Relatorio do laboratorio de materiais

Prévia do material em texto

UNIVERSIDADE ANHANGUERA - SANTO ANDRÉ – UNIDADE 3
DAVID RIBEIRO DOS SANTOS RA: 7248597980
DOUGLAS GOMES FERNANDES RA: 7422634006
RAFAEL GONÇALVES CRUZ RA: 7083559686
ROBERTO SANTOS DE OLIVEIRA RA: 7477700363
WAGNER SALLES SILVA RA: 8485196069
LABORATÓRIO: Materiais de Construção Mecânica I
SANTO ANDRÉ 
2015 
UNIVERSIDADE ANHANGUERA - SANTO ANDRÉ – UNIDADE 3
LABORATÓRIO: Materiais de construção mecânica I
Relatório do laboratório de Materiais de Construção Mecânica I, apresentado ao curso de Graduação em Engenharia Mecânica - 4º período noturno da Anhanguera Educacional, como requisito de recolher os resultados do ensaio de dureza e o ensaio de tratamento térmico e pesquisar sobre o material ensaiado.
Orientador: Me. Luis Carlos Elias da Silva.
SANTO ANDRÉ 
2015 
RESUMO
Foi realizada em grupo uma pesquisa sobre as características e propriedades do aço 1020 laminado para estudo da sua mudança de fase e das alterações que ocorrem com sua estrutura molecular quando submetido a uma fonte de energia calórica durante um determinado tempo e posteriormente resfriado a temperatura ambiente. Foram realizadas medidas de dureza antes do tratamento térmico e após o tratamento térmico, e foi verificado que houve uma significativa alteração da dureza do material ensaiado após o tratamento térmico. O trabalho também apresenta uma breve definição de dureza e uma definição de tratamento térmico, para melhor ilustrar as ocorrências de alterações microestruturais que ocorreram com o material analisado.
 
