

2.2.2 Efeito dos elementos de liga sobre a ferrita

A Figura 2 apresenta o efeito sobre os valores de dureza para diferentes

elementos de liga dissolvidos na ferrita. O aumento de dureza varia com o teor do

elemento adicionado. Em geral, esse aumento de resistência não influi na queda da

ductilidade, a exemplo do aumento de resistência devido a outras mudanças

estruturais.

F 2 E (C, 1996)

Um dos constituintes básicos dos aços esfriados lentamente é o carboneto. A

influência nas propriedades é dada pela quantidade, forma e dispersão.

Dos elementos formadores de carbonetos, somente uma pequena quantidade

é aceita pela cementita.

Inclusões não metálicas de grande dimensão são indesejáveis. No entanto,

dispersões muito finas podem ser benéficas ou maléficas. O maior interesse nas

inclusões não metálicas é de melhorar a usinabilidade dos aços recozidos, através

da presença do sulfato de manganês na forma de tiras alongadas e pequenas. Estas


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34

inclusões podem se tornar esféricas dependendo do teor de oxigênio dos aços. Em

geral, são homogêneas ao longo do diâmetro, principalmente, em aços ao chumbo

ressulfurados para melhor o rendimento durante a laminação a quente. Inclusões de

sulfeto alongadas podem dividir a barra ao meio durante a laminação a quente

prejudicando o rendimento (Chiaverini, 1996).

2.2.3 Efeito dos elementos de liga na formação da austenita e na sua transformação

O aquecimento do aço até a temperatura de austenitização mantém em

solução os elementos de liga que estavam solubilizados na ferrita, alterando as

propriedades da austenita tornando-a mais dura e resistente à deformação.

Inclusões não metálicas, que não dissolvem na austenita como nitreto de

alumínio, evitam o crescimento de grão, porém os elementos de liga que estão

dissolvidos aumentam a temperatura de crescimento de grão.


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35

Figura 3 - Elementos de l iga e o efeito no campo austenítico (Chiaverini, 1996)

A Figura 3 mostra a ação dos elementos manganês, cromo, molibdênio e silício

sobre o campo austenítico.

Verifica-se que o manganês, em teores crescentes, abaixa a temperatura do

eutetóide, além de diminuir o seu teor de carbono; um teor adequado de manganês

poderá produzir uma estrutura inteiramente perlítica somente com cerca de 0,3% de

carbono. O cromo, molibdênio e silício comportam-se de modo contrário ao

manganês no que se refere à influência sobre a temperatura do eutetóide; quanto à

influência sobre o teor de carbono do eutetóide, a tendência é idêntica ao do

manganês. Todos eles, como se vê, com exceção do manganês, contraem o campo


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36

austenítico, tendendo a tornar o aço quase que inteiramente ferritico. Essa

propriedade de certos elementos de liga, como Mn, o Cr, o Mo, o Si, o Ni, o Ti, etc.

de produzirem uma estrutura eutetóide apresentando um baixo teor de carbono é

muito importante. A liga eutetóide é de grande resistência mecânica; como a dureza

e a fragilidade crescem com a porcentagem de Fe3C, é evidente que se puder obter

uma estrutura resistente, inteiramente perlítica, mediante introdução de elementos

de liga num aço com menor teor de carbono, essa estrutura será também mais mole

e menos frágil, ou seja, mais tenaz do que a estrutura semelhante num aço-carbono

comum (Chiaverini, 1996).

2.3 Soluções Sólidas

Em uma solução sólida, o átomo de soluto pode se localizar intersticialmente ou

substitucionalmente na rede do solvente.Devido ao tamanho dos sítios disponíveis, apenas os solutos de pequeno raio

atômico podem se dissolver intersticialmente como: H, O, N, C e S.

As soluções sólidas do ferro com os demais elementos são do tipo

substitucional, onde átomos do soluto ocupam o lugar de átomos de ferro na

estrutura cristalina. Valores elevados de solubilidade podem ser encontrados, como

no caso de ligas com metais de transição vizinhos ao ferro (Ni, Co, Mn, Cr, V),

enquanto em outros casos a solubilidade pode ser restrita (Ti, Cu, P, S). As

solubilidades de um dado elemento são diferentes em cada uma das estruturas

alotrópicas do ferro e, além disso, dependem do teor de cada um dos elementos

presentes. A Tabela III mostra a solubilidade máxima de alguns elementos no ferro-

α, à temperatura ambiente, no caso das principais ligas binárias de ferro (Pedraza,

Coutinho, & Silva, 1989).


