Metalografia aço 4340

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UNIVERSIDADE REGIONAL INTEGRADA DO ALTO URUGUAI E DAS MISSÕES
METALOGRAFIA AÇO 4340
CRISTIAN RODRIGO STEFFENS
GABRIEL ANTUNES
GUSTAVO DE OLIVEIRA BENITES
GUSTAVO EHLERT
VERÔNICA PICININ DO NASCIMENTO
Santo Ângelo
2017
INTRODUÇÃO
Os ensaios de Metalografia possuem um papel fundamental na Engenharia. A partir destes ensaios é possível determinar características únicas precisas de diversos materiais e assim determinar qual material é mais indicado para cada tipo de aplicação. Além disso, também é possível fazer a análise de certo material para certificar de que as características do material fornecido correspondem de fato ao material adquirido 
O presenta trabalho visa fazer um estudo detalhado das características do aço 4340 através do uso de equipamentos de alta precisão. Assim, se torna possível o conhecimento de mais dados relacionados a este tipo de material.
O estudo foi proposto pelo professor Dr. Filipe Molinar na disciplina de ciência dos materiais do curso de Engenharia Mecânica da Universidade Regional Integrada do Alto Uruguai e das Missões – Campus Santo Ângelo.
Os ensaios realizados serão: Ensaio de tração, ensaio de dureza e ensaio de microscopia. Estes ensaios serão realizados do Laboratório de Ensaio de Materiais da Universidade.
ENSAIO DE TRAÇÃO
O ensaio de tração é feito por meio de uma máquina que aplica uma força axial no corpo de prova alongando-a até sua fratura. O corpo de provas é fixado nas extremidades nas garras de fixação da máquina de tração.
Quando o corpo de provas é submetido à um esforço de tração, a máquina registra os dados e gera um gráfico. Assim é possível observar o comportamento do material e detectar a força máxima aplicada, a força no momento de fratura, o limite de escoamento, etc.
Durante o procedimento, enquanto a máquina aumenta a força de tração gradativamente, percebe-se que o corpo de prova cria um “empescoçamento”, ou seja, o material começa a se alongar. Este alongamento é medido por um extensômetro acoplado à máquina de tração. O ensaio é concluído quando o corpo de provas se rompe.
Após concluído o teste, a máquina gera o gráfico tensão x deformação e aponta alguns dados como a força máxima, força de escoamento, força de ruptura, tensão de escoamento, etc. 
Para fazer a leitura do gráfico é necessário possuir conhecimento de alguns dados citados a seguir:
Fase elástica: fase em que o material recupera sua dimensão inicial se for retirado o esforço que está sendo aplicado nele.
Módulo de elasticidade: É obtido através da Lei de Hooke e também através da inclinação da reta na fase elástica.
Limite de Proporcionalidade: É o limite onde as tensões aplicadas ao material são proporcionais as deformações. 
Escoamento: É o momento em que a deformação deixa de ser elástica e passa a ser plástica. É a força máxima que pode ser aplicado ao material sem que haja deformação.
Fase plástica: É a fase em que existe uma deformação plástica (“estricção”). É a fase em que o corpo de provas é alongado sem que exista um acréscimo significativo de carga. Diferente da fase plástica, nesta fase o corpo não volta ao seu tamanho original quando removidas as tensões.
Limite de Resistencia: É a tensão máxima que o material suporta, ou seja, o ponto mais alto do gráfico.
Limite de ruptura: É o momento de fratura do material.
Abaixo está representado o gráfico obtido através do ensaio de tração do aço 4340:
Após este procedimento é feito o encaixe dos dois lados do corpo de provas e é feita a medição do comprimento final do corpo de provas, sendo que o comprimento inicial deve ser medido antes da aplicação do teste de tração. A partir destes dados é possível calcular a deformação do material através da equação abaixo:
ε =  (L f- Lo) / Lo
Abaixo está representado o corpo de provas após o teste de tração e pode-se observar o aumento do seu comprimento.
 
