Experimento 2, Parte 3 - Cementação e Microdureza V2

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  –	
  Tópicos	
  experimentais	
  em	
  Materiais	
  3°	
  Quadrimestre	
  2013	
  	
  	
  
Roteiro	
  originalmente	
  elaborado	
  pelos	
  Professores	
  Márcia	
  e	
  Humberto.	
  Revisado:	
  Prof.	
  Alexandre.	
  
	
  
Experimento	
  2	
  -­‐	
  Metalografia,	
  medição	
  de	
  dureza,	
  tratamento	
  térmico	
  e	
  termoquímico	
  de	
  aço	
  
	
  
Introdução	
  
Neste	
  experimento	
  serão	
  abordadas	
  metodologias	
  de	
  preparação	
  metalográfica,	
  medição	
  de	
  
macro	
  e	
  microdureza,	
  tratamentos	
  térmicos	
  e	
  termoquímicos	
  e	
  análise	
  de	
  microestruturas	
  de	
  aço.	
  
	
  
Parte	
  3	
  –	
  Tratamentos	
  termoquímicos	
  de	
  aços	
  
Tratamentos	
  termoquímicos	
  	
  
	
   Tratamentos	
   termoquímicos	
   são	
   processos	
   de	
   endurecimento	
   superficial	
   e	
   são	
   utilizados	
  
para	
  aumentar	
  a	
  resistência	
  ao	
  desgaste	
  de	
  peças	
  de	
  aço	
  sem	
  afetar	
  o	
  núcleo	
  mais	
  mole	
  e	
  tenaz.	
  A	
  
combinação	
  de	
  superfície	
  dura	
  e	
  boa	
  resistência	
  à	
  fratura	
  por	
  impacto	
  do	
  núcleo	
  é	
  utilizada	
  em	
  peças	
  
como	
  cames(eixo	
  do	
  comando	
  de	
  válvulas)	
  excêntricos	
  e	
  engrenagens.	
  O	
  endurecimento	
  superficial	
  
de	
  aços	
  tem	
  outras	
  vantagens	
  sobre	
  o	
  endurecimento	
  em	
  toda	
  a	
  peça,	
  tais	
  como:	
  i)	
  possibilidade	
  de	
  
utilização	
  de	
  aços	
  comuns	
  de	
  baixo	
  e	
  médio	
  carbono,	
  mais	
  baratos	
  do	
  que	
  aços	
  ligados,	
  embora	
  estes	
  
aços	
  também	
  possam	
  ser	
  tratados	
  por	
  estes	
  processos;	
  e	
  ii)	
  minimização	
  de	
  ocorrência	
  de	
  distorções	
  
e	
  trincamentos,	
  geralmente	
  associados	
  com	
  a	
  têmpera	
  de	
  peças	
  com	
  seções	
  grandes.	
  
	
   Os	
  tratamentos	
  termoquímicos	
  de	
  aços	
  consistem	
  basicamente	
  da	
  alteração	
  microestrutural	
  
da	
  superfície	
  pela	
  introdução	
  de	
  elementos	
  de	
  liga,	
  principalmente	
  elementos	
  intersticiais	
  (carbono	
  e	
  
nitrogênio),	
   através	
  da	
   interface	
  peça-­‐ambiente.	
  O	
  mecanismo	
  envolvido	
  é	
   a	
  difusão	
  atômica,	
   que	
  
ocorre	
   no	
   sentido	
   de	
   eliminar	
   o	
   gradiente	
   de	
   composição	
   química	
   entre	
   o	
   ambiente	
   com	
  um	
  alto	
  
potencial	
  do	
  elemento	
  a	
  ser	
  difundido	
  e	
  o	
   teor	
  deste	
  elemento	
  no	
  aço,	
  cuja	
  distância	
  de	
  difusão	
  é	
  
dada	
  aproximadamente	
  por	
   ,	
  onde	
  t	
  é	
  o	
  tempo	
  e	
  D	
  é	
  o	
  coeficiente	
  de	
  difusão,	
  que	
  aumenta	
  
exponencialmente	
  com	
  a	
  temperatura.	
  Dentre	
  os	
  vários	
  métodos	
  envolvendo	
  difusão,	
  a	
  cementação	
  
a	
  gás	
  é	
  a	
  mais	
  utilizada,	
  seguida	
  pela	
  nitretação	
  a	
  gás	
  e	
  carbonitretação.	
  
