Aço SAE 4340

Prévia do material em texto

XIII Encontro Latino Americano de Iniciação Científica e
IX Encontro Latino Americano de Pós-Graduação – Universidade do Vale do Paraíba
1
 
INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA NO REVENIMENTO DO AÇO SAE 4340 
 
Adir Rodrigues de Oliveira1,Ismael Caetano de Araújo Junior1, Gilbert Silva2 
 
Curso de Graduação em Engenharia de Materiais - Universidade do Vale do Paraíba, Faculdade de 
Engenharia Arquitetura e Urbanismo - Av. Shishima Hifumi, 2911 – Urbanova – São José dos Campos/SP 
adir.oliveira@yahoo.com.br; ismael@winnproject.com.br; gilbert@univap.br 
 
Resumo- Na indústria atual, a utilização do aço se faz presente de forma ostensiva, mesmo com o 
surgimento de materiais alternativos. Isto se deve ao fator custo, visto que estes materiais com 
características próximas ao aço geralmente possuem valor agregado mais elevado. O aço possui a grande 
vantagem de ter suas características alteradas mediante tratamentos térmicos adequados a um baixo custo. 
Assim sendo, este trabalho baseia-se em submeter amostras do aço SAE 4340 ao tratamento térmico de 
têmpera e posteriormente revenimento, com temperaturas que variaram entre 200ºC e 650ºC. Os resultados 
indicaram uma grande quantidade de fase martensítica para temperaturas inferiores no tratamento térmico 
de revenimento, e menores valores de dureza para temperaturas maiores do tratamento térmico de 
revenimento. Através dos valores encontrados podemos utilizar como ferramenta complementar na 
especificação de itens mecânicos. 
 
Palavras-chave: Tratamento térmico, Têmpera, Revenimento, Dureza. 
 
Introdução 
 
 
Na indústria atual, a utilização do aço se faz 
presente de forma ostensiva, mesmo com o 
surgimento de materiais alternativos. Isto se deve 
ao fator custo, visto que estes materiais com 
características próximas ao aço geralmente 
possuem valor agregado mais elevado. O aço 
possui a grande vantagem de ter suas 
características alteradas mediante tratamentos 
térmicos adequados a um baixo custo. 
O aço SAE 4340 é um aço de elevada 
temperabilidade e boa forjabilidade, porém sua 
usinagem é relativamente pobre. Dependendo do 
teor de carbono, a dureza na condição temperada 
varia de 54 a 59 HRC. Devido à sua alta 
temperabilidade, não é aconselhável a sua 
aplicação em soldagem por métodos 
convencionais, somente em processos 
sofisticados. 
Devido às suas características ele é aplicado 
para fabricação de virabrequins para aviões, 
tratores, eixos com elevada solicitação mecânica e 
veículos em geral. 
Na indústria aeronáutica é muito utilizado 
devido sua grande resistência e tenacidade que 
são fundamentais em projetos aeronáuticos para 
diversas aplicações, desde peças utilizadas na 
montagem da aeronave como também em 
ferramentais que são utilizados para construção e 
montagem das aeronaves (TORRES, 2002). Nesta 
segunda aplicação é muito utilizado na fabricação 
de buchas e pinos de fixação, as quais podem vir 
a romper por uma estrutura inadequada ou por 
fadiga. Testes de fadiga por flexão rotativa são 
realizados para definir a vida útil do material 
(SOUZA et. Al. 2002). 
Constantemente durante o processo de 
encalque das buchas e na utilização de pinos, 
ocorrem quebras desses componentes que pode 
estar relacionado com a microestrutura obtida 
através do tratamento térmico de têmpera e 
revenimento. Descartando-se a possibilidade de 
dimensional das peças produzidas, através da 
utilização da norma interna para ajustes de eixos e 
furos, onde o mesmo se mostrou dentro dessas 
especificações para um sistema de encalque pelo 
método de prensagem a frio na temperatura 
ambiente. A Figura 1 mostra a fratura de um pino 
de aço 4340 rompido durante o processo de 
encalque realizado por prensagem a frio. 
 