Também podem ser desenvolvidos outros cálculos como o limite de resistência através da equação:
LR = Fmáx/So
Onde: Fmáx = Carga máxima aplicada no material
 SO = Área da secção inicial do corpo de provas.
E ainda pode ser desenvolvido o cálculo para determinar a estricção do material através da redução percentual da Área
RA% = (Ao-Af)/Ao
CORTE 
Após submeter o corpo de prova ao ensaio de tração, foi realizado o corte na máquina pancut-40. Primeiramente foi fixado o corpo de prova na máquina, e começou a execução do corte. 
O corte é necessário para que se obtenha amostras utilizadas nas analises metalográficas. Para não afetar a estrutura da amostra durante o corte são necessários alguns cuidados, como:
Estudar o material para definir como será o processo de corte;
Cortar a amostra em um tamanho suficientemente do material a ser analisado;
Utilizar líquidos refrigerantes para reduzir o aquecimento provocado pelo corte;
Escolher adequadamente a serra ou o disco de corte;
Fixação correta do disco e da amostra durante o procedimento de corte.
O corte nunca deve ser contínuo, de modo que não ocorra excessivo aquecimento por falta de penetração do liquido refrigerante e fraturas na amostra ou no disco e danos maiores na máquina. 
Para cada tipo de material existe um tipo de disco utilizado, os discos de corte são classificados quanto à dureza dos grãos abrasivos, para materiais moles de baixo carbono, utilizam-se discos duros e para materiais de dureza elevada, utilizam-se discos moles.
Na finalização do nosso corte houve a quebra do disco, que como vimos pode ser causado por diversos fatores, como a escolha errada do disco, a má fixação do disco ou da amostra. E a quebra do disco que ocorreu no dia foi devido a amostra não ter sido fixada corretamente.
 Maquina Pancut-40 	 Execução do corte
EMBUTIMENTO
O processo de embutimento é feito de acordo com a NR ABNT MB01101 – II e consiste na adição de um determinado material ao redor da amostra, assim formando apenas um corpo que por sua vez tem a função de facilitar o manuseio do material evitando o contato da superfície de estudo com os dedos, assim como evitar danos causados pelos processos de polimento que podem formar uma convexidade na peça devido a mal manuseio na hora das lixas. Os materiais para embutir o corpo podem ser definidos de acordo com o processo, este que pode ser definido como embutimento a frio ou a quente, assim como pelas circunstâncias da amostra. 
Existem dois tipos de embutimento, como já citados acima, estes são diferenciados principalmente pelo tempo de produção e pelo material utilizado, enquanto uma usa uma resina que endurece quando misturada ao catalisador a outra usa um material em pó que solidifica sobre alta pressão. Ambos processos serão explicados separadamente a seguir:
Embutimento a quente
	Neste processo é utilizado uma prensa de embutimento para efetuar a polimerização, esta, por sua vez ocorre devido à pressão e aquecimento gerado pela prensa em um material termoplástico. 
Este processo é ideal em laboratórios com alto giro de amostras, já que os embutidos resultantes são de alta qualidade assim como tem a vantagem de manter um padrão de formato e tamanho além do fato de que seu processo é relativamente curto.
