Relatório Metalografia

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UNIVERSIDADE PAULISTA
TURMA ENGENHARIA MECÂNICA EM6P07
RELATÓRIOS:
TRATAMENTO TÉRMICO
(ESCALA MACROESTRUTURAL)
HARDNESS ASSAYS
(ESCALA MACROESTRUTURAL)
RILDO CALIXTO DA SILVA JUNIOR – RA: C54193 – 1
São Paulo
2017
OBJETIVOS
		Tratamento térmico: Avaliar a curva de aquecimento e a constante de aquecimento desenvolvida pela mufla durante o intervalo de tempo de aquecimento de 500 a 840º C e as características desenvolvidas pelos corpos de prova.
	Dureza: Avaliar o nível de dureza adquirido pelos corpos de prova apresentam após receber tratamento térmico de têmpera comparando seus resultados
INTRODUÇÃO TEÓRICA
Produção de ferro e aço
	A maioria dos ferros são obtidos em alto fornos por extração de minério de ferro e reação de oxirredução por coquiamento de carvão originando o ferro gusa que contém cerca de 4% de carbono e impurezas.
	A gusa é transferida em seu estado líquido para o forno de produção de aço, os aços carbônicos possuem teor máximo de 1,2% de carbono produzidos por reações de oxidação do carbono e impurezas até a obtenção dos teores requeridos, o processo mais utilizado para obtenção do gusa em aço é a oxidação por infusão de oxigênio.
Fases sólidas no diagrama de fases Fe-Fe3C
	Neste diagrama apresenta quatro fases sólidas sendo elas:
	Ferrita alfa: Fase sólida intersticial de carbono na rede cristalina de ferro CCC, os carbonos são poucos solúveis (solubilidade máxima 0,02% a temperatura eutetóide 723º C), baixa solubilidade sendo 0,005% a 0º C.
	Austenita: Solução sólida intersticial de carbono no ferro, apresenta estrutura cristalina CFC e apresenta maior dissolubilidade de carbono que a ferrita, a solubilidade máxima corresponde a 2,08% a 1448º C diminuindo para 0,8% a 723º C.
	Cementita: Composto intermetálico Fe-Fe3C, apresenta limites dissolubilidades desprezíveis e composição de 6,6% de C e 93,3% Fe, caracteriza-se por ser um composto duro e frágil.
	Ferrita beta: Solução sólida intersticial de carbono no ferro com configuração cristalina CCC, apresenta solubilidade máxima 0,09% a 1465º C.
Reações eutéticas e eutetóides
	Nas reações eutéticas ocorrem a decomposição isotérmica de uma fase líquida para duas fases sólidas durante a solidificação e reação inversa durante a fusão.
	Nas reações eutetóides ocorre o equilíbrio térmico entre fases sólidas no ponto em que houver a menor temperatura entre as fases de ferrite, austenite e cementite, este ponto é a região do diagrama qual obtemos a convivência simultânea destas três fases, durante o resfriamento a temperatura permanece constante até a transformação completa da austenita em ferrite e cementite.
	As reações eutetóides diferentes das eutéticas realizam a transformação de uma fase sólida em duas novas fases sólidas.
	Quando um aço de composição eutetóido é resfriado e atinge a temeratura 723º C a estrutura CFC da austenite transforma-se para CCC devido a instabilidade energética, e o carbono excedente forma uma nova fase a cementite, isso se dá porque a formação da ferrite ocorre nos pontos mais energéticos, ou seja, do corno ao centro do grão, e o carbono é expelido para as regiões adjacentes originando a cementite.
Classificação dos Aços
	
