TRABALHO DE ENSAIO DE TRATAMENTO TÉRMICO E METALOGRAFIA

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UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
LABORATÓRIO DE MATERIAIS E METALOGRAFIA
Caxias do Sul – 2016/02
 ALEXANDER BECKER MIRANDA
 TRÍCIA BARTELLE PAZ
WILLIAM GATELLI MARGAREZI
ENSAIO DE TRATAMENTO TÉRMICO E METALOGRAFIA
 SAE 4140
Trabalho realizado como requisito parcial para aprovação na disciplina de Laboratório de Metalografia, ministrada pelo professor Gilmar Tonietto do curso Engenharia Mecânica da Universidade de Caxias do Sul - UCS.
Caxias do Sul – RS
OBJETIVO GERAL
 	Este trabalho objetiva analisar o comportamento do aço SAE 4140, através da preparação de quatro amostras do mesmo, uma normalizada e outras três com diferentes tratamentos térmicos, sendo eles: temperado e temperado e revenido. Compará-los quanto à microestrutura e propriedades mecânicas dos dados obtidos na literatura. Nessas amostras foram realizados testes de tração, ensaio de dureza e ensaio de impacto. Também foram analisadas inclusões, microestruturas e tamanho de grão. 
 2 - INTRODUÇÃO
 
