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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA MARCOS BENEDETTI GROBLACKNER Estudo da influência de pequenas concentrações de níquel na temperabilidade do aço SAE 4125 Lorena 2013
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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA
MARCOS BENEDETTI GROBLACKNER
Estudo da influência de pequenas concentrações de níquel na temperabilidade do aço
SAE 4125
Lorena
2013
MARCOS BENEDETTI GROBLACKNER
Estudo da influência de pequenas concentrações de níquel na temperabilidade do aço
SAE 4125
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. Carlos Ângelo Nunes
Co-Orientandor: Marcos Vinícios Garcia
Neves
Lorena
2013
Ficha Catalográfica Elaborada pela Biblioteca Especializada em Engenharia de Materiais
EEL USP
Groblackner, Marcos Benedetti
Estudo da influência de pequenas concentrações de níquel na
temperabilidade do aço SAE 4125. / Marcos Benedetti Groblackner;
orientador Carlos Ângelo Nunes, Co-orientador Marcos Vinícios
Garcia Neves. --Lorena, 2013.
55 f.: il.
Monografia (Trabalho de Graduação em Engenharia de
Materiais) – Escola de Engenharia de Lorena - Universidade de São
Paulo.
1. Temperabilidade 2. Jominy 3. Modelamento matemático 4.
Curva CCT I. Título.
CDU 669.018
Dedico este trabalho aos meus pais, Rita e
Adilson Groblackner, por confiar, torcer e me
apoiar em todos os momentos.
AGRADECIMENTOS
A Deus pelo dom da vida e pela oportunidade de cursar Engenharia de Materiais.
A minha família que é a base do que sou hoje.
A minha avó Regina, tia Alice e todos outros parentes que sempre oraram por mim e me
acompanharam a vida toda.
Ao Prof. Dr. Carlos Ângelo Nunes pela orientação, amizade, aulas, ensinamentos e paciência.
Ao Eng.º Marcos Vinícios Garcia Neves pela orientação, aprendizado, amizade e auxílio.
Ao Me. Paulo Carvalho Fernandes pela orientação, aprendizado, amizade e auxílio.
Ao aprendizado profissional que obtive de todos que convivi durante o período de estágio.
A minha namorada Julia Arruda pelo companheirismo.
A todos meus amigos de graduação pela amizade, principalmente Allan Santos, Guilherme
Ribeiro, Gustavo Alvim, Murilo Grilo, Renan Bezerra e Renato Tanaka, que sempre me
ajudaram quando mais precisei.
A meus amigos de Itu – André, Bernardo, Danilo, Diego, Felipe, Heitor, Luan, Lucas,
Raphael, Renato e Yuri – que estiveram comigo desde o ensino fundamental até hoje.
A meus amigos de república - Alexandre, André, Caio, Denyel e Guilherme – pela
convivência e grande amizade.
Aos meus amigos do futebol e futsal que formaram ao longo da graduação mais que um time,
uma família.
Aos meus amigos da república Usplayboy e Babilônia, que sempre me acolheram em suas
casas.
Aos meus amigos do movimento dos focolares, que não importa a situação, estão sempre
prontos a ajudar.
E a todos que de alguma maneira fizeram ou fazem parte da minha vida.
―Se você julgar um peixe pela sua capacidade
de subir em uma árvore, ele vai gastar toda a
sua vida acreditando que ele é estúpido‖.
Albert Einstein
RESUMO
GROBLACKNER, M.B. Estudo da influência de pequenas concentrações de níquel na
temperabilidade do aço SAE 4125. 2013. 55f. Monografia (Trabalho de Graduação em
Engenharia de Materiais) – Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo,
Lorena, Ano.
Os aços são os principais materiais estruturais em toda e qualquer cultura
tecnologicamente avançada. São ligas ferro-carbono que podem conter concentrações
apreciáveis de outros elementos de liga. Uma das mais importantes características práticas da
adição de elementos de liga é a sua influência na temperabilidade, capacidade de formar
martensita. Todos os elementos de liga afetam, em graus variados, a sua temperabilidade.
Neste presente trabalho, foi objetivado um estudo do efeito da variação de pequenas
concentrações de níquel na temperabilidade do aço SAE 4125, no intuito de mostrar que o
efeito do níquel para atender esta propriedade é pouco significativo, e com isso, possibilitar a
retirada da adição de ferro níquel, o qual tem um alto custo, e assim produzir um aço mais
competitivo no mercado sem alterar a sua capacidade de formar martensita. Uma das
maneiras de avaliar esta propriedade é utilizar o ensaio Jominy. O ensaio Jominy real exige
preparação de amostras, utilização de mão-de-obra e de equipamentos, o que demanda custo e
tempo e, assim, pode impactar na entrega do produto ao cliente. Uma solução para diminuir o
tempo do ensaio foi analisar várias corridas produzidas e ensaiadas desse aço e, por meio de
regressão linear múltipla, gerar equações matemáticas que simulam o resultado do ensaio
Jominy. Nessas equações os elementos de liga vêm acompanhados de um fator multiplicativo.
Quanto mais próximo da unidade for o fator multiplicativo, menor a influência desse
elemento na temperabilidade. Foram também retiradas e analisadas amostras de duas corridas
semelhantes, porém com diferentes teores de níquel. Uma apenas com o teor de níquel
residual proveniente da sucata, 0,07% em peso, e outra com o teor de níquel de 0,16% em
peso, próximo ao limite máximo da faixa estipulada pela aciaria para esse aço. Para essas
amostras foram feitos diagramas CCT (continuous cooling transformation) e analisado o
efeito do elemento níquel nas curvas de início e fim de transformação da austeníta.
Palavras-chave: Aço SAE 4125. Temperabilidade. Níquel. Jominy. Modelamento matemático.
ABSTRACT
GROBLACKNER, M.B. Study on the effect of small concentrations of nickel in the
hardenability of steel SAE 4125. 2013. 55. Monograph (Undergraduate Work in
Materials Engineering) – Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo,
Lorena, 2013.
The steels are the main structural materials in any technologically advanced
culture. They are carbon ferro alloys that may contain appreciable concentrations of
other alloying elements. One of the most important practical features of the alloying
elements is its influence on hardenability, ability to form martensite. All alloying
addition elements affects its hardenability on different degrees. In this present work, a
study on the effect of small concentrations of nickel in the hardenability of steel SAE
4125, has the objective to show that the nickel effects on property is negligible, and so
enable removal of the addition of nickel which has a high cost, therefore to produce a
more competitive steel in the market without modifying its ability to form martensite.
One way to evaluate this property is to use the Jominy test. The real Jominy test
requires samples preparation, use of hand labor and equipments which requires cost and
time and so can impact the product delivery to the customer. One solution for reducing
the test duration was to analyse several heats produced and tested of this steel and, by
means of linear regression, generate mathematical equations that simulate the Jominy
test results. In these equations the alloying elements are accompanied by a
multiplicative factor. The closer of the unit is the multiplicative factor, the lower the
influence of this element on the hardenability. It was also removed and analyzed
samples of two similar heats, but with different contents of nickel. One with only the
residual nickel content from scrap 0.07% in weight, and another with the nickel content
of 0.16 % in weight, close to the upper limit of the range aimed by the melting shop for
this steel. To CCT (continuous cooling transformation) diagrams were made for these
samples and analyzed the effect of the nickel element in curves in the start and end of
the transformation of austenite.