 
 
 
 
 
Figura 1– Micrografia da fratura de um pino de 
4340. 
 
 
 
XIII Encontro Latino Americano de Iniciação Científica e
IX Encontro Latino Americano de Pós-Graduação – Universidade do Vale do Paraíba
2
Pela micrografia podemos descartar a 
possibilidade deste material ter falhado pelo 
fenômeno de fadiga. Este tipo de fratura é 
característica de materiais que possuem diferentes 
estruturas, tendo regiões onde ocorreram maiores 
deformações plásticas que outras. Analisando-se 
a norma interna de especificação, notou-se que a 
mesma não especificava o tratamento térmico 
mais adequado para obtenção da microestrutura 
ideal para se obter a resistência desejada. Assim 
sendo, este trabalho baseia-se em submeter 
amostras do aço SAE 4340 ao tratamento térmico 
de têmpera e posteriormente ao tratamento de 
revenimento, com temperaturas entre 200 e 
650ºC. A têmpera consiste no aquecimento do aço 
visando uma austenitização total (aços 
hipoeutetoides) ou parcial (aços hiper-eutetoides) 
seguido de um resfriamento, tal que se consiga 
evitar a transformação da austenita nos seus 
produtos de decomposição a temperaturas mais 
altas (ferrita ou cementita + perlita), dando lugar 
preferencialmente à transformação em martensita 
(FERNADES, 2006). Um dos grandes problemas 
relacionados com o tratamento térmico de têmpera 
está ligado com a baixa ductilidade e a baixa 
tenacidade do material após o tratamento. Embora 
tenhamos um significativo ganho na resistência 
mecânica e na dureza, fatores primordiais quando 
se quer reduzir o peso da peça ou evitar o 
desgaste superficial, a ductilidade cai quase à 
zero. A utilização de um aço nestas condições é 
impossível, devido aos riscos de uma falha 
catastrófica, este problema tem que ser corrigido, 
que é conseguido através do tratamento térmico 
de revenimento. O revenimento é um tratamento 
térmico em que se faz o reaquecimento da peça 
temperada dentro de uma faixa de temperatura, 
geralmente entre 150°C e 600°C. As peças são 
aquecidas e permanecem durante um intervalo de 
tempo suficiente para que ocorram as 
transformações necessárias à recuperação de 
parte da ductilidade e tenacidade perdidas, sendo 
depois resfriadas até a temperatura ambiente. 
Com esse estudo de tempera e posteriormente 
revenimento, e os quais irão gerar dados sobre 
temperatura de revenimento versus dureza, de 
maneira que podemos utilizar estes dados como 
ferramenta complementar na especificação de 
projeto. 
 
Procedimento experimental 
 
O procedimento experimental originou-se da 
necessidade de se estabelecer parâmetros para 
especificar em projeto a dureza adequada, em 
função da utilização de tratamentos térmicos de 
têmpera e revenimento. 
 Para a análise de fratura da Figura 1, foi 
utilizado um microscópio eletrônico de varredura 
da marca Zeeis modelo EVO MA10. O aço SAE 
4340 possui a seguinte composição química, 
conforme listado na Tabela 1. 
 
Tabela 1 - Composição química aço SAE 4340 
 
ABNT – 
SAE 4340 
C 0,38-0,43% 
Mn 0,60-0,80% 
Fósforo 0,030% 
Enxofre 0,040% 
Si 0,15-0,35% 
Ni 1,65-2,00% 
Cr 0,70-090 
Mo 0,20-0,30 
 
Caracterização do corpo de prova 
 
Foram utilizadas onze amostras de aço SAE 
4340, onde foram seccionadas através de 
usinagem convencional com as dimensões de 
(∅10mmx10mm). As amostras foram identificadas 
com números de (1 à 11), e separadas para 
ensaio de dureza, que adotou-se HRC. Foi 
utilizado um durômetro digital modelo FR-3- Tech 
Corp. 
A amostra (1) não sofreu tratamento térmico, 
pois a finalidade era obter o valor da dureza do 
material adquirido, conforme listado na Tabela 2. 
 