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38

É importante dividir as numerosas composições de aços ferramentas em um

número restrito de grupos ou famílias, visando a facilitar sua comparação e seleção.

Classificá-los por meio de composição química, como no caso da classificação

SAE/ABNT para aços destinados à construção mecânica não é viável, uma vez que

as variações de composição química são extremamente amplas. Em princípio, uma

classificação que combine composição química, características de emprego e tipo

de tratamento térmico pode parecer pouco lógica. Entretanto, essa classificação não

foi imposta, decorreu do consenso entre produtores e usuários de ferramentas. Além

dos aços especificados segundo a AISI (conforme Tabela V), há obviamente outras

diversas especificações: DIN (Alemanha), BS (Inglaterra) e EN (União Européia)

(Costa e Silva & Mei, 2006).

C AII (C & , 2006)

W – Aços temperáveis em águaS – Aços resistentes ao choque

Aços para Fins Especiais:L – Tipo baixa ligaF – Tipo carbono-tungstênioP – Aços pra moldesAços para Trabalho a Frio:O – Aços temperáveis em óleoA – Aços média liga, temperáveis em arD – Aço alto carbono, alto cromoAços para Trabalho a Quente:H1 – H19 - Ao cromoH20 – H39 – Ao tungstênioH40 – H59 – Ao molibdênioAços Rápidos:

T – Ao tungstênioM – Ao molibdênio

Neste trabalho, será utilizada o NADCA #207 2006 que trata de um acordo com

firmas membros do NADCA que são os maiores fornecedores e/ou empresas de

tratamento térmico para indústrias de fabricação de matrizes. Um critério de

aceitação, uma restrita especificação e um plano de certificação está sendo

desenvolvido tanto para a qualidade do material como para a qualidade dos


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40

do aço e parâmetros de tratamento térmico. Finalmente, a dureza deve ser

selecionada baseada no tipo de aço, tamanho e forma.

2.5 Aços para trabalho a quente

Podem-se utilizar aços de baixa liga para matrizes de forjamento a quente. Em

geral, as propriedades mais importantes são:

a. Resistência à deformação na temperatura de uso;

b. Resistência ao impacto;

c. Resistência a erosão;

d. Resistência a deformação no tratamento térmico;

e. Usinabilidade;

f. Resistência a trincas a quente.

Série H – Aços para trabalho a quente

Da série H, os mais usados e comerciais são os aços H11, H12, H13. As

aplicações típicas são:

° Moldes para fundição sob pressão de metais não ferrosos (AL, Zn, Mg);

° Matrizes e punções para trabalho a quente (forjamento, extrusão de alumínio

a quente etc);° Facas para corte a quente;

° Moldes para plásticos;

° Peças estruturais de Ultra-Alta Resistência.

Para este trabalho a aplicação são matrizes de extrusão de alumínio, conforme

Figura 4 e Figura 5. Tais matrizes suportam altas pressões, sendo a principal

característica a alta tenacidade.


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41

F 4 F

F 5 F

Entre os aços da norma DIN equivalentes à série H, estão os W.Nr. 1.2365,

1.2362, 1.2344. O W.Nr. 1.2365 é semelhante ao H10, porém com teores de

molibdênio e Vanádio mais altos. Os Aços da norma DIN (W.Nr. 1.2714 e 1.2721),ligados ao níquel, são particularmente indicados para matrizes de martelos de queda

e aplicações em que gravações profundas são necessárias (Costa e Silva & Mei,

2006).

Segue a Tabela VII com aços para trabalho a quente, respectivas composições

químicas e aplicações.


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42

II A , (C, 1996)

Composição Química Aplicações% C % Cr % Mo % V Outros

AISI H10W.Nr.1.2365

0.35 3.00 2.80 0.55 -Matrizes para trabalho até 550°C.Ferramentas para prensas de extrusão detubos e tarugos

AISI H11 0.40 5.25 1.30 0.40 -

Punções e matrizes para prensas deextrusão e forjamento a quente, moldespara fundição sob pressão de ligas leves.Componentes estruturais para mísseis euso aeronáutico.

AISI H12 0.40 5.30 1.45 0.25 W=1.30

Buchas, pistões e camisas para prensasde extrusão, matrizes de prensas paraforjamento e estampagem a quentes efacas para trabalho a quente

AISI H13 0.40 5.25 1.4 0.90 -

Buchas, pistões e camisas para prensas

de extrusão, matrizes de prensas paraforjamento e estampagem a quentes efacas para trabalho a quente. Moldespara fundição sob pressão de nãoferrosos.

