Relatório processamento metalico

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ- UNIFEI 
INSTITUTO DE ENGENHARIA MECÂNICA - IEM 
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS 
EMT017P–PROCESSAMENTO DE MATERIAIS METÁLICOS EXPERIMENTAL 
PROFESSOR: GILBERT SILVA 
 
 
 
 
 
 
 
CEMENTAÇÃO EM AÇO SAE 1020 NORMALIZADO 
 
 
 
 
 
 
Letícia Laura de Oliveira- 28513 
Paloma de Souza Leite - 34460 
Sílvio Caiado Rosa - 27255 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Itajubá 
 Novembro - 2017 
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ- UNIFEI 
INSTITUTO DE ENGENHARIA MECÂNICA - IEM 
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS 
EMT017P–PROCESSAMENTO DE MATERIAIS METÁLICOS EXPERIMENTAL 
PROFESSOR: GILBERT SILVA 
 
 
 
 
CEMENTAÇÃO EM AÇO SAE 1020 NORMALIZADO 
 
Relatório apresentado na disciplina 
de “Processamento de Materiais 
metálicos experimental”, do curso 
de Engenharia de Materiais, como 
requisito da nota,Prof. Dr. Gilbert 
Silva. 
 
 
 Letícia Laura de Oliveira- 28513 
Paloma de Souza Leite - 34460 
Sílvio Caiado Rosa - 27255 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Itajubá 
 Novembro - 2017 
 
RESUMO 
 
O aço 1020 apresenta vasta área de aplicação, presente, portanto, em diversos setores da 
indústria, como na ferroviária, automobilística, naval e aeronáutica. O grande emprego desse 
aço na indústria é consequência de suas boas propriedades mecânicas aliadas ao custo 
relativamente baixo de sua produção. 
O presente trabalho visa o estudo das propriedades desse aço, bem como a mudança das 
mesmas mediante ao tratamento termoquímico de cementação, são apresentadas análises 
microestruturais e medidas de dureza antes e depois do tratamento, visando a comparação 
entre ambas. 
 
Palavras-chave: Aço 1020, Cementação, análise microestrutural, dureza. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Sumário 
1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 1 
2. INTRODUÇÃO TEÓRICA ................................................................................................ 1 
2.1. Microscopia óptica ....................................................................................................... 1 
2.2. Ensaio de dureza .......................................................................................................... 2 
2.3. Cementação .................................................................................................................. 4 
2.4. Normalização ............................................................................................................... 5 
3. METODOLOGIA ............................................................................................................... 7 
3.1. Preparação do aço ........................................................................................................ 7 
3.2. Análise da microestrutura ............................................................................................ 7 
3.3. Ensaio de microdureza ................................................................................................. 7 
3.4. Cementação .................................................................................................................. 7 
3.5. Análise dos tratamentos térmicos ................................................................................ 8 
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ...................................................................................... 8 
4.1. Amostra como recebida ............................................................................................... 8 
4.2. Cementação ................................................................................................................ 10 
5. CONCLUSÃO .................................................................................................................. 12 
REFERENCIAS ....................................................................................................................... 13 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1 
 
