Trabalho Aços MCM - Grupo

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
ESCOLA DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE MATERIAIS
ENG02002 MATERIAIS CONSTRUÇÃOMECÂNICA
TRABALHO - AÇOS
ANÁLISE METALOGRÁFICA DE UM EIXO DE TRANSMISSÃO AUTOMOTIVO
ANDRÉ ZOCOLOTTI
RICARDO JOSÉ BELIBIO
RODRIGO VIEIRA OLIVEIRA
GRUPO H
Porto Alegre
2024
ANDRÉ ZOCOLOTTI
RICARDO JOSÉ BELIBIO
RODRIGO VIEIRA OLIVEIRA
ANÁLISE METALOGRÁFICA DE UM EIXO DE TRANSMISSÃO AUTOMOTIVO
Trabalho apresentado em 2024/1 como requisito
parcial para obtenção de aprovação na disciplina
de Materiais de Construção Mecânica l do curso
de Engenharia Mecânica da Escola de
Engenharia da Universidade Federal do Rio
Grande do Sul.
Orientador: Prof. Marcelo Mabilde
Porto Alegre
2024
RESUMO
O aço, uma liga de ferro e carbono, é amplamente utilizado devido às suas
propriedades mecânicas, elétricas, magnéticas e térmicas. Este estudo justifica-se pela
necessidade de caracterizar materiais que compõem componentes automotivos,
especificamente um eixo de transmissão automotivo, essencial para entender os tratamentos
térmicos e propriedades mecânicas aplicadas durante sua fabricação. Destarte, o objetivo
deste trabalho é realizar uma análise completa do eixo de transmissão automotivo,
identificando a composição química, microestruturas, tratamentos térmicos aplicados e
inclusões não metálicas presentes no material. Isso permitirá uma compreensão detalhada das
características e comportamentos do aço utilizado. A metodologia aplicada envolveu a
preparação de cinco amostras retiradas do eixo de transmissão, cada uma submetida a
diferentes tratamentos térmicos: têmpera em óleo, têmpera em água, normalização,
recozimento e uma amostra mantida em seu estado original. Inicialmente, foi realizada a
medição da dureza das amostras utilizando um durômetro. Posteriormente, as amostras foram
lixadas, polidas e submetidas a ataque químico com Nital 2% para revelação das
microestruturas. A análise visual das microestruturas e inclusões não metálicas foi realizada
utilizando microscópios ópticos com ampliações variadas. Além disso, o teor de carbono foi
analisado com o auxílio do software ImageJ, que estima a porcentagem de áreas claras e
escuras nas imagens geradas pelo microscópio, os resultados mostraram que a amostra
recozida apresentou um percentual de carbono em torno de 0,45%, com inclusões do tipo
óxido globular. A têmpera em água resultou na maior dureza devido à formação de
martensita, paralelamente a têmpera em óleo apresentou uma dureza semelhante e uma
microestrutura predominantemente de martensita. A análise da amostra normalizada
identificou uma microestrutura de ferrita com perlita grossa e dureza intermediária. A amostra
original indicou fortemente um tratamento térmico superficial, evidenciado pela diferença de
dureza entre o centro e as extremidades. Em conclusão, a caracterização completa das
amostras permitiu identificar o tipo de aço utilizado no eixo de transmissão e os tratamentos
térmicos aplicados, destacando a importância das técnicas de metalografia e a relevância dos
tratamentos térmicos na definição das propriedades finais do material.
Palavras-chave: Aço, Metalografia, Microestruturas, Tratamentos Térmicos.
ABSTRACT
teel, an alloy of iron and carbon, is widely used due to its mechanical, electrical, magnetic,
and thermal properties. This study is justified by the need to characterize materials that make
up automotive components, specifically an automotive drive shaft, which is essential for
understanding the heat treatments and mechanical properties applied during its manufacturing.
Therefore, the objective of this work is to conduct a comprehensive analysis of the automotive
drive shaft, identifying its chemical composition, microstructures, applied heat treatments,
and non-metallic inclusions present in the material. This will allow a detailed understanding
of the characteristics and behaviors of the steel used. The methodology applied involved the
preparation of five samples taken from the drive shaft, each subjected to different heat
treatments: oil quenching, water quenching, normalization, annealing, and one sample kept in
its original state. Initially, hardness measurements of the samples were performed using a
hardness tester. Subsequently, the samples were ground, polished, and chemically etched with
2% Nital to reveal the microstructures. The visual analysis of the microstructures and
non-metallic inclusions was carried out using optical microscopes with varied magnifications.
Additionally, the carbon content was analyzed using ImageJ software, which estimates the
percentage of light and dark areas in the images generated by the microscope. The results
showed that the annealed sample had a carbon content of around 0.45%, with globular
oxide-type inclusions. Water quenching resulted in the highest hardness due to the formation
of martensite, while oil quenching showed similar hardness and a predominantly martensitic
microstructure. The analysis of the normalized sample identified a ferrite microstructure with
coarse pearlite and intermediate hardness. The original sample strongly indicated a surface
heat treatment, evidenced by the difference in hardness between the center and the edges.In
conclusion, the complete characterization of the samples allowed the identification of the type
of steel used in the drive shaft and the applied heat treatments, highlighting the importance of
metallographic techniques and the relevance of heat treatments in defining the final properties
of the material.
Keywords: Steel, Metallography, Microstructures, Thermal Treatments.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Procedimento de seccionamento da amostra (Colpaert, 2008)................................ 15
Figura 2 - Procedimento de lixamento da amostra (Notas de aula do prof. Marcelo Mabilde)16
Figura 3 -Classificação das inclusões segundo Jernkontoret. (Notas de aula do prof. Marcelo
Mabilde).................................................................................................................................... 19
Figura 4 - Correlação entre as escalas de dureza (Notas de aula do prof. Marcelo Mabilde)...21
Figura 5 - Escala de dureza Rockwell (Callister, 2007)............................................................23
Figura 6 - Escala de dureza e formas de indentação (Callister, 2007)...................................... 23
Figura 7 - Tamanho dos tamanhos de grão conforme a ASTM (Colpaert, 2008).....................24
Figura 8 - Microestrutura de ferrita (Colpaert, 2008)............................................................... 25
Figura 9 - Microestrutura de austenita (Colpaert, 2008)...........................................................26
Figura 10 - Microestrutura de perlita (Colpaert, 2008).............................................................27
Figura 11 - Microestrutura de martensita (Colpaert, 2008)...................................................... 28
Figura 12 - Microestrutura de martensítica com carbonetos esferoidizados (Colpaert,
2008).......................................................................................................................................28
Figura 12 - Microestrutura de bainita (Colpaert, 2008)............................................................ 29
Figura 13 - Diagrama de fases Fe-C (Colpaert, 2008)..............................................................30
Figura 14 - Diagrama TTT para aço SAE/AISI 4340 (Atkins, 1977)................................... 31
Figura 15 - Diagrama CCT para aço SAE/AISI 4340 (Atkins, 1977)...................................... 33
Figura 16 - Aço AISI 52100 esferoidizado (Colpaert, 2008)................................................... 34
Figura 17 - Aço hipereutetóide com matriz de ferrita e cementita parcialmente esferoidizada.
(Colpaert, 2008)........................................................................................................................ 35
Figura 18 - Eixo de transmissãoautomotivo analisado (Próprio autor, 2024)..........................38
Figura 19 - Durômetro realizando o teste de dureza na escala HRC (Próprio autor, 2024)..... 39
Figura 20 - Seccionamento da amostra (Próprio autor, 2024).................................................. 40
Figura 21 - Embutidora Struers Citopress-15 (Próprio autor, 2024).........................................40
Figura 22 - Processo de lixamento da amostra (Próprio autor, 2024)......................................41
Figura 23 - Processo de polimento da amostra (Próprio autor, 2024).......................................42
Figura 24 - Recipiente com Nital 2% (Próprio autor, 2024).....................................................42
Figura 25 - Amostra original embutida, sem ataque químico, apresentando secção transversal
e longitudinal (Próprio autor, 2024).........................................................................................43
Figura 26 - Análise microscópica no Microscópio óptico Zeiss - (os autores, 2024)...............44
Figura 27 - Processo de têmpera em água 27-a e em óleo 27-b (os autores, 2024)..................46
Figura 28 -Amostra original com aumento de 100X (seção transversal no centro) (Próprios
autores, 2024)............................................................................................................................48
Figura 29 -Amostra original com aumento de 100X (seção longitudinal na lateral) (Próprios
autores, 2024)............................................................................................................................49
Figura 30 - Amostra original com ampliação de 1000X, corte transversal - centro,
atacada com nital (Próprios autores, 2024)........................................................................50
Figura 31 - Amostra original com ampliação de 1000X, corte transversal - lateral,
atacada com nital (Próprios autores, 2024)........................................................................51
Figura 33 - Amostra recozida com aumento de 100X (seção transversal - Centro) (Próprios
autores, 2024)............................................................................................................................54
Figura 34 - Amostra recozida com aumento de 1000X (seção transversal - Centro) (Próprios
autores, 2024)............................................................................................................................54
Figura 35 - Análise do percentual de carbono utilizando o Software ImageJ (Próprios autores,
2024)......................................................................................................................................... 55
Figura 36 - Amostra normalizada com aumento de 100X (seção transversal - Centro)
(Próprios autores, 2024)............................................................................................................57
Figura 37 - Amostra normalizada com aumento de 1000X (seção transversal - Centro)
(Próprios autores, 2024)............................................................................................................58
Figura 38 - Amostra temperada com água com aumento de 1000X (seção transversal - Centro)
(Próprios autores, 2024)............................................................................................................60
Figura 39 - Amostra temperada com água com aumento de 1000X (seção transversal -
Lateral) (Próprios autores, 2024).............................................................................................. 60
Figura 40 - Amostra temperada com óleo com aumento de 1000X (seção transversal - Lateral)
(Próprios autores, 2024)............................................................................................................62
Figura 41 - Amostra temperada com água com aumento de 1000X (seção transversal - Centro)
(Próprios autores, 2024)............................................................................................................62
Figura 42 - Resultados do teste por espectroscopia de emissão óptica (Próprios autores, 2024).