ABSTRACT
It was conducted a research in group about the characteristics and properties of the SAE-1020 Cold-rolled steel, to study its phase change and the changes that occur to their molecular structure when subjected to a heat energy font for a certain time and subsequently cooled to room temperature. Hardness measurements were performed before of the heat treatment and after the heat treatment, and it was verified a significant change in the hardness of the tested material after the heat treatment. The work also presents a brief definition of hardness and definition of heat treatment, to better illustrate the occurrence of microstructural changes that occurred with the material analyzed.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Barra Redonda	8
Figura 2 Barra Sextavada	8
Figura 3 : Tabela de Composição Química Referencial	9
Figura 4: Penetrador de Diamante	10
Figura 5: Recipiente para corpo de prova	11
Figura 6: Forno Refratário	11
Figura 7: Temperatura do Forno	11
Figura 8 Retirada do Corpo de Prova	12
Figura 9 Resfriamento Temperatura ambiente	12
Figura 10 Medição Pós têmpera	13
Figura 11 Gráfico Transformação	14
Figura 12 Gráfico Transformação	15
1-INTRODUÇÃO
Desde os primórdios da evolução o ser humano utiliza-se de diversos tipos de materiais para a fabricação de utensílios, equipamentos e máquinas. Em ordem crescente de complexidade, podem-se citar alguns exemplos de materiais utilizados pelo homem: pedras, madeiras e fibras; bronze, ferro e outros metais; borrachas e polímeros; compostos cerâmicos, novas ligas e materiais compósitos.
A busca do material adequado para uma determinada aplicação pode trazer como resultado uma vasta lista de possibilidades. A escolha deve visar fatores tais como: propriedades (mecânicas, físicas, químicas, etc); custo; vida útil e facilidade de obtenção e manipulação.
A ciência dos materiais busca a relação existente entre a estrutura dos materiais e suas propriedades. A estrutura de um material está relacionada ao arranjo interno de seus componentes, seja a nível atômico, microscópico ou macroscópico.
A estrutura de um material depende de seu processamento. Havendo alterações estruturais, haverá também modificações nas propriedades do material e, consequentemente, em seu desempenho.
2-Propriedades Mecânicas dos Materiais Metálicos
 O conhecimento das propriedades e microestruturas dos materiais é importante tanto para a escolha do material para uma determinada aplicação como para o projeto de fabricação de um componente. As propriedades mecânicas definem o comportamento do material quando sujeitos a esforços mecânicos, pois estão relacionadas à capacidade do material resistir ou transmitir os esforços aplicados sem se deformar e sem se romper.
3-Teste de Dureza
 A dureza é uma propriedade mecânica largamente utilizada em estudo e pesquisas mecânicas e metalúrgicas, e principalmente na especificação e comparação de materiais. 
Para conceito de dureza são atribuídos diferentes significados, tais como medidas de resistência do material a ações de origem mecânica sobre sua superfície, resistência à penetração, à deformação plástica e ao risco.
Antigamente sua medida era de forma qualitativa, ou seja, uma indexação da dureza que variava entre 1, na extremidade macia da escala (talco) e 10 na extremidade mais dura da escala (dureza), mas com o passar do tempo foram desenvolvidas técnicas quantitativas, nas quais um penetrador é forçado contra a superfície do material a ser testado.
4-Método de MEDIÇÃO DA dureza Rockwell
 O método é realizado em três etapas. Na primeira, o corpo de prova é submetido a uma pré-carga, garantindo um contato firme do penetrador com a superfície a ser ensaiada. Na segunda, aplica-se a carga maior que, somada à pré-carga, resulta a carga total ou carga nominal do ensaio. Na terceira, retira-se a carga; neste momento, a profundidade da impressão é dada diretamente no mostrador sob forma de um número de dureza, lido em uma escala apropriada ao penetrador e à carga utilizada.
Vale lembrar que a dureza é inversamente proporcional à profundidade de penetração obtida pela aplicação da carga. O ensaio de dureza Rockwell é o mais simples e o mais barato entre todos os ensaios de dureza existentes (Brinell, Rockwell, Vicker, Mohs e Knoop).
Ao especificar durezas Rockwell e superficial, tanto o número índice de dureza como o símbolo da escala devem ser indicados.
Escala Rockwell B: Os metais menos duros devem ser ensaiados selecionando-se esta escala (escala vai de 0 a 100).
Escala Rockwell C: Os metais mais duros devem ser ensaiados por esta escala (escala de 0 a 70, mas valores abaixo de 20 não são válidos => utilizar a escala B).
	O ensaio de dureza Rockwell é normalizado pela ABNT NBRNM 146-1, pela ASTM E18-05e1 e pelas ISO 6508-1 e 6508-3.
5-Tratamento térmico dos Materiais Metálicos
 O tratamento térmico é um conjunto de operações que tem por objetivo modificar as propriedades dos aços e de outros materiais através do aquecimento e do resfriamento em condições controladas, sem alterar a forma do produto final. Com esse conceito torna-se mais fácil manipular o aço deixando mais mole ou duro para facilitar seu uso.
Um tratamento térmico é feito em três fazes distintas:
Aquecimento;
Manutenção da temperatura (patamar);
Resfriamento;
Há duas classes de tratamento térmico:
Os tratamentos que por simples aquecimento e resfriamento, modificam as propriedades de toda a massa, tais como:
- Recozimento.
- Têmpera.
- Revenimento ou Revenido.
Os tratamentos que modificam as propriedades somente numa camada superficial da peça. Esses tratamentos térmicos nos quais a peça é aquecida juntamente com produtos químicos e posteriormente resfriado são:
 - Cementação.
 - Nitretação. 
 - Cianetação. 
 Os tratamentos térmicos tem por objetivos: remoção de tensões internas (oriundas de esfriamento desigual, trabalho mecânico ou outra causa), aumento ou diminuição da dureza, aumento da resistência mecânica, melhorar na sua ductilidade, melhora da usinabilidade, melhora da resistência ao desgaste, melhora das propriedades de corte e melhora da resistência ao calor.
6-variáveis Do tratamento térmico
 Sabendo-seque o tratamento térmico nada mais é do que um ciclo tempo - temperatura, os fatores que influenciam seu sucesso e que devem ser considerados são: aquecimento, tempo de permanência à temperatura e resfriamento. 
Outro dator de grande importância é a atmosfera do recinto de aquecimento, visto que a sua qualidade tem grande influência sobre os resultados finais dos tratamentos térmicos. 
7-Especificações técnicas dos aços 1020
7.1 Aços ao carbono
São ligas metálicas constituídas basicamente de Ferro, Carbono, Silício, e Manganês, apresentando também outros elementos inerentes ao processo de fabricação, em percentuais controlados. 
São classificados em:
Baixo Carbono: São os aços que contém menos de 0,25% de Carbono e não respondem a tratamentos térmicos.
Médio Carbono: São os aços que contém entre 0,25% e 0,60% de Carbono e respondem a tratamentos térmicos que objetivam a melhoria das suas propriedades.
Alto Carbono: São os aços que contém entre 0,60% e 1,40% de Carbono e são os mais duros, os mais resistentes, porém, os menos dúcteis dentre todos os aços Carbono.
Inoxidáveis: São os aços altamente resistentes à corrosão. Seu elemento de liga predominante é o Cromo, numa concentração de pelo menos 11%.
O aço ABNT 1020 é um aço considerado hipoeutetóide, (aços que possuem 0,022 a 0,76% de Carbono)
7.2 Qualidade equivalente
O aço estudado foi um aço baixo Carbono com 0,20% de Carbono, conhecido no Brasil como ABNT 1020 e tem seus equivalentes denominados AISI 1020; SAE 1020; DIN 1020; C 20; CK 20 e cq20.
Características
Os aços baixo carbono apresentam baixa temperabilidade, excelente forjabilidade, são aços moles e fracos, usináveis, soldáveis e são os mais baratos de serem produzidos. Pode ser aplicada em cementação.
7.4 Aplicação
Parafusos, eixos, componentes forjados sem maiores exigências, barra de distribuição, peça cementada, tubos soldados, carcaças de automóveis, vigas, canaletas, chapas, edificações e latas.
7.5 modelos de barras
 