Keywords: Steel SAE 4125. Hardenability. Nickel. Jominy. Mathematical equations
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 Diagrama de equilíbrio binário do sistema Fe-C ................................................... 21
Figura 1.2 Diagrama CCT para o aço AISI 4130 com 0,30% C, 0,64% Mn, 1,00% Cr e
0,24% Mo. A curva CCT foi estimada (linhas pontilhadas) e determinada experimentalmente
(linhas sólidas) .......................................................................................................................... 22
Figura 1.3 Microconstituintes dos aços: a) Perlita (Cementita + Ferrita) em um aço com
0,75%C resfriado ao forno (500x). b) Bainita superior em um aço 4150 formada a 460ºC
(500x). c) Martensita em um aço com 1,8%C resfriado a -100ºC (500x) ................................ 24
Figura 1.4 Micrografia da martensita revenida. Revenida a 594ºC. As partículas pequenas são
da fase cementita. A matriz é da fase ferrita (α) ....................................................................... 28
Figura 1.5 Desenho do corpo de prova a ser utilizado no ensaio Jominy ............................... 29
Figura 1.6 Curva Jominy de temperabilidade ......................................................................... 30
Figura 1.7 Curvas de temperabilidade para aços diferentes, 4340H e 1045H. O intervalo de
variação das especificações químicas normais produz variação na temperabilidade ............... 31
Figura 1.8 Quatro taxas de resfriamento de diferentes posições do corpo de prova do ensaio
Jominy sobrepostos no diagrama CCT ..................................................................................... 34
Figura 2.1 Ensaio de temperabilidade Jominy ........................................................................ 36
Figura 2.2 Simulador Termomecânico Gleeble 3500.............................................................. 37
Figura 2.3 Dimensões do corpo-de-prova utilizado no ensaio ................................................ 38
Figura 2.4 Desenho do Dilatômetro ........................................................................................ 38
Figura 2.5 Posicionamento do Dilatômetro ............................................................................. 39
Figura 2.6 Representação do ciclo realizado no teste .............................................................. 39
Figura 2.7 Método da derivada para determinação de temperaturas de transformação .......... 40
Figura 2.8 Método da tangente para determinação de temperaturas de transformação .......... 41
Figura 3.1 Corpos de prova Jominy ........................................................................................ 42
Figura 3.2 Resultado de dureza do teste Jominy prático ......................................................... 43
Figura 3.3 Comparativo do Jominy teórico e prático para a corrida que teve adição de níquel
.................................................................................................................................................. 45
Figura 3.4 Comparativo do Jominy teórico e prático para a corrida que não teve adição de
níquel ........................................................................................................................................ 46
Figura 3.5 Diagrama CCT para o aço SAE 4125 .................................................................... 48
Figura 3.6 Micrografia do ponto 1, distância Jominy 1∕16‖, taxa de resfriamento de 272°C/s
da corrida com adição de níquel e dureza 48,5HRC. 100% Martensita. Ataque com Nital .... 49
Figura 3.7 Micrografia do ponto 5, distância Jominy 5∕16‖, taxa de resfriamento de 43°C/s da
corrida com adição de níquel e dureza 38,0HRC. Martensita + Bainita. Ataque com Nital ... 49
Figura 3.8 Micrografia do ponto 20, distância Jominy 32∕16‖, taxa de resfriamento de 2°C/s
da corrida com adição de níquel e dureza 17,5HRC. Ferrita + Perlita + Bainita. Ataque com
Nital .......................................................................................................................................... 50
Figura 3.9 Micrografia do ponto 1, distância Jominy 1∕16‖, taxa de resfriamento de 272°C/s
da corrida sem adição de níquel e dureza 49,0HRC. 100% Martensita. Ataque com Nital .... 50
Figura 3.10 Micrografia do ponto 5, distância Jominy 5∕16‖, taxa de resfriamento de 43°C/s
da corrida sem adição de níquel e dureza 38,0 HRC. Martensita + Bainita. Ataque com Nital
.................................................................................................................................................. 51
Figura 3.11 Micrografia do ponto 20, distância Jominy 32∕16‖, taxa de resfriamento de 2°C/s
da corrida com adição de níquel e dureza 19,0HRC. Ferrita + Perlita + Bainita. Ataque com
Nital. ......................................................................................................................................... 51
LISTA DE TABELAS
Tabela 1.1 Composição química de alguns aços da família 41XX. ........................................ 18
Tabela 1.2 Taxa de resfriamento no corpo de prova Jominy ....................................................... 30
Tabela 2.1 Composição química dos corpos de provas estudados. ......................................... 37
Tabela 3.1 Composição química dos corpos de provas estudados. ......................................... 42
Tabela 3.2 Resultado de dureza do teste Jominy prático ......................................................... 42
Tabela 3.3 Resultado do Jominy teórico. ................................................................................. 45
Tabela 3.4 Temperaturas de transformação A1 : γ + α → α + (α + Fe3C), e temperaturas de
transformação A3 : γ + α → γ (A3) para as duas corridas. ..................................................... 46
Tabela 3.5 Temperaturas de transformação para cada taxa de resfriamento para as duas
corridas. .................................................................................................................................... 47
LISTA DE SIGLAS E SÍMBOLOS
AISI American Iron and Steel Institute
CCC Cúbica de Corpo Centrado
CCT Curva de Resfriamento Contínuo
DI Diâmetro Interno Crítico
HRC Rockwell C - escala de dureza
HTLA Heat Treatable Low Alloy
SAE Society of Automotive Engineers
TCC Tetragonal de Corpo Centrado
TTT Tempo Temperatura Transformação
UHSLA Ultrahigh Strength Low Alloy
" Polegada
A Austenita
A1 Temperatura na qual a austenita está totalmente transformada em
ferrita e/ou perlita durante o resfriamento
A3 Temperatura na qual a austenita começa a se transformar em ferrita
durante o resfriamento
Al Alumínio
B Boro
B Bainita
Be Berílio
C Cementita
Co Cobalto
Cr Cromo
Cu Cobre
F Ferrita
Fe3C Cementita
in Polegada
J Jominy
M Martensíta
Mn Manganês
Mo Molibdênio
Ms Início da transformação Martensítica
N Nitrogênio
Nb Nióbio
Ni Níquel
P Perlita
Pol Polegada
Si Silício
Ti Titânio
V Vanádio
W Tungstênio
Zr Zircônio
Α Fase ferrita
Γ Fase austenita
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 17
1.1 Aços da família 41XX .............................................................................................. 18
1.2 Influência dos elementos de liga nos aços................................................................. 19
1.3 Diagrama de equlilíbrio, de resfriamento contínuo (CCT) e microconstituintes ...... 20
1.4 Temperabilidade ........................................................................................................ 24
1.4.1 Fatores que influenciam a temperabilidade ....................................................... 26
1.5 Revenimento .............................................................................................................. 28
1.6 Jominy ....................................................................................................................... 28
1.6.1 Jominy Prático.................................................................................................... 29
1.6.2 Jominy Teórico .................................................................................................. 32
1.7 Relação entre CCT e Curva Jominy .......................................................................... 33
2 MATERIAIS E MÉTODOS ............................................................................................. 35
2.1 Preparação das amostras e realização do Jominy prático .......................................... 35
2.2 Realização da curva CCT .......................................................................................... 37
2.3 Realização do ensaio Jominy Teórico ....................................................................... 41
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO ...................................................................................... 42
3.1 Resultados do ensaio de temperabilidade Jominy prático ......................................... 42
3.2 Resultados do ensaio de temperabilidade Jominy teórico ......................................... 43
3.3 Resultados do diagrama CCT .................................................................................... 46
3.4 Micrografias obtidas .................................................................................................. 48
CONCLUSÃO ......................................................................................................................... 52
REFERÊNCIAS ....................................................................................................................... 54
17
1 INTRODUÇÃO
O aço é um dos materiais estruturais mais produzidos do mundo, perdendo apenas para
o cimento. O aumento da produção do aço está diretamente relacionado ao desenvolvimento
da sociedade. O mercado cada vez mais exige competitividade dos aços, em relação a custo e
garantia da qualidade. Para isso, são realizados ensaios que comprovam as propriedades
mecânicas obtidas e exigidas pelo cliente. O aço SAE 4125 tem como principal aplicação a
produção de engrenagem de caixa de câmbio de automotivos. Em uma usina siderúrgica do
interior do estado de São Paulo, esse aço é produzido com a adição de vários elementos de
liga como o cromo, molibdênio, manganês, silício, alumínio, enxofre e uma pequena
concentração de níquel. O principal objetivo dessas adições é atender as propriedades
mecânicas exigidas, como por exemplo, a temperabilidade, capacidade de formar martensita.
Essa propriedade pode ser medida por meio do ensaio Jominy e do diagrama CCT
(curvas de resfriamento contínuo). Neste trabalho foram obtidas curvas Jominy a partir de
amostras de duas corridas do aço SAE 4125 com diferentes concentrações de níquel. Foram
também obtidas curvas de resfriamento contínuo, com o intuito de demonstrar que a
concentração de níquel não é significante no atingimento da temperabilidade para esse
material, com consequente redução dos custos.
O ensaio Jominy prático demanda tempo e custo para ser realizado, devido ao
processo de retirada e preparação das amostras, além dos equipamentos envolvidos no teste.
Utilizando o programa estatístico Minitab 16 foram geradas equações matemáticas de
temperabilidade Jominy para o aço em estudo, podendo-se assim calcular o Jominy teórico.
18
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
1.1 Aços da família 41XX
Os aços da família 41XX pertencem à família dos aços baixa liga médio carbono
temperados e revenidos. Dependendo do nível de resistência mecânica para o qual eles são
tratados, podem se enquadrar como aços baixa liga tratáveis termicamente (heat treatable low
alloy steels ou HTLA) ou como aços ultraresistentes (ultrahigh strength low alloy steels ou
UHSLA), estes últimos apresentando tensão limite de escoamento de até 1380 MPa.
Os aços da família AISI/SAE 41XX são usados em aplicações de engenharia na
condição ―temperados e revenidos‖ ou ―normalizado, temperado e revenido‖, este último
quando é necessário assegurar elevados níveis de tenacidade. Os aços baixa liga dessa família,
estão entre os aços mais usados na indústria do petróleo em aplicações de alta resistência,
como em corpos pressurizados, bonnets, flanges, hangers, pistões de operação, além de
engrenagens de câmbio de automotivos, entre outras. Esses aços se apresentam em destaque
do ponto de vista de utilização porque são facilmente tratados termicamente, são
relativamente baratos e bastante disponíveis no mercado [1].