63
Figura 43 - Diferentes microestruturas com aumento de 1000X (Próprios autores, 2024)...... 65
Figura 44 - Diagrama CCT para aço SAE/AISI 4340 (Próprios autores, 2024).......................66
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Tabela da escala de Mohs (Notas de aula do prof. Marcelo Mabilde)..................... 20
Tabela 2 - Dados de dureza da amostra original (os autores, 2024)................................ 47
Tabela 3 - Resultados dos testes de dureza na amostra recozida (Próprio autor, 2024)............53
Tabela 4 - Resultados dos testes de dureza na amostra normalizada (Próprio autor, 2024)..... 56
Tabela 5 - Resultados dos testes de dureza na amostra temperada a (Próprio autor, 2024)......59
Tabela 6 - Resultados dos testes de dureza na amostra temperada a (Próprio autor, 2024)......61
Tabela 7 - Tabela de dureza em diferentes escalas (Próprios autores, 2024)............................ 64
Tabela 8 - Tabela de microestruturas (Próprios autores, 2024).................................................64
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO......................................................................................................................9
1.1. Justificativa................................................................................................................ 9
1.2. Problema......................................................................................................................9
1.3. Objetivos...................................................................................................................... 9
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA..........................................................................................10
2.1. Os aços......................................................................................................................10
2.2. Siderurgia................................................................................................................... 11
2.3. Metalografia................................................................................................................11
2.3.1. Seleção de Amostras........................................................................................ 12
2.3.2. Corte de Amostra.............................................................................................. 13
2.3.3. Embutimento..................................................................................................... 13
2.3.4. Lixamento da Superfície................................................................................... 14
2.3.5. Polimento da Amostra.......................................................................................15
2.3.6. Ataque Químico................................................................................................ 15
2.3.7. Análise Microscópica........................................................................................ 16
2.3.8. Análise de Inclusões......................................................................................... 16
2.4. Dureza........................................................................................................................17
2.4.1. Dureza de risco, escala Mohs.................................................................................18
2.4.2. Dureza de impacto, escala Shore...........................................................................18
2.4.3. Dureza de penetração............................................................................................ 18
2.4.4. Escala Brinell.......................................................................................................... 19
2.4.5. Escala Vickers e Knoop.................................................................................... 20
2.4.6. Escala Rockwell................................................................................................ 20
2.5. Tamanho de Grão......................................................................................................21
2.6. Microconstituintes do Aço.......................................................................................... 22
2.6.1. Ferrita................................................................................................................23
2.6.2. Austenita........................................................................................................... 23
2.6.3. Cementita..........................................................................................................24
2.6.4. Perlita................................................................................................................ 25
2.6.5. Martensita......................................................................................................... 25
2.6.6. Bainita............................................................................................................... 26
2.7. Diagrama Fe-C...........................................................................................................27
2.9. Curva TTT, CCT.........................................................................................................28
2.9.1. Curvas TTT....................................................................................................... 28
2.9.2. Curvas CCT/TRC.............................................................................................. 30
2.10. Tratamentos Térmicos do Aço................................................................................. 31
2.10.1. Recozimento................................................................................................... 31
2.10.1.1. Recozimento pleno.................................................................................31
2.10.1.2. Recozimento Intercrítico.........................................................................32
2.10.1.3. Recozimento Subcrítico......................................................................... 32
2.10.2. Normalização.................................................................................................. 32
2.10.3. Têmpera..........................................................................................................33
2.10.4. Revenido......................................................................................................... 33
2.11. Endurecimento Superficial....................................................................................... 33
2.11.1. Têmpera superficial.........................................................................................33
2.11.2. Cementação.................................................................................................... 34
3. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS.............................................................................. 34
3.1. Escolha do Material................................................................................................... 34
3.2. Ensaio de dureza....................................................................................................... 35
3.3. Preparação da Amostra............................................................................................. 36
3.3.1. Corte................................................................................................................. 36
3.3.2. Embutimento..................................................................................................... 37
3.3.3. Lixamento..........................................................................................................38
3.3.4. Polimento.......................................................................................................... 38
3.3.5. Ataque químico................................................................................................. 39
3.4. Análise macroscópica................................................................................................ 40
3.5. Análise microscópica................................................................................................. 40
3.6. Análise de inclusões.................................................................................................. 41
3.7. Análise do tamanho do grão...................................................................................... 42
3.8. Tratamentos térmicos................................................................................................ 42
3.8.1. Recozimento..................................................................................................... 42
3.8.2. Normalização.................................................................................................... 43
3.8.3. Têmpera............................................................................................................43
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES........................................................................................44
4.1. Análise da amostra Original.......................................................................................44
4.1.1. Análise da dureza............................................................................................. 44
4.1.2. Análise da microestrutura................................................................................. 45
4.1.2.1. Análise das Inclusões não Metálicas....................................................... 45
4.1.2.2. Análise dos Microconstituintes.................................................................47
4.2. Análise da amostra Recozida.................................................................................... 50
4.2.1. Análise da dureza............................................................................................. 50
4.2.2. Análise da microestrutura................................................................................. 50
4.2.3. Tamanho do grão.............................................................................................. 52
4.2.4. Análise percentual de carbono..........................................................................52
4.3. Análise da amostra resfriada ao ar............................................................................ 53
4.3.1. Análise da dureza............................................................................................. 53
4.3.2. Análise da microestrutura................................................................................. 54
4.3.3. Tamanho do grão.............................................................................................. 55
4.4. Análise da amostra resfriada em água...................................................................... 55
4.4.1. Análise da dureza............................................................................................. 55
4.4.2. Análise da microestrutura................................................................................. 56
4.5. Análise da amostra resfriada em óleo....................................................................... 58
4.5.1. Análise da dureza............................................................................................. 58
4.5.2. Análise da microestrutura................................................................................. 58
4.6. Espectroscopia de emissão óptica............................................................................ 61
4.7. Considerações finais..................................................................................................61
4.7.1. Interpretação de curvas e gráficos....................................................................63
4.7.2. Reengenharia....................................................................................................65
5. CONCLUSÕES...................................................................................................................67
1. INTRODUÇÃO
1.1. Justificativa
Com frequência, deparamo-nos com peças e componentes disponíveis no mercado
desprovidos de qualquer indicaçãoacerca do material que os constitui. Para elucidar tal
questão, podemos recorrer a distintas técnicas metalográficas. Assim sendo, neste estudo,
empreendemos ensaios de metalografia, testes de dureza e tratamentos térmicos, com o
propósito de, por meio da comparação e fundamentados na literatura existente, identificar o
material utilizado na fabricação do eixo de transmissão veicular.
Para além da análise metalográfica, que se ocupa da observação minuciosa da
microestrutura do aço, empreendemos uma série de tratamentos térmicos, os quais são: o
recozimento, a normalização, a têmpera em água e a têmpera em óleo. Tais procedimentos
visam estabelecer uma comparação entre a dureza do material original e a das amostras que
foram submetidas aos referidos tratamentos térmicos.
Através dessas análises, torna-se viável determinar a microestrutura, o teor de
carbono, as inclusões não-metálicas presentes, bem como identificar os tratamentos térmicos e
os processos mecânicos aos quais o material possa ter sido submetido durante sua fabricação.
1.2. Problema
Determinar de que material foi construído e se foram feitos tratamentos térmicos
durante a fabricação do eixo de transmissão do automóvel a ser estudado.
1.3. Objetivos
● Estudar a microestrutura de uma peça em aço e determinar o percentual de carbono,
inclusões, estrutura química presente, para assim, identificar o tipo de aço em questão;
● Analisar as características mecânicas inerentes do material, determinar o tipo de
tratamento térmico aplicado ao aço e realizar tratamentos térmicos comuns na
indústria;
● Aplicar conhecimentos teóricos adquiridos em aula.
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1. Os aços
A origem do aço remonta a milhares de anos, com seus primeiros indícios encontrados
na Idade do Ferro, por volta de 1200 a.C. O aço é uma liga composta principalmente de ferro
e carbono, e sua produção envolve a remoção de impurezas do ferro e a adição de uma
quantidade controlada de carbono, percentual este deve ser menor que 2,11%, acima disso,
entre 2,11% e 6,67% estão os denominados ferros fundidos (Colpaert, 2008). Conquanto, a
primeira classificação para um aço se dá pelo principal elemento ligado ao Ferro, assim, há
dois grandes grupos, os aço-carbono e os aços-liga
Os aços carbono configuram-se como ligas metálicas onde o ferro e o carbono
constituem os elementos predominantes, acompanhados de traços menores de outros
componentes. Ademais, a categorização dos aços carbono podem ser subdivididas em duas
formas. Pode-se caracterizá los pelo conteúdo de carbono presente na liga, subdividindo-se
em três principais classes: aço carbono de baixo teor (com até 0,30% de carbono), aço
carbono de médio teor (com teor entre 0,30% e 0,60% de carbono) e aço carbono de alto teor
(com teor variando entre 0,60% e 1,70% de carbono). Analogamente às fases que se
constituem durante o resfriamento controlado do material, os aços hipoeutetóides, com teor de
carbono inferior a 0,8%, distinguem-se pela presença de ferrita e perlita. Já os aços eutetóides,
que possuem exatamente 0,8% de carbono, exibem uma microestrutura integralmente
composta por perlita, a qual é uma combinação de ferrita e cementita. Por sua vez, os aços
hipereutetóides, com teor de carbono superior a 0,8%, manifestam uma microestrutura
caracterizada pela coexistência de perlita e cementita (Callister, 2007).
Os aços liga constituem-se como ligas metálicas predominantemente compostas por
ferro e carbono, entretanto, incorporam outros elementos em quantidades variáveis com o
intuito de aprimorar suas propriedades mecânicas e físicas. Elementos de liga, tais como
cromo, níquel, molibdênio, vanádio e tungstênio, são adicionados para conferir características
específicas, incluindo maior resistência, dureza, tenacidade, além de resistência ao desgaste e
à corrosão (Callister, 2007). Conforme a quantidade desses elementos de liga, os aços liga
podem ser classificados em aços de baixa liga e aços de alta liga.
2.2. Siderurgia
O processo de transformação do minério de ferro em aço nas siderúrgicas envolve
várias etapas essenciais. Primeiramente, o minério de ferro é extraído de minas e transportado
para usinas siderúrgicas, onde passa por um processo de beneficiamento para remover
impurezas e aumentar seu teor de ferro. Em seguida, o minério, mais comumente hematita
(Fe2O3) e magnetita (Fe3O4) (Mourão, 2007), são fundidos em altos-fornos junto com coque
(carvão mineral) e calcário, onde ocorre a redução do minério em ferro metálico através de
altas temperaturas.
𝐹𝑒2𝑂3 + 3𝐶→ 2𝐹𝑒 + 3𝐶𝑂
O ferro fundido resultante é então transferido para a aciaria, onde é convertido em aço.
Este processo pode ocorrer através de dois métodos principais: o processo básico de oxigênio
(BOF) ou o forno elétrico a arco (EAF). No BOF, o ferro fundido é refinado em aço por meio
da adição de oxigênio puro ou enriquecido, removendo impurezas como carbono e silício. No
EAF, sucata de aço e ferro-gusa são fundidos através de arcos elétricos para produzir aço de
alta qualidade.
Após a conversão, o aço é moldado em lingotes, placas ou bobinas, dependendo da
aplicação final. Em seguida, o aço é submetido a processos de acabamento como laminação a
quente ou a frio, têmpera e revenimento, galvanização ou revestimento para alcançar as
propriedades desejadas.
2.3. Metalografia
A metalografia constitui-se no estudo da estrutura interna e da composição dos metais
e suas ligas, mediante a utilização de técnicas avançadas de microscopia e outras modalidades
de análise. Este domínio científico engloba a preparação meticulosa das amostras metálicas,
processo que compreende o corte, lixamento, polimento e ataque químico, com o propósito de
desvelar a microestrutura do material. A microscopia óptica e eletrônica configuram-se como
instrumentos imprescindíveis para a observação dos intrincados detalhes da estrutura
metálica, permitindo a identificação de grãos, fases, inclusões e defeitos, os quais exercem
influência determinante sobre as propriedades mecânicas e físicas dos metais.