 
1. INTRODUÇÃO 
 
O aço carbono é a liga metálica mais utilizada na construção de equipamento e estruturas, 
devido a suas excelentes propriedades mecânicas. Tal aço é metalurgicamente definido como 
uma liga de ferro que contém em sua composição entre 0,05 e 2,0% em massa de carbono [1]. 
Na área de materiais para construção mecânica o aço 1020 possui uma posição relevante 
devido a sua boa resistência mecânica, trabalhabilidade, baixo custo e disponibilidade. As 
principais aplicações deste aço se encontram na indústria ferroviária, automobilística, naval e 
aeronáutica [2]. 
Embora, o aço 1020 seja de grande aplicabilidade no meio industrial há tratamentos 
termoquímicos que são realizados no mesmo com o intuito de endurecer sua superfície e 
aumentar sua resistência ao desgaste superficial sem que o eixo da peça seja alterado. Ou seja, 
a superfície da peça é endurecida e seu eixo continua tenaz [3]. 
Há diversos tipos de tratamentos termo-químicos dentre eles cementação, nitretação, 
cianetação e boretação. Sendo a cementação o tipo de tratamento mais antigo, cujo principio é 
baseado no acréscimo de carbono a aços com baixo teor de carbono. A anexação de carbono é 
feita por difusão no processo de cementação A profundidade da penetração do carbono é 
dependente do tempo, da temperatura e da composição do agente de cementação. A atmosfera 
na qual o material é exposto pode ser solida, liquida ou gasosa [3]. 
A cementação sólida por sua vez, é realizada inserindo a peça dentro de uma caixa 
composta por aço e dentro desta caixa um pó cementante rico em carbono é adicionado 
juntamente com a peça. Conforme há o aumento de temperatura o carbono do pó é depositado 
na superfície da peça e a dureza então é aumentada. É valido ressaltar que o tratamento 
termoquímico de cementação é dos mais antigos que existem, existindo outros cujos 
resultados sejam melhores e mais precisos, no entanto, a cementação é de fácil acesso e bem 
prática [3]. 
 
2. INTRODUÇÃO TEÓRICA 
 
2.1. Microscopia óptica 
O microscópio óptico é um aparelho utilizado para se obter ampliações de imagens de 
determinado objeto, para isso, esse equipamento utiliza emissão de radiação sobre 
2 
 
determinada amostra, geralmente a radiação utilizada é a luz visível. A luz interage com a 
amostra e passa por um sistema de lentes de aumento, emitindo então a imagem ampliada do 
objeto em questão. 
A resolução dos microscópios ópticos é inerente aos efeitos de difração, que por sua vez, 
são consequência do comprimento de onda da radiação incidente, por esse motivo, o aumento 
máximo atingido por esse equipamento não é superior a 2000 vezes, já que acima deste valor, 
detalhes menores são imperceptíveis [4]. 
Para aumentar a resolução pode-se utilizar como fonte de iluminação do objeto uma 
radiação com comprimento de onda menor que a luz visível. A profundidade de campo é 
inversamente proporcional aos aumentos, portanto, é necessário um polimento perfeito da 
superfície a ser observada [4]. 
 Na área de análise dos materiais metálicos os microscópios ópticos são utilizados na 
área de metalografia microscópica (ou micrografia dos materiais), que nada mais é que o 
estudo de produtos metalúrgicos, visando a determinação de seus constituintes (fases) e de sua 
textura. Essa técnica consiste na análise de uma superfície previamente preparada de um 
material (plana e polida, por exemplo) com o microscópio [5]. 
 É frequentemente empregado nessetipo de análise o ataque químico do corpo de 
prova, a fim de observar outras informações a respeito do material, como fases presentes. O 
ataque é feito agitando o corpo de prova com a superfície polida mergulhada no reativo posto 
numa pequena cuba, sendo o tempo de ataque dependente de variáveis como a concentração 
do reativo utilizado e da natureza e textura do material utilizado [5]. 
 A técnica de microscopia óptica é, portanto, bastante empregada na determinação de 
fases e do tamanho de grão, análise de defeitos e porosidade de amostras de materiais 
metálicos, evidenciando, assim, o que é conhecido como microestrutura. 
 
2.2. Ensaio de dureza 
A dureza da superfície é uma importante propriedade física dos materiais. Pode ser 
definida como sendo a resistência oferecida pelos sólidos à penetração de uma ponta, podendo 
ser considerada como um indicativo indireto da resistência do material ao desgaste, resistência 
à abrasão, além da capacidade do material de resistir a esforços, é uma propriedade mecânica 
do material a qual está relacionada à facilidade de deformação plástica localizada, ou seja, é a 
resistência que o material oferece às pequenas impressões ou riscos como resistência à 
deformação permanente de uma superfície submetida a uma penetração [6,7]. 
3 
 