Processo	
  de	
  Cementação	
  	
  
	
   A	
  cementação	
  (carburizing)	
  é	
  o	
  tratamento	
  termoquímico	
  de	
  endurecimento	
  superficial	
  pela	
  
difusão	
  do	
  carbono.	
  O	
  tratamento	
  consiste	
  em:	
  	
  
i) aquecer	
  um	
  aço	
  de	
  baixo	
  carbono	
  em	
  um	
  meio	
  contendo	
  alto	
  teor	
  (potencial)	
  de	
  carbono	
  na	
  
faixa	
   de	
   temperatura	
   dentro	
   do	
   campo	
   austenítico	
   (Fe-­‐γ),	
   geralmente	
   entre	
   850	
   e	
   950	
   ºC,	
  
EN	
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  Tópicos	
  experimentais	
  em	
  Materiais	
  3°	
  Quadrimestre	
  2013	
  	
  	
  
onde	
   o	
   ferro	
   apresenta	
   elevada	
   solubilidade	
   de	
   carbono	
   (veja	
   o	
   diagrama	
   de	
   fases	
   Fe-­‐C,	
  
Figura	
  1	
  da	
  Parte	
  2	
  –	
  Tratamentos	
  térmicos	
  de	
  aços);	
  	
  
ii) manter	
  o	
  material	
  nesta	
  temperatura	
  por	
  um	
  determinado	
  tempo	
  para	
  ocorrer	
  a	
  difusão	
  do	
  
carbono	
   da	
   superfície	
   para	
   o	
   interior	
   do	
   material,	
   que	
   é	
   determinado	
   pela	
   espessura	
  
(profundidade)	
  da	
  camada	
  cementada	
  (case	
  depth)	
  desejada;	
  	
  
iii) realizar	
  o	
   tratamento	
   térmico	
  de	
   têmpera	
  para	
  promover	
  a	
   transformação	
  martensítica	
  da	
  
camada	
   cementada,	
   com	
   subseqüente	
   tratamento	
   térmico	
   de	
   revenido	
   para	
   ajustar	
   as	
  
propriedades	
  mecânicas	
  da	
  camada	
  temperada.	
  	
  
A	
  Figura	
  1	
  apresenta	
  fotomicrografias	
  mostrando	
  detalhes	
  de	
  uma	
  engrenagem	
  cementada.	
  
	
   	
  
Figura	
  1	
  –	
  Fotomicrografias	
  de	
  seções	
  de	
  uma	
  engrenagem	
  de	
  40	
  dentes	
  de	
  aço	
  12H2N4A	
  (0,16%	
  C,	
  0,6%	
  Mn,	
  
0,37%	
  Si,	
  0,03%	
  P,	
  0,025%	
  S,	
  1,65%	
  Cr,	
  3,65%	
  Ni	
  –	
  teores	
  máximos)	
  cementada	
  ionicamente	
  (por	
  processo	
  a	
  
plasma)	
  com	
  difusão	
  a	
  920	
  ºC,	
  austenitizada	
  a	
  830	
  ºC,	
  temperada	
  em	
  óleo	
  e	
  revenida	
  a	
  150	
  ºC	
  mostrando:	
  (a)	
  
profundidade	
  uniforme	
  da	
  camada	
  cementada;	
  e	
  (b)	
  microestrutura	
  da	
  região	
  superficial	
  temperada	
  com	
  
martensita	
  revenida	
  sem	
  evidência	
  de	
  presença	
  de	
  carbonetos	
  ou	
  austenita	
  retida	
  (ataque	
  Nital).1	
  	
  
Atualmente	
   o	
   processo	
   de	
   cementação	
   mais	
   empregado	
   é	
   a	
   cementação	
   a	
   gás,	
   que	
  
emprega,	
   como	
   fonte	
   de	
   carbono,	
   atmosferas	
   ricas	
   em	
   carbono	
   produzidas	
   por	
   gases	
   de	
  
hidrocarbonetos,	
  como	
  metano	
  (CH4),	
  propano	
  (C3H3)	
  e	
  butano	
  (C4H10).	
  Estes	
  gases	
  misturados	
  com	
  o	
  
ar	
   e	
   outros	
   gases	
   geram	
   uma	
   atmosfera	
   rica	
   em	
   monóxido	
   de	
   carbono.	
   Outro	
   processo	
   é	
   a	
  
cementação	
   em	
   caixa,	
   empregada	
   em	
   casos	
   específicos,	
   que	
   utiliza	
   como	
   fonte	
   de	
   carbono	
  
compostos	
  sólidos	
  como	
  carvão	
  mineral	
  ou	
  coque	
  (carvão	
  mineral	
  beneficiado),	
  que	
  reagem	
  com	
  o	
  
ar	
  para	
  a	
  formação	
  de	
  uma	
  atmosfera	
  rica	
  em	
  monóxido	
  de	
  carbono.	
  Esta	
  reação	
  é	
  facilitada	
  com	
  o	
  
uso	
  de	
  catalisadores,	
  como	
  carbonatos	
  de	
  bário	
  (BaCO3),	
  de	
  cálcio	
  (CaCO3),	
  de	
  potássio	
  (K2CO3)	
  e	
  de	
  
sódio	
   (Na2CO3).	
   Em	
  ambos	
  os	
   processos,	
   o	
  monóxido	
  de	
   carbono	
  dissocia-­‐se	
   na	
   superfície	
   do	
   aço,	
  
segundo	
  a	
  reação:	
  
	
   	
   	
   	
   	
   	
   	
   	
   (1)	
  
(a)	
   (b)	
  
2 mm 50 µm 
EN	
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  –	
  Tópicos	
  experimentais	
  em	
  Materiais	
  3°	
  Quadrimestre	
  2013	
  	
  	
  
onde	
  o	
  carbono	
  liberado	
  é	
  prontamente	
  dissolvido	
  pela	
  fase	
  austenita	
  e	
  difunde-­‐se	
  para	
  o	
  interior	
  do	
  
aço.	
  