	Quanto a composição:
	Aço-carbônico: não possuem elementos de liga, apresentam Sl, Mn, P, S como elementos residuais e Carbonos em níveis diferentes de acordo com o tipo de aço.
	Aço-liga: - Baixa liga: Possuem de 3 a 3,5% de elementos de liga;
 - Média liga: Possuem de 3,6 a 9,9% de elementos de liga;
 - Alta liga: Possuem de 10 a 12% de elementos de liga.
	Quanto a estrutura:
	Perlíticos: Apresentam no máximo 5% de elementos de liga, as suas propriedades mecânicas podem ser melhoras por tratamento térmico, boa usinibilidade. Constituído por duas fases (ferrita e cementita), a dureza e determinada de acordo com a espessura das lâminas, já que a ferrita é mole e em maior quantidade torna o metal menos duro e a cementita extremamente dura configurando dureza ao metal.
	Martensíticos: Aços com mais de 5% de liga, apresentam alta dureza e baixa usinibilidade, sua configuração cristalina é triagonal e grande fragilidade a ruptura.
	Auteníticos: Mantem a estrutura austeníaca em temperatura ambiente mantendo altos teores de elementos de liga (Ni, Mn, Co), estrutura cristalográfica do tipo CFC, caracteriza-se pela alta ductibilidade e propriedade não magnéticas.
	Ferríticos: Baixo teor de Carbono, por outro lado, altos teores de elementos de liga (Cr, W, Si), não reagem a têmpera mantendo estrutura ferrítica após recozimento, estrutura cristalográfica do tipo CCC; altas propriedades eletromagnéticas. 
Tratamentos Térmicos
	
	
	Recozimento 
	Dá-se pelo aquecimento das peças em temperatura relacionadas ao tamanho da peça ou do lote, o refinamento da temperatura e velocidade de resfriamento e determinado pelas propriedade que se deseja adquirir após o final do processo e o tipo de metal que está sendo submetido ao tratamento.
	A têmpera reduz o nível de dureza para melhorar a usinibilidade do material, em alguns processos é necessário rígido controle atmosférico e ambiental. O resfriamento geralmente é lento dentro do forno que foi realizado o aquecimento do material.
	Normatização
	Processo que objetiva diminuir a granulação do aço facilitando a usinagem pois refina sua estrutura obtendo propriedades mecânicas melhores que as obtidas no recozimento, podendo ser realizado entre ou após o processo de recozimento.
	A normalização ocorre em duas fases, aquecimento em atmosfera controlada e resfriamento em ar ambiente, o aquecimento ocorre até 900º C e a austenização até 600º C.
	Têmpera
	Processo de tratamento que visa melhorar dureza e resistência dos aços. Ela é realizada em duas etapas, aquecimento superior a temperatura crítica que corresponde a 727º C e resfriamento rápido, este processo reorganiza a configuração cristalográfica dos metais e o abrupto resfriamento visa manter a estrutura manter a estrutura cristalográfica desejável após a fase austeníaca podendo variar de acordo com o tipo de têmpera desejado. 
	Para a efetiva aplicação da têmpera é necessário a obtenção do melhor arranjo possível dos cristais do metal submetido ao tratamento, a fase de austenização varia de acordo com o tipo de metal, sendo assim, a têmpera é obtida em temperaturas diferentes de acordo com o tipo de metal e o resultado que se espera. 
	A rápida queda da temperatura em água ou em óleo é fundamental para que não ocorra mudança estrutural do material submetido ao tratamento, ou seja, deseja-se manter a estrutura martensitica obtida após austenização.
	Austêmpera
	Utiliza o mesmo conceito da têmpera, porém, deseja-se obter estrutura bainica , o resfriamento ocorre até atingir a faixa de transformação bainica e a temperatura se mantem assim até a transformação total do material seguindo seu resfriamento em temperatura ambiente. 
	Martêmpera 
	Utilizado para diminuir a distorção e empenamento dos materiais, após a fase de austenização o material é resfriado até a faixa de transformação de martensitica mantendo se estável até a transformação total, realizando após resfriamento abrupto para evitar novas transformações estruturais.
	Revenimento
	Tratamento aplicado aos aços para corrigir a tenacidade e dureza excessiva.
	Neste processo ocorre o aquecimento dos metais temperados ate níveis um pouco inferiores as faixas de transformação, a transformação martensítica vai depender a temperatura adotada.
	Na faixa de 140 a 200º C não há alteração estrutural expressivas, entre 210 a 260º C as tensões são alteradas baixando os níveis de dureza sem alteração significativa estrutura, a faixa entre 270 e 360º C ocorre a precipitação de carbonetos finos causando mudanças estruturais, entre 370 e 730º C a cementita precipitada torna-se mais grossa tornando-se visível em matrizes esféricas,causando maiores mudanças estruturais. 
	Aços com elementos de ligam comportam-se de maneira diferente pois quando atingem a faixa de 500 a 600º C ocorre a precipitação dos carbonetos de liga, a temperatura destes processos é determinada de acordo com o resultado que se deseja obter.
	Nitretação
	Difunde-se nitrogênio em baixa temperatura a um metal e depois o inserido em ambiente aquecido, objetivando torna-lo mais duro, esta técnica induz a formação de uma liga robusta e camada externa de material (cementação).
	Esferoidização	
	Caracteriza-se por ser um tipo de recozimento do qual a temperatura é inferior a zona crítica, visa alterar a distribuição micro estrutural de carbonetos transformando-os de laminas em glóbulos/esferas, favorecendo a melhora de usinagem, não ocorre mudança de fase neste processo.
Curvas de Resfriamento 
	São geralmente utilizadas para determinar a temperatura de transformação de fases de metais puros ou ligas, a curva é obtida através do registro do tempo e da temperatura de um metal.
	Se o resfriamento ocorre sob condições de equilíbrio (resfriamento lento) a temperatura cai de maneira contínua.
	No ponto de fusão a curva se mantem contínua pois não ocorre variação da temperatura, essa região e conhecido como platô ou região de patamar térmico, permanecendo plana até que a solidificação se complete.
	Na região de platô a temperatura se mantem contínua pois há equilíbrio entre o calor perdido e o calor latente fornecido pelo metal, após essa fase o a curva decresce de acordo com a perda de temperatura.
Imagem 1: Curvas de resfriamento.
Fonte: http://brasilescola.uol.com.br/quimica/graficos-mudanca-estado-fisico.htm
Diagrama T.T.T.
	As curvas T.T.T relacionam o transformação, tempo e temperatura, em que ocorrem algumas transformações os dados são obtidos através da austenização de uma série de amostras de um aço determinado e após resfriado a uma temperatura inferior a temperatura eutetóide. 
Imagem 2: Diagrama T.T.T.
Fonte: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAftzYAC/diagrama-ttt
	
