relatório tratamento termicos e termoquimico

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Universidade Federal da Paraíba – UFPB
Centro de Tecnologia – CT
Departamento de Engenharia Mecânica – DEM
Materiais de Construção Mecânica II
RELATÓRIO DAS AULAS EXPERIMENTAIS
João Pessoa, Novembro de 2022
Josimar Ferreira Diniz Filho - 20190138056
PRÁTICA: Análise de Amostra Submetida a Sucessivos
Tratamentos Térmicos e Termoquímico
Relatório da aula prática feita em labo-
ratório, para aprovação na disciplina
Materiais de Construção Mecânica II.
Orientador: Josinaldo Pereira Leite.
João Pessoa, Novembro de 2022
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Sumário
1.Introdução……................................................................3
2.Objetivo…........................................................................4
3.Materiais...........................................................................4
4.Procedimentos………..………………………………....6
4.1 Normalização…………………………………………………….7
4.2 Têmpera………..……………………………….………………..8
4.3 Recozimento Pleno………………………………………...…….9
4.4 Cementação….………………………………………………...10
4.5 Têmpera……………………………………………………......11
5.Conclusão.......................................................................12
6.BIBLIOGRAFIA ……………………….………….....14
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1. Introdução
Desde o início da civilização, os materiais e energia são utilizados para melhorar a condição
de vida da espécie humana. Os primeiros registros da existência do tratamento térmico apontam a sua
descoberta por meio da constatação que o processo de aquecer e resfriar metais os modificava de
diferentes maneiras. Com o passar dos anos, os estudos foram evidenciando a conquista de mais
dureza para o aço ao passar pelo processo.
O estudo dos materiais visa conhecer suas composições, estruturas internas e propriedades, e
também a regularidade de suas alterações sobre influência térmica, química ou mecânica. Não só
revelando a estrutura interna e as propriedades, como também estabelece a dependência entre elas,
determinando o processo de fabricação e a composição ideal para obter as características físicas e
mecânicas desejadas.
Portanto, o Tratamento Térmico envolve o aquecimento e resfriamento de ligas metálicas e
leva em conta condições controladas de temperatura, atmosfera, duração e velocidade de resfriamento.
Tudo isso resulta na alteração das propriedades ou de características físicas e mecânicas. Contudo as
adequações podem ser feitas conforme a destinação da peça ou do produto final, podendo ressaltar as
qualidades ou amenizar defeitos.
Figura 1 : Esquema de Tratamentos Térmicos
O tratamento térmico utilizado interfere no resultado da estrutura do átomo ou microestrutura
do material. Todavia podem interferir fatores como movimento de deslocações, aumento ou redução
na solubilidade de átomos, aumento no tamanho do grão, formação de novos grãos na mesma ou em
diferentes fases, alteração na estrutura de cristalização, entre outros mecanismos.
Tratamentos Termoquímicos são processos que visam à adição, por difusão, de elementos
químicos na superfície do aço. Tem por objetivo, aumentar a dureza e a resistividade ao desgaste da
superfície, ao mesmo tempo que o núcleo se mantém dúctil (pode ser aplicado para outros fins).
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Figura 2 : Esquema de Tratamentos Termoquímicos
2. Objetivo
Essa prática experimental tem por objetivo examinar e comparar o comportamento de uma
amostra metálica de aço-carbono fornecida na disciplina de materiais de construção mecânica II,
mediante tratamentos térmicos e termoquímicos.
Os tratamentos ocasionaram à amostra mudança em suas propriedades mecânicas, que será
averiguado por teste de dureza. Colocando em prática os conhecimentos obtidos durante o curso da
disciplina e realizando conclusões diante do estudo da amostra.