O ensaio de dureza consiste na impressão de uma pequena marca feita na superfície de 
uma peça pela aplicação de pressão com uma ponta de penetração, verificando o quanto um 
dado material resiste à força do penetrador. 
A dureza dos materiais pode ser expressa através de várias escalas que, direta ou 
indiretamente, estão relacionadas à pressão aplicada para deformar a superfície testada. Os 
indentadores podem ser esféricos, piramidais ou cônicos. Para metais, a dureza é diretamente 
proporcional à tensão de escoamento para a deformação imposta pela endentação. 
Propriedades como tenacidade, resistência ao desgaste e usinabilidade, podem ser estimadas 
pela medição de dureza [8]. 
O ensaio de dureza é talvez o teste mais simples e de mais baixo custo para 
caracterização de materiais, pois não requer uma preparação elaborada da amostra. 
Os testes Brinell, Vickers e Rockwell são muito usados como medidas de dureza de 
materiais, conforme apresentados na Fig. 1. 
 
Figura 1 – Testes de dureza Rockwell, Brinell e Vickers. 
 
4 
 
O método de dureza Rockwell, representado pelo símbolo HR (Hardness Rockwell), 
leva em consideração a profundidade que o penetrador atingiu, descontando-se a recuperação 
elástica, devido à retirada da carga maior, e a profundidade atingida que é devida à carga 
menor. Nesse método, o resultado é lido diretamente na máquina de ensaio; além da rapidez 
maior, este método elimina o possível erro de medição que depende do operador. Os 
penetradores utilizados no ensaio de dureza Rockwell podem ser de dois tipos: penetrador de 
tipo esférico, que é uma esfera de aço temperado, ou penetrador cônico, um cone de diamante 
com conicidade de 120° [9]. 
O método de dureza Brinell consiste em comprimir uma esfera de diâmetro D por uma 
força F, durante um tempo T, contra a superfície do material a ensaiar; a superfície deve ser 
plana e polida ou preparada através de lixamento ou esmeril. Essa compressão produz uma 
mossa, isto é, uma impressão permanente no metal, que após a remoção da força, pode ser 
medida por meio de uma lupa graduada ou por um micrômetro óptico acoplado ao durômetro; 
a impressão é chamada diâmetro d. O valor do diâmetro d é a média de duas leituras tomadas 
a 90° uma da outra. 
A dureza Brinell ou HB (Hardness Brinell) é definida como o quociente, medido em 
Kgf/mm2, entre a carga aplicada e a superfície da calota esférica ou mossa deixada no 
material [10]. 
O método de dureza Vickers, representado pela abreviação HV (Hardness Vickers), é 
um ensaio em que um penetrador de diamante em forma de pirâmide de base quadrada e 
ângulo entre faces de 136° é comprimido contra a peça a ensaiar por uma força pré-
determinada. Após a remoção da força, medem-se as diagonais da impressão e o número de 
dureza Vickers é calculado dividindo o valor da carga de ensaio P pela área de impressão S. O 
método de dureza Vickers fornece escala contínua de dureza que varia entre HV5 até 
HV1000Kgf/mm2 para cada carga utilizada [11]. 
 
2.3. Cementação 
 Em determinadas aplicações, alguns componentes requerem maior resistência 
mecânica e dureza na superfície, sem que haja a perda da ductilidade e tenacidade do material. 
Existem tratamentos que possibilitam o aumento de dureza superficial, os tratamentos 
termoquímicos são exemplos destes [12]. 
 Estes tratamentos consistem na difusão de elementos de liga que formam uma solução 
sólida intersticial na peça em questão, esta segunda fase serve como ponto de ancoramento de 
5 
 