Mediante a metalografia, torna-se viável compreender de que maneira a composição
química e o processamento dos metais influenciam suas características e comportamentos.
Para tal propósito, é imperativo retirar uma amostra do material em análise, realizar os cortes
necessários para investigações específicas, embutir, lixar e polir essas amostras. Em virtude
desses procedimentos, a análise metalográfica é classificada como um exame destrutivo, pois
inviabiliza a reutilização da peça submetida ao estudo.
As inclusões manifestam-se visivelmente logo após o processo de polimento, ao passo
que a microestrutura somente se torna discernível após a aplicação de ataque químico,
usualmente com Nital a 2%. Tanto a microestrutura quanto as inclusões são examinadas
mediante microscópios ópticos, com ampliações de 100X, 200X, 500X e até 1000X,
dependendo dos objetivos da análise.
2.3.1. Seleção de Amostras
A definição da amostra pode ser realizada pelo solicitante do ensaio ou seguir a norma
técnica relevante para a análise. Na ausência de uma norma ou especificação fornecida pelo
contratante, é crucial considerar o formato da peça, as informações necessárias e as posições
de uso. Em peças com geometria regular, são normalmente feitos dois cortes planos: um
transversal e outro longitudinal ao eixo principal, cada qual revelando informações distintas.
A seção transversal do corte (Figura 1), destaca principalmente a natureza estrutural
do material, identificando microconstituintes, o teor de carbono, a homogeneidade da seção,
os tratamentos térmicos aplicados e suas profundidades, bem como a quantidade de inclusões
não metálicas.
O corte longitudinal (Figura 1), por sua vez, esclarece os processos de fabricação da
peça, indicando se ela passou por conformação a frio (com inclusões alongadas), a
quente/fundição (com inclusões globulares) ou forjamento. A seção longitudinal também évaliosa para detectar trincas e falhas, além de fornecer informações sobre a extensão dos
tratamentos térmicos aplicados.
Figura 1 - Procedimento de seccionamento da amostra (Colpaert, 2008).
2.3.2. Corte de Amostra
Frequentemente, torna-se imperativo seccionar o corpo de prova para facilitar a
manipulação experimental. A técnica do corte abrasivo tem sido amplamente preconizada,
substituindo com notória vantagem o corte a frio. Este método permite que o corpo de
amostra resulte em uma superfície plana de baixa rugosidade, além de oferecer maior
segurança, celeridade e eficiência.
O aparato utilizado para tal procedimento é o denominado “cut-off”, ou policorte, que
emprega discos abrasivos de Carbeto de Silício (SiC). Estes discos são intensamente
refrigerados, o que evita deformações decorrentes do aquecimento, e operam a baixas
rotações. Tal metodologia é vastamente empregada em laboratórios metalográficos, devido à
sua eficácia e precisão.
2.3.3. Embutimento
O embutimento consiste em circundar a amostra com um material adequado,
formando um corpo único. Neste viés, este processo é aplicado a fim de facilitar a
manipulação de peças pequenas, precaver a danificação da lixa ou do pano de polimento ou o
sujeito que está a manuseá-la, permitindo que a superfície da amostra seja planificada e polida
de maneira uniforme, revelando com clareza a estrutura interna do metal.
Conquanto, existem duas maneiras de realizar o embutimento. Na técnica a frio,
resinas líquidas auto-polimerizáveis são utilizadas, e esse processo pode levar de quinze
minutos a vinte e quatro horas. É um processo exotérmico que pode atingir até 120°C. Já na
técnica a quente, materiais termoplásticos são prensados sob temperaturas de até 200°C e
pressões de até 150 bar, com duração média de seis a trinta minutos.
2.3.4. Lixamento da Superfície
O processo de lixamento de amostras na metalografia é fundamental para preparar
superfícies planas e polidas que permitam uma análise microestrutural precisa dos materiais
metálicos. O controle rigoroso das etapas de lixamento é essencial para evitar distorções na
estrutura da amostra e garantir resultados metalográficos precisos e confiáveis.
Posteriormente, o processo de lixamento é iniciado seguindo uma sequência
estruturada de etapas com abrasivos de granulometria progressiva, o que é essencial para
obter uma superfície plana e uniforme na preparação de amostras para análise metalográfica.
Inicialmente, utiliza-se uma lixa de granulometria grossa, como 220 ou 320, aplicando-se uma
pressão moderada para remover imperfeições grosseiras e evitar o abaulamento da superfície
da amostra. Durante este estágio, é crucial o uso de água corrente para e remover os detritos
resultantes do processo abrasivo, seguindo um movimento unidirecional que garante a
orientação uniforme dos arranhões na direção do lixamento.
Após alcançar uma textura uniforme e alinhada dos arranhões na direção inicial do
lixamento, a amostra é então rotacionada em 90° e o procedimento é repetido com uma lixa
de granulometria mais fina, como 400, 600 e, finalmente, 1200. Este refinamento progressivo
das partículas abrasivas ajuda a reduzir ainda mais as irregularidades superficiais e prepara a
amostra para o estágio final de polimento. Essa abordagem metódica e controlada assegura
que a superfície da amostra mantenha sua integridade estrutural e que os resultados da análise
metalográfica sejam consistentes e precisos, conforme demonstrado esquematicamente na
Figura 2.
Figura 2 - Procedimento de lixamento da amostra (Notas de aula do prof. Marcelo Mabilde)
2.3.5. Polimento da Amostra
O processo de polimento é essencial para remover os riscos deixados pelas lixas
durante a preparação das amostras para análise metalográfica. Utilizam-se politrizes
automáticas onde é selecionado o tipo de pano ou prato metálico de polimento, ajustando a
velocidade de rotação geralmente entre de 300 a 500 rotações por minuto (rpm). Cada tipo de
pano possui uma precisão específica e requer o uso de lubrificantes adequados, sendo crucial
verificar se não há danos no pano e realizar a limpeza com água ou álcool antes do início do
polimento. Neste trabalho, foi utilizado um pano de polimento com partículas de alumina de
aproximadamente 3 micrômetros de precisão, lubrificado com água.
Após o polimento, a amostra é imediatamente lavada em água corrente e seca com
algodão e jato de ar quente para evitar a corrosão localizada. Esse processo meticuloso
assegura que a superfície da amostra mantenha sua integridade e preparação adequada para
análise detalhada da microestrutura metalográfica.
2.3.6. Ataque Químico
O processo de ataque químico representa a etapa final na preparação de amostras para
análise metalográfica, essencial para revelar detalhes da microestrutura do material em estudo.
Durante esta fase, um reagente químico como o Nital 2% — uma solução composta por 2%
de ácido nítrico e 98% de álcool etílico — é aplicado para corroer seletivamente os contornos
do grão na superfície da amostra. Isso cria uma textura fosca que elimina reflexos de luz no
microscópio, facilitando a observação das características estruturais.
A seleção do reagente adequado depende do tipo de material e da macroestrutura que
se deseja destacar. O controle preciso do tempo de exposição ao reagente é crucial, já que um
período excessivo pode resultar na formação de óxidos que obscurecem a estrutura, enquanto
um tempo insuficiente não revela adequadamente os contornos do grão. Um ataque químico
eficaz produz uma superfície fosca, sem brilho excessivo, com contornos de grão bem
definidos. Após o processo, a amostra deve ser imediatamente neutralizada em água para
interromper a ação do reagente e, em seguida, seca cuidadosamente com jato de ar quente e
algodão. É essencial evitar o contato direto com a amostra após o polimento e o ataque, pois a
presença de oleosidade nas mãos pode causar corrosão localizada, comprometendo os
resultados da análise metalográfica.
2.3.7. Análise Microscópica
Após a preparação meticulosa e precisa da amostra, procede-se à observação
microscópica, etapa central na prática metalográfica e a culminação dos passos anteriores.
Esta fase é crucial para analisar detalhadamente as fases constituintes do material, geralmente
com ampliações que variam de 50X a 2000X. Através da microscopia, é possível examinar a
estrutura interna do material, identificar diferentes fases, inclusões, defeitos e avaliar a
distribuição dos constituintes.
2.3.8. Análise de Inclusões
Devido à complexidade do processo de manufatura dos aços, é frequentemente
observada a presença de substâncias alheias à matriz ferro-carbono, caracterizadas como
impurezas que exercem um impacto substancial nas propriedades mecânicas e térmicas dos
materiais. Segundo Callister (2007), tais impurezas podem originar-se de diversas fontes,
como arraste de materiais refratários dos fornos devido à corrosão pelo ferro fundido,
precipitação de sulfetos e óxidos durante a solidificação do metal, ou a adição de elementos
de liga com baixa solubilidade. A existência dessas impurezas, tais como fósforo, enxofre,
silício, manganês, alumínio e outros ametais, resulta na formação de óxidos e precipitados
como MnS, FeS, SiO₂, Al₂O₃.
A qualidade do aço está intrinsecamente ligada às inclusões presentes, as quais podem
alterar significativamente suas propriedades. Como definido por Dieter (1986), em certos
casos, as inclusões são intencionalmente introduzidas para aumentar a dureza e resistência
mecânica, mas também podem ocasionar fragilização devido à concentração de tensões
internas, além de dificultar o crescimento dos grãos. As inclusões não-metálicas são
visualizadas sob um microscópio com aumento de 100X após o polimento e antes do ataque
químico, geralmente apresentando-se em forma circular. Em aços submetidos a processos de
conformação mecânica a frio, as inclusões tendem a se alongar na direção da deformação,fenômeno observável em cortes transversais.
Existem diversas classificações para as inclusões, sendo a mais difundida aquela
proposta pela Jernkontoret (Associação dos Siderurgistas Suecos), conforme detalhado por
Llewellyn (1992), que categoriza as inclusões em quatro principais classes: tipo A
(sulfuretos), tipo B (aluminas), tipo C (silicatos) e tipo D (óxidos globulares). Cada classe é
subdividida em cinco grupos com base na quantidade de inclusões por unidade de superfície,
e cada grupo é classificado também de acordo com a espessura das inclusões, totalizando
assim 40 classificações. Essas categorias são comparadas por meio de tabelas específicas,
analisadas com um aumento de 100X, para determinar o impacto das inclusões na qualidade e
desempenho do material.
Figura 3 -Classificação das inclusões segundo Jernkontoret. (Notas de aula do prof. Marcelo Mabilde)
2.4. Dureza
A dureza de um material é a sua capacidade de resistir à deformação permanente, seja
por riscos, abrasão ou indentação. Esse conceito é fundamental na ciência dos materiais e na
engenharia, pois determina a resistência do material a forças aplicadas. Segundo Callister, "a
dureza é uma medida da resistência de um material a uma penetração localizada" (Callister,
2007). Já a ASM International define a dureza como "a resistência de um material à
deformação permanente causada por uma carga compressiva" (ASM International, 2015).
2.4.1. Dureza de risco, escala Mohs
A dureza de risco Mohs é uma escala qualitativa que classifica a resistência de
minerais ao risco, indo de 1 (mais macio) a 10 (mais duro), conforme a Figura 4.