Tabela 2 - Leitura das durezas do material 
adquirido. 
 
Leitura HRC Média 
1º 2º 3º 4º 5º 
14,1 13,7 13,7 12,8 14,0 13,66 
 
As amostras (2 à 11), foram submetidas ao 
tratamento térmico de têmpera utilizando forno 
modelo EDG 1200 com elemento resistivo e 
resfriado até a temperatura ambiente em óleo SAE 
W40, os resultados obtidos são listados conforme 
Tabela 3. 
 
Tabela 3 - Leitura das durezas domaterial após 
a têmpera. 
 
Leitura HRC das amostras após a 
têmpera 
Média 
HRC 
2 – 3 4 – 5 6 - 7 8 - 9 10-11 
51,9 
52,9 
52,1 
52,9 
52,4 
51,1 
52,8 
52,4 
52,1 
52,0 
52,09 
 
 
 
XIII Encontro Latino Americano de Iniciação Científica e
IX Encontro Latino Americano de Pós-Graduação – Universidade do Vale do Paraíba
3
A fase seguinte ao tratamento térmico de 
têmpera, realizou-se o tratamento térmico de 
revenimento.As temperaturas de revenimento 
estão listadas conforme Tabela 4. 
 
Tabela 4 - Temperaturas para o revenimento. 
 
Amostras Temperatura de 
revenimento 
2 200°C 
3 250°C 
4 300°C 
5 350°C 
6 400°C 
7 450°C 
8 500°C 
9 550°C 
10 600°C 
11 650°C 
 
Após o tratamento térmico de revenimento foi 
realizada a metalografia das amostras. Para este 
procedimento as amostras foram lixadas na 
seqüência granas de 320, 400 e 600. 
O polimento foi realizado com alumina, com 
granulação de 1,0 e 0,3 µm, e em seguida as 
amostras foram atacadas quimicamentes com 
uma solução de Nital com a finalidade de revelar a 
martensita. Foram selecionadas as amostras 2,6 e 
10 conforme Figura 2, Figura 3 e Figura 4. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2- Metalografia após revenimento à 200°C. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3- Metalografia após revenimento à 400°C. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 4- Metalografia após revenimento à 600°C. 
 
 
Na Figura 2, Figura 3 e Figura 4, pode-se notar 
as fases clara e fases escuras, onde a fase clara é 
ferro α + cementita e a fase escura é a martensita, 
Quanto maior a temperatura de revenimento mais 
fases claras surgirão. Apos realizado o ensaio de 
dureza das amostras e obteve-se o gráfico de 
dureza x temperatura de revenimento como 
mostra a Figura 5, onde notou-se que a amostra 6 
com temperatura de revenimento de 400°C 
apresentou uma menor variabilidade, em 
comparação às demais. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 5– Gráfico de Dureza x Temperatura de 
Revenimento. 
 
 
Para análise do nosso estudo verificamos 
também a porcentagem de martensita em cada 
faixa de temperatura de revenimento conforme 
mostra a Figura 6. O resfriamento rápido em aços 
pode conduzir a formação de uma fase não 
prevista no diagrama de equilíbrio, a martensita. 
No aço, uma fase metaestável composta por ferro 
que está supersaturada com carbono e que é 
produto de uma transformação sem difusão 
(atérmica) da austenita (WILLIAM D. CALISTER, 
JR.). 
 
2 4 6 8 10
20
25
30
35
40
45
50
55
60
D
u
re
za
 
HR
C
Origem da medição (mm)
 200οC
 250οC
 300οC
 350οC
 400οC
 450οC
 500οC
 550οC
 600οC
 650οC
 
XIII Encontro Latino Americano de Iniciação Científica e
IX Encontro Latino Americano de Pós-Graduação – Universidade do Vale do Paraíba
4
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
Temperatura °C
Po
rc
e
n
ta
ge
m
 
de
 
M
a
rt
e
n
s
ita
 
R
e
tid
a
 
Figura 6- Gráfico de Temperatura x Porcentagem 
de Martensita. 
 