discordâncias, dificultando sua movimentação, o que acaba por aumentar a resistência 
superficial de determinada peça. Quando o elemento de liga em questão é o carbono, trata-se 
da cementação [12]. 
 Outro fenômeno competente à cementação é a ocorrência de tensões residuais de 
compressão na superfície da peça, as quais, aliadas a alta dureza obtida pela peça, aumentam a 
resistência a nucleação de trincas e fadiga [12]. 
 A cementação consiste em introduzir carbono na superfície de um aço aquecido a altas 
temperaturas, dentro do campo austenítico, a dureza é obtida quando o material cementado é 
depois temperado. Geralmente a cementação é feita em aços com baixos teores de carbono 
não somente para facilitar a cinética de difusão, mas também para evitar a formação de 
carbonetos em contornos de grão, tonando a peça mais frágil [12]. 
A profundidade da camada cementada é diretamente dependente do tempo e 
temperatura, pois quanto maior a temperatura mais fácil ocorre a difusão do carbono para o 
interior da peça. Uma ilustração da estimativa da relação entre tempo, temperatura e a 
espessura da camada cementada pode ser observada na Fig. 2. 
 
Figura 2 – Espessura da camada Cementada SAE1020. 
 
 
2.4. Normalização 
 A normalização é um tratamento térmico similar ao recozimento, porém com o 
resfriamento feito ao ar, fora do forno. Uma diferença entre os resultados desses dois 
tratamentos é que normalização produz uma estrutura quimicamente mais homogênea e de 
6 
 
grãos austeníticos mais refinados que no recozimento, resultando em uma estrutura de perlita 
fina [12]. 
Para os aços, a faixa de temperatura em que a normalização ocorre está lozalizada 
entre as linhas A3 e Acm, no caso dos aços hipoeutetóides, como por exemplo o aço 1020, a 
normalização deve ocorrer a uma temperatura um pouco mais alta que a de recozimento, 
como ilustrado pela figura 3: 
 
Figura 3: Faixa de temperaturas no diagrama Fe-Fe3C para diversos tratamentos. 
Fonte: [12] 
 
 Aços normalizados apresentam maior resistência mecânica e menor ductilidade do que 
recozidos e, menores níveis de tensões internas do que temperados e revenidos. [12] 
 
 
 
 
 
 
7 
 
3. METODOLOGIA 
 
3.1.Preparação do aço 
Primeiramente a amostra do aço SAE 1020 foram embutidas na embutidora Pre30C da 
marca Arotec em baquelite. Para a preparação da superfície da amostra, foram utilizadas lixas 
abrasivas de granulometria 200, 400, 600 e 800 mesh. Após o lixamento foi polida com 
solução de alumina (Al2O3) 1 μm para que as possíveis imperfeições restantes na superfície 
da mesma fossem eliminadas 
 
3.2.Análise da microestrutura 
A amostra foi atacada quimicamente por imersão, utilizando uma solução de Nital 4% 
(4 mL HNO3+96ml álcool etílico) por 3 segundo. Após o ataque químico, a amostra foi 
levada para análise microestrutural nomicroscópio óptico da marca Olympkus modelo BX 
41M-LED com as ampliações de 50x e 100x para análise de sua microestrutura e observação 
das fases presentes. 
 
3.3.Ensaio de microdureza 
Para o ensaio de microdureza foi utilizado a ASTM E384– 11. Os dados foram 
coletados através do microdurômetro da marca TIME®. Para esse ensaio utilizou-se uma 
carga de 2,94 Kgf por 10s. Foram realizadas 10 medidas dos quais foi calculado o valor 
médio entre eles. 
 
3.4.Cementação 
O tipo de cementação realizada foi a cementação sólida. Primeiramente a peça foi 
envolta com um arame para que o seu manuseio pudesse ser facilitado e então esta foi inserida 
em uma caixa metálica resistente contendo carvão mineral, conforme mostra a Fig. 4 
Após ter a amostra ter sido totalmente coberta pelo carvão, a caixa foi levada para o 
forno da marca JUNG modelo N1200,sob uma temperatura de aproximadamente de 900°C 
por um período de 4 horas. Posteriormente foi retirada da caixa metálica com carvão mineral 
e resfriada ao ar. Em seguida realizou-se então, uma nova medida de microdureza na amostra. 
 