Em relação aos aços carbono, os aços baixas ligas da família 41XX são modificados
ao cromo e ao molibdênio, o que aumenta bastante sua temperabilidade. Esses aços devem ser
temperados em óleo ou em solução polimérica e por causa de sua alta temperabilidade são
mais difíceis as operações de conformação e soldagem [1].
Os fabricantes tradicionais usam na prática especificações de material que restringem
impurezas, e que preveem a adição de elementos de liga que modificam os graus usuais dos
aços AISI/SAE, principalmente elementos que aumentam a temperabilidade e retêm dureza
no revenimento, como molibdênio e vanádio, além de melhorar um pouco a tenacidade, como
o níquel. O quadro da tabela 1.1 apresenta a composição química básica, conforme AISI/SAE,
de três aços da família 41XX.
Tabela 1.1. Composição química de alguns aços da família 41XX. (%em massa)
Aços C Mn Si P S Cr Ni Mo
4125 0,22 -
0,27
0,90 -
1,20
0,15 -
0,35
0,00 -
0,025
0,015 -
0,030
0,40 -
0,60
0,00 -
0,25
0,12 -
0,18
4130 0,22 -
0,29
0,60 -
0,90
0,00 -
0,40
0,00 -
0,035
0,020 -
0,040
0,90 -
1,20
0,00 -
0,25
0,15 -
0,30
4140 0,37 -
0,44
0,65 -
1,10
0,15 -
0,35
0,00 -
0,025
0,000 -
0,025
0,75 -
1,20
0,00 -
0,25
0,15 -
0,25
19
De uma forma geral, os aços baixas ligas médio carbono apresentam como principal
motivação de suas aplicações a excelente temperabilidade, combinada com alta resistência.
Por outro lado, um grande problema que esses aços podem apresentar, é a não-uniformidade
das propriedades mecânicas ao longo do comprimento do forjado. Além disso, as
propriedades podem variar de uma maneira irregular.
Os estudos voltados para essa família de aços têm objetivado o aumento da ductilidade
e tenacidade, a minimização da variação das propriedades e conseqüentemente uma maior
confiabilidade em serviço, através da melhoria e inovações de técnicas de refino e
processamento, e também através de um maior controle do processamento e inspeção [2].
1.2 Influência dos elementos de liga nos aços
Um aço que contém, além de ferro e até 2% de carbono, elementos químicos
especialmente introduzidos, não encontrados em aços carbono comuns, é chamado de ligas de
aço. Os elementos químicos propositadamente adicionados no aço são denominados
elementos de liga. A quantidade do elemento de liga adicionado pode variar enormemente: de
adições muito baixas (milésimos a décimos de porcentagem) a adições muito altas (até 20%
ou mais). Considera-se um aço de baixa liga aquele que possui menos de 8% de elementos de
liga e alta liga quando possui 8% ou mais de elementos de liga. Podem-se classificar os aços
em três categorias quanto à sua composição química: aços carbono, aços baixa liga e aços alta
liga. As duas primeiras categorias são utilizadas para se obter aços de baixa, média ou alta
resistência mecânica, nos quais o esforço mecânico é o fator principal a ser considerado.
Esses aços devem ser capazes de suportar médio ou elevado esforço mecânico sem ocorrer
deformação excessiva ou rompimento durante sua utilização.
Os aços de alta liga são geralmente utilizados em condições de grande ou moderados
esforços mecânicos, porém em ambientes hostis (corrosivos, oxidantes ou abrasivos) ou em
ambientes particulares (elétricos e ou magnéticos). Para cada aplicação utilizam-se
composições químicas diferentes com percentagens variadas de elementos de liga. Elementos
de liga proporcionam uma grande variedade de microestruturas no aço após o tratamento
térmico que deixa espaço para uma ampla gama de propriedades.
Os elementos seguintes, dispostos em ordem decrescente da sua aplicação, são
geralmente usados em ligas de aço: Cr, Mn, Ni, Si, W, Mo, V, Co, Ti, Al, Cu, Nb, Zr, B, N, e
Be. Os elementos de liga interagem com o ferro, carbono e outros elementos no aço,
resultando em mudanças nas propriedades mecânicas, químicas e físicas do aço. O principal
20
objetivo da adição dos elementos de liga é a melhoria das propriedades do aço de acordo com
sua aplicação. O nível em que as propriedades do aço são alteradas pela liga depende da
quantidade de elementos de liga introduzidos e o caráter de sua interação com os principais
elementos do aço, ou seja, Fe e C. Isso porque uma análise da influência de elementos de liga
nas propriedades do aço deve começar considerando a relação entre certos elementos de liga,
Fe e C [3].
Os elementos de liga podem:
Formar soluções sólidas;
Alterar a temperatura de ocorrência de transformação de fase;
Alterar a solubilidade do carbono na austenita e na ferrita;
Alterar a velocidade de reação e de transformação (decomposição) da austenita;
Alterar a velocidade de solubilização da cementita na austenita durante o
aquecimento do aço;
Diminuir o amolecimento causado pelo revenimento;
Dissolver na ferrita;
Formar compostos (principalmente com elementos não metálicos) que se
localizam na estrutura como inclusões.
1.3 Diagrama de equlilíbrio, de resfriamento contínuo (CCT) e microconstituintes
O diagrama de resfriamento contínuo é derivado do diagrama de fases, porém o
diagrama de resfriamento contínuo mostra a formação de estruturas como a perlita, bainita e
martensita. Na figura 1.1 é mostrado um diagrama de fase do sistema Fe-Fe3C.
A utilização de uma velocidade de resfriamento constante é muito comum na prática
experimental para determinar as curvas de transformação de fase. No entanto, este regime
raramente ocorre numa situação prática. Estas curvas simulam o comportamento no interior
do material, tais como a taxa de resfriamento de uma barra Jominy a alguma distância a partir
da extremidade temperada. Na figura 1.2 é mostrado um diagrama CCT para o aço 4130.
Ferrita, perlita, e regiões bainíticas são indicadas, assim como a temperatura Ms. Nota-se que
a temperatura Ms não é constante quando a formação de martensita é precedida pela formação
de bainita, mas geralmente diminui resfriamentos de menor velocidade [4].
21
Figura1.1 Diagrama de fases binário do sistema Fe-Fe3C [5]
22
Figura 1.2 Diagrama CCT para o aço AISI 4130 com 0,30% C, 0,64% Mn, 1,00% Cr e 0,24% Mo. A
curva CCT foi estimada (linhas pontilhadas) e determinada experimentalmente (linhas sólidas).
[6].
Os constituintes básicos dos aços são: a austenita, a ferrita, a cementita, a perlita, a
martensita e a bainita.
A austenita, nos aços carbono comuns, só é estável acima de 727°C; consta de uma
solução sólida de carbono no ferro gama e apresenta uma estrutura de grãos poligonais
irregulares; possui boa resistência mecânica e apreciável tenacidade.
A ferrita é o ferro no estado alotrópico alfa, contendo em solução traços de carbono;
apresenta também uma estrutura de grãos poligonais irregulares; possui baixa dureza e baixa
resistência à tração, cerca de 270 MPa, mas excelente resistência ao choque e elevado
alongamento.
A cementita é o carboneto de ferro Fe3C contendo 6,67% de carbono; muito dura,
quebradiça, é responsável pela elevada dureza e resistência dos aços alto carbono, assim como
pela sua menor ductilidade.
A perlita é a mistura mecânica de 88,5% de ferrita e 11,5% de cementita, na forma de
lâminas finas dispostas alternadamente. As propriedades mecânicas da perlita são
intermediárias entre as da ferrita e cementita, dependendo, entretanto, da espessura das
lamelas de cementita. Sua resistência à tração é, em média, 740 MPa. A transformação da
austeníta em perlita contendo ferrita e cementita é típica de muitas reações no interior dos
sólidos, ou seja, começa nos contornos de grãos e prossegue em direção ao seu centro, o que é
23
de se esperar, pois os átomos nos contornos dos grãos apresentam maiores energias que os
átomos no interior dos grãos. [7]
A martensita é produto do resfriamento rápido da fase austenítica. A transformação
martensítica é adifusional, e por essa razão a martensita tem exatamente a mesma composição
que a austenita, até 2% de carbono. Como a difusão é suprimida, normalmente pelo
resfriamento rápido, os átomos de carbono não se dividem entre cementita e ferrita, e sim são
aprisionados nas posições octaédricas de uma estrutura cúbica de corpo centrado (CCC),
produzindo então uma nova fase, a martensita. A solubilidade de carbono em uma estrutura
CCC é enormemente excedida quando a martensita se forma, esta assume então uma estrutura
tetragonal de corpo centrado (TCC). A martensita é uma fase metaestável que está presente
apenas porque a difusão foi suprimida. A transformação martensítica é atérmica, uma vez que
a conversão da microestrutura austenítica em martensítica acontece continuamente com o
decréscimo da temperatura durante resfriamento suficientemente rápido e contínuo. A
martensita nos aços apresenta duas morfologias, ripas e placas.