MÉTODO EXPERIMENTAL
	Materiais Utilizados
Mufla – Fabricado pelas indústrias Quimi
5 Corpos de prova aço 1045 
EPI (Pinça térmica e luva térmica)
Recipiente com cal (suficiente para cobrir o corpo de prova)
Recipiente com água mineral em temperatura ambiente (suficiente para cobrir o corpo de prova)
Recipiente com óleo hidráulico – Fabricado por total lubrificantes Brasil (suficiente para cobrir o corpo de prova)
Procedimento
	Pré aquecer a mufla a temperatura de 500º C e após introduzir os corpos de prova, realizar a medição da temperatura a cada cinco minutos. Até atingir 840º C, após retirar os corpos de prova utilizando EPI necessário, submergir um dos corpos de prova em água, um em óleo, um em cal e manter um em ar ambiente, e aguardar 24hrs de resfriamento. 
Análise experimental 
	Após 40 minutos obtivemos a temperatura de 842º C que corresponde, então fora desligado a mufla, observamos que a constante de aquecimento corresponde a 80,05ºC.
	Aquecimento
	Temperatura
	Tempo
	0
	500
	5
	543
	10
	592,7
	15
	643,3
	20
	692
	25
	735,9
	30
	774,8
	35
	810,5
	40
	842,2
		Observado também mudança de coloração nos corpos de prova após o resfriamento, o aços que foram submetidos a resfriamento por cal e água adquiriram cor azulada enquanto os que foram resfriados em ar e óleo mantiveram cor chumbo.
CONCLUSÃO TRATAMENTO TÉRMICO
	A configuração estrutural ados metais configuram características mecânicas que até podem classificar o tipo de metal estudado, estas características podem ser alteradas pela influência da temperatura, melhorando ou alterando tais características de acordo com a necessidade do projeto.
	Os tratamentos térmicos tornaram-se extremamente importantes para os procedimentos de engenharia pois com eles é possível obter características mecânicas melhoradas, permitindo a utilização de um metal para determinado processo que sem tais tratamentos não seria possível a sua utilização.
	Sabendo disso é fundamental que o engenheiro conheça a maneira como a temperatura influencia os metais e usá-las de maneira eficiente visando a melhoria dos processos e diminuição de custos.
HARDNESS
	Hardness is an important property of materials, it is defined as how hard a material is comparing of another reference material, it is able to take different defination and utilities depending of the kind of involved engineering area.
	Mechanical: It’s measure how resistente a material is to penetration by other reference material. 	
	Machining: It’s measure how resistence a material is to be cut by other reference material.
	Metallurgy: It’s measure how resistence a material is for permanent plastic deformation. 
	The hardness is directaly relationated with the bond streght of atom, ions and molecules and also, mechanical resistence, for example in plastic material the actuating stregh between the molecules are lower than metallic material what makes plastic be more softer than metal. In metals the hardness can be increased with special treatment as termic treatment.
	Hardness isn’t an intrinsic property of material, it’s given by determinated method of evaluation changing according with the used specification.
			