Este trabalho apresenta a descrição e os resultados de ensaios de tração, impacto e dureza realizados em corpos de prova feitos de aço SAE 4140 em diversos estados. A partir destes ensaios, faz-se uma análise do resultado dos tratamentos térmicos realizados tanto na microestrutura do material quanto nas suas propriedades mecânicas finais, tais como serão mostrados de forma expositivas no decorrer da seguinte pesquisa, onde iremos conhecer a composição de cada material, sua dureza e as técnicas de aumentar o teor de carbono da sua superfície, técnicas essas que temo como finalidade aumentar sua dureza em diferentes tipos de tratamentos.
Faremos uma análise das propriedades mecânicas do aço AISI SAE 4140 com diferentes características e tratamentos térmicos, pois foram analisadas quatro amostras do material sendo uma normalizada, uma temperada a 870°C por 3 horas (resfriada em óleo), uma temperada a 870ºC (resfriada em óleo) e revenida a 300°C por 2 horas e temperada a 870ºC (resfriada em óleo) e revenida a 500°C por 2 horas. Nessas amostras foram realizados testes de tração, ensaio de dureza e ensaio de impacto, analisadas inclusões, microestruturas e tamanho de grão para obtenção dos dados a respeito dos mesmos.
 3 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
O aço SAE 1020 é um aço de alta soldabilidade e forjabilidade porem possui baixa resistência mecânica e baixa usinabilidade. Estes aços não apresentam as mesmas características mecânicas e metalúrgicas apresentadas pelos aços especiais, pois em seus processos de fabricação não são controlados o tamanho de grão austenítico, os níveis de gases dissolvidos, o grau de pureza, etc. As faixas de composições químicas dos aços comerciais são apenas orientadas pela norma NBR 6006 ou pelas normas internacionais tipo SAE, AISI, ou DIN, portanto, não há garantias de que os teores dos elementos químicos principais ou residuais estejam estritamente dentro dos limites especificados por estas normas. Além disto, nos aços comerciais, não são garantidas as faixas de temperabilidade conforme as normas NBR ou SAE.
O aço SAE 1020 é um aço altamente tenaz, particularmente indicado para fabricação de peças que devam receber tratamento superficial para aumento de dureza, principalmente cementação. Sua utilização varia desde parafusos, chassis, discos de roda, peças para máquinas e veículos submetidos a esforços pequenos e médios. Tratamento térmico é o conjunto de operações de aquecimento e resfriamento a que são submetidos os aços, sob condições controladas de temperatura, tempo, atmosfera e velocidade de resfriamento, com o objetivo de alterar as suas propriedades ou conferir-lhes características determinadas. As propriedades dos aços dependem, em princípio, da sua estrutura. 
Os tratamentos térmicos modificam, em maior ou menor escala, a estrutura dos aços, resultando na alteração de suas propriedades. Cada uma das estruturas obtidas apresenta seus característicos próprios, que se transferem ao aço, conforme a estrutura ou combinação de estruturas presentes. O material SAE 1020 na sua forma normalizada tem em sua composição química Carbono 0,18-0,23%, Manganês 0,4-0,6%, Silício 0,3-0,6, Fósforo máximo 0, 035% e Enxofre máximo 0, 035%. Seu limite de resistência a tração mínimo é de 441 Mpa, limite de escoamento mínimo de 245 Mpa, alongamento mínimo de 24%, redução de área mínima de 35% e dureza de 130 a 165 HB, boa soldabilidade e tratamento térmico com normalização à 900ºC. No processo de cementação os componentes são colocados no interior de uma caixa metálica com tampa na presença de misturas carbonetantes sólidas. Este processo diferencia-se bastante dos outros tipos de tratamento porque modifica a composição química com a introdução de carbono na superfície da peça, enquanto os demais introduzem modificações de ordem estrutural. Após este processo, o material possuirá camadas com características diferentes: uma superficial, com alto teor de carbono e que pode ficar com alta dureza após a têmpera, e outra interna, com baixo teor de carbono, baixa dureza e bastante ductilidade.
Dependendo dos responsáveis pela classificação e especificação, os aços recebem diferentes denominações, mas as mesmas referem-se ao mesmo material (com mesmas características). A tabela 1 faz um comparativo entre as diversas denominações aplicadas ao aço SAE 1020 nas principais normas internacionais.
Tabela 1: Denominação do aço 1020
 Fonte: http://www.ggdmetals.com.br/aco-construcao-mecanica/sae-1020/
Ao passar por processo de cementação e, após, têmpera, há o aumento de resistência mecânica do núcleo por meio da microestrutura de martensita de baixo carbono no núcleo e aumento de dureza da camada cementada. O resfriamento lento após a cementação refina o tamanho de grão da microestrutura. Uma vez que o aço temperado é muito frágil para uso em aplicações comerciais, utiliza-se o processo de revenimento pois com ele consegue-se uma modificação da estrutura do material, aumentando sua tenacidade. Ao mesmo tempo são reduzidas as tensões de têmpera e dureza decresce. A faixa de temperatura empregada para o revenimento é normalmente de 170 a 300ºC.
Levando-se em consideração as propriedades mecânicas apresentadas pelo SAE 1020, conforme pode ser visto na tabela 2, ele é amplamente usado na indústria automobilística, e em peças forjadas.
Tabela 2: Propriedades mecânicas do aço SAE 1020 em diferentes condições Fonte: http://www.ggdmetals.com.br/aco-construcao-mecanica/sae-1020/
Segundo Sordbi para entender bem as propriedades dos materiais é necessário analisar a sua microestrutura, processo conhecido por análise metalografica. A análise metalografica é a ciência desenvolvida e aplicada na preparação, revelação, interpretação e documentação da microestrutura dos metais, ligas e outros materiais de engenharia. 