Da mesma forma que a perlita, a bainita é uma mistura das fases ferrita e cementita, e
é por isso dependente da divisão controlada por difusão dos átomos de carbono entre ferrita e
cementita. Por outro lado, a estrutura da bainita difere da perlita uma vez que a ferrita e a
cementita são arranjadas de forma não lamelar cuja característica depende da composição da
liga e da temperatura de transformação. Semelhante à martensita, a ferrita da bainita pode
estar na forma de ripas ou placas contendo uma estrutura de discordâncias e, por isso, em
determinada extensão, o mecanismo de formação da bainita envolve tanto cisalhamento como
difusão [8].
A figura 1.3 mostra as características dos microconstituintes perlita, bainita e
martensíta.
24
Figura 1.3 Microconstituintes dos aços: a) Perlita (Cementita + Ferrita) em um aço com 0,75%C resfriado
ao forno (500x). b) Bainita superior em um aço 4150 formada a 460ºC (500x). c) Martensita
em um aço com 1,8%C resfriado a -100ºC (500x) [9].
1.4 Temperabilidade
A temperabilidade é uma propriedade básica, que influencia a seleção de aços para
tratamento térmico de elementos estruturais de máquinas. Os aços liga estruturais
caracterizam o principal material na indústria de máquinas, combinando alta resistência,
ductilidade e tenacidade quando submetidos a carregamento dinâmico. Tipo e importância de
25
propriedades de trabalho requeridas do material são os critérios de seleção para componentes
de máquinas, definidos a partir da análise de carregamentos mecânicos e condições de serviço
do elemento. Exigências como propriedades de trabalho podem ser especificadas como
propriedades mecânicas, especialmente resistência à tração, tensão de escoamento e dureza.
Outros critérios empregados podem ser a resistência ao impacto, ductilidade e
endurecibilidade (temperabilidade) [10].
No caso de aços carbono, embora possuam propriedades que atendam à maioria dos
requisitos na construção mecânica, não podem ser utilizados em situações específicas de
grandes solicitações, devido à sua baixa temperabilidade. Desta maneira deve-se buscar
propriedades de uso que são próprias da microestrutura do material, o que garante vida útil do
componente por período de tempo determinado pela Engenharia de Projetos. Essa adequação
de propriedades tem, portanto, ligação direta com a composição química e a microestrutura do
aço, sendo que os ensaios de temperabilidade possuem extremo valor como orientação de
resistência mecânica e dureza na construção mecânica, por permitirem a ocorrência de
diferentes fases cristalinas em um único corpo de prova.
Transportando esse raciocínio para a manufatura de componentes mecânicos, quando
submetidos à têmpera, observa-se que a microestrutura formada na superfície dos mesmos
(martensítica), é específica da taxa de resfriamento aplicada. Percebe-se que a profundidade
que esta microestrutura adquire é função de variáveis próprias da designação dos aços e seu
processo de fabricação, ou seja, existem aços que apresentam a endurecibilidade para
pequenas profundidades (baixa temperabilidade), médias profundidades (média
temperabilidade) e grandes profundidades (alta temperabilidade).
Temperabilidade é definida como a "susceptibilidade ao endurecimento por resfriamento
rápido" [11], ou como "a propriedade, em ligas ferrosas, que determina a profundidade e
distribuição de dureza produzida por têmpera" [12]. Ambas definições enfatizam dureza. A
fonte de endurecimento é a formação e presença de martensita e, portanto, uma terceira
definição de temperabilidade, "a capacidade de um aço para transformar parcialmente ou
totalmente, a partir de austenita para martensita, de alguma percentagem a uma dada
profundidade, quando resfriada sob algumas dadas condições" [13].
Os principais fatores que influenciam a temperabilidade do aço são:
Composição química;
Tamanho de grão austenítico.
26
1.4.1 Fatores que influenciam a temperabilidade
Composição química
Carbono: é o elemento químico mais importante na temperabilidade. Aumenta a
temperabilidade do aço retardando a formação da ferrita e perlita. Níveis elevados de carbono
reduzem a temperatura de formação de martensita e a transformação de austenita para
martensita pode ser incompleta, levando a austenita retida. Nessa microestrutura, composta de
martensita e austenita, há uma queda na dureza, embora a dureza da fase martensítica seja
elevada.
Elementos de liga: a mais importante função dos elementos de liga em aços para
tratamento térmico é aumentar a temperabilidade, o que torna possível o endurecimento de
seções maiores e possibilita também o uso de têmpera em óleo para reduzir distorção e trincas
de têmpera. Esses deslocam a curva CCT para a direita, atrasando, assim, a transformação de
austenita para ferrita, perlita e/ou bainita, o que permite a formação de mais martensita para
uma determinada taxa de resfriamento. As influências desses elementos são:
Mn, Si, Cr, Ni, Mo e V: esses elementos retardam a transformação de fase da austenita
para ferrita e perlita, sendo que os mais usados são Mn, Cr e Mo. O atraso é devido à
necessidade dos elementos de liga se redistribuírem durante a transformação de fase
difusional da austenita para ferrita e cementita. Existem interações complexas entre os
diferentes elementos, os quais também afetam as temperaturas de transformação de
fases e a microestrutura resultante.
Mo: é mais efetivo que o Cr devido sua completa dissolução na austenita, mas acima
de 0,50% tem seu efeito reduzido ao precipitar o C, formando o carboneto de Mo.
Si, Ni e Cu: tem fraca influência no aumento da temperabilidade.
Mn e Ni: Estabilizam a austenita e retardam o início de formação da perlita. Deslocam
o nariz da curva CCT para a direita, mas não modificam a curva. O Mn é mais efetivo.
Cr, Mo e V: São fortes formadores de ferrita. Causam distorções na rede cristalina do
ferro. A interação dos campos de tensões mantém os átomos de C afastados uns dos
outros em solução sólida, impedindo sua precipitação. Ao se resfriar o aço, as
condições se tornam desfavoráveis para migração do C para formação de carbonetos.
Isto quer dizer que o tempo necessário para formação da perlita é aumentado [14].
V: Aumenta a temperabilidade. É tão efetivo quanto o Mn ou Mo quando em solução
na austenita. O V tem um comportamento duplo: até 0,05% aumenta a
27
temperabilidade e acima desse valor reduz a temperabilidade pela sua característica de
refinar o grão austenítico [15].
P e S: O P aumenta a temperabilidade e o S diminui.
Co: Diminui a temperabilidade. A presença de cobalto no aço aumenta tanto a
velocidade de nucleação quanto a velocidade de crescimento da perlita.
Boro: É um elemento muito potente, sendo que 20 a 30 ppm de B apresenta um efeito
equivalente a 0,50% de Mo e é mais efetivo em aços com baixo teor de C. Tem grande
afinidade por nitrogênio e no estado combinado forma BN e não atua na
temperabilidade. Torna-se necessário adicionar Ti para fixar o N formando TiN, e
assim deixando o B livre para atuar na temperabilidade. A prática usual é manter a
relação Ti/N maior ou igual a 3,42 para precipitar qualquer N disponível [16]. Esse
elemento somente afeta a temperabilidade do aço se estiver em solução sólida. É um
átomo grande para formação de solução sólida intersticial e muito pequeno para
formação de solução sólida substitucional. Os átomos de boro são atraídos para as
irregularidades do reticulado que existem nos contornos de grão e baixam a energia
nessas regiões, reduzindo a taxa de nucleação e retardando a decomposição da
austenita. A concentração ótima do elemento B situa-se entre 10 e 30 ppm.
Tamanho de grão austenítico
A temperabilidade aumenta com o aumento do tamanho de grão austenítico. Quando
não há perigo de trincas na têmpera e onde considerações de engenharia permitem, pode ser
mais prático usar aços com grão grosso do que aços ligados (mais caros) para obter maior
temperabilidade. Este método de aumentar a temperabilidade raramente é usado, pois reduz a
tenacidade e ductilidade do aço. A transformação de austenita para ferrita mais cementita é
uma reação que ocorre por nucleação e crescimento. A nucleação da ferrita e da cementita
ocorre em sítios de nucleação heterogêneos tais como os contornos de grão. A velocidade de
nucleação será tanto maior quanto mais fino for o grão austenítico, pois maior superfície total
estará disponível para nucleação de ferrita. A velocidade de crescimento da perlita não é
sensivelmente modificada pelo tamanho de grão austenítico [17].
28
1.5 Revenimento
No estado temperado, a martensita além de ser muito dura, é muito frágil e não pode ser
usada na maioria das aplicações. Também as tensões internas que podem ter sido introduzidas
durante a têmpera produzem um efeito de fragilidade. A ductilidade e a tenacidade da
martensíta podem ser melhoradas e as tensões internas aliviadas por um tratamento térmico
conhecido como revenimento [18].