AISI H20 0.30 2.65 - 0.35 W=8.50

Matrizes, fixadores de rebites a quente,componentes para prensas de extrusão aquente de não-metálicos. Mandris parafabricação de Molas.

W.Nr.1.2714

0.55 1.10 0.50 0.10 Ni=1.65Especialmente indicado para matrizespara forjamento de martelos e matrizescom gravações profundas.

W.Nr.1.2721

0.52 1.05 0.30 - Ni=3.25

Matrizes de forjamento de gravuras rasas,matrizes e punções para furação dechapas, bigornas para martelos deforjamento.

A característica notável dos aços H11 e H13 é a tenacidade. Apesar de sua

elevada dureza à quente ser algo inferior dos aços mais ligados da família H, sua

ótima resistência ao choque torna estes aços preferíveis em grande parte das

aplicações, especialmente quando for necessário resfriar as matrizes durante o uso.

Uma das aplicações mais importantes dos aços para trabalho à quente é em

matrizes para forjamento. As ferramentas empregadas nestas operações são

expostas a grade variações de temperatura (no forjamento de peças de aço, ficam

em contato com partes a 1000°C sendo resfriadas ime diatamente e lubrificadas).

Além do desgaste, fadiga e fadiga térmica são importantes mecanismos de falha

destas ferramentas.


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44

2.6.2 Revenimento

Os aços da série H são geralmente revenidos para 44-50HC, porém para

condições extremas de choque é reduzido para 40-44HC.

Revenimentos múltiplos são recomendados para garantir a tenacidade e

estabilidade da estrutura.

O comportamento desses aços na têmpera e revenimento dependerão da

quantidade de carbonetos dissolvidos, tamanhos de grãos, etc. Essas características

são influenciadas pela temperatura e tempo de austenitização, portanto, variações

no ciclo de têmpera podem alterar a distribuição da dureza no estado revenido.

O fabricante do aço é responsável pela produção e obtenção de peças de aço

com a composição química, homogeneidade e limpeza interna requerida, mas não

tem controle sobre o tratamento térmico, etapa essencial para a obtenção de

melhores propriedades. Os aços ferramenta são possivelmente os aços detratamento térmico mais crítico, variações pequenas de parâmetros podem resultar

em microestruturas diferentes e em desempenho inadequado. Tratamento térmico

incorreto é a mais importante causa individual de falha precoce de ferramentas


2.7 Tratamentos Térmicos

2.7.1 Diagrama TTT (Transformação-Tempo-Temperatura)

Os fenômenos que ocorrem quando o aço é esfriado a diferentes velocidades

de esfriamento são melhor compreendidos pelo estudo da transformação isotérmica

da austenita em perlita, em diversas temperaturas abaixo de 727°C, ou seja, pelo

esfriamento rápido de um aço eutetóide até uma temperatura abaixo de 727°C,


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45

mantendo-se essa temperatura constante até que toda a transformação da austenita

se processe.

Uma maneira mais conveniente de representar a dependência dessa

transformação, tanto em relação ao tempo como em relação à temperatura está

apresentada na Figura 6. Os eixos verticais e horizontais representam

respectivamente a temperatura e o logaritmo do tempo. Duas curvas contínuas são

plotadas, uma representa o tempo necessário para o inicio da transformação e a

outra a conclusão. Uma curva tracejada representa um estado de 50% de

transformação da austenita (Chiaverini, 1996).

F 6

. (C, 1996)

O exame dessas curvas, para o aço eutetóide revela o seguinte:


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46

a. A linha horizontal, na parte superior do diagrama, representa a linha à

temperatura de 727°C;

b. A linha em forma de C marcada I define o tempo necessário para que a

transformação da austenita em perlita se inicie.

c. A linha também em forma de C marcada F define o tempo necessário

para que a transformação da austenita se conclua.

Os aços que não são eutetóides apresentam curvas em C diferentes; nota-se

nelas, em primeiro lugar, mais uma linha horizontal – A, a qual representa a

temperatura crítica inferior. A Figura 7 é a curva para um aço hipoeutetóide e nela

pode ser verificado também o aparecimento de outra linha indicada por Fi. Essa

linha indica a separação inicial da ferrita quando o aço entra, durante o esfriamento

lento, na zona crítica (Chiaverini, 1996).

F 7 D (C, 1996)


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47

Quanto menor o teor de carbono, tanto mais difícil de se obter por esfriamento

a estrutura unicamente martensítica, ainda que muito rápido. Isso pode ser notado

na Figura 6 acima pelo deslocamento da curva TTT para a esquerda.