A	
   difusão	
   de	
   carbonoda	
   superfície	
   para	
   o	
   interior	
   da	
   peça	
   causa	
   um	
   perfil	
   (gradiente)	
   de	
  
concentração	
  de	
  carbono	
  (CC),	
  que	
  varia	
  com	
  a	
  distância	
  (x)	
  e	
  o	
  tempo	
  (t),	
  e	
  pode	
  ser	
  descrita	
  pela	
  
Segunda	
  Lei	
  de	
  Fick	
  para	
  o	
  caso	
  de	
  difusão	
  no	
  estado	
  não-­‐estacionário:	
  
	
   	
   	
   	
   	
   	
   	
   	
   (2)	
  
onde,	
  D	
  é	
  o	
  coeficiente	
  de	
  difusão,	
  que	
  é	
  expressa	
  como:	
  
	
   	
   	
   	
   	
   	
   	
   	
   	
   (3)	
  
onde,	
  D0	
  é	
  uma	
  constante,	
  Qd	
  é	
  a	
  energia	
  de	
  ativação	
  para	
  a	
  difusão,	
  R	
  é	
  a	
  constante	
  universal	
  dos	
  
gases	
   e	
   T	
   é	
   a	
   temperatura	
   absoluta.	
  A	
   solução	
  da	
  Equação	
  2	
  para	
  o	
   caso	
  da	
   cementação	
  em	
  aços	
  
pode	
  ser	
  descrita	
  como:	
  
	
   	
   	
   	
   	
   	
   	
   (4)	
  
onde,	
   CC	
   é	
   a	
   concentração	
   de	
   carbono	
   a	
   uma	
   distância	
   x	
   da	
   superfície	
   após	
   um	
   tempo	
   t	
   de	
  
tratamento	
  de	
  cementação,	
  CS	
  é	
  a	
  concentração	
  de	
  carbono	
  na	
  superfície	
  mantida	
  pelo	
  potencial	
  de	
  
carbono	
  da	
   atmosfera,	
   C0	
   é	
   a	
   concentração	
   inicial	
   de	
   carbono	
  na	
   liga	
   Fe-­‐C,	
   e	
  D	
   é	
   o	
   coeficiente	
  de	
  
difusão	
  do	
  carbono	
  na	
  austenita.	
  A	
  “função	
  erro”	
  de	
  Gauss,	
  erf(z),	
  é	
  dada	
  por:	
  
	
  	
  	
  	
   	
   	
   	
   	
   	
   	
   (5)	
  
A	
  Tabela	
  1	
  apresenta	
  alguns	
  valores	
  para	
  esta	
  função	
  (Eq.	
  5).	
  
Tabela	
  1	
  –	
  Alguns	
  valores	
  para	
  a	
  função	
  erro	
  de	
  Gauss,	
  erf(z).	
  
z	
   0	
   0,1	
   0,2	
   0,3	
   0,4	
   0,5	
   0,6	
   0,7	
   0,8	
   0,9	
   1,0	
  
erf(z)	
   0	
   0,11	
   0,22	
   0,33	
   0,43	
   0,52	
   0,60	
   0,68	
   0,74	
   0,80	
   0,84	
  
	
   A	
   Figura	
   2	
   apresenta	
   exemplos	
   de	
   perfis	
   de	
   concentração	
   de	
   carbono	
   calculados	
   com	
   a	
  
Equação	
  4	
  para	
  o	
  caso	
  da	
  cementação	
  de	
  um	
  aço	
  com	
  0,15%	
  C.	
  Note	
  que	
  aumentando	
  o	
   tempo	
  a	
  
uma	
  dada	
  temperatura	
  de	
  cementação	
  (Fig.	
  2a)	
  ou	
  aumentando	
  a	
  temperatura	
  a	
  um	
  dado	
  tempo	
  de	
  
cementação	
  (Fig.	
  2b),	
  aumenta-­‐se	
  a	
  profundidade	
  da	
  camada	
  cementada.	
  
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  experimentais	
  em	
  Materiais	
  3°	
  Quadrimestre	
  2013	
  	
  	
  
	
   	