O revenimento é realizado pelo aquecimento de um aço com estrutura martensítica a
uma temperatura abaixo do eutetóide por um período de tempo específico. Normalmente, o
revenimento é efetuado a temperaturas entre 250 e 650ºC. Contudo, tensões internas podem
ser aliviadas com temperaturas tão baixas quanto 200ºC. Este tratamento térmico de revenido
permite, por processos de difusão, a formação de martensita temperada, de acordo com a
reação:
Martensita (TCC) Martensita revenida (α + Fe3C)
A microestrutura da martensita revenida consiste em partículas de cementita
extremamente pequenas e uniformemente dispersas em uma matriz ferrítica contínua.
Figura 1.4 Micrografia da martensita revenida. Revenida a 594ºC. As partículas pequenas são da fase
cementita. A matriz é da fase ferrita (α) [18].
1.6 Jominy
O primeiro passo no desenvolvimento do teste Jominy ocorreu em 1938 por Jominy e
Boegehold. Tornou-se um ensaio de emprego universal para aços com DI entre 1 a 6
polegadas e que pode ser convertida para diâmetro de barra redonda em diferentes meios de
têmpera.
29
O ensaio Jominy pode ser usado para medir a temperabilidade dos aços e para estudar
os efeitos de elementos de liga e de parâmetros do processo de fabricação na temperabilidade.
O resultado é mostrado numa curva de dureza versus distância da extremidade temperada,
conhecida como curva Jominy. Este ensaio é muito usado nas especificações de produtos
destinados a forjarias.
1.6.1 Jominy Prático
O ensaio consiste em aquecer uma barra de tamanho determinado (25 mm de diâmetro
por 102 mm de comprimento), a fim de formar austenita. Após aquecimento, uma de suas
extremidades é temperada com uma corrente de água de vazão e pressão específicas.
Determinam-se então os valores de dureza ao longo do comprimento da barra. Dessa forma
constrói-se uma curva de temperabilidade. A composição química do aço está diretamente
correlacionada aos valores que serão encontrados no ensaio de temperabilidade.
Figura 1.5 Desenho do corpo de prova a ser utilizado no ensaio Jominy [19].
A extremidade temperada é resfriada muito rapidamente, dessa forma teremos a
dureza máxima obtida, de acordo com o teor de carbono e elementos de liga. Como podemos
observar na figura 1.6, na medida em que avançamos na distância da extremidade temperada
do corpo de prova, os valores de dureza HRC também caem. Isso se deve ao fato de termos no
ponto zero da distância temperada, velocidades de resfriamento altas e que propicia a
formação da estrutura matersítica. À medida que nos afastamos do ponto zero, a velocidade
de resfriamento diminui e, como conseqüência teremos outras estruturas presentes, como a
bainítica, ferrítica e perlítica, por exemplo, (através dos diagramas TTT e CTT podemos
prever a fase final obtidas para uma da temperatura de transformação).
30
Figura 1.6 Curva Jominy de temperabilidade [20].
As curvas de temperabilidade possuem grande valor prático, a dureza pode ser lida
diretamente a partir da curva de temperabilidade. Cada posição da barra Jominy tem uma taxa
de resfriamento conhecida e independe do tipo de aço (Tabela 1.2). A Figura 1.7 mostra os
diferentes valores de temperabilidade para os aços SAE 1045H e SAE 4340H. Podemos
verificar que a diferença da curva de temperabilidade está associada diretamente aos
elementos de ligas presentes na composição química.
Tabela 1.2 Taxa de resfriamento no corpo de prova Jominy [21].
DISTÂNCIA “J” (1/16 da pol.) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
°C/s 272 170 108 69 43 31 23 18 14 12
DISTÂNCIA “J” (1/16 da pol.) 11 12 13 14 15 16 20 24 28 32
°C/s 11 9 8 7 6 5,5 4 3 2 2
31
max. min.
1 60 53
2 60 53
3 60 53
4 60 53 %C %Mn %Si %Ni %Cr %Mo
5 60 53 0,37/0,44 0,55/0,90 0,15/0,35 1,55/2,00 0,65/0,95 0,20/0,30
6 60 53
7 60 53
8 60 52
9 60 52
10 60 52
11 59 51
12 59 51
13 59 50
14 58 49
15 58 49
16 58 48
18 58 47
20 57 46
22 57 45
24 57 44
26 57 43
28 56 42
30 56 41
32 56 40
Limite de Dureza para o especificado
Dist. temperada
1/16 de pol
Dureza HRC
Faixa de temperabilidade - SAE 4340H
0
10
20
30
40
50
60
70
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 18 20 22 24 26 28 30 32
Du
reza
HR
C
Distância da ponta temperada - 1/16 de polegada
max. min.
1 62 55
1,5 61 52
2 59 42
2,5 56 34 %C %Mn %Si
3 52 31 0,42/0,51 0,50/1,00 0,15/0,35
3,5 46 29
4 38 28
4,5 34 27
5 33 26
5,5 32 26
6 32 25
6,5 31 25
7 31 25
7,5 30 24
8 30 24
9 29 23
10 29 22
12 28 21
14 27 20
16 26
Dureza HRCDist. temperada
1/16 de pol
Limite de Dureza para o especificado
Faixa de temperabilidade - SAE 1045H
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 9 10 12 14 16
Du
reza
HR
C
Distância da ponta temperada - 1/16 de polegada
Figura 1.7 Curvas de temperabilidade para aços diferentes, 4340H e 1045H. O intervalo de variação das
especificações químicas normais produz variação na temperabilidade [22].
A grande vantagem do ensaio prático Jominy é a de se obter em uma única barra
diferentes velocidades de resfriamento, que produzirão diferentes durezas e microestruturas ao
longo do eixo do corpo de prova.
32
1.6.2 Jominy Teórico
A utilização de equações por regressão linear múltipla nos permite analisar corridas
com valores de Jominy prático e, através de cálculos de regressão, gerar equações preditivas
que, sabendo a composição química do aço, fornece valores com alto grau de assertividade
em relação ao Jominy prático. Além de ser capaz de aperfeiçoar a adição de ligas, mantendo
os resultados de temperabilidade Jominy desejados.
O ensaio de temperabilidade é uma das mais importantes propriedades para o
beneficiamento de aços. A execução do ensaio teórico nos permite retirar uma série de etapas
(usinagem, tratamento do CP e ensaio propriamente dito), sem contar no custo envolvido e de
não haver espera para se saber os resultados.
Pode-se também objetivar custo mínimo do aço: elemento mais caro no limite inferior
da faixa e o mais barato no limite superior para uma dada especificação de temperabilidade. A
faixa de composição química visada para atender uma especificação de temperabilidade
restrita é estreitada para prevenção sobre a incerteza dos resultados experimentais.
Para a derivação das equações por regressão linear, a população amostral deve conter
diferentes valores para se obter a melhor equação que descreva tal população. Deve ser
analisado cada elemento de corrida, para que os valores possam ser calculados
independentemente. Isso permite que o modelo de regressão tenha as distâncias (tanto em mm
como polegadas) a partir da têmpera semelhantes aos valores de dureza para o ensaio prático.
A dureza nada mais é que a respectiva distância de tempera da superfície de um valor
da regressão, com influência nos parâmetros do percentual de massa e elementos químicos.
Os elementos carbono, silício, manganês, fósforo, enxofre, cromo, níquel, molibdênio,
alumínio, cobre e nitrogênio devem ser sempre considerados. A Equação abaixo representa os
elementos químicos mínimos necessários para montagem das equações de regressão linear,
bem como os respectivos coeficientes (a0, a1, a2, ...) gerados por dados amostrais.
J [HRC] = a0 + a1.C + a2.Si + a3.Mn + a4.P +a5.S + a6.Cr + a7.Mo + a8.Ni + a9.Al +
a10.Cu + a11.N
Outros elementos que podem influenciar na temperabilidade, com o titânio, boro entre
outros, devem ser considerados também. O mínimo de corridas para termos valores confiáveis
para a derivação por regressão linear múltipla deve ser igual ao quadrado do número de
elementos que constituem a amostragem populacional [23].
33
Deve ser ressaltados que os coeficientes das fórmulas não podem ser usados como
análise para os materiais em questão sem uma interpretação metalúrgica. Não se pode validar
um modelo de regressão para um determinado aço, levando em consideração somente a
influência de um elemento químico para todos os pontos de temperabilidade. Deve se
considerar apenas os elementos estatisticamente significativos. A contribuição dos elementos
com coeficiente igual a zero podem ser considerados na constante da fórmula [24].
1.7 Relação entre CCT e Curva Jominy
As curvas Jominy estão estreitamente relacionadas com as curvas CCT, conforme a
figura 1.8 . A curva Jominy informa a dureza ao longo da barra do aço ensaiado. Conforme já
apresentado neste trabalho, a taxa de resfriamento do ensaio Jominy é conhecida para cada
ponto independentemente do tipo do aço. Utilizando essas mesmas taxas de resfriamento no
diagrama CCT, podem-se observar quais os microconstituintes formados para cada taxa de
resfriamento e, assim, relacionar a microestrutura formada com a dureza para cada ponto ao
longo do corpo de prova. Essa relação pode ser visualizada na figura 1.8.