Discussão 
 
Como observado nas Figuras 2, Figura 3 e 
Figura 4 pode-se notar uma maior quantidade de 
martensita em temperaturas inferiores de 
revenimento Os grãos passam a ter um formato de 
agulhas, fase da martensita, enquanto as demais 
regiões representam a austenita que não se 
transformou durante o processo de resfriamento 
rápido da têmpera. 
Com o revenimento houve a formação da 
martensita revenida que pode ser tão dura e 
resistente quanto a martensita, porém com a 
dutilidade e a tenacidade melhoradas. 
 
 Martensita Martensita revenida 
 (TCC, monofásica) => (fase α + Fe3C) 
 
Desta forma a dureza e a resistência são 
obtidas pela grande quantidade de contornos de 
que existem entre a ferrita e a cementita. 
Os valores aferidos com ensaio de dureza nas 
faixas de temperaturas determinadas de 
revenimento, validam os resultados conseqüentes 
da alteração significativa dos grãos. 
Assim, observou-se que o aço SAE 4340 reagiu 
de forma positiva após a têmpera, com aumento 
da dureza, comprovado pelas análises 
metalográficas que mostraram o refinamento dos 
grãos. 
 
Conclusão 
 
A norma interna de especificação de buchas e 
pinos de fixação, relatava grande faixa de durezas 
que variavam entre 28 à 44 HRC. Durante a 
análise em campo desses pinos e buchas, a 
dureza encontrada foi de aproximadamente de 55 
HRC. Esta dureza apresenta uma porcentagem 
elevada de martensita que ficou por volta de 72%. 
Com essa quantidade de martensita, o material 
possue elevada dureza, porém, muito frágil que 
acarreta em falhas catastróficas. Com isso foi 
sugerida uma revisão da norma interna com a 
finalidade de tornar o material tenaz. A revisão 
solicitada, seria para realizar o tratamento térmico 
de revenimento com a faixa de temperatura de 
400°C que vai fornecer uma dureza média de 44 
HRC, com 61% de martensita (fase escura), ferro 
α + cementita (fase clara) Figura 3, conforme 
realizado no trabalho. 
Com este procedimento vamos obter peças 
com excelente resistência mecânica e também 
uma boa dutilidade, ideal para não ocorrer 
quebras no processamento desses ferramentais. 
 
Agradecimentos 
 
Agradecemos ao laboratório de Microscopia 
Eletronica de Varredura da Universidade do Vale 
do Paraiba UNIVAP – IP&D, pela realização da 
microscopia das amostras deste artigo. 
 
Referências 
 
- TORRES, M.A.S.; VOORWALD, H.J.C.; An 
evaluation of shot peening, residual stress and 
estress relaxation on the fatique life of AISI 4340 
steel. International Journal of Fatigue 2002; pag. 
877-886; vol 24. 
 
- Souza, C.R; NASCIMENTO, P.M.; VOORZALD, 
H.J.C.; PIGATIN, W.L. Análise de fadiga, corrosão 
e desgaste abrasivo do cromo duro 
eletrodepositado e revestimento de carbeto de 
tungstênio por HVOF no aço ABNT 4340, 2002, 
Projeçoes, v.19/20, p.59-69, Jan./Dez. 2001/2002. 
 
- CALLISTER Jr, William D. Ciência e Engenharia 
de Matérias 5° Edição – Rio de Janeiro: LTC 
Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 2002. 
 
- Fernandes, Prof.Braz – Ciências do Materiais- 
Material didático Fundação das Universidades 
Portuguesas, disponível em 
http://bfsecmet.no.sapo.pt/new-www/ , Acesso em 
março de 2009.