Figura 1: Barras redondas e barras sextavadas de Aço ABNT 1020
Fonte:
Tabela 1 : Tabela de Composição Química Referencial
	Tabela de Composição Química Referencial
	SAE1020
	C(%)
	Mn(%)
	Si(%)
	P(%)
	S(%)
	Cu(%)
	Cr(%)
	Ni(%)
	Sn(%)
	N2(ppm)
	
	0.18-0,23
	0,30-0,60
	0,10-0,20
	0.30 máx.
	0,035 máx.
	0,20 máx.
	0,15 máx.
	0,15 máx.
	0,060 máx.
	80
Fonte: Catálogo de Produtos – GERDAU
8-Equipamentos utilizados
Os equipamentos utilizados para a realização dos ensaios foi: 
Serra Policorte;
Durômetro universal; 
Forno elétrico;
9-Passo 1 (medição de dureza do corpo de prova)
Foi retirada uma amostra do material, e em seguida realizado ensaio de mediação de dureza (foram feitas três medições consecutivas e por fim extraído a média dos valores encontrados). 
Figura 3: Penetrador de Diamante
Fonte: Autores
Seguem abaixo dados do ensaio e das medições:
Penetrador de Diamante
Pré-carga de 10kgf
Carga de 150 kgf
1º medida no meio da amostra = 6 HRC
2º medida na lateral da amostra = 9 HRC
3º medida na lateral da amostra = 14 HRC
(6 + 9 + 14) / 3 = 9,6 HRC
10-Passo 2 (tratamento térmico)
A amostra foi, então, colocada no forno para a realização do tratamento térmico, que se iniciou as 20h13 a uma temperatura de 36,9º, a uma taxa de aquecimento de 11,9º/minuto, levando aproximadamente 60 minutos para atingir a temperatura de 750º, onde permaneceu por mais 30 minutos. Em seguida, a amostra foi retirada do forno e resfriada ao ar.
Figura 4: Recipiente para corpo de prova
Fonte: Autores
Figura 5: Forno Refratário
Fonte: Autores
Figura 6: Temperatura do Forno
Fonte: Autores
 