Porém, além do carbono, os elementos de liga nos aços afetam grandemente a

posição das curvas isotérmicas. Todos os elementos de liga que são adicionados

aos aços, com exceção do cobalto, deslocam as curvas de início e de fim de

transformação para a direita, ou sejam, retardam a transformação. Isso ocorre

porque praticamente todos os elementos de ligas dissolvem na austenita, isto é,

quando o aço se encontra a temperaturas em que é constituído unicamente de

austenita, os seus elementos de liga se encontram inteiramente dissolvidos no ferro

gama. O que ocorre também é que alguns elementos tendem a ficar dissolvidos no

ferro sob a forma alotrópica alfa e há outros elementos que tendem a formar

carbonetos da mesma maneira que o ferro, conforme Tabela VIII.

III E (C, 1996)

Os que apresentam tendência mais forte de formação de carbonetos são o

titânio, o nióbio e o vanádio O cromo tem tendência moderada para formar


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48

carbonetos e o manganês apresenta tendência fraca, a maior parte dissolve na

ferrita.

A conseqüência mais importante do descolamento da curva TTT para a direita

é o retardamento nas transformações, consiste na maior facilidade de obter a

estrutura martensítica. Dependendo dos elementos de liga presentes, pode-se obter

quase que somente martensita, mesmo com esfriamento lento.

As Figuras 8 e 9 permitem observar os efeitos do manganês, do carbono, do

cromo e do carbono sobre a temperatura Mi de inicio de formação da martensita.

Evidenciam-se mais uma vez a ação que os elementos de liga podem exercer sobre

as temperaturas de reação martensítica, abaixando-as consideravelmente, a ponto

de evitar sua formação total.

F 8 E (C, 1996)

F 9 E (C, 1996)


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50/83

50

F 11 D 2340 (, 2009)

F 12 D 2344 (, 2009)


51/83

51

2.8 Transformação de fase durante aquecimento e resfriamento

2.8.1 Transformação do Aço

Quando o aço é lentamente resfriado, ele sofre uma alteração na estrutura

cristalina, uma vez que se transforma de uma estrutura austenita (cúbica de face

centrada, ou CFC) para a cúbica de corpo centrado (CCC), a estrutura de ferrita. Em

taxas de resfriamento rápido, a formação de ferrita é suprimida, e a martensita, com

estrutura tetragonal de corpo centrado (TCC), é formada. Ilustrações destas

estruturas cristalinas são fornecidas na Figura 13. Isso resulta em uma expansão

volumétrica na temperatura de inicio da formação da martensita MS. Como mostrado

na Figura 14 (Totten, Narazaki, Blackwood, & Jarvis, 2002).

F 13 E ) , ) , ) (, , B, & ,

2002)


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52

F 14 E (, , B, & ,

2002)

A estrutura que permite desenvolver uma combinação entre resistência e

tenacidade é a martensita revenida.

A têmpera consiste em resfriar o aço, após austenitização, a uma velocidade

suficientemente rápida para evitar as transformações perlíticas e bainíticas, assim

obtendo uma estrutura metaestável martensítica (Totten, Narazaki, Blackwood, &

Jarvis, 2002).

Deve-se ainda observar que aumentando o teor de carbono do aço, diminui-se

a temperatura de inicio e fim da formação da martensita (Figura 15) e também a

dureza martensítica aumenta com o teor de carbono (Figura 16). Em vista disso, os

aços carbono para têmpera apresentam um teor de carbono maior que 0,3%, pois

abaixo disso o efeito endurecedor provocado pela têmpera seria muito pequeno.


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54

sais pode suprir esse estágio. Este estágio não é observado quando o meio de

resfriamento é não volátil como um banho de sal fundido.

b. O filme de vapor rompe e a taxa de resfriamento aumenta com

nucleação de bolhas de vapor sobre a superfície da peça. É importante nesse

estágio um meio de agitação para evitar que bolhas fiquem presas num mesmo local

causando pontos de resfriamento heterogêneos.

c. A temperatura da peça fica abaixo do ponto de ebulição do meio de

têmpera, interrompendo a formação de bolhas de vapor. O resfriamento ocorre por

condução e convecção. O controle é feito pela capacidade calorífera do meio, pelas

condições interfaciais peça, meio e agitação. Se todos os fatores se mantiverem

constantes, a taxa de resfriamento diminuirá com o aumento de viscosidade do meio


F 17 (C & , 2006)

A severidade com que ocorre o resfriamento da peça na têmpera faz surgir

gradientes acentuados entre o centro e a superfície da peça. A presença dessesgradientes de temperatura faz surgir tensões internas associadas à:


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55

° Contração do aço durante o resfriamento;

° Expansão associada com a transformação martensítica;

° Mudanças bruscas de secção e outros concentradores de tensão.

