Estudo da dureza e microestrutura do AÇO SAE 1045

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Estudo da dureza e microestrutura do aço 1045
Amanda Soares Pivotto1; Amanda Rosane Silva Souza1; Ana Clara Brito dos Santos1; Maria Eduarda Almeida Rodrigues1
 Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” (UNESP) - Campus Experimental de Itapeva, Rua Geraldo Alckmin, 519, Vila Nossa Senhora de Fátima, 18409-010, Itapeva, São Paulo, Brasil.
Resumo
O aço SAE 1045 é um metal de grande importância industrial composto principalmente por ferro e carbono, apresentando cerca de 0.45% de carbono em sua composição, que influência diretamente na resistência do material.
Nesse artigo, foi analisado a microestrutura do aço 1045, e a partir de ensaios metalográficos e mecânicos foi estudado o valor de dureza do aço. Após serem aplicadas técnicas metalográficas e um ataque químico, sua microestrutura foi estudada a partir de um microscópico ótico e também foi realizado um ensaio mecânico de dureza.
Desse modo, foi possível analisar duas fases na microestrutura do aço 1045, a perlita e a ferrita, e no cálculo de dureza os valores obtidos condizem com o encontrado na literatura.
 
Palavras-chaves: aço 1045, microestrutura, dureza.
Abstract
SAE 1045 steel is a metal of great industrial importance composed mainly of iron and carbono, presenting about 0.45% carbono in its composition, which directly influences the strength of the material.
In this paper, the microestructure of the 1045 steel was analyzed , and the hardness value of the steel was studied from metallografic and mechanical tests. After applying metallografic techniques and a chemical attack, its microestructure was studied from na optical microscope and a mechanical hardness test wal also perfomed.
In this way, it was possible to analyse two phases in the microestructure of 1045 steel, perlite and ferrite, and in the hardness calculation the values obtained are in agrément with the literature.
Keywords: steel 1045, microestructure, metallografic, mechanical.
Introdução
Diante das necessidades do mercado atual e das altas exigências demandadas pelas empresas, se torna necessário um estudo aprofundado de todas as matérias-primas que serão utilizadas na indústria, tanto em questão de competitividade do mercado, como também para uma aplicação exata das propriedades dos materiais.
Na usinagem, um material muito comum cujo sua aplicação varia desde estruturas para construção civil até latas para conservação de alimentos é o aço. Esse metal é utilizado em todo o mundo, e apesar disso sua composição é praticamente a mesma, onde apresenta basicamente ferro e carbono, variando apenas na adição de pequenas quantidades de elementos químicos, que são alterados com intuito de melhorar as propriedades e adequar o material de acordo com o produto final desejado [1].
Embora a composição do aço seja muito semelhante, a variação que ocorre da origem a uma grande variedade de tipos de aços, o que tornou necessário a criação de sistema de classificação. Nesse artigo, iremos tratar do aço 1045, um metal de baixo custo, alta resistência e grande aplicabilidade [2].
Desse modo, é de suma importância a realização da análise metalográfica, a qual permite visualizar a microestrutura do metal, definindo assim suas fases e identificando os tipos de estruturas encontrados a partir da análise microscópica [3]. Para a preparação do material, as principais técnicas utilizadas são: corte, embutimento, lixamento e polimento.
O corte do corpo de prova elimina o trabalho mecânico a frio e resulta em superfícies planas com baixa rugosidade de forma eficiente. O embutimento facilita o manuseio da peça. O lixamento elimina riscos e marcas mais profundas da superfície preparando para o polimento, que busca deixar a superfície isenta de marcas [4]. 
Os aços AISI 1045 são aços que possuem uma boa relação entre resistência mecânica e resistência à fratura. Dentre suas diferentes aplicações estão os eixos, pinos, cilindros, parafusos, colunas, grampos, entre outros. Por outro lado, ao realizar um tratamento superficial nesses aços suas propriedades são melhoradas e consequentemente sua gama de aplicação ampliada. Os tratamentos superficiais são comumente utilizados para aumentar a dureza superficial dos aços e ao mesmo tempo manter o núcleo dúctil e tenaz [5],
Por apresentar importância no setor econômico, estudar as propriedades do aço e conseguir manipula-las se tornou essencial em todo o mercado, entender sua microestrutura e adapta-la de acordo com suas necessidades faz toda a diferença em um produto. 
Uma das formas de alterar a microestrutura dos aços e as suas propriedades, sem alterar sua a composição química, é através de tratamentos térmicos. Os tratamentos térmicos são de grande importância para a indústria mecânica. A partir deles é possível obter significativas alterações das propriedades dos aços tais como: dureza, resistência à tração, ductilidade, dentre outras [6].
A dureza é a propriedade de um material que permite a ele resistir à deformação plástica (permanente), usualmente por penetração. A maioria dos ensaios de dureza estáticos consiste na impressão de uma pequena marca feita na superfície da peça, pela aplicação de pressão, com uma ponta de penetração. Essa medição é importante principalmente em aplicações que demandam alto desempenho mecânico, como rolamentos e moagem de materiais [7].
Dessa forma, o objetivo desse artigo é realizar a analise metalográfica do Aço 1045 afim de observar características microestruturais e a partir de um ensaio mecânico analisar também propriedades mecânicas de dureza. 
Procedimento Experimental
O material de estudo foi o Aço 1045, que possui em sua composição química, praticamente, só o teor de Carbono controlado, o que não lhe garante alta repetitividade em termos de processamento, quanto aos residuais (uma vez que muitos blocos e bitolas redondas costumam ser fabricados à partir de sucata e em forno elétrico o que leva a residuais no pico da liga) porém lhe confere um custo mais acessível do que muitos aços ferramenta para a utilização em seus moldes [8]. 
Tabela 1 – Composição química do aço AISI 1045 (em %) (SOUZA, 2001) [9].
	 C
	Mn
	P. máx
	S. máx
	Si
	0,43-0,50
	0,60-0,90
	0,040
	0,050
	0,10-0,60
 