3. Materiais
Para esta prática experimental foram utilizados os seguintes materiais de laboratório:
○ 01 Amostra (aço-carbono);
○ 01 Lixadeira metalográfica manual (lixa 280);
○ 01 Forno Mufla elétrico;
○ 01 Durômetro de bancada para Dureza Rockwell;
○ 01 Balança digital;
○ 01 Óleo de cozinha;
○ 01 Recipiente de água;
○ 01 Carvão.
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Figura 3 : Amostra
Figura 4: Forno Mufla elétrico
Figura 5: Lixadeira metalográfica manual
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Figura 6: Durômetro de bancada
4. Procedimentos
Descrever os procedimentos adotados nesta prática.
i. Em primeiro instante a amostra cilíndrica foi obtida por uma operação de corte, realizado por
alunos usando uma serra elétrica;
ii. Para possibilitar uma uniformidade na face foi feito o torneamento, usando um torno
mecânico automático. O objetivo seria possibilitar um melhor estudo da amostra;
iii. Após isso foi feito o lixamento da face que seria feito o ensaio de dureza Rockwell, a fim de
diminuir a rugosidade e promover um acabamento superficial;
iv. Usou-se o durômetro para realizar três ensaios de dureza na amostra antes de serem realizados
os tratamentos, para que se possa investigar os resultados após cada tratamento. Dureza Rockwell,
penetrador cônico de diamante, com uma pré carga de 10 Kgf e uma carga de 150 Kgf;
⇨ Foram realizados 3 ensaios de dureza Rockwell mostrados na tabela abaixo.
Sem Tratamento
Leitura de Dureza (HRC)
I II III
Amostra 31 31 32
Tabela 1 : Dados obtidos inicialmente.
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v. Seguindo a prática foi iniciado os tratamentos térmicos, primeiramente por Normalização da
amostra. Concluído a normalização foi realizado um novo teste de dureza, três ensaios;
vi. Por conseguinte a amostra foi submetida a uma Tempera e em seguida feito novamente o teste
de dureza;
vii. Em consecutivo iniciou-se o Recozimento pleno na amostra e analisado a dureza após
recozimento;
viii. Iniciou-se o Tratamento termoquímico na amostra, a Cementação. Para isto foi estudado a
melhor mistura para se realizar este procedimento, então foram feitas as medições de massa da
amostra, carvão ativado e do óleo lubrificante. Desta forma foi preparado a cementação e após feito o
teste de dureza;
ix. Em último instante foi realizado o Tratamento térmico, a Tempera. Realizado três ensaios de
dureza na amostra.
Figura 7: Esquema de procedimentos
4.1 Normalização
A Normalização é o processo de tratamento térmico que consiste na completa austenitização
do aço, seguida de resfriamento ao ar. Tem como objetivo diminuir a granulação do aço, refinando a
estrutura do aço, dando propriedades melhores.
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Sendo feito em duas partes, o aquecimento que o tempo depende da espessura da peça em
atmosfera controlada e resfriamento ao ar. É feito o aquecimento a mais ou menos 900°C, fixando
nessa temperatura para homogeneização. Na alteração de temperatura, a estrutura passa de austenita
para perlita e ferrita.
Neste processo o forno (figura 4) foi pré aquecido por cerca de meia hora, em seguida foi
adicionada a amostra no forno, usando ferramentas e equipamentos adequados do laboratório. O forno
foi aquecido a 850°C (limitação do forno). Após o aquecimento, a amostra foi retirada do forno e
fez-se resfriamento a ar, temperatura ambiente.
⇨ Concluída a Normalização foram realizados 3 novos ensaios de dureza Rockwell, e obtido
os dados pelo durômetro.
Tratamento Térmico Leitura de Dureza (HRC)
I II III
Normalização 22 22 23
Tabela 2 : Dados obtidos após Normalização.
4.2 Têmpera
Consiste em resfriar o aço, após austenitização, a uma velocidade suficientemente rápida para
evitar transformações perlíticas e bainíticas da amostra, obtendo a estrutura metaestável martensítica,
Aços e Ligas Especiais.