Dependendo da magnitude dessas tensões podem ocorrer empeno da peça,

trincas e tensões residuais.

O estágio mais importante de têmpera em relação às tensões é o terceiro, pois

é nele que ocorrerá a transformação martensítica, acentuando as tensões na peça,

conforme Figura 18 abaixo:

F 18 I (C & , 2006)

Para aumentar a temperabilidade do aço, deve-se retardar a formação de

perlita, ferrita, bainita e cementita, deslocando-se a curva TTT para a direita, ou seja,

para tempos mais longos. Isto é conseguido com:

° Elementos de liga dissolvidos na austenita;


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56

° Granulação grosseira na austenita para diminuir área de nucleação dos

compostos difusionais (perlita, ferrita, bainita e cementita);

° Homogeneidade da austenita, com ausência de inclusões e precipitados, para

diminuir área de nucleação dos compostos difusionais (perlita, ferrita, bainita e

cementita) (Costa e Silva & Mei, 2006).

2.8.2 Revenimento

A martensita como temperada é extremamente frágil e dura, peças nesse alto

tensionamento interno podem trincar, exceto quando apresentam extremamente

baixo teor de carbono, e não apresentam emprego prático.

Para atingir valores adequados de resistência mecânica e tenacidade, deve-se

logo após a têmpera, proceder com o revenimento.

Este tratamento consiste em aquecer a peça uniformemente até uma

temperatura abaixo da temperatura de austenitização, mantendo o aço nessa

temperatura por um tempo suficiente para homogeneização da temperatura e

obtenção das propriedades desejadas, conforme Figura 19.


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57

F 19 C (C & , 2006)

As mudanças nas propriedades dos aços dependem do tempo e da

temperatura de revenimento. Nos primeiros minutos a queda da dureza é acentuada,

porém, depois de duas horas de revenimento a perda da dureza não é mais

expressiva.

Sendo a martensita uma estrutura metaestável, o aquecimento facilita a difusão

dos átomos de carbono que se encontrava nos interstícios precipitando-se como

carbonetos, essa precipitação diminui dureza. O revenimento atua como alivio de

tensão da têmpera.

Aços de alta têmperabilidade, como os aços-ferramentas, são, em geral,

revenidos duas vezes. O primeiro revenimento deve se iniciar com a peça aindamorna (60 a 90°C). Durante este revenimento ocorrem : alivio de tensões,

revenimento de martensita e precipitação de carbonetos na austenita retida

(austenita não transformada durante a têmpera, que em certos aços pode chegar a

30% da estrutura temperada). O abaixamento do teor de carbono dissolvido na

austenita retida (pela precipitação de carbonetos) aumenta sua temperatura Mi e ela


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58

tempera durante o resfriamento do primeiro revenimento, formando mais martensita.

O segundo revenimento tem a função de revenir esta nova martensita. Este

tratamento de duplo revenimento é muito eficiente na estabilização dimensional de

ferramentas, calibres, etc., que podem ser revenidos até mais de duas vezes (Costa

e Silva & Mei, 2006).


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59

Materiais e Métodos

3.1 Materiais

Os materiais utilizados nesse trabalho foram adquiridos da empresa Schmolz-

Bickenbach. As amostras dos aços ferramentas 2340, 2367 e 2344, são mostradas

nas Figuras 20 a 22 na forma de barras cilíndricas de diâmetro 18,0 e 20,50 mm e

comprimento de 700,00 e 500,00 mm e barras retangulares de 500,00 mm de

comprimento e 625 mm2 de seção transversal.

O aço 2340 com nome comercial de Thyrotherm E 38 K, apresenta alta

resistência à alta temperatura, boa tenacidade e boa condutividade térmica. É um

aço para uso geral, particularmente para aplicações sujeitas à altas tensões, tais

como ferramentas de extrusão e moldes de injeção para processamento de metais

leves. (Schmolz-Bickenbach, 2009)

F 20 A 2340

O aço 2367 de nome comercial de Thyrotherm 2367, é próprio para

trabalho a quente e similar ao H11 porém, com um teor mais alto de Mo

(molibdênio), o que proporciona uma melhor manutenção da dureza a quente além

de uma alta temperabilidade comparada aos aços H11 e H13 comuns. As aplicações


60/83

60

típicas incluem ferramental para extrusão, matrizes para forjamento a quente,

laminas para corte a quente, punções e mandris, pinças para trefilação e ferramental

para fundição de cobre e bronze. (Schmolz-Bickenbach, 2009)