34
Figura 1.8 Quatro taxas de resfriamento de diferentes posições do corpo de prova do ensaio Jominy
sobrepostos no diagrama CCT [25].
35
2 MATERIAIS E MÉTODOS
Nesta seção serão descritos os materiais, equipamentos e procedimentos experimentais
realizados para obtenção e análise das amostras do aço SAE 4125. Primeiramente foi pedido
aos operadores de uma siderúrgica que produzissem duas corridas com composições químicas
semelhantes, porém sendo uma delas apenas com o níquel residual da sucata. Depois de
lingotado e laminado, foram retiradas as amostras dessas corridas para que fossem realizados
os experimentos do ensaio Jominy prático e elaborada as curvas CCT com a utilização da
máquina Gleebe. Também foi realizado o ensaio Jominy teórico utilizando regressões lineares
múltiplas por meio do auxílio do programa estatístico Minitab 16.
2.1 Preparação das amostras e realização do Jominy prático
A preparação das amostras para o ensaio Jominy seguiu a norma ASTM A 255. Para a
preparação do ensaio prático Jominy foram utilizadas duas amostras, uma de cada corrida
(com níquel e níquel residual) de um produto laminado. As amostras sofreram o tratamento
térmico de normalização durante 60 minutos a 900ºC. Esse tratamento é feito para que a
estrutura do material não tenha as características de dureza alteradas. Em seguida as amostras
foram usinadas até o tamanho exigido pela norma, 1 polegada de diâmetro e 4 polegadas de
comprimento, e então austenitizada em uma teperatura de 870ºC por 30 minutos.
O corpo de prova é colocado em um dispositivo no qual sai uma coluna de água com
temperatura entre 5ºC – 30ºC diretamente contra a face oposta do material a ser ensaiado. A
coluna de água passa entre um orifício de 13 mm (1/2 in) de diâmetro e ergue o jato d’ água
até uma altura de 63 mm (92-1/2 in) livre do orifício.
O dispositivo deve estar seco no início de cada teste. O material a ser temperado deve
estar a 13 mm (1/2 in) entre a face quente e o orifício de água, como pode ser verificado
abaixo [26].
36
Figura 2.1 Ensaio de temperabilidade Jominy [27].
Foram realizados no corpo de prova dois planos a 180 graus com um mínimo de
profundidade de 0,38 mm (0,015 in) ao longo do material. Nesses planos foram realizadas as
medidas de dureza, em escala Rockwell C. Esses planos e a marcação de dureza no corpo de
prova podem ser observados na figura 3.1 no tópico 3.1. A preparação das superfícies planas
foi realizada com certo cuidado de tal forma que ao remover o material, o calor gerado não
seja suficiente para que ocorra alteração da microestrutura e conseqüentemente alteração da
dureza medida.
As distâncias de medição são em escala de polegada, onde a leitura pode ser realizada
em intervalos de 1/16 de polegada a partir do primeiro valor até alcançar leituras de até 2
37
polegadas, mas usualmente são feitas em intervalos até um valor mínimo de 20 HRC
encontrado.
Em alguns pontos de ambos os corpos de prova (com níquel e níquel residual) foram
obtidas imagens de Microscopia Ótica com a finalidade de observar a microestrutura formada.
2.2 Realização da curva CCT
As amostras foram retiradas das mesmas corridas que as amostras utilizadas no ensaio
Jominy prático, com composição química mostrada na tabela 2.1.
Tabela 2.1 Composição química dos corpos de provas estudados. (% em massa)
Corrida C Si Mn P S Cr Ni Mo Al Cu N
Com Ni 0,25 0,27 1,10 0,014 0,024 0,49 0,16 0,13 0,03 0,14 0,0054
Ni residual 0,25 0,28 1,10 0,014 0,023 0,49 0,07 0,13 0,03 0,14 0,0061
Para a execução deste trabalho, utilizou-se o módulo de tração do simulador termo-
mecânico Gleeble (figura 2.2).
Módulo fixo – módulo ao qual se acopla um dos outros dois módulos, de acordo com
o ensaio a ser realizado. Abriga os atuadores hidráulicos, pneumáticos e elétricos,
sendo controlado a partir do painel de controle digital;
Módulo de tração – módulo capaz de abrigar montagens e ferramentas voltadas para
testes que envolvem esforço de tração ou tratamentos térmicos;
Quanto ao sistema de aquecimento das amostras, o simulador Gleeble trabalha com a
passagem de corrente elétrica no corpo-de-prova.
Figura 2.2 Simulador Termomecânico Gleeble 3500.
38
Corpos de Prova
O corpo de prova, bem como suas dimensões, utilizado no ensaio é apresentado na
figura 2.3.
Figura 2.3 Dimensões do corpo-de-prova utilizado no ensaio.
Dilatômetro
Dilatômetro é um extensômetro utilizado para medir pequenas variações no diâmetro
de materiais quando este é aquecido e/ou resfriado.
Pode auxiliar na determinação de temperaturas Ac1 e Ac3, mudanças microestruturais,
construção de diagramas CTT, etc. O Dilatômetro tem escala de 0,63mm. A figura 2.4
mostra o dilatômetro e seus componentes.
Figura 2.4 Desenho do Dilatômetro.
O dilatômetro se apoia no corpo de prova com a parte frontal e no suporte com a saída
do cabo de conexão conforme a figura 2.5.
A medida da dilatação é realizada pelo movimento da barra móvel, este movimento é
captado pelo transdutor que por sua vez transmite os dados ao computador.
86.00mm +/-5 mm
10.00mm
39
Figura 2.5 Posicionamento do Dilatômetro.
Programação dos Ensaios
Primeiramente realizaram-se testes para determinação das temperaturas Ac1 e Ac3.
Com estas temperaturas, define-se o seguinte ciclo: aquecimento da amostra 100°C acima da
temperatura Ac3, a uma taxa de 20ºC/s, permanência por 1 minuto na temperatura, para
homogeneização, em seguida resfria-se com uma taxa de resfriamento constante até a
temperatura ambiente. Repete-se o ciclo para diversas taxas de resfriamento. Os ciclos são
apresentados na figura 2.6.
Figura 2.6 Representação do ciclo realizado no teste.
As taxas de resfriamento destes testes foram compreendidas entre 0,10ºC/s e 60ºC/s. Em
cada ciclo além da temperatura foram adquiridos os parâmetros de dilatometria, que foram
1 min.
Temperatura (ºC)
Tempo
Taxa de Aquecimento 20°C/s
100°C acima de Ac3
40
utilizados na construção do diagrama CCT, também foram realizadas análises de
microestrutura e dureza em cada corpo de prova ensaiado.
Construção do Diagrama CCT
O simulador Gleeble possui um software de análise de dados de dilatometria, que
permite a identificação das temperaturas de inicio e fim das transformações de microestrutura.
Pode-se determinar o início e fim das transformações de dois modos: Método da
derivada e Método da tangente.
Método da derivada: O software calcula a 2a derivada da curva de dilatação vs.
temperatura e os pontos onde ocorre inflexão na curva da derivada são os pontos onde
ocorrem as mudanças microestruturais. Este modo é o de mais fácil visualização das
alterações microestruturais. Uma amostra de análise pelo método da derivada é apresentada na
figura 2.7.
0 200 400 600 800 10000,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
0,16
Inicio de
Transformação
Fim de
Transformação
Método da Derivada - GG06025 - 2°C/s
Dila
taçã
o (
mm
)
Temperatura (°C)
Figura 2.7 Método da derivada para determinação de temperaturas de transformação.
Método da tangente: Em determinados ensaios não é possível ser realizada a análise
pelo método da derivada principalmente devido a ruídos. Passa-se, então, a utilizar o método
da tangente.
Para a análise neste método marca-se um ponto na curva de dilatação vs. temperatura,
próximo ao ponto onde esteja ocorrendo a transformação e o software construirá um reta
tangente à este ponto, a mudança microestrutural estará iniciando/terminando quando a reta
41
tangente coincidir com os valores da curva de dilatação vs. temperatura. Uma amostra de
análise pelo método da tangente é apresentada na figura 2.8.
200 400
-0,02
0,00
0,02
Inicio da
Transformação
Método da Tangente - GG46601 - 12°C/s
Dila
tação (
mm
)
Temperatura (°C)
Figura 2.8 Método da tangente para determinação de temperaturas de transformação.
2.3 Jominy Teórico
Foi utilizado o programa estatístico Minitab 16 para elaborar as equações matemáticas
de cada ponto Jominy, levando em consideração os elementos citados na Norma SEP 1664.
Utilizou-se um banco de dados de 92 corridas que haviam sido produzidas e, realizados o
ensaio de temperabilidade Jominy prático.