Método:
○ Aquecimento acima da zona crítica (mais ou 50°C acima da linha A1 os hipereutetóides);
○ Manutenção à temperatura de tratamento para homogeneização;
○ Resfriamento busco, obter-se a estrutura final do material, a martensita.
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Figura 8: Representação esquemática de Têmpera
Neste processo, o forno foi aquecido a 850°C, após o aquecimento da peça foi feito o
resfriamento brusco em água.
⇨ Concluída a Têmpera foram realizados 3 novos ensaios de dureza Rockwell, e obtido os
dados pelo durômetro.
Tratamento Térmico Leitura de Dureza (HRC)
I II III
Têmpera 64 64 65
Tabela 3: Dados obtidos após a Têmpera.
Observou-sesurgimento de trinca em peça após o resfriamento brusco, gerado por tensões da
expansão de martensita.
Figura 9: Amostra com trinca após Têmpera
4.3 Recozimento pleno
O recozimento pleno consiste em elevar lentamente a temperatura da amostra até cerca de
50ºC acima da zona crítica (austenitização total). A formação de austenita em alta temperatura destrói
todas as estruturas existentes anteriormente ao aquecimento. No resfriamento formam-se a ferrita e a
perlita grossa que garantem o amolecimento do material.
O aço é mantido na temperatura por um tempo suficiente para que a estrutura se torne
austenítica ou uma mistura de austenita e cementita, em seguida é resfriado dentro do forno com uma
velocidade de aproximadamente 25 ºC/h. É importante que a passagem pela faixa de temperaturas em
que ocorre a transformação seja bastante lenta para que se forme perlita grossa, perlita esferoidizada e
cementita esferoidizada na estrutura do material.
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Figura 10: Gráfico de Recozimento pleno
Neste processo, o forno foi aquecido a 850°C (limitação do forno), após o aquecimento da
peça foi feito o resfriamento lento dentro do forno.
⇨ Concluído o Recozimento foram realizados 3 novos ensaios de dureza Rockwell, e obtido
os dados pelo durômetro.
Tratamento Térmico Leitura de Dureza (HRC)
I II III
Recozimento Pleno 8 9 9
Tabela 4: Dados obtidos após Recozimento pleno.
4.4 Cementação
É um processo de adicionar carbono à superfície. Ele é conseguido pela exposição da peça a
uma atmosfera rica em carbono em alta temperatura, que permite a transferência de átomos de
carbono para o aço. O processo de difusão só ocorre se o aço tiver baixo teor de carbono porque a
difusão baseia-se no princípio do diferencial de concentração.
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Figura 11: Esquema da Cementação
Neste processo a peça é colocada numa caixa selada, contendo carvão granulado. O carvão é
tratado com um ativador químico que promove a formação de CO2. O gás reage com o próprio carvão
formando monóxido de carbono. O monóxido reage com a superfície da peça formando carbono
atômico que se difunde para o aço, aumentando o teor de carbono até uma profundidade
pré-determinada, a um nível suficiente para permitir um endurecimento em seguida, por têmpera.
A mistura utilizado nesta cementação consiste em:
○ 202g de carvão ativado;
○ 13g de lubrificante (óleo girassol de cozinha);
○ 38g de carbonato de bário (promove a formação de CO2).
O tratamento de cementação ocorreu a uma temperatura de 900ºC controlada no forno mufla,
por cerca de 4 horas, buscando a obtenção de uma camada cementada de 0,5 mm, após isso, foi feito o
resfriamento a ar (temperatura ambiente).
⇨ Concluído a Cementação foram realizados 3 novos ensaios de dureza Rockwell, e obtido os
dados pelo durômetro.
Tratamento Térmico Leitura de Dureza (HRC)
I II III
Cementação 8 8 9
Tabela 5: Dados obtidos após Cementação.