  
Figura	
  2	
  –	
  Concentração	
  de	
  carbono	
  em	
  uma	
  liga	
  Fe-­‐C	
  como	
  função	
  da	
  distância	
  calculada	
  para:	
  (a)	
  vários	
  
tempos	
  (2,	
  4,	
  8	
  e	
  16	
  h)	
  de	
  cementação	
  a	
  925	
  ºC;	
  e	
  (b)	
  várias	
  temperaturas	
  (870,	
  925	
  e	
  980	
  ºC)	
  por	
  8	
  h	
  de	
  
cementação,	
  assumindo	
  que	
  o	
  coeficiente	
  de	
  difusão	
  seja	
  	
  independente	
  da	
  composição.2	
  	
  
Como	
  a	
  temperabilidade	
  do	
  aço	
  aumenta	
  com	
  o	
  aumento	
  do	
  teor	
  de	
  carbono,ℜ	
  o	
  tratamento	
  
térmico	
  de	
  têmpera	
  de	
  um	
  aço	
  baixo-­‐carbono	
  cementado	
  resulta	
  em	
  uma	
  variação	
  microestrutural	
  a	
  
partir	
   da	
   superfície	
   para	
   o	
   centro	
   da	
   peça.	
   Além	
   disso,	
   a	
   taxa	
   de	
   resfriamento	
   é	
  maior	
   na	
   região	
  
próxima	
  à	
  superfície	
  do	
  que	
  no	
  centro	
  da	
  peça,	
  o	
  que	
  também	
  atua	
  na	
  variação	
  microestrutural.	
  A	
  
Figura	
   3	
   mostra	
   os	
   efeitos	
   destas	
   duas	
   características	
   na	
   variação	
   da	
   microestrutura	
   em	
   um	
   aço	
  
cementado,	
   onde	
   se	
   pode	
   observar	
   a	
   camada	
   superficial	
   constituída	
   de	
   martensita,	
   uma	
   região	
  
intermediária	
   constituída	
  de	
  microconstituintes	
   finos	
  de	
   ferrita,	
  perlita	
  e	
  bainita	
  e	
  a	
   região	
   interna	
  
constituída	
  de	
  uma	
  microestrutura	
  ferrítico-­‐perlítica.	
  
	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
ℜ	
  Nos	
  diagramas	
  TTT	
  (tempo-­‐temperatura-­‐transformação)	
  e	
  TRC	
  (transformação	
  em	
  resfriamento	
  contínuo),	
  as	
  
regiões	
  de	
  transformação	
  envolvendo	
  difusão	
  deslocam-­‐se	
  para	
  maiores	
  tempos	
  com	
  o	
  aumento	
  do	
  teor	
  de	
  
carbono.	
  
(a)	
   (b)	
  
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  experimentais	
  em	
  Materiais	
  3°	
  Quadrimestre	
  2013	
  	
  	
  
	
  
Figura	
  3	
  –	
  A	
  textura	
  de	
  uma	
  peça	
  cementada	
  e	
  submetida	
  à	
  têmpera	
  varia	
  da	
  superfície	
  para	
  o	
  interior,	
  não	
  só	
  
porque	
  o	
  teor	
  de	
  carbono	
  diminui,	
  como	
  também	
  porque	
  a	
  velocidade	
  de	
  esfriamento	
  é	
  menor	
  no	
  núcleo	
  
(ataque	
  Nital).	
  Os	
  gráficos	
  ao	
  lado	
  explicam	
  os	
  resultados	
  obtidos,	
  com	
  o	
  auxílio	
  de	
  curvas	
  de	
  transformação	
  
em	
  resfriamento	
  contínuo.3	
  	
  
Os	
   aços	
   para	
   cementação	
   geralmente	
   têm	
   teor	
   de	
   carbono	
   em	
   torno	
  de	
   0,2%	
  e	
   o	
   teor	
   da	
  
camada	
  cementada	
  deve	
  ter	
  no	
  máximo	
  ~0,9%	
  C,	
  pois	
  teores	
  de	
  carbono	
  muito	
  altos	
  podem	
  resultar	
  
em	
   austenita	
   retida	
   e	
  microestrutura	
   frágil,	
   devido	
   à	
   formação	
   de	
   carbonetos	
   pró-­‐eutetóides	
   nos	
  
contornos	
  de	
  grão	
  da	
  austenita.	
  
A	
   dureza	
   da	
   camada	
   cementada	
   pode	
   variar	
   entre	
   50	
   e	
   63	
   HRC	
   e	
   a	
   profundidade	
   desta	
  
camada	
  varia,	
  dependendo	
  da	
  aplicação	
  e	
  do	
  método	
  de	
  cementação,	
  em	
  geral,	
  entre	
  75	
  µm	
  e	
  1,5	
  
mm.	
  A	
  profundidade	
  da	
  camada	
  cementada,	
  que	
  é	
  função	
  da	
  temperatura,	
  do	
  tempo	
  e	
  do	
  potencial	
  
de	
  carbono	
  na	
  superfície,	
  pode	
  ser	
  determinada	
  tanto	
  por	
  meio	
  de	
  análise	
  química	
  (Fig.	
  4a)	
  como	
  por	
  
meio	
  da	
  medição	
  da	
  dureza	
   (Fig.	
  4b),	
  pois	
  a	
   variação	
  da	
  microestrutura	
   causa	
  um	
  perfil	
   de	
  dureza	
  
através	
  da	
  camada	
  (Fig.	
  5).	
  	
  
75 
µm 
EN	
  2806	
  –	
  Tópicos	
  experimentais	
  em	
  Materiais	
  3°	
  Quadrimestre	
  2013	
  	
  	
  
	
   	
  
Figura	
  4	
  –	
  (a)	
  Gradiente	
  de	
  carbono	
  e	
  (b)	
  perfil	
  de	
  microdureza	
  Vickers	
  em	
  barras	
  de	
  aço	
  8620	
  cementadas	
  a	
  
925	
  ºCe	
  temperadas	
  (adaptado	
  da	
  referência	
  4).	
  	