A metalografia surgiu com o trabalho pioneiro de Henry C. Sorbi em 1863, revelando pela primeira vez a matriz de um aço SAE 1020. Em 1930, J. R. Villela estabeleceu as normas técnicas para a obtenção de microestruturas metalográficas sem a presença de “artefatos” que muitas vezes confundiam os analistas. As principais normas envolvidas são: ASTM E45, ASTM E112, NBR 13.284, NBR 6593, NBR 1323.
4 - NORMAS ADOTADAS
Todos os ensaios são realizados seguindo normas. A principal norma utilizada para os ensaios de impacto é NBR NM 146-1/08 e para os demais ensaios a norma NBR ISO 6892/02.
A norma NBR NM 146-1/08 especifíca o método para determinação de dureza Rockwell e Rockwell superficial para materiais metálicos.
A norma NBR ISO 6892/02 especifica o método de ensaio de tração em materiais metálicos e define as propriedades mecânicas que podem serdeterminadas à temperatura ambiente.
- MATERIAIS UTILIZADOS 
Amostra de aço SAE 4140 normalizado 
01 T - Corpo de prova para ensaio de Tração; 
01 I - Corpo de prova para ensaio de Impacto.
Amostra de aço SAE 4140 temperado a 870
ºC (resfriado em óleo)
02 T - Corpo de prova para Ensaio de Tração.
I - Corpo de prova para Ensaio de Impacto.
Amostra de aço SAE 4140 temperado a 870ºC (resfriado em óleo) e revenido a 300ºC por 2 horas 
03 T - Corpo de prova para Ensaio de Tração. 
03 I - Corpo de prova para Ensaio de Impacto.
Amostra de aço SAE 4140 temperado a 870ºC (resfriado em óleo) e revenido a 500ºC por 2 horas
04 T - Corpo de prova para Ensaio de Tração. 
I - Corpo de prova para Ensaio de Impacto.
 5.1- Equipamentos utilizados: 
- Máquina universal de ensaio EMIC – capacidade de 20T;
- Paquímetro digital – capacidade 200mm.;
- Riscador mecânico (máquina de escalonar) – escala 5mm;
- Tinta para marcação azul da prúcia – metal traço;
- Máquina de ensaio de impacto – capacidade 30Kgf x m;
- Dispositivo centralizador;
- Durômetro Rockwell
- Forno para tratamentos térmicos;
- Máquina para polimento;
- Lixas (grãos 150, 240, 320, 400, 600,1200);
- Máquina para embutir (embutidora);
6 - DESCRIÇÃO DOS ENSAIOS
6.1- Tratamento térmico
 Tratamento térmico é o conjunto de operações de aquecimento e resfriamento a que são submetidos os aços, sob condições controladas de temperatura, tempo, atmosfera e velocidade de resfriamento, com o objetivo de alterar suas propriedades ou conferir-lhes características determinadas. Os principais objetivos dos tratamentos térmicos são a remoção de tensões internas, aumento ou diminuição da dureza, aumento da resistência mecânica, melhora da ductilidade, usinabilidade, resistência ao desgaste, resistência a corrosão, resistência ao calor e modificação das propriedades elétricas e magnéticas. 
6.2- Normalização 
 A normalização (ou alívio de tensão) consiste no aquecimento do aço, acima da linha crítica, mantendo-o nesta temperatura o tempo necessário para sua total transformação estrutural, e a seguir realiza-se um resfriamento ao ar calmo. A normalização tem por objetivos principais refinar a granulação e conferir ao aço, estruturas uniformes com as características normais de sua composição. Quando o aço sofre alterações de uniformidade na sua estrutura por efeitos de trabalho a quente, como por exemplo, forjamento, laminação, solda ou por obtenção direta da peça fundida, é indispensável que o mesmo seja normalizado após tais operações.
A normalização reduz a tendência de empenamento das peças e facilita a dissolução dos carbonetos e elementos de liga. 
6.3 - Cementação
 A cementação diferencia-se bastante dos outros tipos de tratamento porque modifica a composição química, com a introdução de carbono na parte superficial da peça, e os demais introduzem modificações de ordem estrutural. Depois da cementação surgem basicamente, dois tipos de aço: 
• Superficial: com alto teor de carbono e que pode ficar com alta dureza após a operação de têmpera; 
• Interno: com baixo teor de carbono, baixa dureza e bastante ductilidade. A liga escolhida é aquela que depois de temperada proporciona a dureza do núcleo desejada.
6.4 - Revenimento
 O revenimento é um tratamento térmico realizado logo após a têmpera. Esse tratamento térmico causa alívio de tensões na peça temperada, que tem por consequência uma diminuição de resistência de mecânica e também um aumento na ductilidade e na tenacidade. As temperaturas nas quais são realizados os tratamentos térmicos de revenimento estão sempre abaixo da temperatura crítica (temperatura onde se inicia a formação de austenita). No entanto, existem algumas faixas de temperatura “proibidas” em função da fragilização de alguns tipos de aços. Essas temperaturas estão em torno de 300oC e de 550oC.
6.5 - Ensaio de Dureza Rockwell
 Aproxima-se a superfície do corpo de prova do penetrador da máquina de ensaio de dureza Rockwell. Submete-se o corpo de prova a uma pré-carga e, após, aplicar a carga maior até o ponteiro parar. Faz-se, então, a leitura do valor indicado no mostrador, na escala apropriada (Rockwell B ou Rockwell C).
6.6 - Ensaio de Tração
 Mediu-se, com o auxílio de um paquímetro o diâmetro do corpo de prova, posteriormente demarcando com tinta o seu comprimento útil a cada cinco milímetros. Fixou-se, então, o extensômetro ao corpo de prova e este conjunto à Máquina Universal, que exerce forças axiais no corpo de prova.
6.7 - Ensaio de Impacto Charpy
 O ensaio é realizado em pêndulo de impacto. O corpo de prova é fixado num suporte, na base da máquina. O martelo do pêndulo - com uma borda de aço endurecido de raio específico - é liberado de uma altura pré-definida, causando a ruptura do corpo de prova pelo efeito da carga instantânea. A altura de elevação do martelo após o impacto dá a medida da energia absorvida pelo corpo de prova.
6.8- Preparação das Amostras Metalograficas
 No laboratório cortaram-se os corpos de prova em suas direções transversal e transversal e longitudinal (para a amostra normalizada) em uma serra automática. As partes cortadas selecionadas para análise foram, então, embutidas em baquelite, o que facilita o manuseio e análise. Posteriormente, os conjuntos embutidos foram lixados com as lixas grão 150, 240, 320, 400, 600 e 1200 e polidos com pasta de diamante 3µ.
7 - RESULTADOS PRÁTICOS OBTIDOS
 