4.5 Têmpera
Ao ser temperado após a cementação, a camada enriquecida em carbono se endurece,
enquanto o núcleo, com uma dureza diferente. Deve-se levar em conta que o material apresenta duas
seções distintas: uma correspondente à camada cementada, de alto carbono, muito dura e de alta
temperabilidade e outra, central. O que significa que, no aquecimento para a têmpera, a temperatura
crítica do núcleo pode ou não ser atingida eventualmente.
A amostra foi posta no forno a 850°C, com duração de meia hora, após o aquecimento da
amostra foi feito o resfriamento brusco em água. Observando uma acentuação na trinca da peça
(surgiu após primeira têmpera) após o resfriamento brusco.
⇨ Em último instante foram realizados 3 novos ensaios de dureza Rockwell, e obtido os dados
pelo durômetro.
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Tratamento Térmico Leitura de Dureza (HRC)
I II III
Têmpera 44 46 46
Tabela 6: Dados obtidos após a Têmpera.
Como resultado após resfriamento brusco em água, houve um aumento da trinca resultante da
primeira têmpera, isto é constatado com as tensões geradas pela expansão da martensita.
Figura 12: Imagem da amostra final
5. Conclusão
Diante da série de processos obteve-se como resultados nas leituras de dureza:
Tratamento Térmico Leitura de Dureza (HRC)
Média
Sem Tratamento 31
Normalização 22
Têmpera 64
Recozimento Pleno 9
Cementação 8
Têmpera 45
Tabela 7 : Dados obtidos após Tratamentos.
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Com a aquisição de todos os dados e embasamento teórico prático apresentado, pode-se
constatar que a amostra de aço-carbono pode ser:
a. Um aço com teores altos de carbono
b. Um aço de baixa liga e alta dureza, com elementos de liga de boa temperabilidade
Diante da etapa 3 e 6 (figura 7) foi possível observar a elevação alta de dureza. Outro critério
a ser usado, foi o surgimento de trinca numa têmpera (figura 9/12), aços com altos teores de carbono
apresentam tendência a formação de defeito numa têmpera. No caso da transformação de austenita em
martensita, a expansão volumétrica natural da formação da ferrita é aumentada pela presença do
excesso de carbono em seu reticulado cristalino. Maiores níveis de carbono no aço implicam em
maiores expansões volumétricas durante a transformação martensítica, levando a maiores distorções
nas peças fundidas (Ricardo Fuoco).
Investigando o processo de Cementação realizado na amostra de estudo, com base na tabela 7,
é notório a diminuição de dureza após a cementação, o que se pode concluir que ocorreu uma
descarbonetação. Se um aço de alto carbono é aquecido em um ambiente com menor concentração de
carbono (como ar), a difusão do carbono tende a ocorrer no sentido inverso ( átomos de carbono saem
do aço) , resultando na descarbonetação. Logo a amostra perdeu carbono para o meio, resultando em
uma menor dureza (tabela 5).
Diante do supracitado, pode-se supor que o material da amostra seja um aço de alto teor de
carbono.
Em virtude dos tratamentos e ensaios de dureza realizados durante o experimento, foi possível
observar e entender como são feitos os tratamentos térmicos e termoquímicos de materiais na
indústria, e a importância deles em todos os processos de produção no mundo. Pois a partir desses é
possível obter as estruturas internas e propriedades, além de ser possível determinar o processo de
fabricação e a composição ideal para obter as características físicas e mecânicas desejadas para sua
utilização.
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6. Bibliografia
- Slides - Todos os materiais fornecidos pelo professor;
- Livro - Aços e ligas especiais. / Mel, Paulo Roberto Silva, André Luiz da Costa e -
3ª edição revista. - São Paulo: Editora Blucher, 2010
- Livro - Aços e ferros fundidos: Características gerais, tratamentos térmicos,
principais tipos. / Chiaverini, Vicente. - 7ª edição ampliada e revista. Associação brasileira
de metalurgia, materiais e mineração (ABM); São Paulo, 2015
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