 
 
8 
 
Figura 4: Caixa para cementação sólida 
 
Fonte: Autor. 
 
3.5.Análise dos tratamentos térmicos 
Para se avaliar as propriedades mecânicas do aço após cada um dos tratamentos 
térmicos realizados, foi utilizado novamente o microdurômetro da marca TIME® com carga 
de 2,94 kgf, com o qual foi realizado um gradiente de dureza na superfície da amostra 
seguindo as normas da ASTM E384– 11. 
Além disso, a amostra foi leva ao microscópio óptico da marca Olympkus modelo BX 
41M-LED sob ampliação de 50x, para se analisar a profundidade da camada cementada e 
observação da microestrutura obtida ao final dos tratamentos. 
 
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES 
 
4.1. Amostra como recebida 
Foram realizadas dez medidas de dureza ao longo da superfície da amostra, os 
resultados obtidos estão dispostos na Tab. 1. 
Foi calculada a média dos valores medidos, resultando em um valor de 161,16 HV. 
Segundo o catálogo da GERDAU a dureza do aço SAE1020 150HV. O aço utilizado não 
possui elevada pureza, podendo apresentar impurezas que podem aumentar a micro dureza do 
material. 
 
 
 
9 
 
Tabela 1: Microdurezas aço SAE1020 normalizado 
 
 
 
Através do microscópio ótico foi coletada uma imagem do centro da amostra como 
recebido (já normalizada). 
Na Fig. 5 é possível observar a presença dos diferentes microconstituintes do aço, 
sendo estes diferenciados pela diferença em tonalidade, a ferrita apresenta uma coloração 
clara já a perlita é representada pelos pontos pretos; a porcentagem de ferrita em relação a 
perlita é muito maior por esta ser uma liga hipoeutetoide que este apresenta apenas 0,2% de 
carbono. 
Assim como esperado para aços normalizados observa-se uma uniformidade nos tamanhos de 
grão. 
 
 
 
 
 
 
 
Pontos Microdureza (HV) 
1 153,3 
2 174,7 
3 169,4 
4 174,3 
5 152 
6 163,8 
7 158,1 
8 165,8 
9 148,2 
10 151,3 
 
10 
 
Figura 5: SAE 1020 normalizado: aumento 100X 
 
Fonte: Autor 
 
4.2. Cementação 
Depois de cementada (900ºC por 4h), através do microscópio óptico, coletou-se 
imagens do centro da amostra e da camada cementada 
Na Fig. 6, observa-se um aumento no tamanho de grão quando comparado ao aço 
normalizado, esse resultado é esperado devido a exposição a altas temperaturas resultando no 
crescimento dos grãos. 
 
Figura 6: SAE 1020 cementado: aumento 100X 
 
Fonte: Autor. 
 
11 
 
 Na Fig. 7, nota-se uma diferença em coloração na superfície, devido a introdução de 
carbeto de ferro que foi adicionado durante a cementação, essa camada apresenta estrutura 
martensitica já o centro é após a cementação possui estrutura bainitica. Baseando-se no 
gráfico da Fig. 2, o valor esperado para as configurações utilizadas é em torno de 0,6mm. A 
profundidade da camada obtida após a cementação foi de, aproximadamente 0,478mm, essa 
variação pode ser decorrência da qualidade do carvão utilizado ou devido a temperatura 
utilizada uma vez que possa não ter atingido a temperatura de austenitização. 
 
Figura 6: SAE 1020 camada cementado: aumento 50X. 
 