	Na tabela abaixo observa-se o ensaio de Dureza Rockwell realizado nos corpos de provas de tração e impacto, usando a norma ASTM E140:
	Identificação nº 
	Leituras Obtidas
	Unidade de Dureza
	
	1
	2
	3
	4
	5
	
	01T
	94
	97
	93
	96
	97
	HRB
	02T
	65
	52,5
	60
	55
	63
	HRC
	03T
	52
	49,5
	51
	54
	51,5
	HRC
	04T
	42,5
	39
	34,5
	37
	42
	HRC
	Identificação nº
	Leituras Obtidas
	Unidade de Dureza
	
	1
	2
	3
	4
	5
	
	01I
	109
	108
	110,5
	109
	109
	HRB
	02I
	55,5
	58
	55
	59,5
	61
	HRC
	03I
	51
	53
	50
	50
	50
	HRC
	04I
	42
	40
	42,5
	42
	42,5
	HRC
Tabela 3 – Registro de ensaio de dureza Rockwell
	Identificação nº
	Média
	Unidade de Dureza
	
	
	
	01T
	95,4
	HRB
	02T
	57,1
	HRC
	03T
	51,6
	HRC
	04T
	39
	HRC
	Identificação nº
	Média
	Unidade de Dureza
	
	
	
	01I
	109,1
	HRB
	02I
	57,8
	HRC
	03I
	50,8
	HRC
	04I
	41,8
	HRC
Tabela 3.1 – Registro de ensaio de dureza Rockwell – Média
Legenda: T – corpos de prova de tração; 
 I – corpos de prova de impacto.
Os resultados práticos obtidos nos ensaios de tração estão apresentados na tabela a seguir:
	Identificação nº
	Dimensões Ø (mm)
	Força de escomento (kgf)
	Força máxima (Kgf)
	Lo (mm)
	Comprimento final (mm)
	Diâmetro final (mm)
	
	
	
	
	
	
	