Por meio desses dados foram feitos testes de normalidade dos dados (intervalo de
confiança de 90%) de cada elemento químico e das durezas de cada ponto Jominy. Em
seguida, analisou-se a normalidade dos dados residuais (distância do valor real até a média
dos dados). Após isso, foi feita a regressão linear para cada ponto Jominy, analisou-se a
correlação para cada elemento químico de cada ponto. Os valores de P > 0,100 (ou seja, não
apresentam forte correlação) foram descartados, do maior para o menor, pois não são
significantes com aquele determinado ponto Jominy, ou seja, sua influência na
temperabilidade é insignificante.
Sobrou, então, apenas os elementos com significância na temperabilidade Jominy. Cada
elemento vem acompanhado de um fator multiplicativo, indicando o grau de influência de
cada elemento nesse teste, além de aparecer uma constante. E assim se obteve as equações
matemáticas para cada ponto Jominy com valores de R > 80%, que para um ambiente fabril
considera-se com alto grau de assertividade.
42
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Nesta seção são apresentados e discutidos os resultados de dureza obtidos no ensaio de
temperabilidade Jominy Prático e Teórico, as micrografias obtidas no MO e o diagrama CCT
gerado na Gleeble para as amostras do aço SAE 4125.
3.1 Resultados do ensaio de temperabilidade Jominy prático
O objetivo da utilização deste teste é avaliar a influência da variação de pequenas
concentrações de níquel na temperabilidade ao longo dos corpos de provas do aço SAE 4125.
De acordo com as composições químicas obtidas na tabela 3.1 e os resultados do teste
Jominy, podemos avaliar a influência da variação da concentração de níquel.
Tabela 3.1 Composição química dos corpos de provas estudados.
Corrida C Si Mn P S Cr Ni Mo Al Cu N
Com Ni 0,25 0,27 1,10 0,014 0,024 0,49 0,16 0,13 0,03 0,14 0,0054
Ni residual 0,25 0,28 1,10 0,014 0,023 0,49 0,07 0,13 0,03 0,14 0,0061
Figura 3.1 Corpos de prova Jominy.
Tabela 3.2 Resultado de dureza do teste Jominy prático.
PONTOS (1/16 pol) J 1 J 2 J 3 J 4 J 5 J 6 J 7 J 8 J 9 J 10 J 11 J 12
Com Ni (HRC) 48,5 46,5 45,0 41,0 38,0 33,0 30,5 28,0 27,5 26,5 25,5 25,5
Ni residual (HRC) 49,0 48,0 46,5 42,5 38,0 34,0 31,0 28,5 27,5 26,5 26,5 25,5
PONTOS (1/16 pol) J 13 J 14 J 15 J 16 J 18 J 20 J 22 J 24 J 26 J 28 J 30 J 32
Com Ni (HRC) 24,5 24,0 24,0 23,5 23,0 23,0 22,5 22,0 20,5 20,0 18,5 17,5
Ni residual (HRC) 25,5 25,0 24,5 24,0 22,5 21,5 21,0 20,5 19,5 19,5 19,0 19,0
43
Figura 3.2 Resultado de dureza do teste Jominy prático. Mínimo e máximo representam os limites
exigidos pelo cliente.
Os corpos de provas devidamente retificados foram ensaiados em um durômetro
utilizando a escala Rockwell C, segundo Norma NBR NM 146∕98. A calibração deste
equipamento pode apresentar erros de medição de aproximadamente 1,0 HRC. Portanto, de
acordo com os resultados obtidos, pode-se considerar que a alteração da concentração de
níquel nesse aço não tem significância para a propriedade mecânica em estudo, a
temperabilidade. Sendo possível a retirada da adição desse elemento de alto custo.
3.2 Resultados do Jominy teórico
O objetivo deste ensaio de temperabilidade Jominy teórico, assim como o prático, é
avaliar a influência do níquel e dos outros elementos químicos na capacidade do material
formar martensita, além de comparar os resultados dos dois ensaios e verificar o grau de
assertividade do modelamento matemático.
Para esse modelamento matemático, foran desenvolvidas equações a partir de um
banco de dados de ensaios práticos, e para cada ponto Jominy, exigido pelo cliente,
considerado apenas os elementos com significância estatística. As equações são:
J 1/16‖ = 40,9 + 17,6 C + 6,56 Si + 18,2 Mo - 160 N - 228 Ti
J 2/16‖ = 38,8 + 16,7 C + 10,3 Si - 4,53 Ni + 19,8 Mo - 125 N - 185 Ti
J 3/16‖ = 31,0 + 20,5 C + 13,7 Si + 28,8 Mo + 135 Al + 55,2 P - 402 N - 91,7 Nb
44
J 4/19‖ = 17,7 + 28,7 C + 29,3 Si + 55,0 Mo + 214 Al - 654 N - 153 Nb
J 5/16‖ = (- 2,9) + 45,0 C + 36,3 Si + 9,88 Mn + 13,3 Ni + 64,5 Mo + 251 Al - 152 S -
667 N - 547 Ti
J 6/16‖ = (- 3,8) + 37,8 C + 34,1 Si + 11,8 Mn + 13,8 Ni + 51,8 Mo + 163 Al - 149 S -
482 N - 477 Ti
J 7/16‖ = (- 4,37) + 29,4 C + 31,2 Si + 10,1 Mn + 12,8 Cr + 39,0 Mo + 108 Al - 120 S
- 366 N - 505 Ti
J 8/16‖ = 4,51 + 28,8 C + 28,0 Si + 12,6 Cr + 40,4 Mo + 87,6 Al + 90,5 P - 92,5 S -
347 N - 527 Ti
J 9/16‖ = (- 3,44) + 19,6 C + 21,8 Si + 7,31 Mn + 18,2 Cr + 33,4 Mo + 91,2 Al + 86,6
P - 76,0 S - 321 N - 476 Ti
J 10/16‖ = 8,00 + 17,6 Si + 18,0 Cr + 30,5 Mo + 64,5 Al + 133 P - 272 N - 421 Ti
J 11/16‖ = 3,39 + 15,8 C + 20,0 Si + 15,6 Cr + 32,7 Mo + 69,3 Al + 154 P - 311 N -
474 Ti
J 12/16‖ = (- 0,94) + 14,7 Si + 7,33 Mn + 16,1 Cr + 29,9 Mo + 85,0 Al + 144 P - 248
N - 348 Ti
J 14/16‖ = 0,14 + 22,0 C + 19,9 Si + 7,14 Mn + 13,5 Cr + 19,2 Mo - 77,3 S - 214 N -
312 Ti
J 16/16‖ = (- 3,18) + 22,3 C + 12,1 Si + 7,95 Mn + 16,7 Cr + 20,9 Mo + 62,1 Al - 84,5
S - 262 N
J 20/16‖ = (- 3,71) + 16,4 C + 13,4 Si + 6,28 Mn + 13,8 Cr + 32,9 Mo + 67,9 Al - 350
N
J 24/16‖ = 1,10 + 23,0 C + 15,1 Si + 7,01 Cr + 39,9 Mo + 7,15 Cu + 49,3 Al - 204 N
Observa-se que os elementos nitrogênio, titânio e nióbio apresentam coeficientes
negativos. Esse fenômeno se explica, pelo fato de que o nitrogênio combinado com o titânio
ou com o nióbio possui a característica de refinadores de grão. Um material com grãos mais
finos possui maior área de contorno de grão, região onde a difusão é facilitada devido à maior
energia presente. Sendo a transformação martensítica uma transformação adifusional, esses
elementos refinadores de grãos desfavorecem a temperabilidade. Além do que, Nb e Ti
combinam com C e N e formam carbonitretos que diminuem a concentração de C em solução
sólida os carbonitretos são sítios de nucleação da ferrita.
45
O elemento de liga níquel aparece apenas em três equações e seguido de coeficientes
pouco expressivos (valores pouco distante da unidade comparados ao molibdênio e ao
alumínio, por exemplo) confirmando o fato de que para esse material o níquel é pouco
representativo no favorecimento da temperabilidade, podendo-se assim deixar de adicioná-lo
ao aço e então produzir um aço mais competitivo no mercado.
O enxofre também apresenta coeficiente negativo, pois quando combinado com manganês
há a formação de inclusões de sulfeto de manganês. As interfaces inclusões/matriz são regiões
de alta energia, que favorecem cineticamente a nucleação de ferrita pró-eutetóide,
desfavorecendo a temperabilidade desse material [28].
De acordo com a composição química das duas corridas obtiveram-se os resultados do
Jominy teórico para cada ponto exigido pelo cliente (valores representados como máximo e
mínimo). Os resultados dos dois ensaios estão comparados nas figuras 3.3 e 3.4.
Tabela 3.3 Resultado do Jominy teórico
Pontos Jominy 1/16'' 2/16'' 3/16'' 4/16'' 5/16'' 6/16'' 7/16'' 8/16''
Com Ni 48,03 46,49 45,67 41,91 38,50 34,35 31,03 29,23
Ni residual 48,03 46,95 45,53 41,74 37,46 33,35 31,30 29,47
Pontos Jominy 9/16'' 10/16'' 11/16'' 12/16'' 14/16'' 16/16'' 20/16'' 24/16''
Com Ni 27,90 26,85 26,05 25,26 24,22 23,73 22,10 20,93
Ni residual 28,06 26,92 26,13 25,30 24,41 23,75 21,99 20,94
Figura 3.3 Comparativo do Jominy teórico e prático para a corrida que teve adição de níquel.