Desenvolvida por Friedrich Mohs em 1812, essa escala é baseada na capacidade de um
material riscar outro. Um exemplo clássico é o talco, com dureza 1, que é facilmente riscado
por todos os outros materiais, enquanto o diamante, com dureza 10, risca todos os outros
materiais da escala (Callister, 2007).
Tabela 1 - Tabela da escala de Mohs (Notas de aula do prof. Marcelo Mabilde)
2.4.2. Dureza de impacto, escala Shore
O teste de dureza de impacto Shore mede a resistência de um material à penetração
usando um durômetro Shore, que consiste em um indentador carregado por uma mola. O
procedimento envolve pressionar o indenter contra a superfície do material e medir a
profundidade de penetração, que é convertida em uma escala numérica (Shore A para
materiais mais macios como borracha e plásticos, e Shore D para materiais mais duros)
(Callister, 2007). A dureza Shore é inversamente proporcional à profundidade da penetração:
quanto menor a penetração, maior a dureza. Este teste é amplamente utilizado para avaliar a
dureza de elastômeros, plásticos e outros materiais flexíveis.
2.4.3. Dureza de penetração
A dureza de penetração refere-se à resistência de um material à deformação
permanente sob a aplicação de uma carga concentrada. Segundo Callister, "a dureza de
penetração é medida pressionando-se um penetrador de forma específica contra a superfície
Dureza Mineral Fórmula Química
1 Talco Mg3Si4O10(OH)2
2 Gipsita CaSO4.2H2O
3 Calcita CaCO3
4 Fluorita CaF2
5 Apatita Ca5(PO4)3(OH,F,Cl)
6 Ortoclásio KAlSi3O8
7 Quartzo SiO2
8 Topázio Al2SiO4(F,OH)2
9 Coríndon Al2O 3
10 Diamante C
do material sob uma carga definida" (Callister, 2007). As principais classificações incluem a
dureza Brinell, que usa uma esfera de aço; a dureza Rockwell, que usa um cone de diamante
ou uma esfera de aço; e a dureza Vickers, que utiliza uma pirâmide de diamante. Cada método
possui suas particularidades e é escolhido com base nas propriedades específicas do material e
na precisão requerida para a aplicação, tendo suas conversões de valores baseadas na Figura
5.
Figura 4 - Correlação entre as escalas de dureza (Notas de aula do prof. Marcelo Mabilde)
2.4.4. Escala Brinell
Os ensaios de dureza Brinell utilizam um penetrador esférico, geralmente feito de aço
endurecido ou carboneto de tungstênio com 10 mm de diâmetro, que é pressionado contra a
superfície do material sob cargas que variam entre 500 e 3000 kg. Durante o teste, a carga é
mantida constante por um período de 10 a 30 segundos. Após a aplicação da carga, a
impressão deixada pelo penetrador é medida usando um microscópio de baixa potência com
uma escala graduada. O diâmetro da impressão é então convertido em um valor de dureza
Brinell (HB) usando um gráfico apropriado. Este método é vantajoso devido à simplicidade
da técnica que utiliza apenas uma escala para diferentes materiais (Callister, 2007).
Para garantir precisão nos resultados, o método Brinell requer que a superfície do
corpo de prova seja lisa e plana. As exigências de espessura mínima do corpo de prova, bem
como o espaçamento adequado das impressões, são semelhantes às dos ensaios Rockwell.
Essa técnica é amplamente utilizada para medir a dureza de materiais com estruturas
heterogêneas ou grandes grãos, proporcionando uma avaliação confiável e uniforme. As
especificações rigorosas para a definição da impressão asseguram que os valores obtidos
sejam consistentes e precisos, tornando o método Brinell uma escolha popular nas indústrias
(Callister, 2007).
2.4.5. Escala Vickers e Knoop
Os ensaios Knoop e Vickers utilizam penetradores de diamante para medir a dureza de
materiais. O método Knoop aplica cargas de 1 a 1000 g, resultando em uma impressão
alongada, ideal para materiais frágeis e cerâmicos. A dureza é determinada pela relação entre
a carga e a área da impressão medida sob microscópio (Callister, 2007).
No método Vickers, um penetrador piramidal de diamante é utilizado, também com
cargas de 1 a 1000 g, criando uma impressão quadrada. A dureza Vickers é calculada pela
medição da diagonal da impressão. Este método é amplamente usado para materiais metálicos
devido à sua precisão e versatilidade. As durezas são indicadas pelos números HK e HV,
respectivamente, para Knoop e Vickers (Callister, 2007).
2.4.6. Escala Rockwell
Os ensaios Rockwell são amplamente utilizados para medir a dureza de materiais
devido à sua simplicidade, rapidez e precisão. Este método utiliza diferentes tipos de
penetradores, como esferas de aço e pontas de diamante, aplicando cargas que variam da
manor carga de 10 kg e de 60, 100 e 150 kg. A dureza é determinada pela profundidade da
penetração resultante de uma carga inicial menor seguida por uma carga principal maior. Esta
técnica permite uma avaliação rápida e eficiente da resistência superficial de diversos
materiais (Callister, 2007).
Figura 5 - Escala de dureza Rockwell (Callister, 2007).
Ao especificar durezas Rockwell, o símbolo da escala deve ser incluído junto com o
valor numérico da dureza. Por exemplo, "80 HRB" indica uma dureza de 80 na escala
Rockwell B. Isso é essencial para garantir clareza e precisão na comunicação das
propriedades do material (Callister, 2007).
Figura 6 - Escala de dureza e formas de indentação (Callister, 2007).
2.5. Tamanho de Grão
As propriedades mecânicas dos aços dependem do tamanho de grão, sendo este uma
medida crucial na metalografia quantitativa. As metodologias mais comuns incluem a
interseção linear média (em três dimensões) e o tamanho de grão ASTM, calculado a partir
dessa interseção. A interseção linear média é o valor da corda média gerada pela interseção
dos grãos com linhas de teste em diferentes orientações na amostra. Esta medida está
diretamente relacionada à área total da interface entre grãos e, numa estrutura monofásica, ao
inverso do número médio de interseções por comprimento unitário de linha de teste (Colpaert,
2008).
A avaliação do tamanho de grão também pode ser feita por comparação de imagens do
material com cartas-padrão, ver Figura 8, embora esta técnica seja mais subjetiva e suscetível
a erros. O tamanho do grão ASTM é definido pelo número G, obtido através de uma equação
que relaciona o número de grãos por polegada quadrada. Há diversos métodos para medir o
número de grãos por unidade de área em uma seção de uma amostra metalográfica,incluindo
métodos planimétricos e de interseção (Colpaert, 2008).
Figura 7 - Tamanho dos tamanhos de grão conforme a ASTM (Colpaert, 2008).
Para garantir precisão, é importante utilizar uma linha de interseção orientada em
todas as direções. A norma ASTM E112 orienta sobre a representatividade dos tamanhos de
grão, destacando a necessidade de um tamanho mínimo de amostra para resultados
significativos. As técnicas permitem calcular a área média dos grãos interceptados pelo plano
amostral, evitando erros decorrentes da não secção dos grãos em suas maiores áreas (Colpaert,
2008).
2.6. Microconstituintes do Aço
Os microconstituintes são elementos da microestrutura de uma liga metálica que
possuem estruturas características e identificáveis (Callister, 2007). No caso do aço, o ferro
pode apresentar diferentes estruturas cristalinas (CCC e CFC) dependendo da temperatura,
influenciadas por elementos de liga que estabilizam uma ou outra estrutura e formam novas
fases. Exemplos de microconstituintes no aço incluem a fase alfa primária e a estrutura
eutética, que é uma mistura de duas fases com uma estrutura lamelar distinta. O conhecimento
dessas estruturas e suas transformações é fundamental para entender as propriedades do aço e
seu comportamento durante o processamento térmico (Colpaert, 2008).
2.6.1. Ferrita
Ferro puro, denominado ferro (alfa), é a estrutura hipoeutetóide cristalina (CCC).
Presente em aços com baixos teores de carbono, sendo estável a temperatura ambiente. Esses
aços, quando trabalhados a frio, alteram a forma dos grãos devido à deformação, resultando
em dureza relativamente baixa. Devido ao seu baixo teor de carbono, não formam cementita,
e frequentemente recebem adições de elementos como titânio ou nióbio para formar
carbonetos, nitretos e carbonitretos, que são pequenos o suficiente para não serem visíveis em
microscopia óptica. Este material é utilizado em aplicações que requerem deformabilidade,
como anéis de vedação metal-metal na indústria do petróleo, devido a sua baixa dureza
(Colpaert, 2008).
Figura 8 - Microestrutura de ferrita (Colpaert, 2008).
2.6.2. Austenita
A austenita é uma fase de estrutura CFC (cúbica de face centrada) formada quando a
ferrita em aços Fe-C é aquecida a temperaturas elevadas. Esta fase é estável a altas
temperaturas e pode ser observada em microscópios capazes de operar nessas condições. A
formação da austenita a partir da ferrita ocorre com a redistribuição de carbono, embora em
aços de baixo teor de carbono essa redistribuição seja mínima e não atrase a transformação.
Técnicas metalográficas podem ser usadas para revelar os contornos de grão da austenita que
existiam antes da transformação do material (Figura 10), permitindo a análise detalhada das
microestruturas presentes (Colpaert, 2008).
Figura 9 - Microestrutura de austenita (Colpaert, 2008).
2.6.3. Cementita
A cementita, ou carboneto de ferro (Fe₃C), é um composto que aparece na estrutura do
aço quando a solubilidade do carbono na ferrita é excedida. Em aços hipereutetóides, ela se
forma de maneira contínua e clara, contendo 6,67% de carbono. Este componente é
caracterizado por sua dureza, fragilidade e quebradiço, além de ser ferromagnético abaixo de
212°C. Em aços de baixo teor de carbono usados para conformação, a cementita geralmente
se distribui como uma segunda fase dispersa ao longo do produto. É crucial que os
tratamentos térmicos favoreçam a precipitação da cementita, removendo o carbono da solução
para melhorar a formabilidade do aço. Durante o tratamento térmico, as partículas de
cementita nucleiam em heterogeneidades estruturais e crescem pela difusão de carbono. A
formação e crescimento da cementita requerem uma movimentação significativa de carbono
no aço (Colpaert, 2008).
2.6.4. Perlita
A perlita é uma microestrutura formada em aços contendo teores de carbono
significativos quando resfriados do campo da austenita para temperaturas abaixo do ponto
eutetóide (723 °C). Ela consiste em um equilíbrio entre ferrita e cementita, apresentando-se
como camadas alternadas dessas fases. Devido à diferença de composição química entre
ferrita e cementita, há uma significativa redistribuição de carbono durante a formação da
perlita. Este processo resulta em placas ou lamelas paralelas das duas fases, com o
crescimento cooperativo facilitado pela nucleação de cementita. A morfologia da perlita pode
variar com a velocidade de resfriamento: resfriamento lento produz perlita com maiores
espaçamentos interlamelares, enquanto resfriamento rápido resulta em perlita mais fina. Esta
transformação é essencial para ajustar as propriedades mecânicas do aço, influenciando sua
dureza e ductilidade (Colpaert, 2008).
Figura 10 - Microestrutura de perlita (Colpaert, 2008).