	01T
	8,04
	2131
	3612
	40
	49,23
	5,7
	02T
	8
	 
	6610
	40
	 
	 
	03T
	7,9
	7555
	8372
	40
	41,24
	7,65
	04T
	8,05
	5922
	6892
	40
	44,84
	6,1
	Identificação nº
	Área (Ao) (mm²)
	Limite de escomento (Mpa)
	Limite de Resistência à Tração (Mpa)
	Alongamento (%)
	Área final (mm²)
	Redução de área (%)
	
	
	
	
	
	
	
	01T
	50,77
	411,76
	697,93
	23,07
	25,51
	49,75
	02T
	50,26
	 
	1290,2
	 
	 
	 
	03T
	49,01
	1512,23
	1675,76
	3,1
	45,96
	6,22
	04T
	50,89
	1141,57
	1328,56
	12,1
	22,22
	56,34
Tabela 4 – Registro de ensaio de Tração
	A tabela 4 está informando todas as médias obtidas nos ensaios de tração para cada corpo de prova analisado, onde os mesmos estão dispostos em série conforme o seu tratamento de superfície.
	Na tabela 5 e 5.1, estão dispostos os resultados do ensaio de impacto modelo Charpy.
	Identificação nº
	Dimensões (mm x mm)
	Energia Absorvida (Kgf x m)
	
	
	
	01I
	9,99 x 7,96
	1,1
	02I
	10,11x 8,01
	1,3
	03I
	10 x 8 ,06
	1,5
	04I
	10x8,11
	8,7
Tabela 5 – Registro de ensaio de impacto.
	Identificação nº
	Área (cm²)
	Energia absorvida (J)
	Resistência ao impacto (J/cm²)
	
	
	
	
	01I
	0,7952
	10,78
	13,55
	02I
	0,8098
	12,74
	15,73
	03I
	0,806
	14,7
	18,23
	04I
	0,811
	85,26
	105,13
Tabela 5.1 – Registro de ensaio de impacto – resultados calculados.
O gráfico 1 mostra a análise de impacto que consiste verificar a sua tenacidade, onde representa a medida da habilidade de um material absorver energia até a sua fratura. Calister (2005, p. 87)
Gráfico 1 – Resultados obtidos nos ensaios de tração e de impacto Charpy (força x deformação).
 Fonte: Universidade de Caxias do Sul
	Todos os corpos de provas foram submetidos ao teste de impacto para verificar o seu grau de tenacidade, onde estão expostos no gráfico 1 as 4 curvas, uma para cada material.
7.1 – Fórmulas para ensaios
	Foram utilizados algumas formulas para a realizações de alguns testes, fórmulas na quais estão dispostas abaixo:
Área: A = ( ∏ X D²) / 4
Tensão: Ϭ = F/A
Alongamento: [(Lf – Lo)/Lo] x 100
Estricção: [(Ao – Af)/Ao)] x100
Deformação: Ɛ = Deslocamento / Lo
Gravidade: 9,81 m/s²
 8 - ANÁLISE METALOGRÁFICA DAS AMOSTRAS
	As micrografias retiradas das amostras, as quais são mencionadas no decorrer desta análise, estão dispostas abaixo. Desta forma, as referências de coloração feitas durante a descrição das microestruturas dizem respeito a estas micrografias.
INCLUSÕES: 
Tipo globular de óxidos, série fina nível 1. 
 Tipo sulfeto, série fina nível 1/2.
AMOSTRA 01 T
 Corpo de prova feito com aço SAE 1020 normalizado.
Microestrutura: grão de perlita e ferrita. 
Micrografia: ver figuras 11 e 12, abaixo.
Figura 1: Micrografia da amostra do aço SAE 1020 normalizado com 100x de aumento.
	
 Fonte: Universidade de Caxias do Sul 
Figura 2: Micrografia do aço SAE 1020 normalizado com 500X de aumento
	 Fonte: Universidade de Caxias do Sul 
AMOSTRA 02 T 
Corpo de prova feito com aço SAE 1020 cementado a 930ºC por 3 horas, resfriado em 
óleo.
Microestrutura: encontrada na camada grãos de perlita circundados por uma rede de ferrita.
Figura 3: Micrografia do aço SAE 1020 cementado com 1000X de aumento.
 