Objectives
To know the resistance and wearness ;
To have subsidies to create relational tables of mechanical resistance;
Quality control of termic treatment;
Quality control of plastic conformation process and alloy process;
Researches to development of new metallic alloys and materials.
Hardness Assay
The hardness tests aren’t destructive assay, they usually cause a little mark on material, not disabling his use.
The mains kinds of Hardness assays are:
	By scratch – Hardness Mohs;
 Hardness Bierbaum 
	By chock or rebound – Hardness Shore
	By penetration – Hardness Brinel;
	 Hardness Meyes;
 Hardness Vickers;
 Hardness Rockwell.
Hardness by scratch
Hardness Mohs
	Developed by Mohs in 1822, it is consisted by a scale of ten pattern minerals where the most hard scratch all the others, in this scale witch one that present higher value of one to ten have higher hardness.
	Such method is little used because doesn’t dimension littles variety of hardness that happens in steel for example being more applied in mineralogy.
Image 1: Mohs scale.
	
Source: https.blogspot.com%2F2014%2F09%2Fdureza-dos-minerais-escala
 
	Hardness Bierbaum
	
	Method little used to evaluate micro hardness, consisted in the application of 3gf by a pattern diamond with 35º angle and cube corner format.
	The hardness level is determinated by microscopic review of the scratch width, how much smaller the width higher is the hardness.
 	
Hardness by chock or rebound
	Hardness Shore
	Dynamic assay where realizes the material impression by the steel plunger drop, from a height of 256 mm using 2,5N force. The tip is made of diamond inserted in a graduated tube from 0 to 140.
	The value of hardness corresponds to the necessary energy to form the impression on the proof body is represented by the height achieved by the plunger rebound. 
	During the assay you should take some cares, as:
	Avoid Vibrations;
	Keep the surface in vertical position to ensure the horizontal return of the plunger;
	Keep the surface smooth to avoid damping caused by porosities;
	Realize the assay just one time in the same point, the retraction causes surface hardening raising hardness level.
	Such realization of these test are possible in big dimensions materials and your impression is little apparent allowing be realized in finished parts, in other hand, you shouldkeep the tube perfectly vertical and parts of small thickness can be committed after realize the assay. 
	