2.6.5. Martensita
A martensita é a fase mais dura presente em um aço e se forma durante o resfriamento
rápido da austenita, um processo conhecido como têmpera. Quando o aço é aquecido até a
temperatura de austenitização, a austenita se torna supersaturada de carbono, já que não
ocorre separação entre ferrita e cementita. No resfriamento brusco, o carbono solubilizado na
austenita não se liga ao ferro, resultando na formação de uma fase tetragonal de corpo
centrado, conhecida como martensita. Esta transformação ocorre sem a necessidade de
difusão atômica significativa, reorganizando a estrutura cristalina da austenita em uma
configuração de martensita, que apresenta uma morfologia de agulhas finas e pontiagudas,
criando muitas tensões internas (Colpaert, 2008).
A martensita, formada diretamente do resfriamento do ferro gama, possui alta dureza
devido à sua estrutura altamente distorcida e tensão interna. No entanto, essa alta dureza e a
presença de tensões internas podem prejudicar a resistência geral do aço. Para aliviar essas
tensões e melhorar as propriedades mecânicas, um segundo tratamento térmico de revenido é
aplicado. Este tratamento ajusta a dureza e a tenacidade, proporcionando um equilíbrio entre
resistência e ductilidade no aço (Colpaert, 2008).
Figura 11 - Microestrutura de martensita (Colpaert, 2008).
Figura 12 - Microestrutura de martensítica com carbonetos esferoidizados (Colpaert, 2008).
2.6.6. Bainita
A bainita é um microconstituinte intermediário formado em aços quando a
transformação eutetóide ocorre em uma faixa de temperatura entre a formação da perlita
(aproximadamente 550-720 °C) e a transformação martensítica. Identificada pelos estudos de
Davenport e Bain, a bainita é constituída por agregados de ferrita e cementita, apresentando
características distintas em comparação à perlita e à martensita. A bainita se forma através de
mecanismos de nucleação e crescimento cooperativo, resultando em estruturas de placas ou
lamelas finas, dependendo das condições de resfriamento. A distinção entre bainita e
martensita pode ser desafiadora usando microscopia óptica, pois ambas estão no limite de
resolução técnica. No entanto, a bainita é geralmente menos fina que a martensita e possui
uma morfologia específica. A ausência de cementita na bainita pode resultar na classificação
de alguns constituintes intermediários como "ferritas bainíticas" (Colpaert, 2008).
Figura 12 - Microestrutura de bainita (Colpaert, 2008).
2.7. Diagrama Fe-C
O diagrama de fases ferro-carbono é uma ferramenta crucial para representar as
relações estáveis entre as fases em ligas ferro-carbono. Ele mostra quais fases estão presentes,
suas proporções relativas e como estão arranjadas. A microestrutura de uma liga
ferro-carbono é influenciada pelos elementos de liga presentes, suas concentrações e o
tratamento térmico aplicado. Este diagrama ajuda a entender a formação de fases como a
ferrita, austenita e cementita, e suas transformações sob diferentes condições de temperatura e
composição (Callister, 2007).
No diagrama ferro-carbono, as principais fases são ferrita (α), austenita (γ) e cementita
(Fe₃C). Ligas ferrosas são classificadas em ferros,aços e ferros fundidos com base no teor de
carbono. A reação eutetóide, onde a austenita se transforma em ferrita e cementita a 727°C,
resulta na formação de perlita, uma microestrutura com camadas alternadas de ferrita e
cementita. Ligas hipoeutetóides (menos de 0,76% C) contêm ferrita proeutetóide e perlita,
enquanto ligas hipereutetóides (mais de 0,76% C) possuem cementita proeutetóide e perlita.
As frações mássicas dessas fases podem ser calculadas pela regra da alavanca (Callister,
2007).
Figura 13 - Diagrama de fases Fe-C (Colpaert, 2008).
2.8. Espectroscopia de emissão óptica
A espectroscopia de emissão óptica (OES, Optical Emission Spectroscopy) é uma
técnica analítica usada para determinar a composição elementar de uma amostra. O princípio
básico da OES envolve a excitação dos átomos ou íons presentes na amostra, que emitem luz
em comprimentos de onda característicos quando retornam a estados de menor energia. Essa
luz emitida é dispersada em um espectrômetro, onde diferentes comprimentos de onda são
separados e detectados. A intensidade das linhas espectrais resultantes é proporcional à
concentração dos elementos na amostra, permitindo a sua quantificação. De acordo com
Bings (2006), a OES é amplamente utilizada devido à sua alta sensibilidade e capacidade de
análise multielementar rápida.
2.9. Curva TTT, CCT
2.9.1. Curvas TTT
Os diagramas TTT ("tempo-temperatura e transformação"), demonstram as
transformações isotérmicas através de curvas de início e fim para uma determinada
temperatura e tempo, são de extrema importância para se entender o que ocorre com ligas de
aço em temperaturas elevadas. Estes diagramas são precisos para transformações nas quais a
temperatura da liga é mantida constante ao longo de toda a duração da reação.
Figura 14 - Diagrama TTT para aço SAE/AISI 4340 (Atkins, 1977)
Para a sua correta aplicação é necessário sabermos as condições de resfriamento da
peça, a composição química e a velocidade de resfriamento, com base nesses dados é possível
determinar a estrutura final do material.
2.9.2. Curvas CCT/TRC
Apesar da relevância das curvas TTT na área industrial, a maioria dos tratamentos
térmicos empregados em aços utilizam resfriamento contínuo e não isotérmico. Assim sendo,
é fundamental compreender o impacto da velocidade de resfriamento na austenita, daí surgiu
a necessidade da criação das curvas CCT (continuous cooling transformation) para taxas de
resfriamento constantes.
Figura 15 - Diagrama CCT para aço SAE/AISI 4340 (Atkins, 1977)
Do ponto de vista prático, as transformações que mais interessam são as que se
verificam quando a temperatura decresce continuamente. As curvas de resfriamento contínuo
são, normalmente, deslocadas para a direita e para baixo em relação às curvas isotérmicas. A
Figura 16 apresenta a curva CCT para um aço SAE/AISI 4340. A partir do diagrama é
possível correlacionar taxa de resfriamento, microconstituintes formados e dureza obtida para
resfriamentos realizados ao ar, em água e em óleo.
2.10. Tratamentos Térmicos do Aço
O tratamento térmico do aço consiste em submeter o material a temperaturas
controladas, seguido por resfriamento em diferentes condições, com o objetivo de aprimorar
ou modificar suas propriedades mecânicas, por meio de mudanças em sua estrutura que
podem causar transformações microestruturais que envolvem rearranjo de átomos. A alteração
das características mecânicas de um material resultam em mudanças de fase. Os tipos mais
comuns de tratamentos térmicos são recozimento, normalização, têmpera e revenido.
2.10.1. Recozimento
Consiste em aquecer o aço até uma temperatura acima ou dentro da sua zona crítica e
em seguida a realização de um resfriamento lento, tem por finalidade “apagar” qualquer tipo
de estrutura resultante de tratamentos térmicos ou mecânicos anteriormente realizados ao
material, aliviar as tensões internas, uniformizar o tamanho do grão e reduzir a dureza. Há três
processos diferentes para recozer uma amostra de aço, o recozimento pleno, intercrítico e
subcrítico.
2.10.1.1. Recozimento pleno
O recozimento pleno consiste em elevar o material a uma temperatura acima da linha
A1 para hipoeutetóides ou entre A3 e Acm para hipereutetóides e mantido por um
determinado tempo para encharcamento térmico da peça, geralmente este tempo é definido
como 1,5 minutos por milímetro da menor dimensão, em caso de aço ligados este tempo
dobra. Após a peça permanecer pelo tempo necessário na zona crítica, o resfriamento é feito
de forma lenta, dentro do próprio forno, para que as fases resultantes sejam apenas ferrita,
perlita e cementita. Assim, um aço recozido apresenta baixa dureza e uma maior tensão de
escoamento e tenacidade.
2.10.1.2. Recozimento Intercrítico
O recozimento intercrítico, também denominado esferoidização, globulização ou de
coalescimento, consiste em alternar sucessivamente a temperatura do aço acima e abaixo da
linha A1, usualmente é utilizado em aços de alto carbono. Este tratamento visa esferoidizar a
cementita presente na estrutura do aço, como a cementita é a fase mais dura e quebradiça, o
resultado final da globulização é um aço mais dúctil, de melhor usinabilidade, como visto na
Figura 17.
Figura 16 - Aço AISI 52100 esferoidizado (Colpaert, 2008).
O recozimento inadequado do aço hipereutetóide pode resultar em uma microestrutura
que não atingiu a esferoidização completa dos carbonetos. Durante o tratamento térmico, a
cementita começou a esferoidizar-se, mas não houve tempo ou temperatura suficiente para
finalizar o processo. Como consequência, a microestrutura apresenta uma matriz de ferrita
com uma combinação de lamelas de cementita e glóbulos esferoidizados, refletindo a natureza
incompleta do tratamento térmico. Esta estrutura mista indica que o recozimento não foi
eficaz para alcançar a esferoidização total, como visto na Figura 18.
Figura 17 - Aço hipereutetoide com matriz de ferrita e cementita parcialmente esferoidizada. (Colpaert, 2008)
2.10.1.3. Recozimento Subcrítico
O recozimento subcrítico é realizado para reduzir tensões provenientes de processos de
usinagem ou de conformação/deformação. Esse tipo de recozimento não acarreta na mudança
de fase, pois todo o processo é realizado abaixo da temperatura crítica do material (727°C).
2.10.2. Normalização
A normalização é um tratamento térmico que consiste em aquecer o aço a uma
temperatura superior ao do recozimento, até a completa austenitização da estrutura, seguido
de um lento resfriamento ao ar. É comumente empregada em homogeneização de
microestruturas de peças fundidas, forjadas, laminadas ou submetidas a outros tratamentos
térmicos. Tem por objetivo diminuir o tamanho médio dos grãos, o refino das lamelas de
perlita, alívio de tensões, melhorar a usinabilidade, promover uma maior resistência à tração e
maior dureza, menor ductilidade e alongamento.
2.10.3. Têmpera
É um tratamento que visa a formação de martensita a fim de aumentar a dureza e a
resistência mecânica do aço. O processo consiste em aquecer o material até sua temperatura
de austenitização e logo em seguida causar seu resfriamento rápido para que o carbono não se
desassocie da austenita estabilizando-se, então, em martensita. O sucesso deste tratamento
térmico depende de alguns fatores como, composição da liga, tipo e natureza do meio de
resfriamento e do tamanho e geometria da amostra. O resfriamento brusco pode ser feito por
imersão da peça em água, óleo, ou ao ar livre, dependendo da temperabilidade da peça. A
peça após a finalização do processo adquire características como alta dureza e resistência à
tração, baixa ductilidade e elevada fragilidade.
2.10.4. Revenido
O revenimento é um processo de tratamento térmico realizado com a finalidade de
aliviar tensões internas da peça e reduzir a dureza e a fragilidade do aço ajustando a
resistência mecânica e a tenacidade de acordo com a aplicação do aço. A peça é aquecida e
mantida a certa temperatura quevaria entre 150 a 700°C, abaixo da considerada crítica, e após
resfriada lentamente ao ar. A temperatura do processo é importante pois está diretamente
ligada a dureza que o material vai assumir após o processo, já que o revenimento reduz a
dureza original atingida na têmpera.