46
Figura 3.4 Comparativo do Jominy teórico e prático para a corrida que não teve adição de níquel.
O desempenho do método é avaliado mediante comparação entre curva Jominy calculada e
experimental [29]. A diferença de dureza prevista versus dureza real é influenciada entre
outros fatores por:
Erro experimental do ensaio Jominy (aceitável até 2,5 HRC);
Heterogeneidade química do aço;
O próprio método de previsão;
3.3 Resultados do diagrama CCT
De acordo com os ciclos térmicos, citados anteriormente neste trabalho, realizados para
as amostras, foram adquiridos parâmetros de dilatometria, utilizados na construção do
diagrama CCT. Para cada amostra foram obtidas as temperaturas, como mostrado nas tabelas
3.4 e 3.5, em que ocorreram transformações nas microestruturas.
Tabela 3.4 Temperatura de transformação γ + α → α + (α + Fe3C) (A1) e temperatura de austenitização
γ + α → γ (A3) para as duas corridas.
Temperaturas (°C) Com Ni Média Ni residual Média
A1 715 717 713 715 718 714 714 715
A3 831 834 828 831 828 833 836 832
47
Tabela 3.5 Temperaturas de transformação para cada taxa de resfriamento para as duas corridas
Pontos Distância J
(1/16 pol)
Taxa de
Resfriamento (°C/s)
Com Ni Ni residual
F+P B M F+P B M
1 1 272 - - 401 - - 408
2 2 170 - - 393 - - 405
3 3 108 - - 396 - - 403
4 4 69 - 472 388 - 477 392
5 5 43 - 563 386 - 572 396
6 6 31 - 602 381 - 607 395
7 7 23 652 618 378 644 622 383
8 8 18 667 621 386 659 623 389
9 9 14 686 622 384 679 627 383
10 10 12 692 631 377 690 629 374
11 11 11 701 626 356 698 632 363
12 12 9 703 622 - 705 626 -
13 13 8 706 621 - 708 618 -
14 14 7 708 618 - 701 622 -
15 15 6 711 616 - 703 614 -
16 16 5,5 715 618 - 712 617 -
17 20 4 714 620 - 708 617 -
18 24 3 716 614 - 708 620 -
19 28 2 719 616 - 722 618 -
20 32 2 719 616 - 722 618 -
Observa-se que para ambas as corridas as temperaturas de transformações para todos
os microconstituintes ou fases são semelhantes, isto é, significativamente iguais. Portanto,
pode-se elaborar apenas um diagrama CCT. As linhas tracejadas correspondem às taxas de
resfriamento mostradas na tabela 3.5.
48
Figura 3.5 Diagrama CCT para o aço SAE 4125.
Para cada taxa de resfriamento formou-se microconstituintes com uma determinada
dureza, já apresentada neste trabalho na tabela 1.2, e foram obtidas micrografias de alguns
pontos.
3.4 Micrografias obtidas
Neste tópico, serão apresentadas as micrografias obtidas por microscopia ótica (MO).
As figuras 3.6, 3.7 e 3.8 são do material ao qual foi adicionado níquel, já as figuras 3.9, 3.10 e
3.11 referem-se ao material que contém apenas níquel residual. A microestrutura de cada
imagem provém de diferentes taxas de resfriamento, resultando em diferentes durezas.
49
Micrografias com adição de níquel
Figura 3.6 Micrografia do ponto 1, distância Jominy 1∕16‖, taxa de resfriamento de 272°C/s da corrida
com adição de níquel e dureza 48,5HRC. 100% Martensita. Ataque com Nita 2%l.
Figura 3.7 Micrografia do ponto 5, distância Jominy 5∕16‖, taxa de resfriamento de 43°C/s da corrida com
adição de níquel e dureza 38,0HRC. Martensita + Bainita. Ataque com Nital 2%.
Bainita
Martensita
50
Figura 3.8 Micrografia do ponto 20, distância Jominy 32∕16‖, taxa de resfriamento de 2°C/s da corrida
com adição de níquel e dureza 17,5HRC. Ferrita + Perlita + Bainita. Ataque com Nital 2%.
Micrografias sem adição de níquel
Figura 3.9 Micrografia do ponto 1, distância Jominy 1∕16‖, taxa de resfriamento de 272°C/s da corrida
sem adição de níquel e dureza 49,0HRC. 100% Martensita. Ataque com Nital 2%.
Bainita
Perlita
Ferrita
51
Figura 3.10 Micrografia do ponto 5, distância Jominy 5∕16‖, taxa de resfriamento de 43°C/s da corrida sem
adição de níquel e dureza 38,0HRC. Martensita + Bainita. Ataque com Nital 2%.
Figura 3.11 Micrografia do ponto 20, distância Jominy 32∕16‖, taxa de resfriamento de 2°C/s da corrida
com adição de níquel e dureza 19,0HRC. Ferrita + Perlita + Bainita. Ataque com Nital 2%.
Bainita
Martensita
Bainita
Perlita
Ferrita
52
As micrografias do ponto 1, distância Jominy 1/16‖, tanto para a corrida com adição
de níquel quanto para a sem adição, foram resfriadas a uma taxa de 272°C/s e ocorre
predominantemente a formação de martensita. Resultado esperado devido a alta taxa de
resfriamento, que evita o processo de difusão e consequente nucleação de outras fases ou
constituintes, como ferrita e perlita. A transformação de austenita para martensita se dá por
cisalhamento, devido as altas tensões no interior do material provocadas pela têmpera . As
durezas são 48,5 HRC para a corrida com adição de níquel e 49,0 HRC para a corrida sem
adição de níquel.
As micrografias do ponto 5, distância Jominy 5/16‖, foram resfriadas a uma taxa de
43°C/s e ocorre a formação de martensita e bainita. A taxa de resfriamento sendo um pouco
menor, além do material sofrer cisalhamento devido as tensões internas geradas pelo
resfriamento rápido, permite que o carbono, antes em solução sólida na austenita, sofra
difusão e forme a bainita, que é proveniente de uma transformação difusional e também
cisalhante. As durezas para ambas corridas são de 38 HRC.
As micrografias do ponto 20, distância Jominy 32/16‖, foram resfriadas a uma taxa de
2°C/s e ocorre a formação de bainita, ferrita e perlita. O resfriamento lento favorece a difusão,
permitindo assim a nucleação e crescimento da ferrita e perlita. Porém os teores de manganês
e cromo nesse material permitem a formação de bainita, mesmo a essa taxa de resfriamento.
As durezas são 17,5 HRC para a corrida com adição de níquel e 19,0 HRC para a corrida sem
adição de níquel.
Portanto, as comparações das micrografias e durezas dos materiais em estudo
apresentam grande semelhança em relação a propriedade da temperabilidade.
53
CONCLUSÃO
Neste trabalho foi estudada a propriedade temperabilidade, susceptibilidade ao
endurecimento por resfriamento rápido, do aço SAE 4125 e analisada a influência da variação
de pequenas concentrações de níquel nessa propriedade para as duas corridas, uma com
adição de níquel e outra com níquel residual da sucata utilizada na fabricação do aço. Essa
análise foi realizado pelo ensaio de temperabilidade Jominy prático, no qual não se pôde
perceber variação significativa na dureza das amostras das duas corridas citadas neste
trabalho.
Através do cálculo de temperabilidade teórico gerou-se equações matemáticas com o
intuito de analisar a influência do níquel no resultado de dureza de cada ponto Jominy e
também a influência dos outros elementos de liga. Pôde-se notar que dos dezesseis pontos que
foram gerados equações, o níquel tem influência em apenas três deles, porém é uma
influência pouco expressiva em relação a outros elementos de liga.
Através do simulador termomecânico Gleeble, identificou-se as temperaturas de início
e fim das transformações microestruturais das duas corridas analisadas. Pôde-se perceber que
as temperaturas em que ocorreram as transformações são semelhantes para as duas corridas
analisadas, caracterizando propriedade de temperabilidade semelhante para ambas.
Através do microscópio ótico, obtiveram-se imagens das microestruturas geradas a
partir do resfriamento do ensaio Jominy prático para as duas corridas em questão. Também
não há diferenças significativas na microestrutura das micrografias geradas.
Portanto, conclui-se que o níquel não é significativo para aumentar a temperabilidade
do aço SAE 4125, podendo assim excluí-lo da adição na fabricação deste aço.
Para cada 0,09% em peso de níquel (diferença de concentração de níquel das duas
corridas) tem que se adicionar em torno de 83 quilos de níquel eletrolítico (considerando que
o níquel pouco se oxida) para uma corrida de 92 toneladas. Sendo o preço do níquel
eletrolítico em torno de 35 reais por quilo, há uma economia de aproximadamente 2900 reais
por corrida. Assim, tem-se um aço economicamente mais competitivo no mercado.
54
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