  
	
  
Figura	
  5	
  –	
  Fotomicrografia	
  de	
  um	
  aço	
  1020	
  com	
  camada	
  superficial	
  de	
  martensita	
  e	
  núcleo	
  ferrítico-­‐perlítico	
  
mostrando	
  indentações	
  de	
  microdureza	
  Knoop	
  (losangos	
  pretos),	
  distantes	
  0,08	
  mm	
  uma	
  da	
  outra,	
  ilustrando	
  a	
  
diferença	
  de	
  dureza	
  entre	
  a	
  camada	
  e	
  o	
  núcleo.1	
  	
  
Se	
  definirmos	
  como	
  meia	
  distância	
  de	
  difusão,	
  x0,5,	
  na	
  condição	
  CC=½(CS+C0)	
   (mostradas	
  na	
  
Figura	
  4a),	
   isto	
  é,	
  quando	
  a	
  concentração	
  de	
  carbono	
  (CC)	
  é	
  o	
  valor	
  médio	
  entre	
  a	
  concentração	
  de	
  
carbono	
  na	
  superfície	
   (CS)	
  e	
  a	
  concentração	
  inicial	
  de	
  carbono	
  na	
   liga	
  Fe-­‐C	
  (C0),	
  esta	
  distância	
  pode	
  
ser	
  aproximada	
  segundo	
  a	
  Equação	
  4	
  por:	
  
(a)	
   (b)	
  
x0,5	
  
½(CS+C0)	
  
½(HVS+HV0)	
  
~x0,5	
  
100 µm 
EN	
  2806	
  –	
  Tópicos	
  experimentais	
  em	
  Materiais	
  3°	
  Quadrimestre	
  2013	
  	
  	
  
	
   	
   	
   	
   	
   	
   	
   	
   	
   (6)	
  
pois,	
  neste	
  caso	
  erf(0,5) ≅	
  0,5	
  (Tabela	
  1).	
  De	
  forma	
  similar,	
  se	
  considerarmos	
  o	
  valor	
  médio	
  da	
  dureza	
  
entre	
  a	
  dureza	
  da	
  superfície	
  (HVS)	
  e	
  a	
  dureza	
  inicial	
  da	
  liga	
  Fe-­‐C	
  (HV0),	
  pode-­‐se	
  determinar	
  de	
  forma	
  
aproximada	
  a	
  meia	
  distância	
  de	
  difusão,	
  x0,5,	
  ilustrada	
  na	
  Figura	
  4b.	
  
	
   Em	
   termos	
   tecnológicos	
   há	
   duas	
   profundidades	
   de	
   camada	
   cementada	
   de	
   interesse:	
   a	
  
profundidade	
   total,	
  que	
  é	
  a	
  distância	
  da	
   superfície	
  a	
  partir	
  da	
  qual	
  não	
  há	
  variação	
  química	
  ou	
  de	
  
propriedades	
   mecânicas	
   em	
   relação	
   às	
   características	
   do	
   aço;	
   e	
   a	
   profundidade	
   efetiva,	
   que	
   é	
   a	
  
distância	
  da	
  superfície	
  até	
  o	
  ponto	
  em	
  que	
  se	
  alcança	
  um	
  valor	
  de	
  dureza	
  especificado,	
  usualmente	
  
50	
  HRC.	
  
	
  
EN	
  2806	
  –	
  Tópicos	
  experimentais	
  em	
  Materiais	
  3°	
  Quadrimestre	
  2013	
  	
  	
  
	
  
Microdureza	
  
	
  
O	
  ensaio	
  de	
  microdureza,	
  também	
  chamado	
  de	
  ensaio	
  de	
  dureza	
  por	
  microindentação,	
  pode	
  
ser	
   definido	
   como	
   sendo	
   o	
   ensaio	
   de	
   dureza	
   por	
   indentação	
   que	
   envolve	
   a	
   impressão	
   com	
   um	
  
indentador	
   de	
   diamante	
   com	
   geometria	
   específica	
   na	
   superfície	
   da	
   amostra	
   com	
   cargas	
   (forças)	
  
variando	
  de	
  1	
  a	
  1000	
  gf.	
  5	
  Em	
  decorrência	
  deste	
  ensaio	
  gerar	
  uma	
  impressão	
  diminuta,	
  ele	
  pode	
  ser	
  
aplicado	
  para	
  medição	
  de	
  dureza	
  de	
  amostras	
  finas	
  ou	
  pequenas,	
  de	
  regiões	
  próximas	
  à	
  superfície	
  de	
  
uma	
   peça,	
   de	
   recobrimentos	
   (coatings),	
   de	
   camadas	
   cementadas	
   (Fig.	
   5)	
   e	
   de	
   microconstituintes	
  
individualmente	
  (Fig.	
  6).	
  