2.11. Endurecimento Superficial
Os processos de endurecimento superficial tem por finalidade melhorar a resistência
ao desgaste de uma peça sem alterar a estrutura interna do material. Em muitas aplicações
mecânicas o endurecimento total de um componente não é interessante, seja por custos ou por
dificuldade na fabricação. É comumente utilizada em componentes mecânicos suscetíveis a
desgaste tais como eixo, engrenagens, cremalheiras e etc. Abaixo são apresentados os dois
tipos mais comuns e usuais de métodos para endurecimento superficial.
2.11.1. Têmpera superficial
Neste processo apenas a camada de superfície da peça é aquecida, por meio de indução
ou por chama, e é resfriada rapidamente, o endurecimento se dá pela formação de martensita
na superfície do aço.A formação da martensita depende diretamente da sua tetragonalidade ,
sendo assim para que se obtenha um resultado satisfatório os aços devem ter um teor de
carbono de no mínimo 0,4%. Em geral há necessidade de revenido que é feito em
temperaturas mais baixas que a da têmpera normal. .
A têmpera superficial garante a peça, superfícies de alta dureza e resistentes ao
desgaste, resistência à fadiga por dobramento, capacidade de resistir a cargas de contato além
de reduzir o risco de aparecimento de fissuras no resfriamento
2.11.2. Cementação
A cementação tem por finalidade aumentar o teor de carbono e a dureza superficial de
uma peça sem modificar a ductilidade de seu núcleo, por meio da difusão de carbono na
superfície da peça. É indicada para aços ligados com baixo teor de carbono (0,15 a 0,25%),
garantindo ao final uma camada cementada de 1mm de profundidade e 0,8% C, granulometria
fina tanto superficial quanto no núcleo. Após sua execução é necessário realizar a têmpera e
revenimento para então alcançar uma dureza final entre 63 a 65 HRC.
A cementação garante à peça alta resistência à tração, alta dureza e alta resistência ao
desgaste na superfície. É comumente utilizada na fabricação de engrenagens, pistas de
mancais de rolamentos, eixos e peças guias, pinos e similares.
3. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS
A seguir, serão exemplificados os procedimentos preconizados e subsequentes que
transcorrem o presente projeto de pesquisa.
3.1. Escolha do Material
Ademais, para a realização de uma análise metalográfica de um aço, é essencial
selecionar um componente de aço com alta dureza, aumentando assim a probabilidade de o
material ter sido submetido a tratamento térmico. Optou-se pela escolha de um semi-eixo
automotivo, uma vez que este é um componente submetido a elevadas solicitações mecânicas,
justificando a necessidade de tratamentos térmicos.
Figura 18 - Eixo de transmissão automotivo analisado (Próprio autor, 2024).
3.2. Ensaio de dureza
Antes do processo de embutimento, foi realizado um teste de dureza em cada amostra.
Esse teste emprega um durômetro na escala apropriada, com dois tipos de equipamentos
disponíveis: o durômetro Rockwell C e o Rockwell B (Figura 19). O procedimento do teste
envolve três etapas principais: aplicação da pré-carga, aplicação da carga total e remoção da
carga. A ponta indentadora mede a dureza com base na profundidade da penetração. O valor
da dureza é exibido no mostrador do aparelho.
Alguns cuidados básicos devem ser realizados antes do ensaio para garantir a correção
dos resultados:
● A peça deve estar lisa e livre de oxidações
● A peça deve estar paralela à base do equipamento
● O equipamento deve estar calibrado com os padrões de medida.
Realizaram-se medições de dureza tanto no centro quanto na periferia das peças, com
três testes em cada área. Se a variação entre as medições em uma região fosse superior a 1,
realizavam-se mais duas medições, totalizando cinco testes na mesma área. Esse método
busca minimizar possíveis erros de medição. Primeiramente, utilizou-se a escala Rockwell C.
Amostras que exibiram valores de dureza inferiores a 20 foram submetidas ao teste na escala
Rockwell B.
Figura 19 - Durômetro realizando o teste de dureza na escala HRC (Próprio autor, 2024).
3.3. Preparação da Amostra
Subsequentemente, após os ensaios de dureza do material, a amostra foi preparada
para o ensaio de metalografia, seguindo rigorosamente a seguinte série de etapas.
3.3.1. Corte
A amostra foi seccionada utilizando uma máquina de corte abrasivo para examinar
tanto a seção transversal quanto a longitudinal do material (Figura 20). O equipamento
utilizado é equipado com um sistema de resfriamento à água, crucial para evitar o
aquecimento da peça e a consequente alteração de suas propriedades e microestrutura.
Figura 20 - Seccionamento da amostra (Próprio autor, 2024).
3.3.2. Embutimento
A etapa de embutimento em baquelite foi conduzida utilizando a máquina Struers
Citopress-15. Nesse processo, a peça foi posicionada na embutidora na orientação desejada
para observação, seguida da adição de baquelite granulada, uma resina utilizada para trabalho
a quente. O embutimento foi realizado sob uma pressão constante de aproximadamente 2000
psi, garantindo a correta fixação da amostra.
Figura 21 - Embutidora Struers Citopress-15 (Próprio autor, 2024)
3.3.3. Lixamento
O próximo passo foi realizar o lixamento na peça para tornar a superfície a ser
analisada o mais uniforme possível e prepará-la para o polimento. Utilizou-se lixas 220, 320,
400, 600 e 1000, rotacionando a peça em, 90 graus a cada lixa diferente. Foi orientado que o
lixamento fosse realizado até que houvesse apenas riscos no sentido em que se lixava,
apagando todos os riscos do lixamento anterior. Observa-se o processo na Figura 22.
Figura 22 - Processo de lixamento da amostra (Próprio autor, 2024)
3.3.4. Polimento
Visando finalizar a preparação da superfície e deixar a amostra pronta para o ataque
químico, foi realizado o polimento. Utilizou-se uma politriz ajustada em aproximadamente
500 RPM. Foi adicionada uma solução de alumina sobre o disco de feltro, visível em cor
verde na Figura 23. O polimento foi realizado com movimentos circulares opostos ao sentido
de rotação da máquina, mantendo uma pressão constante sobre a amostra. Após o polimento,
limpou-se a amostra em água corrente para que fosse possível realizar a próxima etapa.
Figura 23 - Processo de polimento da amostra (Próprio autor, 2024)
3.3.5. Ataque químico
O ataque químico foi realizado com Nital 2%. Com um pouco de Nital 2% em um
prato de vidro, conforme Figura 24, emergiu-se a superfície da amostra por quatro segundos,
com cuidado para que a superfície não ficasse opaca demais, caso fosse deixada por mais
tempo. Imediatamente, ao remover a amostra do químico, a superfície foi limpa com um
algodão embebido em álcool. Após, o álcool evaporou, deixando a peça atacada, seca. Assim,
a amostra estava pronta para ser analisada em microscópio.
Figura 24 - Recipiente com Nital 2% (Próprio autor, 2024)
3.4. Análise macroscópica
Ao realizar a análise macroscópica, foi possível confirmar a presença de tratamento
térmico no fragmento de eixo de transmissão. Apesar da análise macroscópica de fato ter sido
realizada após o ataque químico, a fotografia que melhor ilustra a análise é a Figura 25, tirada
entre as etapas de lixamento e polimento, onde é possível perceber uma região mais escura
nas periferias dos fragmentos, revelando partes mais duras do aço, que, provavelmente,
passaram por tratamento térmico.
Figura 25 - Amostra original embutida, sem ataque químico, apresentando secção transversal e longitudinal
(Próprio autor, 2024)
3.5. Análise microscópica
Para as análises microscópicas das amostras foi utilizado o microscópio óptico Zeiss
(Figura 26) disponível no LACAR (Laboratório de Caracterização da UFRGS) . Todasas
amostras foram analisadas com ampliação de 100x e 1000x conforme a necessidade e
tamanho das estruturas analisadas.
Figura 26 - Análise microscópica no Microscópio óptico Zeiss - (os autores, 2024)
3.6. Análise de inclusões
A análise de inclusões foi realizada antes do ataque químico à amostra, com
ampliação de 100x, tanto no corte transversal quanto no longitudinal, as imagens colhidas
foram comparadas com a tabela de classificação das inclusões (Secção 2.3.8).
3.7. Análise do tamanho do grão
A análise do tamanho do grão é feita após o ataque químico com ampliação de 100x,
tanto no corte transversal quanto no corte longitudinal, e as imagens colhidas comparadas
com cartas-padrão (Secção 2.5).
3.8. Tratamentos térmicos
Visando a necessidade de buscar qual foi o tratamento térmico utilizado na fabricação
do componente mecânico testado, foram realizados os processos abaixo exemplificados a fim
de comparar os resultados obtidos com os colhidos da amostra original. Frisando que após
cada tratamento térmico as amostras foram submetidas a testes de dureza.
3.8.1. Recozimento
Devido ao resfriamento lento característico do processo de recozimento, esse
tratamento térmico foi conduzido pelo técnico do laboratório. A peça original foi dividida e
aquecida a uma temperatura de 900 ºC , durante uma hora, garantindo que o material fosse
aquecido acima da zona crítica para assegurar a completa austenitização. Após o
aquecimento, a peça foi resfriada lentamente dentro do forno para prevenir tensões internas.
Em seguida, realizou-se o lixamento para a remoção da carepa, seguido dos testes de dureza,
preparação da amostra para embutimento e subsequente análise metalográfica.
O resfriamento lento resulta na formação de perlita, que, quando atacada com Nital,
revela uma aparência escura no microscópio. Essa aparência escura contrasta com a aparência
clara da ferrita ou da cementita. Utilizando a porcentagem da área escura observada no
microscópio, é possível determinar o teor de carbono presente na peça. Com base nesse
percentual de carbono no aço, definimos a sua temperatura de austenitização, de acordo com o
diagrama de fases.
Na análise microscópica foi possível estimar o percentual de carbono da peça,
observando-se a porcentagem de área escura com uma ampliação de 1000x. O seguinte
cálculo foi utilizado para estimar o percentual de carbono:
%á𝑟𝑒𝑎 𝑒𝑠𝑐𝑢𝑟𝑎∗ 0,77 =%𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑜
Equação 01 - Percentual de carbono com base na área escura
Outra forma de estimar o teor de carbono, embora aproximada, foi comparar as
imagens de microestruturas das peças com aquelas presentes na bibliografia existente. Este
método possibilita verificar o percentual de carbono estimado conforme a relação mencionada
anteriormente.
3.8.2. Normalização
Para a realização do processo de normalização da amostra consideramos o teor de
carbono de 0,45%, calculado na etapa do recozimento, com base nesse dado foi utilizado o
diagrama Fe-C (Figura 13) para determinar que a temperatura do processo deveria ser de
aproximadamente 780°C.
No entanto, a amostra foi levada ao forno do laboratório pré-aquecido a 820°C por 15
minutos, e após foi resfriada ao ar. A divergência nas temperaturas do processo se deve ao
fato que o forno é compartilhado com outros grupos e a fim de atender a todos, a temperatura
foi elevada.