É fornecido com dureza máxima próximas de 400HV após determinados tratamentos. Todas as etapas do experimento foram feitas no Laboratório de Ciência dos Materiais do Campus Experimental de Itapeva da Universidade Estadual Júlio de Mesquita Filho (UNESP – Itapeva/SP).
Prática 1- Preparação Metalográfica
A metalografia é o estudo das características estruturais ou da constituição dos metais e suas ligas, para relacioná-los com suas propriedades físicas, químicas e mecânicas. 
Para se conseguir essa relação entre a estrutura observada ao olho nú, lupa ou microscópio com as propriedades mecânicas, deve-se seguir uma linha mais ou menos definida de procedimentos. É o que chamamos, exame metalográfico.
 
Etapa 1: Escolha das amostras e das seções:
Realizou-se a escolha das amostras e das seções a serem estudadas (seção transversal e a seção longitudinal).
 Etapa 2: Corte
Utilizando uma máquina para corte de peças inoxidáveis realizou-se o corte da peça, particionando o material a ser analisado a fim de obter as amostras que serviram para análise.
O corte abrasivo oferece a melhor solução para esse seccionamento, resultando em superfícies planas e com baixa rugosidade, de modo rápido e seguro. Para controlar a temperatura, o corte foi realizado simultaneamente com jatos de água utilizando um disco de Alumina ou oxido de alumínio: indicado para corte de materiais ferrosos (aço). Logo após foi calculada a densidade do material com base em medições feitas usando uma balança de precisão e um paquímetro.
Pratica 2- Embutimento
 Etapa 3: Embutimento
O embutimento consiste em circundar a amostra com um material adequado e tem por objetivos principais:
Facilitar o manuseio de peças pequenas;
Evitar que amostras com arestas rasguem a lixa ou o pano depolimento;
A princípio foi verificada a face que seria analisada, logo após foi determinada a técnica adequada de embutimento (quente ou fria). Por fim, utilizando a máquina de embutimento realizou-se a tarefa com o material.
Pratica 3- Lixamento
Etapa 4: Lixamento.
A prática consiste em lixar a amostra com lixas cada vez mais finas, até desaparecerem os riscos da lixa anterior.
O lixamento tem como objetivo eliminar riscos e marcas mais profundas da superfície do material que teve a sua estrutura alterada pela etapa de corte, preparando-a para a etapa de polimento.
A lixa mais utilizada é à base de carboneto de silício (SiC): material de elevada dureza e resistência ao desgaste, resistente à água e de baixo custo.
A Granulometria da lixa é identificada através de números. Quanto menor o número da lixa, mais grossa ela é, ou seja, maiores são os grãos abrasivos.
Nessa prática foram utilizados respectivamente 7 lixas com tipo de granulometria diferentes:
1ª: 80
2ª: 220
3ª: 320
4ª: 400
5ª: 600
6ª: 1200
7ª: 800/2400
A amostra foi marcada com um ponto de referência.
Verificou-se as lixas necessárias e o sistema de refrigeração (utiliza-se água para evitar o aquecimento e a impregnação da amostra com partículas advindas do lixamento).
Lixou-se a amostra até que só se observasse o risco da lixa utilizada.
Após o termino do lixamento, a peça foi lavada com água e seca para que houvesse a possibilidade que observar o acabamento superficial antes de passar para a lixa seguinte.
Assim que a amostra estivesse conforme o esperado a troca de lixa era realizada, girando-a 90º em relação a última lixa, iniciando o lixamento com a lixa de granulometria mais fina.
Pratica 4- Polimento
Etapa 5: Polimento
Operação realizada após o lixamento que visa obter uma superfície isenta de riscos, utilizando um pano de polimento e partículas abrasivas mais finas de pasta de diamante, alumina ou sílica coloidal.
O tempo de polimento é dado através da inspeção visual, até que não haja mais riscos na amostra e a mesma assemelhar-se a um “espelho”.
A amostra deve ser movimentada em todos os sentidos, evitando a fricção excessiva.