	
  
Figura	
  6	
  –	
  Fotomicrografia	
  de	
  uma	
  liga	
  cobre-­‐berílio	
  mostrando	
  indentações	
  Vickers	
  (50	
  gf)	
  na	
  matriz	
  “mole”	
  
(regiões	
  escuras)	
  e	
  na	
  fase	
  intergranular	
  “dura”	
  (regiões	
  claras).5	
  	
  
Os	
   dois	
   principais	
   métodos	
   de	
   ensaio	
   de	
   microdureza	
   são	
   Knoop	
   e	
   Vickers.	
   Ambos	
   os	
  
métodos	
  empregam	
  um	
  indentador	
  de	
  diamante	
  piramidal,	
  mas	
  que	
  varia	
  na	
  geometria,	
  sendo	
  que	
  a	
  
indentação	
  Knoop	
  apresenta	
  uma	
  imagem	
  projetada	
  de	
  um	
  losango	
  (Fig.	
  5),	
  enquanto	
  a	
  indentação	
  
Vickers	
   apresenta	
   uma	
   imagem	
   projetada	
   de	
   um	
   quadrado	
   (Fig.	
   6).	
   Os	
   dois	
   métodos	
   podem	
   ser	
  
realizados	
  em	
  um	
  mesmo	
  equipamento	
  (Fig.	
  7),	
  bastando	
  trocar	
  o	
  tipo	
  de	
  indentador.	
  
40 
µm 
EN	
  2806	
  –	
  Tópicos	
  experimentais	
  em	
  Materiais	
  3°	
  Quadrimestre	
  2013	
  	
  	
  
	
  
Figura	
  7	
  –	
  Imagem	
  de	
  um	
  microdurômetro.5	
  	
  
Microdureza	
  Vickers	
  	
  
O	
  ensaio	
  de	
  microdureza	
  Vickers	
  utiliza	
  um	
   indentador	
  de	
  diamante	
  piramidal	
   com	
  ângulo	
  
entre	
  as	
   faces	
  opostas	
  de	
  136º (Fig.	
  8a),	
   cuja	
   impressão	
   resulta	
  em	
  uma	
   imagem	
  projetada	
  de	
  um	
  
quadrado	
  (Fig.	
  8b).	
  	
  
	
  
Figura	
  8	
  –	
  (a)	
  Representações	
  esquemáticas	
  do	
  indentador	
  e	
  da	
  indentação	
  Vickers	
  e	
  (b)	
  indentações	
  Vickers	
  
realizadas	
  na	
  fase	
  ferrita	
  de	
  um	
  aço	
  inoxidável	
  com	
  cargas	
  de	
  500,	
  300,	
  100,	
  50	
  e	
  10	
  gf	
  (da	
  esquerda	
  para	
  a	
  
direita).5	
  	
  
Seletor	
  de	
  carga	
  
Ocular	
  com	
  micrômetro	
  para	
  
medição	
  da	
  diagonal	
  de	
  
indentação	
  
Indentador	
  
Lentes	
  objetivas	
  
Manivela	
  de	
  
focalização	
  
Base	
  com	
  movimentos	
  
micrométricos	
  
40 
µm 
EN	
  2806	
  –	
  Tópicos	
  experimentais	
  em	
  Materiais	
  3°	
  Quadrimestre	
  2013	
  	
  	
  
	
   O	
  método	
  de	
  dureza	
  Vickers	
  também	
  pode	
  ser	
  utilizado	
  para	
  medição	
  de	
  macrodurezas	
  com	
  
cargas	
  variando	
  entre	
  1	
  e	
  120	
  kgf.	
  
O	
   número	
   de	
   dureza	
   Vickers	
   (HV)	
   é	
   calculado	
   como	
   a	
   razão	
   entre	
   a	
   carga	
   aplicada	
   pelo	
  
indentador	
  e	
  a	
  área	
  da	
  superfície	
  da	
  indentação	
  (área	
  de	
  contato),	
  que	
  é	
  dado	
  por:	
  
	
   	
   	
   	
   	
   	
   	
   	
   (7)	
  
onde,	
  P	
  é	
  a	
  carga	
  (força)	
  aplicada	
  em	
  kgf,	
  D	
  é	
  o	
  valor	
  médio	
  entre	
  as	
  duas	
  diagonais	
  da	
  indentação	
  
(medidas	
  no	
  microscópio)	
  em	
  mm	
  e	
  θ	
  é	
  o	
  ângulo	
  entre	
  as	
  faces	
  opostas	
  do	
  indentador	
  de	
  diamante	
  
(136º).	
  A	
  Equação	
  7	
  também	
  pode	
  ser	
  expressa	
  como:	
  
	
   	
   	
   	
   	
   	
   	
   	
   (8)	
  
	
   Embora	
  a	
  dureza	
  Vickers	
   (HV)	
   seja	
   calculada	
  em	
  kgf/mm2,	
  não	
   se	
  emprega	
  a	
  unidade	
  para	
  
expressar	
  o	
  número	
  de	
  dureza	
  Vickers.	
  Como	
  o	
  número	
  da	
  dureza	
  Vickers	
  pode	
  variar	
  com	
  a	
  carga	
  
utilizada	
  no	
  ensaio,	
  é	
  comum	
  expressar	
  o	
  valor	
  da	
  carga	
  empregada	
  junto	
  com	
  o	
  valor	
  medido.	
  Por	
  
exemplo,	
   para	
   um	
   valor	
   médio	
   de	
   dureza	
   Vickers	
   de	
   513	
  medido	
   com	
   carga	
   de	
   0,1	
   kgf,	
   pode	
   se	
  
expressar	
  o	
  númerode	
  dureza	
  Vickers	
  como	
  513	
  HV0,1	
  ou	
  513	
  HV	
  100	
  gf.	
  