Figura 7: Retirada do Corpo de Prova e Resfriamento Temperatura ambiente
Fonte: Autores
11-Passo 3 (medição de dureza após o tratamento)
Após o tratamento térmico e o resfriamento da amostra, foi realizado novamente ensaio de dureza. Seguem abaixo os dados do ensaio e das medições:
Penetrador de Diamante
Pré-carga de 10kgf
Carga de 150kgf
1º medida no meio da amostra = 72,5 HRC
2º medida na lateral da amostra = 78,5 HRC
3º medida na lateral da amostra = 75,5 HRC
(72,5 + 78,5 + 75,5) / 3 = 75,5 HRC
Média 75,5 HRC
Figura 9: Medição Pós-têmpera
Fonte: Autores
12-Conclusão
 Por meio dos estudos e levantamentos de todas as informações contidas neste relatório foi possível obter uma visão mais clara e detalhada sobre as transformações do aço, e assim, através do tratamento térmico, descobrir quais serão as propriedades adquirida pelo material no final do seu tratamento, de acordo com seu diagrama de fases, para que possa atender aos padrões de confecção para uma determinada peça ou de uma determinada tarefa.
 Foi possível ter uma visão mais abrangente do que ocorre com a estrutura molecular do aço 1020 laminado. Ao analisar a composição química do aço 1020 laminado, nota-se que é um material de baixo teor de carbono, mas após seu tratamento térmico e resfriamento ao ar, obteve-se um valor de dureza bem mais elevado quando comparado à dureza antes do tratamento térmico. A seguir, está demonstrada uma sequencia do que ocorreu com a estrutura da amostra estudada.
12.1 No aquecimento
O gráfico, a seguir, ilustra as transformações que ocorrem quando o aço com 0,20% de carbono é aquecido em forno para receber um tratamento térmico.
Figura 10: Diagrama de fases Ferro-Carbono
Fonte: 
Como pode-se observar no diagrama de fases, ocorrem as seguintes transformações:
• numa temperatura de 300ºC, a estrutura do aço é igual à sua estrutura na temperatura ambiente: ferrita (cor branca) e perlita (cor preta); 
A FERRITA (ou Ferro α) é uma solução sólida de carbono no ferro com estrutura cúbica de corpo centrado, sendo estável abaixo de 910°C, é uma fase dúctil apresentando dureza e resistência mecânica baixas e que pode ser magnética. A PERLITA é uma mistura de ferrita e cementita (Carboneto de Ferro).
Figura 10: Representação da microestrutura de um aço hipoeutetóide formado por ferrita e perlita
Fonte: 
• em temperatura de 727ºC (ou de 723ºC, de acordo com algumas literaturas), inicia-se uma transformação na estrutura do aço: a perlita se transforma em austenita e a ferrita permanece estável.
A AUSTENITA (ou Ferro ) é uma solução sólida de carbono no ferro com estrutura CFC, que se origina da transformação alotrópica da estrutura CCC durante o aquecimento, sendo, portanto, estável a temperaturas mais altas. É uma fase dúctil e apresenta dureza e resistência mecânica baixas, porém é não-magnética.
12.2 No resfriamento;
As transformações que ocorrem quando o aço com 0,20% de carbono é retirado do forno e vai se resfriando ao ar até atingir a temperatura ambiente, são as seguintes:
• na temperatura de 727ºC (ou de 723ºC, de acordo com algumas literaturas), parte da austenita desaparece, dando lugar à ferrita - permanecem, na estrutura, portanto, ferrita e austenita; 
• na temperatura de 700º C, toda a austenita se transforma em ferrita e perlita - portanto, o aço volta à sua estrutura inicial; 
• em temperatura ambiente, a estrutura continua sendo formada por ferrita e perlita, como pode ser observado nesse outro diagrama de fases apresentado abaixo.
Figura 10: Diagrama de fases Ferro-Carbono e estruturas obtidas durante o tratamento térmico
Fonte: 
Na figura a seguir é mostrada uma curva TTT (Tempo – Temperatura – Transformação) de um aço hipoeutetóide (% C < 0,8). No caso dos aços hipoeutetóides as curvas TTT encontram-se deslocadas para a esquerda, o que significa que as transformações são mais rápidas, dificultando a obtenção de estruturas martensíticas (que ocorrem somente quando o resfriamento é rápido). Isso ocorre devido aos menores teores de carbono exigindo menos movimentos de difusão. As temperaturas de início e fim da transformação martensítica deslocam-se para cima.
Figura 10: Curva TTT para aços hipoeutetóides
Fonte: 
Observando a curva TTT, pode-se verificar queno resfriamento há uma chance da formação de estrutura bainítica. A bainita por ser composta de cementita bastante refinada dissolvida em uma matriz de ferrita deformada é mais resistente e mais dura do que a perlita, o que pode explicar o aumento da dureza medida após o tratamento térmico do material. 
Caso o resfriamento fosse realizado em água ou nitrogênio líquido, a tendência do material seria a formação da martensita, que é uma fase deformada devido à alta quantidade de carbono retida, é mais dura e mais resistente que a bainita e a perlita, porém, a mais frágil entre elas.
 
 
13-REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS
LIVROS:
PLT 256: Fundamentos da Ciência e Engenharia de Materiais 2ª edição – William D. Callister, Jr. Editora: LTC.
Tecnologia Mecânica Vol. III - 2ª edição – Vicente Chiaverini
Catálogo de Produtos – GERDAU
Catálogo de Produtos – ArcelorMittal
SITES DA INTERNET:
http://brasil.arcelormittal.com/pdf/quem-somos/guia-aco.pdf - Acesso em 05/05/2015.
http://www.infosolda.com.br/biblioteca-digital/livros-senai/ensaios-nao-destrutivos-e-mecanicos/212-ensaio-mecanico-dureza.html - Acesso em 05/05/2015.
http://www.acosporte.com.br/aco-sae-1020 - Acesso em 05/05/2015.