	By penetration
	
	They are the most used assays used nowadays, consists in the application of one load productizing a permanent deformation in the surface of the material. 
Brinell
	Proposal by Brinell in 1900 it’s symbolized by HB (Hardness Brinell), it’s the most essay used in engineering, in these assay penetrates to the surface one sphere of steel or hard material with diameter “D” of 10 mm over the action of a Force of 3000 Kgf, in soft materials that force is diminished to 1500 or 500 Kgf, variety according with the specification of the material.
	The load is applied for 10 to 15 seconds, how much less the impression (d) to the surface, higher is the hardness of the material. 
	To realize that essay it isn’t necessary much superficial preparations, this is the only who possibility the lecture of hardness in materials few homogenous, although, admit only 500HB of minimum hardness and big impressions can disable the mechanical part.
	The lectures of the results are given by:
AAA HBX D/F/T
AAA – Obtained Hardness;
HB – Hardness Brinell;
X – Kind of the sphere material;
D – Diameter of the sphere;
F – Force applied;
T - Time of the force was applied. 
Some defects of assay can happen during the tests as adhesion of the material to the sphere after the load application or bulging of the edges making it difficult the impression diameter lecture, on these cases the operator should evaluate if the material of the sphere and the applied force are proper for the surface submitted to the test.
Image 2: HB Impressions.
Source: http://www.engbrasil.eng.br/pp/em/aula3.pdf 
a – Normal impression;
b – Adhesion defect;
c – Bulging edge defect.
Mathematical Formulation
	The area of the cap is given by πDp, where p is the depthless of the cap, due the difficult to determine p the mathematicians established a relationship between depth and diameter. 
Meyers
	Use the same impression methodology than Brinell however evaluate the cap area projected in the surface plan instead the impression, presents better refinement of hardness than Brinell’s assays.
Rockwell 
	In 1922 the Rockwell Industries from USA stipulated a preload to the analyzed surface, this made possible evaluate the hardness in various steels, since the soft until to the harden ones, showing advantageous in relation to the measurements by Brinell e Meyers, madding the process most used in the whole world due your velocity and facility of execution and detect little harden variability’s, leaving minimum impression.
	Hardness Rockwell is determinate by steps, at first applies the preload to firm the penetrator tip and the contact surface and then applies the established load for the assay. 
	 The value of the hardness degree is read by a demonstrator coupled to the assay machine according to predetermined scale and proper hardness range. 
	The penetrators usually are spherical (tempered steel) or conics (diamond with 120º of conicity).
	Rockwell assays are considerate fast, exempted oh human mistake, presents little impression size, the test surfaces don’t need polishing, little irregularities are discarded in preload and their equipment’s are easy handling, but, the C scale only can be used in temperate steels, it’s necessary much spheres and different scales to include all kinds of materials.
	 
	Vickers
	In 1925 Smith and Sandland developed a method of hardness assay that was known as Hardness Vickers, they taking in considering the ideal relation between the sphere diameter of the penetrator and the diameter of the spherical cap obtained.
	The material tested is penetrated by a diamond penetrator with a straight pyramidal form and square base of 360 angle between the opposites faces. 
	The measure is realized by the microscopic reading of the diagonal leaved in the surface, the harden of the material is given by the quotient obtained by the division of the load by the penetrated area. 
	The Vickers procedure is able to evaluate micro hardness applying 1 kgf and obtaining smalls values until 10 gf. 
	This assays give values of elasticity modulus and load versus depth curve, due to the high precision and the possibility to leave very small impression (nonometer) the Vickers can be used in all materials, the bigger disadvantage is the high cost of the process because requires sophisticated machines and specialized operators.
EXPERIMENTAL METHOD
Material used 
	