	O material utilizado no embutimento a quente apresenta uma baixa viscosidade, possui contração assim como uma boa adesão a amostra acompanhada a uma resistência a reação de agentes químicos usados em outros processos. Estes materiais podem ser definidos adequadamente de acordo com as aplicações especificas, porém, os dois materiais mais comuns são o Baquelite e o Lucite explícitos na tabela a seguir:
	Tipo de Plástico
	Cor
	N.º de Medidas
	Pressão (Kgf/mm2 )
	 Tempo de Aquecimento (min)
	 Tempo de Resfriamento (min)
	Baquelite
	Preta
	2 a 5
	125 a 150
	10
	5
	Lucite
	Transparente
	2 a 5
	125 a 150
	8
	4
O método de embutimento a quente é iniciado posicionando o embolo inferior de modo que fique visível para que sejaborrifado o desmoldante no mesmo para que o termoplástico não fique colado no embolo, após isso prossegue-se colocando o corpo de prova com a face que será utilizada virada para baixo em contato com o embolo da máquina. Após essa preparação da máquina é colocado o embolo no seu devido lugar e adiciona-se a resina (entre 3 e 5 medidas como mostrado na tabela acima), após isso devemos borrifar desmoldante na parte superior e fechar a máquina. Tanto para o baquelite quanto para o lucite a preção de operação é de 125 a 150 (kgF/mm²) que dura cerca de quinze minutos (10 de aquecimento e 5 de resfriamento). Após isso é necessário apenas abrir a embutidora e retirar com cuidado pois ela pode ainda estar quente. 
Embutimento A Frio
Para este processo é são utilizadas resinas auto polimerizáveis que formam uma substancia viscosa quando misturadas. A frio não se usa pressão então a própria resina sintética de polimerização deve endurecer o suficiente para que seja submetida a outros processos de preparação do corpo de prova.
	Estas resinas utilizadas no embutimento a frio possuem propriedades químicas e mecânicas para atender as mais diversas necessidades de embutimento metalográfico, mineralógico, cerâmico e petrográfico, porém aqui apenas nos interessa o metalográfico.
Este processo é aceitável em uma série limitada de amostras admitidas no laboratório, assim como amostras individuais. Geralmente as resinas utilizadas no embutimento a quente é mais barato se comparado a epóxi usada no processo a frio, porém é necessária uma prensa para o embutimento a quente o que muitas vezes torna inviável para pequenos volumes de amostras.
	Neste processo as resinas mais utilizadas são Epoxi, Poliester ou Metil metacrilato, porém a que geralmente é utilizada é a Epoxi que se mistura com o catalizador para cobrir a amostra em um molde adequado.
A polimerização do embutimento a frio é fortemente exotérmica, atingindo temperaturas entre 50º e 120ºC, assim como um tempo de endurecimento de aproximadamente duas horas para a resina endurecer (podendo chegar até a 24h dependendo da resina ou do catalisador), o que é muito se comparado ao embutimento a quente que leva alguns minutos para ficar ponto
4.3 Procedimentos
No embutimento, tanto a frio quanto a quente é comum aparecerem defeitos, isto se deve, em geral, ao não segmento das indicações de utilização disponibilizadas pelos fabricantes dos produtos utilizados. Para isso foi ciada a tabela a seguir que relaciona os defeitos com sua origem e modo de resolução, tanto no processo a quente quanto a frio.
A frio:
	Tipo de defeito
	Origem 
	Recomendação
	