F 21 A 2367

O aço 2344 de nome comercial de Thyrotherm 2344 (AISI H13), aço

tradicional para trabalho a quente com uma boa combinação de resistência ao

desgaste e alta tenacidade, resistência mecânica à quente e à fadiga térmica. Tem

boa condutividade térmica e pode ser usado também em aplicações a frio onde se

requeira alta tenacidade. As aplicações típicas são insertos, núcleos e cavidadespara moldes, matrizes de forjamento a quente, moldes para extrusão, cavidades

para moldes de plásticos e componentes que requeiram alta tenacidade com

excelente polibilidade. (Schmolz-Bickenbach, 2009)

F 22 A 2344


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61

3.2 Confecção dos corpos-de-prova

Seguindo norma NADCA #207-2006, foram usinadas no laboratório do

Departamento de Materiais da EEL-USP em 30 corpos-de-prova de impacto, sendo

10 corpos-de-prova de cada tipo de aço para dois tipos de tratamento térmico e 18

corpos-de-prova para testes de tração, sendo 6 corpos de prova de cada tipo de aço

para dois tipos de tratamento térmico. Todos os corpos de prova foram retirados no

mesmo sentido da laminação e do centro das barras para garantir confiabilidade na

comparação dos resultados. Abaixo, as Figuras 23 e 24 mostram as dimensões asquais os corpos de prova foram usinados:

F 23 D .

F 24 D .


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3.3 Composições Químicas

Uma amostra de cada material foi recolhida para análise da composição química

na Gerdau Pindamonhangaba utilizando o equipamento marca thermo elétron

modelo modelo ARL-9800 XP.

3.4 Tratamentos Térmicos

Depois de usinadas, os corpos-de-prova foram identificados e separados paradois tipos de resfriamento diferentes, ou seja, 5 corpos de prova de impacto e 3 de

tração foram separados para resfriamento ao ar e 5 corpos de prova de impacto e 3

de tração de cada aço foram separados para resfriamento a água.

Os corpos-de-prova foram encaminhados para a empresa TecTTerm situada

em Pindamonhangaba-SP para a realização dos tratamentos térmicos de têmpera e

revenimento, segundo norma NADCA #207-2006, para atingir uma dureza entre 42-

52 HRC.

3.5 Caracterizações Mecânicas

3.5.1 Ensaio Charpy

Depois de temperados e revenidos as amostras para os testes de impacto

foram encaminhados para a ETEC – João Gomes de Araujo em Pindamonhangaba

– SP para a realização do entalhe em V de 45°de ab ertura e 2 mm de profundidade

conforme ASTM A 370-05. Posteriormente foram enviado para a Confab Tubos em

Pindamonhangaba - SP para a realização dos ensaios de impacto. A realização do

ensaio foi no equipamento marca Wolpert modelo D6700.


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63

3.5.2 Microdureza

O ensaio de microdureza foi realizado nas amostras antes e depois do

tratamento térmico na USP-EEL em Lorena - SP em um equipamento Micromet

2004 Buehler modelo 1600-4988. As condições para a realização dos ensaios foram

de 300 gf e tempo 30 s.

Para a verificação conforme a norma NADCA #207 2006 foi utilizado uma

tabela de conversão de dureza para a obtenção da dureza rockwell.

3.5.3 Ensaio de Tração

Os ensaios de tração a temperatura ambiente foram realizadas com objetivo de

se estimar as propriedades mecânicas tais como: limite de escoamento, limite de

ruptura e deformação na ruptura. Os ensaios foram conduzidos na máquina servo-

hidraulica MTS modelo 810.23M de 250 kN. Utilizou-se o extensômetro 634.12-F21(faixa de calibração de 50%) e velocidade de ensaio de 0,5 mm/min.

3.6 Caracterização Metalográfica

3.6.1 Microscopia eletrônica de varredura e EDS (Espectroscopia de energia

dispersiva)

Para uma melhor análise da microestrutura dos aços foi realizada a

caracterização microestrutural por microscopia eletrônica de varredura.

As amostras foram lixadas com lixas 220, 320, 400 e 600 e atacadas com

Nital 5% conforme NADCA #207-2006.


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Foram obtidas imagens de 500x de aumento fornecidas pela Confab Tubos

de Pindamonhangaba, no equipamento marca JEOL modelo JSM 6360 com um

detector de espectroscopia de energia dispersiva - EDS acoplado.

3.6.2 Microscopia Óptica

Foi realizada a microscopia óptica no equipamento Leitz Epivert na Confab

Tubos de Pindamonhangaba nas amostras dos aços 2367 e 2344 resfriadas em

água.