3.8.3. Têmpera
A têmpera foi realizada em duas amostras: uma resfriada em água e outra resfriada
em óleo. Os parâmetros de encharcamento utilizados foram os mesmos da normalização.
Realizou-se o processo de forma semelhante para as duas peças, após a retirada do
forno a amostra foi rapidamente mergulhada no líquido a temperatura ambiente sendo agitada
bruscamente a fim de facilitar a troca térmica.
Figura 27 - Processo de têmpera em água 27-a e em óleo 27-b (os autores, 2024)
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Nesta seção serão apresentados os resultados das análises da amostra realizadas em
laboratório. Além da amostra original, foram realizados processos de recozimento,
normalização, têmpera em óleo e têmpera em água. Cada um dos resultados das durezas e
análise de microestruturas serão expostos em seus respectivos subtópicos a seguir.
4.1. Análise da amostra Original
Primeiramente, foi realizada a coleta de dados com a amostra original para que a
análise desses dados sirva de base para comparação com os dados coletados da amostra após
passar por processos diferentes que podem alterar suas características físicas tais como dureza
e microestrutura.
4.1.1. Análise da dureza
Foram realizados ensaios sucessivos de dureza em três diferentes regiões da amostra.
Na superfície dos dentes, na lateral dos dentes e no centro. Os valores estão dispostos na
Tabela 2:
Medição Região
Dureza
HRC HRB Média Desvio Padrão
1 Superfície 43 -
52,9 5,25
2 Superfície 55 -
3 Superfície 58 -
4 Superfície 56 -
5 Superfície 52,6 -
6 Centro - 84,1
85,7 1,247 Centro - 87,1
8 Centro - 86,1
9 Lateral 59,5 -
59 1,1510 Lateral 57,4 -
11 Lateral 60,1 -
Tabela 2 - Dados de dureza da amostra original (os autores, 2024)
A superfície do dente apresentou dureza média de 52,9 HRC com desvio padrão de
5,25 HRC e a lateral do dente imprimiu dureza média 59,0 HRC, com desvio padrão de 1,15
HRC, valores considerados altos e indicando uma influência perceptível dos efeitos do
tratamento térmico. O centro, por sofrer menos os efeitos do tratamento térmico, imprimiu
valores de dureza inferiores, sendo 85,7 HRB com desvio padrão de 1,52 HRB.
Nota-se que o desvio padrão dos valores de dureza superficial do dente ficou
relativamente alto ao ser comparado com as demais medidas, essa diferença pode ser
explicada pois a superfície é pequena o que causa instabilidades nas medições.
4.1.2. Análise da microestrutura
4.1.2.1. Análise das Inclusões não Metálicas
Com o objetivo de se observar as inclusões não metálicas, a amostra foi levada ao
microscópio antes do ataque químico. Foram observadas as seções transversal e longitudinal
da amostra, conforme Figuras 28 e 29 abaixo.
Figura 28 -Amostra original com aumento de 100X (seção transversal no centro) (Próprios autores, 2024)
Figura 29 -Amostra original com aumento de 100X (seção longitudinal na lateral) (Próprios autores, 2024)
Analisando as Figuras 28 e 29 verifica-se a presença de inclusões no formato de
pontos, demonstrando visual parecido com óxido globular.
Em primeira análise, com o foco no perfil transversal da amostra, e comparando com a
Figura 3 (secção 2.3.8, percebe-se inclusões maiores e mais espaçadas caracterizando tipo
óxido globular de série grossa D3. Em segunda análise, para o perfil longitudinal, percebe-se
que os pontos ficam mais próximos e menores, caracterizando inclusões também do tipo
óxido globular, porém de série fina D5.
4.1.2.2. Análise dos Microconstituintes
A análise da microestrutura do aço na Figura 30 revela uma matriz de ferrita com
carbonetos precipitados, indicando que o aço foi provavelmente submetido a um processo de
esferoidização para melhorar a usinabilidade. Este tratamento térmico resulta na formação de
carbonetos esferoidizados, que são mais facilmente cortados durante a usinagem.
Figura 30 - Amostra original com ampliação de 1000X, corte transversal - centro, atacada com nital (Próprios
autores, 2024)
Comparando com as microestruturas observadas nas Figuras 16 e 17 da seção 2.10.1.2
deste trabalho, podemos concluir que a Figura 30 apresenta características semelhantes às da
imagem 16 (2.10.1.2), onde a esferoidização foi bem-sucedida, resultando em glóbulos de
cementita esferoidizada em uma matriz ferrítica. Na Figura 17, apesar da presença de lamelas
de cementita indicando uma esferoidização incompleta, a matriz de ferrita é ainda evidente.
Isso reforça a conclusão de que o aço na Figura 30 passou por um processo de esferoidização,
similar ao observado na Figura 16 (2.10.1.2), e difere da Figura 17 onde a esferoidização não
foi totalmente eficaz.
Foi então analisadaa região periférica da amostra, pois essa apresenta uma maior
dureza, com o intuito de identificar a diferença na microestrutura.
Figura 31 - Amostra original com ampliação de 1000X, corte transversal - lateral, atacada com nital (Próprios
autores, 2024)
Na lateral percebe-se de forma bem evidente uma estrutura de martensita com
carbonetos esferoidizados, tal estrutura pode ser comprovada pela Figura 12. Essa estrutura
condiz com a dureza encontrada e nos leva a acreditar que a peça passou por um tratamento
térmico (provavelmente de têmpera). Ao comparar com o diagrama TCC do Atkins (Figura
15), vimos que essa é a estrutura prevista para um aço com os mesmos elementos que o
ISO/AISI 4340.
Figura 32 - Área de transição entre região periférica e central, aumento de 50x (Próprios autores, 2024)
Foi realizada uma fotografia com aumento de 50x para a observação da região de
transição da dureza. Não foi possível uma captura de maior ampliação devido à zona de
transição ser muito grande nesse caso.
Tendo em vista que a parte inferior-esquerda da imagem se refere à superfície da peça
e a parte superior-direita, ao centro, é evidente uma granulometria de glóbulos de cementita
esferoidizada em uma matriz ferrítica no centro, e uma microestrutura não tão definida nessa
foto, mas que já vimos se tratar de martensita com carbonetos esferoidizados, correspondente
à superfície mais dura.
4.2. Análise da amostra Recozida
4.2.1. Análise da dureza
Dispostos na tabela abaixo, os valores obtidos nos ensaios de dureza da amostra
recozida, após a mesma ser minimamente lixada, visando a remoção de possíveis materiais
depositados na superfície, oriundos do processo de recozimento.
Medição Região
Dureza
HRC HRB Média Desvio Padrão
1 Centro - 95
96,66 1,52
2 Centro - 97
3 Centro - 98
4 Dente - 81
81 2
5 Dente - 83
6 Dente - 79
Tabela 3 - Resultados dos testes de dureza na amostra recozida (Próprio autor, 2024).
Os valores de dureza na amostra recozida são muito inferiores aos valores obtidos na
amostra original. Essa diferença verifica que o processo de recozimento foi realizado de
forma correta, esta redução na dureza da peça é devido aos efeitos do tratamento térmico, por
conta da mudança da microestrutura. O dente e o centro apresentam médias de dureza iguais à
81 HRB e 96,66 HRB, respectivamente, assim, pode-se concluir que na superfície a dureza
fica um pouco menor devido a descarbonetação que ocorre no forno por não termos controle
do ambiente.
4.2.2. Análise da microestrutura
A peça foi submetida ao ataque químico com Nital 2% durante aproximadamente 4
segundos para que sua microestrutura fosse revelada, possibilitando a análise da mesma. É
possível observar que a peça ficou homogênea quanto à sua microestrutura, resultado que
indica que o recozimento foi realizado com sucesso e descarta a possibilidade da peça ter sido
submetida a um tratamento termoquímico superficial.
Figura 33 - Amostra recozida com aumento de 100X (seção transversal - Centro) (Próprios autores, 2024)
Figura 34 - Amostra recozida com aumento de 1000X (seção transversal - Centro) (Próprios autores, 2024)
Nota-se a presença de perlita com poucas áreas de ferrita, resultado esperado do
processo de recozimento para um aço hipoeutetóide. Esse resultado está de acordo com o
diagrama CCT do Atkins (Figura 15), para o aço ISO/AISI 4340, com 0,4% de carbono.
4.2.3. Tamanho do grão
Comparando a imagem da amostra recozida ampliada 100x com a Carta Padrão de
tamanho de Grão da ASTM (Figura 7, seção 2.5) é possível assumir que o tamanho de grão
do centro da amostra recozida é entre 4 e 5.
4.2.4. Análise percentual de carbono
Para se estimar o percentual de carbono da amostra, compara-se a quantidade de área
clara e escura. O valor encontrado é usado no cálculo descrito na fundamentação teórica da
análise percentual de carbono. É importante sabermos o percentual de carbono para
definirmos a temperatura dos tratamentos térmicos. Para essa análise foi utilizada a Figura 35,
corte transversal da amostra na região central, com aumento de 1000x, que é constituído de
perlita grossa e ferrita.
Figura 35 - Análise do percentual de carbono utilizando o Software ImageJ (Próprios autores, 2024).
O resultado obtido usando o método que redefine as tonalidades de branco, preto e
acinzentado, para somente tons de preto e branco, nos permitiu calcular a percentagem da área
escura da amostra.
Com esse resultado de 59,09% de área escura e usando a Equação 1, a percentagem de
carbono resultou em 0,45%, o que não condiz com a real composição do aço ISO/AISI 4340,
pois os elementos de liga e a escolha da temperatura a necessária para o recozimento,
acrescido com a simplificação utilizada pelo software, fizeram com que a área escura fosse
superior ao que realme pode ser considerado para o cálculo.
%á𝑟𝑒𝑎 𝑒𝑠𝑐𝑢𝑟𝑎∗ 0,77 = %𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑜
Equação 1 - Percentual de carbono com base na área escura
4.3. Análise da amostra resfriada ao ar
4.3.1. Análise da dureza
A Tabela 4 abaixo apresenta os valores de dureza medidos para a amostra que passou
pelo tratamento térmico de normalização, aquecida a uma temperatura de 820°C, pois
supomos destarte que se a peça não possuía elementos de liga e possuía um percentual
estimado na seção 4.2.4, com base nisso, a peça foi aquecida e resfriada ao ar.
Medição Região
Dureza
HRC HRB Média Desvio Padrão
1 Centro 52 -
54,6 1,63
2 Centro 54,5 -
3 Centro 56 -
4 Centro 54,5 -
5 Centro 56 -
6 Dente 52,5 -
54,7 3,34
7 Dente 58 -
8 Dente 50 -
9 Dente 56 -
10 Dente 57 -
Tabela 4 - Resultados dos testes de dureza na amostra normalizada (Próprio autor, 2024).
Como observado na Tabela 4, os valores de dureza encontrada no corpo de prova
normalizada são muitos superiores ao da amostra recozida e semelhantes ao da amostra
original, na região superficial, onde houve tratamento térmico de têmpera. Assim, a diferença
dos valores de dureza no centro e na superfície no corpo de prova é bem baixa, podendo
admitir que este tratamento térmico foi feito corretamente. Por fim, conclui-se que o material
pode ser temperado ao ar, o que ocorreu neste caso, explicando o alto valor de dureza em toda
a peça.