Fonte: Universidade de Caxias do Sul
AMOSTRA 03 T
Corpo de prova feito com aço SAE 1020 cementado e temperado a 850ºC por 50 minutos, resfriado em óleo.
Microestrutura: encontrada na camada martensita com pequena quantidade de austenita retida (não transformada durante a tempera).
Fugura 4: Micrografia do aço SAE 1020 cementado e temperado com 1000X de aumento.
 Fonte: Universidade de Caxias do Sul
AMOSTRA 04 T
Corpo de prova feito com aço SAE 1020 cementado, temperado e revenido a 850ºC por 50 minutos, resfriado em óleo e revenido a 300ºC por 2 horas.
Microestrutura: encontrado na camada martensita revenida e pequena quantidade de ferrita. No núcleo foi encontrado martensita, ferrita e perlita fina.
Figura 5: Micrografia do núcleo do aço SAE 1020 cementado e temperado e revenido com 1000X de aumento.
 
 Fonte: Universidade de Caxias do Sul
 9 - CONCLUSÕES
Finalmente, ante a finalidade da realização dos ensaios aqui relatados – que é a de proporcionar o conhecimento sobre a forma de análise das microestruturas e dos microconstituintes dos materiais metálicos empregados em engenharia, suas alterações estruturais sofridas em virtude da aplicação de tratamentos térmicos e termoquímicos e do comportamento mecânico resultante destes dois fatores citados anteriormente – o processo de análise, de uma maneira geral, favoreceu ao entendimento da teoria vista em aula, tendo como foco a visão prática no assunto. 
Analisando as micrografias retiradas das amostras é possível observar que:
O corpo de prova 01 T apresentou uma microestrutura formada por grande quantidade de ferrita e pouca quantidade de perlita, visto que o aço analisado – SAE 1020 (fig. 11 e 12) – possui pouca concentração de carbono, condicionando a formação de pouca perlita.
O corpo de prova 02 T apresentou uma camada de cementação de 0,6mm (o processo de cementação durou 03 horas), conforme pode ser estimado através da análise da figuras 13 e 14, com grande quantidade de perlita circulada por uma rede de ferrita. O núcleo permaneceu com a microestrutura igual a do aço normalizado (microestrutura idem a do corpo de prova 01 T).
O corpo de prova 03 T, devido ao tratamento térmico de têmpera, apresentou uma microestrutura na sua camada cementada predominantemente martensítica, com pequena quantidade de austenita retida (não transferida durante a têmpera) como pode ser visto nas figuras 15 e 16.
O corpo de prova 04 T, devido ao tratamento térmico de revenimento após o processo de têmpera, apresentou na sua camada cementada predominantemente a martensita revenida e alguns traços de ferrita. Em seu núcleo podemos encontrar martensita, ferrita e perlita fina.
Quanto aos ensaios mecânicos podemos concluir que; as amostras 3 e 4, por terem passado por um processo de tempera e revenimento posteriores a cementação não tiveram valores de tensão de escoamento, alongamento e estricção, e apresentaram dureza muito superior às outras duas . Porém a tensão máxima nessas duas amostras foi superior a das amostras que passaram apenas pela cementação ou normalização. As amostras 1 e 2 tiveram resistência ao impacto maior que as que as que foram temperadas e revenida, por causa dos mesmos, a dureza aumentou mas a resistência diminuiu. 
 10 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS 
AÇO construção mecânica. Disponível em: www.ggdmetals.com.br/aco-construcao-mecanica/sae-1020/> Acesso em 05 dez. 2015
AVERINI, Vicente. Aços e ferros fundidos: características gerais, tratamentos térmicos, principais tipos. 7.ed. ampl. e rev. São Paulo: 1996. ABM, 599 p. ISBN 8586778486
CALLISTER, William D.,. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 5.ed. Rio de Janeiro: LTC, c2002. xxx, 589 p. ISBN 8521612885.
REMY, A. & GAY, M. & GONTHIER, R. Materiais. Curitiba, Hemus, 2002.