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66

→ Para o aço 2344:

1°- Têmpera na faixa de 1030°C e resfriamento ao a r ou água;

2°- 1°revenimento a 560°C por 1 hora;

3°- 2°revenimento a 595°C por 1 hora.

→ Para o aço 2367:

1°- Têmpera na faixa de 1030°C e resfriamento ao a r ou água;

2°- 1°revenimento a 560°C por 1 hora;

3°- 2°revenimento a 595°C; por 1 hora;

4°- 3°revenimento a 610°C; por 1 hora;

5°- 4°revenimento a 630°C; por 1 hora.


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67

4.3 Caracterização Metalográfica

As Figuras 25 e 26 apresentam as micrografias referentes ao aço 2340 após

resfriamento em água e ao ar. Observa-se, nas microestruturas, a martensita

revenida fina.

F 25 E 2340 500

F 26 E 2340 500


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resfriamento em água e ao ar. Observa-se, também, nas microestruturas martensita

revenida fina.

F 27 2344 500

F 28 E 2344 500


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resfriamento em água e ao ar. Observa-se nas microestruturas martensita revenida

fina.

F 29 E 2367 500

F 30 2367 500


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A microdureza, após tratamento térmico, apresentou os seguintes resultados

conforme Tabela XI:

I 2367, 2340 2344 .

Material Resfriamento Dureza [HV] Dureza [HRC]

2367Água 504±15 48

Ar 523±14 49

2340Água 500±17 48

Ar 509±24 49

2344Água 494±16 48

Ar 527±18 49

Observa-se que o resfriamento ao ar proporcionou uma maior dureza para

todos os aços em função das microestruturas observadas nas Figuras 25 a 30.

Após têmpera, os aços 2344 e 2367 apresentaram maior dureza após

resfriamento ao ar. Os valores de dureza tiveram aumento de 2,29 vezes e 1,58

vezes, respectivamente, com relação ao material recebido. Isto se deve ao maior

teor de silício e vanádio no aço 2344 que são respectivamente um desoxidante e um

formador de carboneto, e ao maior teor de molibdênio no aço 2367 o que aumenta a

sua temperabilidade. Estes valores estão adequados para as aplicações conforme a

norma NADCA #207 2006.


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4.5 Propriedades obtidas no ensaio de tração

Antes da realização dos ensaios de tração foram medidas os diâmetros

internos de cada corpo-de-prova. A Tabela XII apresenta as medidas encontradas e

os respectivos valores médios utilizados para o cálculo de limites de escoamento e

resistência.

II D

MATERIAL DIÂMETRO(mm)MÉDIA(mm) MATERIAL

DIÂMETRO(mm)

MÉDIA(mm)

2367_AGUA_01 6,06 5,95 6,02 6,01 2367_AR_01 6,05 5,99 6,04 6,032367_AGUA_02 6,05 5,96 6,03 6,01 2367_AR_02 6,05 5,97 6,06 6,032367_AGUA_03 5,98 5,90 5,95 5,94 2367_AR_03 6,05 5,98 6,05 6,03



4.5.1 2367, 2344 e 2340 temperado em água

A Tabela XIII apresenta o cálculo das médias dos diâmetros dos corpos-de-

prova e a área conforme a fórmula: Área=πr2, sendo r o raio inicial da amostra.

III C

MATERIAL MÉDIA(mm)

Área(mm2)

2367_AGUA_01 6,01 28,372367_AGUA_02 6,01 28,372367_AGUA_03 5,94 27,712344_AGUA_01 5,98 28,092344_AGUA_02 5,96 27,892344_AGUA_03 5,97 27,992340_AGUA_01 6,00 28,272340_AGUA_02 5,98 28,092340_AGUA_03 5,95 27,81

A tensão exercida durante o ensaio é calculada pela expressão:

A

F =σ Sendo, F a força e A a área da seção transversal. O limite de escoamento é

calculado usando o critério de 0,2% ou ε=0,002.


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MaterialMédia

(MPa)

Média

(MPa)

Média daRedução em

Área (%)2367 AGUA 1513±4 1624±0,28 23±1 2344 AGUA 144814 15471 4310 2340 AGUA 148027 16104 462

O corpo de prova 1 do aço 2367 resfriado em água teve uma redução em

área de 0,66% e foi desconsiderado para a comparação com os aços 2344 e 2340.

4.5.2 2367, 2344 e 2340 temperado ao ar

A Tabela XVI apresenta o cálculo das médias dos diâmetros dos corpos de

prova e a área conforme a fórmula: Área=πr2, sendo r o raio inicial da amostra.