4.3.2. Análise da microestrutura
É possível identificar que a amostra normalizada possui martensita, como esperado
pelo diagrama CCT do Atkins (Figura 15), do aço ISO/AISI 4340, visto que ele abrange uma
grande área de ação conforme o resfriamento prolongado.
Esta formação e dureza evidencia que a amostra se trata de um aço ligado, de alta
temperabilidade, o que explica a sua escolha para a fabricação de um eixo de transmissão
automotivo.
Figura 36 - Amostra normalizada com aumento de 100X (seção transversal - Centro) (Próprios autores, 2024)
Figura 37 - Amostra normalizada com aumento de 1000X (seção transversal - Centro) (Próprios autores, 2024)
4.3.3. Tamanho do grão
Comparando a imagem da amostra normalizada ampliada 100x com a Carta Padrão de
tamanho de Grão da ASTM (Seção 2.5) é possível assumir que o tamanho de grão do centro
da amostra normalizada é 8.
4.4. Análise da amostra resfriada em água
4.4.1. Análise da dureza
Assim como a peça resfriada ao ar, a amostra resfriada em água foi submetida ao teste
de dureza nos pontos central e superficial. Os dados colhidos nesta análise em escala de
dureza rockwell C estão dispostos na Tabela 5 abaixo para melhor visualização.
Medição Região
Dureza
HRC HRB Média Desvio Padrão
1 Centro 59 -
60,8 2,00
2 Centro 59,1 -
3 Centro 61,5 -
4 Centro 60,4 -
5 Centro 64 -
6 Dente 59,1 -
59,94 1,52
7 Dente 58,9 -
8 Dente 59 -
9 Dente 60,2 -
10 Dente 62,5 -
Tabela 5 - Resultados dos testes de dureza na amostra temperada a (Próprio autor, 2024).
Ao analisar os valores observados, não constatamos variações significativas de dureza
entre o centro e a superfície, indicando que a amostra possui uma homogeneidade de dureza
em toda a sua estrutura. Comparando os valores de dureza entre as amostrasresfriadas em
água e em óleo, notamos um sutil aumento na dureza na amostra resfriada em água.
4.4.2. Análise da microestrutura
Ademais, as Figuras 38 e 39, tanto na seção transversal quanto na seção longitudinal,
nota-se estruturas muito bem definidas de martensita, o que era esperado para este material de
acordo com a sua curva CCT do Atkins (Figura 15), para o aço ISO/AISI 4340.
Por conseguinte, conclui-se que o material pode ser temperado em água, no entanto
era esperado uma dureza flertando com os 67 HRC, já que, esperava-se uma estrutura
completamente composta por martensita.
Figura 38 - Amostra temperada com água com aumento de 1000X (seção transversal - Centro) (Próprios autores,
2024)
Figura 39 - Amostra temperada com água com aumento de 1000X (seção transversal - Lateral) (Próprios autores,
2024)
4.5. Análise da amostra resfriada em óleo
4.5.1. Análise da dureza
Após a realização da têmpera em óleo, assim como as demais, a amostra foi submetida
ao teste de dureza nos pontos central e superficial. Os testes foram realizados em escala de
dureza Rockwell C e estão dispostos na Tabela 6 abaixo.
Medição Região
Dureza
HRC HRB Média Desvio Padrão
1 Centro 61,5 -
60,34 0,96
2 Centro 60 -
3 Centro 61 -
4 Centro 59 -
5 Centro 60,2 -
6 Dente 58 -
59,66 1,32
7 Dente 61,5 -
8 Dente 58,9 -
9 Dente 60,4 -
10 Dente 59,5 -
Tabela 6 - Resultados dos testes de dureza na amostra temperada a (Próprio autor, 2024).
Novamente ao analisarmos os dados colhidos pode-se observar que tanto o centro
como a periferia da peça apresentam valores de dureza muito próximos. Sendo assim, a
amostra é homogênea enquanto sua dureza. Percebe-se que a dureza da peça não teve
alterações significativas comparado aos demais tratamentos efetuados.
4.5.2. Análise da microestrutura
Ao analisar a microestrutura das amostras fica evidente a formação de estruturas muito
bem definidas de martensita. Tal fato evidencia o sucesso do processo de têmpera assim como
na amostra temperada em água. Analogamente as demais amostras o resultado encontrado vai
de acordo com o esperado na curva CCT do Atkins, (Figura 15) para o aço ISO/AISI 4340.
Figura 40 - Amostra temperada com óleo com aumento de 1000X (seção transversal - Lateral) (Próprios autores,
2024)
Figura 41 - Amostra temperada com água com aumento de 1000X (seção transversal - Centro) (Próprios autores,
2024)
4.6. Espectroscopia de emissão óptica
Por fim, foi realizado o processo de espectroscopia de emissão óptica em uma das
amostras atadas, o que confirmou as suspeitas de que o material se travava de um aço liga,
com alta temperabilidade e de grande uso no setor automobilístico. Este teste revelou que o
aço é um ISO/AISI 4340, com 1,94% de Ni, 0,884% de Cr, 0,283% de Mo, 0,202% de Cu,
0,084% de Si.
Figura 42 - Resultados do teste por espectroscopia de emissão óptica (Próprios autores, 2024)
4.7. Considerações finais
Colocar aqui o quadro resumo das durezas convertidas e RM (apenas os valores
médios finais e as possíveis microestruturas).
Centro Superfície ou Periferia
Amostra/Escala HV HRB HRC RM (Mpa) HV HRB HRC RM (Mpa)
Original 173 85,7 - - 560 - 52,7 -
Recozida 222 96,66 - - 160 81 - -
Normalizada 595 - 54,6 - 595 - 54,7 -
Temperada óleo 697 - 60,34 - 674 - 59,66 -
Temperada água 720 - 60,8 - 697 - 59,94 -
Tabela 7 - Tabela de dureza em diferentes escalas (Próprios autores, 2024)
Para melhor visualização, temos uma tabela com as diferentes microestruturas.
Amostra Centro Superfície ou periferia
Original cementita esferoidizada + ferrítica Martensita com carbonetos
esferoidizados
Recozida Perlita + Ferrita Perlita + Ferrita
Normalizada Martensita + Bainita Martensita + Bainita
Temperada em água Martensita Martensita
Resfriamento em óleo Martensita Martensita
Tabela 8 - Tabela de microestruturas (Próprios autores, 2024)
Figura 43 - Diferentes microestruturas com aumento de 1000X (Próprios autores, 2024)
4.7.1. Interpretação de curvas e gráficos
Figura 44 - Diagrama CCT para aço SAE/AISI 4340 (Próprios autores, 2024).
Usando o método de microscopia de emissão óptica, empregado para detectar a
percentagem de carbono e demais elementos químicos presentes na amostra, estimou-se que o
aço possuía cerca de 0,4% de carbono. Com base nesses valores, escolheu-se a curva CCT
para verificar as microestruturas.
Dessa forma, podemos considerar este aço como sendo um 4340, que é amplamente
utilizado em diversas aplicações mecânicas. Vale ressaltar que existe um pequeno erro na
técnica de estimativa da percentagem de carbono por área escura da amostra reconhecida, o
qual não foi utilizado para a escolha da curva CCT. Com base na percentagem estimada e
utilizando uma curva CCT obtida do M. ATKINS (1980), juntamente com a tabela de dureza
das amostras, foi possível confirmar as microestruturas presentes em cada caso. Com base na
Figura 44, é possível confirmar as microestruturas das amostras com base na numeração
indicada, assim urge as seguintes conclusões:
Para a linha D, que representa a amostra recozida, o diagrama indica somente a
existência de perlita e ferrita, o que também se verifica na seção 4.2.2.
Na normalização, indicada pela linha C, deveríamos visualizar uma pequena presença
de bainita. Na prática, só foi possível observar martensita na imagem do microscópio da seção
4.3.2. Porém, sabemos que a bainita é de difícil visualização no microscópio, por isso não
descartamos a sua presença.
Para a linha B, representando a o tratamento térmico com resfriamento em óleo, o
diagrama indica somente a presença de martensita se considerássemos a variação da curva de
resfriamento, o que se torna prático ao observar a seção 4.4.2.
Para a linha A, caracterizando a têmpera em água, há a presença apenas de martensita,
a uma dureza máxima considerando a curva CCT, o que também foi concluído ao
observarmos na imagem do microscópio da seção 4.5.2.
4.7.2. Reengenharia
Os estudos realizados na amostra original da peça sugerem um processo de têmpera
superficial, que fica evidenciado com base na análise macroscópica que mostrou uma
diferente coloração no centro da peça em relação às áreas mais periféricas. Outro fator que
colabora para esta teoria é a análise de dureza na qual mostrou valores mais elevados (média
de 59HRC) para as regiões distantes do centro (média 85,7 de HRB). A análise por
espectroscopia de emissão óptica revelou que o material se trata de um aço 4340 com adição
de algumas outras ligas.
De posse das informações citadas acima, para se reproduzir o objeto deste estudo,
sugere-se o tratamento do aço 4340 por meio de uma têmpera superficial com resfriamento
em óleo, pois o seu resfriamento mais lento não propicia a aparecimento de trincas e fissuras
no material. A fim de se baixar a dureza e melhorar a usinabilidade será necessário um
processo de revenimento.
Com base no fato da peça analisada se tratar de um eixo de transmissão automotivo,
item que é submetido a diversos tipos de esforços e momentos a dureza superficial elevada é
justificada. O fato de sua região central ser menos dura é condizente com a sua aplicação visto
que se a dureza alta da superfície fosse constante o componente ia ser muito propenso a
quebras e trincas
5. CONCLUSÕES
Tire conclusões apenas do que foi interpretado acima. Não conclua sobre o que você
não analisou.
Tire suas conclusões de forma objetiva e na forma de tópicos (sugestão) ao invés de
um texto contínuo.
REFERÊNCIAS
MOURÃO, Marcelo Breda. Introdução a Siderurgia. São Paulo: Associação Brasileira de
Metalurgia e Materiais - ABM, 2007.
CALLISTER, JR, WILLIAM D. Ciência e Engenharia de Materiais - Uma Introdução. 9.
ed. Rio de Janeiro, RJ: LTC _ Livros Técnicos e Científicos Editora Ltda., 2007.
COLPAERT, Hubertus. Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns. 4. ed. São Paulo:
Blucher, 2008.
BINGS, N. H. Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy (ICP-OES).
[S. l.: s. n.], 2006.
ATKINS, M; MET, B.Atlas of continous cooling transformation diagrams for
engineering steels. [S. l.: s. n.], 1980.
DIETER, G.E. Mechanical Metallurgy. 3rd Edition. New York: McGraw-Hill, 1986.
ASM INTERNACIONAL. Metallography and Microstructures. Volume 9. [S. l.: s. n.]
2015.
LLEWELLYN, D. Steels: Metallurgy and Applications. Londres: Butterworth-Heinemann
Reading, 1992.
Notas de Aula – prof. Marcelo Mabilde