Bolhas
	Agitação rápida durante o processo de mistura de resina
	Misturar resina e o catalisador lentamente
	
	Temperatura muito elevada durante o período de cura
	Não utilizar a temperatura superior a 80°
	Fissuramento
	Proporção incorreta de catalisador e resina
	Corrigir a proporção dos constituintes da mistura
	Falta de Fusão
	Quantidade insuficiente de catalizador
	Corrigir a proporção dos constituintes da mistura
A quente:
	Tipo de defeito
	Origem
	Recomendação
	Falta de fusão
	Pressão insuficiente durante a prensagem
	Usar pressão adequada
	
	Período insuficiente de cura
	Aumentar o período de cura
	
	Ocorrência de cura parcial
	Uso inadequado
	Ruptura
	Período insuficiente de cura
	Aumentar o período de cura
	
	Pressão insuficiente
	Aumentar a pressão durante a transformação de estados
	Trincas Circunferenciais
	Corpo de prova muito grande para o diâmetro
	Diminuir as dimensões do corpo de prova
	
	Corpo de prova com cantos vivos
	Diminuir as dimensões do corpo de prova
LIXAMENTO
 
 Para realizarmos o lixamento foi necessário seguir um procedimento básico:
Verificar se há todas as lixas necessárias para a preparação da amostra
Verificar se há água
Fazer um ponto de referência na amostra
Começar o lixamento de desbaste
Lixar até que só restem os riscos da última lixa utilizada
Gire 90° e vá para a próxima lixa
Repetir passos 5 e 6 até chegar à lixa de granulometria 1200.
 Logo após realizarmos todos os procedimentos, lixou-se a parte inferior da amostra (topo da forma), o que garantiu segurança e melhor manuseio da amostra com a lixa de numeração 220 (a numeração indica diminuição do tamanho das partículas). Após, realizou-se as etapas de lixamento progressivo da outra face da amostra, que continha a seção a ser analisada. Para tal, posicionou-se a face desejada contra as lixas em rotação, realizando-se cuidadosamente compressão sobre a mesma. Todas as etapas de lixamento foram feitas cuidadosamente, a fim de evitar problemas na preparação da amostra, como formação de planos e arranchamento de material. O corpo de prova foi preparado com uma sequência de lixas com granulações: 220, 400, 600, 1200. Sendo que, a cada troca de lixa, a amostra foi lavada posicionada 90 graus (positivos ou negativos), em relação à sua orientação anterior para ser novamente lixada. Ao fim do processo de lixamento, as amostras foram conduzidas para o processo de polimento.
POLIMENTO
 Para fazermos o polimento da amostra é necessário seguirmos alguns procedimentos:
Verificar se o pano da Poli triz é adequado para o tipo de abrangente e se encontra em condições de uso.
 Verificar se o pano de polimento está limpo
Verificar se o motor está funcionando corretamente
Ligar a água (bem pouco).
 Se for polir com alumina coloque a mesma sobre o pano de polimento e abra a agua (bem pouco) para a lubrificação e eliminação de impurezas, se for polir com pasta de diamante espalhe a mesma sobre o pano e lubrifique com álcool.
Segurar a amostra levemente encima do pano de polimento, se recomenda movimentar a amostra o no sentido inverso ao do movimento do pano, mas para iniciantes recomenda-se apenas segurar a amostra encima do pano para não riscar.
 Após o término do Lixamento a amostra foi polida em uma politriz da marca Arotec com alumina, nas granulações de 0,3m e 0,05m. 	A etapa do polimento é executada em geral com politriz metalográfica e panos especiais, colados à pratos giratórios, sobre os quais são depositadas pequenas quantidades de abrasivos. Estes abrasivos variam em função do tipo de metal que está sendo preparado. Os mais comuns são, o óxido de alumínio (alumina) e a pasta de diamante.
 Após o polimento foi possível realizar a leitura microscópica, uma vez que o polimento espelhou a superfície da amostra, deixando-a livre de imperfeições.
ATAQUE QUÍMICO
O ataque químico é a técnica mais antiga e mais comumente usada para produzir um contraste. Nesta técnica, o ataque procede por dissolução seletiva de acordo com as características eletroquímicas dos constituintes microestruturais. 
A conta com a amostra e o reagente é realizado comumente por dois modos:
Ataque por imersão;
Ataque por aplicação.
Há uma enorme variedade de ataques químicos para diferentes tipos de metais e situações. Em geral, o ataque é feito por imersão da amostra, durante um período de aproximadamente 20 segundos, assim a microestrutura é revelada. Um dos reagentes mais usados é o NITAL, (ácido nítrico e álcool), que funciona para a grande maioria dos metais ferrosos.
(Alguns reagentes para o aço)
MICROSCOPIA ÓPTICA
8.1 Conceito
Definida como um dos métodos de observação, realizado através de um microscópio específico conhecido como Microscópio Metalográfico ou Metalúrgico com aumentos habituais de 50X, 100X, 200X, 500X, 1000X, 1500X e 2500X.
O Microscópio Metalográfico (fig. 5A) possui baixo campo focal, o que permite a observação, apenas, de superfícies perfeitamente planas e polidas. Sendo assim de extrema importância a preparação metalográfica para uma análise de qualidade. Tais microscópios possuem, normalmente, sistemas de fotografia integrados, permitindo o registro das análises.
(Microscópio Metalográfico)
8.2 Resultados
Seguindo a norma ABNTNB-1323 para determinação do tamanho de grão em materiais metálicos, a observação do corpo de prova (Aço SAE 4340) foi a seguinte:
Área Média = 0,0198645
M = 200X
Nm = 2220
n = 14
Registros fotográficos obtidos através da análise:
(Fig. 5B) (Fig. 5C)
CONCLUSÃO
Sabemos que a metalografia é um importante estudo decorrente do fato de que as propriedades dos materiais dependem não só da sua composição química como também da sua estrutura. 
O experimento realizado proporcionou um entendimento mais amplo em relação aos diferentes tipos de aços existente no mercado. Sendo que a observação das microestruturas dos mesmos proporcionou, também, uma experiência quanto a diferenciação de cada tipo de aço com suas respectivas características. 
Além disso, este estudo contribuiu para a ampliação conhecimento das características do aço 4340 considerando que os resultados obtidos são semelhantes aos resultados de outros ensaios realizados anteriormente.