I C

Material MÉDIA(mm)

Área(mm2)

2367_AR_01 6,03 28,562367_AR_02 6,03 28,562367_AR_03 6,03 28,562344_AR_01 5,98 28,092344_AR_02 5,96 27,892344_AR_03 5,97 27,992340_AR_01 5,94 27,712340_AR_02 5,99 28,182340_AR_03 5,96 27,89

A tensão exercida durante o ensaio é calculada pela expressão:

A

F =σ Sendo, F a força e A a área da seção transversal. O limite de escoamento é

calculado usando o critério de 0,2% ou ε=0,002.

. O limite de resistência foi determinado com base na força máxima atingidadurante o ensaio.

(1)

(2)


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75

As Figuras 33 apresentam a curva tensão x deformação para os aços 2367,

2344 e 2340 resfriados ao ar.

F 33 G

A Tabela XVII mostra as respectivas tensões de escoamento, resistência e

redução em área para cada corpo de prova dos aços 2367, 2344 e 2340 resfriados

ao ar e a Tabela XVIII apresenta as médias e os desvios padrão.

II 2367

Corpo de Prova (MPa) (MPa) Redução emÁrea (%)2367_AR_01 1576,52 1678,19 26,792367_AR_02 1579,46 1665,81 29,302367_AR_03 1567,67 1672,89 32,352344_AR_01 1569,36 1688,47 37,70

2344_AR_02 1510,44 1633,30 31.012344_AR_03 1528,95 1624,64 38,262340_AR_01 1640,15 1729,83 41,072340_AR_02 1624,24 1735,46 34,422340_AR_03 1640,15 1731,39 38,83


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76

O valor médio e o desvio padrão foram determinados pelas expressões (1) e(2).

III

MaterialMédia

(MPa)

Média

(MPa)

Média daRedução

em Área (%)2367 AR 1575±6 1672±6 29±32344 AR 153630 164935 380,4 2340 AR 16359 17323 383

Com base nos resultados obtidos das Tabelas XV e XVIII, observa-se que o

resfriamento em água oferece uma redução no limite de escoamento e no limite de

resistência, e maior redução em área. Para resfriamentos mais bruscos, em água,

existe a possibilidade da nucleação de trincas internas em função de tensões

residuais oriundas da têmpera.

O aço 2367 apresentou maior valor de limite de escoamento e limite de

resistência após resfriamento em água. Porém, o aço 2340 resfriado ao ar

apresentou valores de limite de escoamento e limite de resistência superiores ao

2367.

Com objetivo de compreender a redução da deformação total no corpo-de-

prova 1 do aço 2367 resfriado em água, foi realizado uma análise via EDS no

material. As Figuras 34 e 35 e a Tabela XIX apresentam uma inclusão metálica

(ponto 1) e o resultado da análise por EDS, respectivamente.


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78

4.6 Ensaios de Impacto

Os resultados obtidos nos ensaios de impacto são apresentados na Tabela

XX:

I

Material CP1 (J) CP2 (J) CP3 (J) CP4 (J) CP5 (J) Média (J)

2340 ar 15 10 5 8 12 10±3,002340 água 14 16 14 16 15 15±0,96

2344 ar 20 12 19 16 12 16±3,402344 água 2 3 2 2 2 2,2±0,45

2367 ar 16 16 16 18 18 17±1,15

2367 água 20 14 22 18 19 19±3,30

Com base nos resultados da Tabela XXI e para efeito comparativo entre os

aços, observou-se que independentemente do aço, as amostras resfriadas em água

apresentaram uma maior absorção de energia charpy. Os maiores valores de

tenacidade estão relacionados com o aço 2367 resfriado em água (19J) e ao ar

(17J). Este fato pode estar associado ao menor teor do elemento vanádio (0,52%) eao maior percentual em peso de Mn (0,64%) presentes na composição química

deste aço.

Os resultados estão compatíveis com a aplicação requerida, conforme Figura

36, referente aos estudos de Mesquita e Barbosa. (Mesquita & Barbosa, 2007)


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79

F 36 . ( & B, 2007)

Para uma melhor analise e verificação do resultado de impacto do aço 2344,

o qual absorveu 2,2±0,45J, tratado em água foi realizada uma análise por EDS,

devido ao surgimento de uma mancha negra na região fraturada próxima à região do

entalhe. As Figuras 37, 38, 39 e a Tabela XXI apresentam a superfície de fratura, os

diagramas e os elementos obtidos pela técnica de EDS.

F 37 2344 ED

Estudo Das Propriedades Mecânicas Dos Aços H13 e H13modificado Aplicado Em Matrizes de Extrusão...

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