Fonte: Autor 
 
As medidas de dureza realizadas na amostra foram feitas a partir da camada 
cementada seguindo em direção ao centro do material de forma a gerar um gradiente de 
dureza. Aonde podemos observar a diferença entre os valores da camada cementada e o centro 
da peça. Os valores obtidos pela dureza Vickers foram dispostos na Tab. 2 
Observa-se que apenas a primeira medida realizada teve sua indentação inteiramente 
dentro da camada cementada, apresentando o maior valor de dureza, 295,7 HV. Este resultado 
é compatível com a teoria, uma vez que a inserção de carbono na camada leva a um aumento 
na dureza. 
As demais medidas indicaram um decaimento gradiente da dureza, sendo que os 
últimos valores são semelhantes aos apresentados antes do tratamento térmico. 
 
 
12 
 
 
Tabela 2: Microdurezas aço SAE1020 cementado 
 
 
5. CONCLUSÃO 
A análise da microestrutura do aço recebido, já normalizado, forneceu imagens dos 
microconstituintes ferrita e perlita, além de mostrar tamanhos uniformes para os tamanhos de 
grão, caracteristicas esperadas para um aço normalizado. Já a microdureza forneceu dados 
condizentes com a literatura, embora relativamente elevado, provavelmente devido a baixa 
pureza da liga analisada. 
A realização do tratamento termoquímico não foi concluída com sucesso. A 
cementação realizada no aço não atingiu o resultado esperado. Essa diferença é resultado das 
adversidades enfrentadas durante o procedimento, como a utilização de carvão reutilizado de 
outros tratamentos e a baixa temperatura utilizada, que pode não ser alta o suficiente para 
atingir a temperatura de austenitização. A análise mecânica da camada, por outro lado, provou 
a eficiência da cementação realizada, resultando em um aumento da dureza na superfície de 
alto teor de carbono. 
 
 
Pontos Microdureza (HV) 
1 295,7 
2 271,0 
3 240,9 
4 228,2 
5 205,3 
6 208,8 
7 195,8 
8 179,8 
9 172,5 
10 169,7 
 
13 
 
REFERENCIAS 
 
[1] K. Bossardi, “Nanotecnologia Aplicada a Tratamentos Superficiais para o Aço 
Carbono 1020 como Alternativa ao Fosfato de Zinco,” vol. 53, 2007. 
[2] R. P. Hotel, “Congresso Técnico Científico da Engenharia e da Agronomia 
CONTECC ’ 2016 Rafain Palace Hotel & Convention Center- Foz do Iguaçu - 
PR 29 de agosto a 1 de setembro de 2016,” pp. 1–5, 2016. 
[3] J. Pedro, “VARIAÇÃO DO MEIO CEMENTANTE,” pp. 1–11. 
[4] KESTENBAC, H.J.; BOTA FILHO W.J. Microscopia eletrônica transmissão e 
varredura. São Paulo: ABM, 1994. 
[5] COLPAERT, H., Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns, 3ª. ed. São 
Paulo, Edgard Blucher, 1974. 
[6] Chiaverini, V., 1986 , “Tecnologia Mecânica: Estrutura e Propriedades das Ligas 
Metálicas”, Ed. Pearson Education do Brasil, São Paulo,2. Ed. 
[7] Souza, Sérgio Augusto de; Ensaios Mecânicos em materiais metálicos,Editora 
Edgard Blucher Ltda, São Paulo, Brasil, 1974 
[8] Guibert, A. A. P., Gomes, P. A. e Kole, A. T., 2000, “Ensaio de Materiais” São 
Paulo, v.1, 208 p 
[9] AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS (ASTM). Standard 
Test Methods for Rockwell Hardness and Rockwell Superficial Hardness of 
Metallic Materials, E 18-89a, Estados Unidos da América,1989. 
[10] AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS (ASTM). Standard 
Test Methods for Brinell Hardness of Metallic Materials, E 10-84, Estados 
Unidos da América,1989. 
[11] AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS(ASTM). Standard 
Test Methods for Vickers Hardness of Metallic Materials, E 92-82, Estados 
Unidos da América,1987. 
[12] SPINELLI, D.; WALDEK, W.B.F.; MILAN, M.T.; MALUF, O. Metais uma visão 
objetiva, 2ª ed. editora cubo, 2014.