	
   Em	
   geral,	
   as	
   mesmas	
   considerações	
   apresentadas	
   para	
   a	
   medição	
   de	
   macrodureza	
   são	
  
aplicáveis	
  à	
  medição	
  de	
  microdureza,	
  como:	
  i)	
  planicidade	
  da	
  amostra;	
  ii)	
  espessura	
  mínima	
  de	
  cerca	
  
de	
  dez	
  vezes	
  a	
  profundidade	
  da	
   indentação,	
  que	
  no	
  caso	
  da	
   indentação	
  Vickers	
  é	
  de	
  cerca	
  de	
  D/7	
  
(onde	
  D	
  é	
  a	
  diagonal	
  de	
  indentação);	
  e	
  iii)	
  distância	
  mínima	
  entre	
  a	
  borda	
  e	
  o	
  centro	
  da	
  indentação	
  
ou	
  entre	
  os	
  centros	
  de	
  duas	
  indentações	
  adjacentes	
  de	
  3	
  vezes	
  a	
  diagonal	
  de	
  indentação.	
  Excetua-­‐se	
  
a	
  condição	
  da	
  superfície	
  de	
  medição,	
  que,	
  regra	
  geral,	
  deve	
  ser	
  polida,	
  para	
  uma	
  boa	
  definição	
  das	
  
bordas	
  da	
  indentação	
  Vickers,	
  e	
  sem	
  encruamento	
  sub-­‐superficial,	
  para	
  não	
  afetar	
  a	
  medida,	
  que	
  é	
  
relativamente	
   rasa.	
   A	
   qualidade	
   do	
   acabamento	
   superficial	
   é	
   tanto	
  mais	
   crítica	
   quanto	
  menor	
   é	
   a	
  
carga	
  empregada.	
  	
  
EN	
  2806	
  –	
  Tópicos	
  experimentais	
  em	
  Materiais	
  3°	
  Quadrimestre	
  2013	
  	
  	
  
2.	
   Objetivos	
  do	
  Experimento	
  
1. Conhecer	
  a	
  prática	
  de	
  cementação	
  em	
  caixa	
  (tratamento	
  termo-­‐químico)	
  e	
  realizar	
  a	
  análise	
  
metalográfica	
  da	
  camada	
  cementada;	
  
2. Conhecer	
   o	
   método	
   de	
   microdureza	
   Vickers	
   e	
   determinar	
   o	
   perfil	
   de	
   dureza	
   da	
   camada	
  
cementada.	
  
	
  
3.	
   Roteiro	
  experimental	
  
	
   O	
   experimento	
   desta	
   aula	
   compreende	
   duas	
   etapas	
   principais:	
   (a)	
   Tratamento	
   termo-­‐
químico	
   de	
   cementação	
   e	
   metalografia;	
   e	
   (b)	
   Determinação	
   do	
   perfil	
   de	
   dureza	
   da	
   camada	
  
cementada.	
  Cada	
  uma	
  das	
  etapas	
  é	
  descrita	
  em	
  detalhes	
  a	
  seguir:	
  
(a)	
  Tratamento	
  termo-­‐químico	
  de	
  cementação	
  e	
  metalografia	
  
a1.	
  Acompanhar	
  a	
  demonstração	
  da	
  prática	
  de	
  cementação	
  em	
  caixa	
  de	
  aços;	
  
a2.	
  Realizar	
  a	
  análise	
  metalográfica	
  de	
  uma	
  amostra	
  de	
  aço	
  cementada	
  e	
  submetida	
  aos	
  tratamentos	
  
térmicos	
   de	
   têmpera	
   seguida	
   de	
   revenido.	
   Registre	
   as	
   imagens	
   das	
   diferentes	
   regiões	
   da	
  
camada	
  cementada	
  e	
  do	
  interior	
  da	
  peça.	
  