5 proof body of steel 1045;
Hydraulic lubricating oil AW68 – Made of Total Lubrificantes Brasil;
Whitewash (Enough to cover all the proof body);
Mineral Water (Enough to cover all the proof body);
Muffin Machine – Made of Quimis Industries; 
Forceps for thermic protection;
Thermic glovers; 
Rockwell durometer – Made of R Kontrol.
Procedure 
	Preheat the Muffin machine until achieve 500º and introduce four proof body using Individual Protection Equipments - IPE (forceps and thermal glovers).
	Keep the proof body in muffin until it achieves the eutectoid temperature (723º) after then, take out using IPE introducing they in the thermic treatment that you established, in my assay I’ve done:
	Dived one proof body in mineral water in room temperature until the steel be completely submerged;
Fully submerged the second one in hydraulic oil;
Fully cover the third one in whitewash;
The forth one kept cooling in room air.
After starting the cooling kept in that conditions for 24 hours, after accomplished the hardness Rockwell assay in every proof body to get experimental data’s.
Experimental Data 
	Hardness Rockweel - C
	 
	NO T.T.
	AIR
	WATER 
	OIL 
	WHITEWASH
	 
	60,5
	56
	57,5
	57
	56
	 
	57
	54
	59
	55,5
	59
	 
	60
	54,5
	58,5
	57
	56
	 
	56
	54
	55,5
	55
	58
	 
	60
	57
	58
	56
	58,5
	 
	60,5
	55
	58
	58,5
	55,5
	 
	56
	58
	58
	60
	57
	 
	59
	57
	58
	58
	57
	 
	55
	58
	58
	58
	58
	 
	55
	57,5
	57,5
	56
	59
	 
	60
	56
	57
	60
	58,5
	 
	58
	55
	58
	59
	57
	 
	57
	56
	58
	57
	59
	 
	56
	58,5
	58
	59
	56,5
	 
	57
	58
	58
	57
	59
	 
	56
	55
	57
	59
	54
	 
	58
	59
	55
	56
	57
	 
	55
	58,5
	57,5
	56,5
	58
	 
	59
	58
	58
	59
	59
	 
	55
	58
	59
	56
	58
	MEDIA
	57
	57
	58
	57
	58
	VICKERS 
	633
	633
	653
	633
	653
	BRINELL
	595
	595
	615
	595
	617
	After perform twenty measurements, being ten of the superior surface and 10 of the under surface was obtain data that allowed the difference of the Hardness level.
	I observed that after thermic treatment has variety of the hardness level in samples submitted to cooling by water and whitewash; it was due by the high decrease of temperature that was bigger than the samples cooled in air and oil, the faster cooling made the samples kept their crystalline structure acquired after temper.
	The samples that cooled in air and oil had more time to transfer hat allowing phase changing during the cooling, these samples has insignificant alterations of the level of hardness in relation to the metal who not was subjected to thermic treatment.
	
	
	
Hardness Assay Conclusion
	Hardness should be related to the type of material studied, surface conditions and atomic specifications, and it is important that the responsible professional knows the fundamentals that base their theories.
 The thermal treatments alter the levels of hardness of the metals, and can be applied according to the desired result
 It is important to know the hardness levels to finish the use of the metallic materials, the tensions they can withstand, among other data such as elasticity and plasticity, such data allow us to adopt engineering decisions with safer operational safety and choose materialchoice to avoid unnecessary costs to the project.
BLIBLIOGRÁFIA
CALLISTER, William. Ciências dos materiais, Sétima Edição, São Paulo, LTC.
SMITH & HASHEMI, , Fundamentos da engenharia e ciência dos materiais, São Paulo, MacGrowHill.
MULLER, Arno, Solidificação e análise térmica dos metais, Porto Alegre Alfa, 2002
RECURSOS ELETRÔNICOS
https://www.cimm.com.br/portal/material_didatico/6432-sistemas-euteticos#.WblOjMiGPIU - Acessado 13/09/2017
https://pt.slideshare.net/KLELTON/aos-o-que - Acessado 13/09/2017
http://www.heattech.com.br/processo-de-nitretacao - Acessado 13/09/2017