(b)	
  Determinação	
  do	
  perfil	
  de	
  dureza	
  da	
  camada	
  cementada	
  
b1.	
  Posicionar	
   a	
   amostra	
   cementada	
   na	
   base-­‐suporte	
   do	
   microdurômetro	
   de	
   forma	
   a	
   realizar	
   as	
  
indentações	
  em	
  uma	
  linha	
  reta	
  perpendicular	
  à	
  superfície	
  da	
  amostra.	
  Utilize	
  a	
   lente	
  de	
  menor	
  
aumento	
  para	
  visualizar	
  a	
  amostra	
  e	
  os	
  micrômetros	
  de	
  deslocamento	
  x	
  e	
  y	
  da	
  base-­‐suporte;	
  
b2.	
  Focalizar	
   a	
   amostra	
   inicialmente	
   com	
   a	
   borda	
   centralizada	
   na	
   objetiva	
   de	
   maior	
   aumento	
   e	
  
anotar	
  a	
  posição	
  no	
  micrômetro.	
  Deslocar	
  a	
  amostra	
  para	
  que	
  o	
  centro	
  da	
  objetiva	
  fique	
  a	
  uma	
  
distância,	
  por	
  exemplo,	
  de	
  100	
  µm	
  da	
  superfície.	
  Acertar	
  o	
  foco	
  e,	
  então,	
  trocar	
  no	
  revólver	
  para	
  
o	
  indentador	
  Vickers.	
  
b3.	
  Acionar	
  o	
  indentador	
  e	
  esperar	
  o	
  término	
  do	
  ciclo	
  de	
  indentação.	
  Após	
  o	
  retorno	
  do	
  indentador	
  
para	
  a	
  posição	
  inicial	
  (confirme	
  se	
  ele	
  está	
  a	
  uma	
  certa	
  distância	
  da	
  superfície	
  da	
  amostra),	
  trocar	
  
no	
  revólver	
  para	
  a	
  objetiva.	
  
Nota:	
  Geralmente	
  a	
  medição	
  das	
  diagonais	
  da	
   indentação	
  é	
   realizada	
  no	
  próprio	
  microdurômetro,	
  
mas	
  nesta	
  aula	
  a	
  medição	
  será	
  realizada	
  nas	
  fotomicrografias	
  que	
  serão	
  obtidas	
  no	
  microscópio	
  
óptico.	
  
b4.	
  Deslocar	
   novamente	
   a	
   amostra,	
   focar,	
   trocar	
   para	
   o	
   indentador	
   e	
   realizar	
   nova	
   indentação.	
  
Repita	
  esta	
  operação	
  até	
  obter	
  pelo	
  menos	
  três	
  indentações	
  sem	
  variação	
  do	
  tamanho	
  da	
  diagonal,	
  
isto	
  é,	
  até	
  indentar	
  toda	
  a	
  camada	
  cementada	
  e	
  alcançar	
  a	
  região	
  interna	
  do	
  material.	
  
EN	
  2806	
  –	
  Tópicos	
  experimentais	
  em	
  Materiais	
  3°	
  Quadrimestre	
  2013	
  	
  	
  
b5.	
  Para	
   o	
   relatório,	
   determinar	
   a	
  meia	
   distância	
   de	
   difusão,	
   x0,5,	
   pelo	
   perfil	
   de	
   dureza	
   (Fig.	
   4b)	
   e	
  
comparar	
  com	
  o	
  valor	
  calculado	
  por	
  meio	
  da	
  Equação	
  6.	
  (Nota:	
  Para	
  o	
  cálculo,	
  é	
  necessário	
  obter	
  na	
  
literatura	
   os	
   parâmetros	
   da	
   Equação	
   3	
   que	
   possibilitarão	
   calcular	
   o	
   coeficiente	
   de	
   difusão,	
   D,	
   do	
  
carbono	
  na	
  austenita,	
  além	
  dos	
  dados	
  sobre	
  a	
  cementação:	
  temperatura	
  e	
  tempo.)	
  
	
   Condições	
  gerais	
  para	
  a	
  realização	
  do	
  ensaio	
  de	
  microdureza:	
  
i) Utilizem	
  amostras	
  polidas	
  (e	
  atacadas);	
  
ii) Anotem	
  a	
  carga	
  utilizada;	
  
iii) Respeitem	
   a	
   distância	
  mínima	
   entre	
   a	
   indentação	
   e	
   a	
   borda	
   da	
   amostra	
   e	
   entre	
   duas	
  
indentações	
  adjacentes,	
  conforme	
  indicada	
  na	
  Introdução;	
  
iv) Muito	
  cuidado	
  para	
  a	
  manipulação	
  do	
  microdurômetro,	
  pois	
  é	
  um	
  equipamento	
  sensível;	
  
v) Muito	
  cuidado	
  para	
  a	
  manipulação	
  do	
  indentador	
  de	
  diamante,	
  pois	
  ele	
  é	
  frágil!	
  
vi) Não	
  movimente	
  o	
  indentador	
  ou	
  o	
  revólver	
  enquanto	
  a	
  operação	
  de	
  indentação	
  estiver	
  
em	
  andamento;	
  
vii) Não	
  movimente	
  a	
  amostra	
  ou	
  a	
  base-­‐suporte	
  enquanto	
  a	
  operação	
  de	
  indentação	
  estiver	
  
em	
  andamento;	
  
viii) Evite	
   mexer	
   ou	
   trepidar	
   a	
   bancada	
   enquanto	
   a	
   operação	
   de	
   indentação	
   estiver	
   em	
  
andamento.	
  
	
  
	
  
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