Atentar-se a quantidade de água, para não remover a solução de polimento.
Prática 5- Ensaios mecânicos de dureza
Etapa 6:
Com o auxílio de um microdurômetro digital HMV-2T realizou-se 4 medidas em pontos aleatórios da amostra que possuía carga 1kg, as aplicações de carga tiveram duração de 10segundos.
Cada integrante do grupo realizou uma medida distinta.
Prática 6- Ataque Químico 
Etapa 7: Ataque químico
 Ao incidir a luz sobre a superfície metálica polida há uma reflexão uniforme, de modo que se faz necessária um contraste para distinguir os detalhes da microestrutura.
 Tal contraste é obtido por meio do ataque químico, no qual um reagente químico especifico para o material a ser analisado é colocado em contato com a superfície da amostra por um determinado tempo para que ocorra a corrosão da superfície.
 O ataque químico engloba todos os processos usados para revelar características particulares do material que não são evidentes na amostra apenas polida.
Os reagentes são escolhidos em função do material e do que se deseja observar (fases, contornos de grão, inclusões etc). 
Após o ataque químico lavar imediatamente a amostra com água corrente e secar a superfície.
Etapa 8: Análise Microestrutural
 A microestrutura é fator determinante nas propriedades dos materiais. 
 O resultado das análises em microscópios é uma imagem com escalada micro estruturadas do material, que é chamada de micrografia. 
 Os microscópios óticos são uns dos mais utilizados, e possui suas vantagens e desvantagens, mostra facilidade de operar o equipamento e o equipamento é mais barato e com baixo custo de manutenção, em contra partida o aumento e resolução são limitados.
Prática 8- Difração de raios X
Etapa 9: Identificação de um composto por difratometria de raios x.
Houve a plotagem de um gráfico em que os ângulos dos picos foram determinados e o cálculo da distância interplanar de cada pico usando a Lei de Bagg foi realizado, em sequência o cálculo de intensidade relativa para cada pico também foi calculado, por fim, com base dos valores obtidos identificou-se o composto a que se referem os dados da medida experimental.
Realizou-se o cálculo do parâmetro de rede para todos os picos utilizando os índices de Miller do pico e a respectiva distancia interplanar.
Ocorreu a comparação dos resultados dos parâmetros de rede obtidos com o valor tabelado na ficha através do cálculo do erro experimental.
Prática 9 - Medição do valor de dureza utilizando a imagem obtida no microscópio ótico
Usou-se a imagem adquirida na etapa 8 para medir a dureza da amostra.
Calculou-se a dureza, em seguida os valores obtidos no trabalho foram comparados ao obtido no microdurômetro.
Houve uma discussão para avaliar os possíveis motivos para discrepância dos resultados.
Resultado e Discussão
 Diagrama de Fases Fe-Fe₃C
O diagrama de fase consiste em mostrar as fases que surgem no processo de resfriamento ou aquecimento, com ele é possível saber a composição e quantidade de determinado material, no seu estado de equilíbrio.
Na produção do aço em uma empresa, a solidificação e o resfriamento são processos muito rápidos para atender uma demanda em larga escala, por isso as condições de equilíbrio não são alcançadas. Desta forma, ocorre a formação de fase metaestável, a cementita (Fe₃C) no lugar da grafita.
 
Figura 1: Diagrama de fases Fe-Fe₃C
 	A reação eutetóide é caracterizada por uma fase sólida (austenita) se transformar em duas novas fases sólidas diferentes (ferrita e cementita). Sendo que essas duas novas fazes são o produto da reação, que é chamada de perlita.
Composição (% pC)
Temperatura (°C)
Figura 2: Representação esquemática da microestrutura
Analisando a figura, a linha pontilhada representa o eixo de resfriamento contendo pontos sobre o eixo, viabilizando a discussão das fases do material.
Ponto C: somente apresenta a fase austenita (γ);
Ponto D: nele estão contidas as fases α e γ, tendo o predomínio da fase austenita(γ);
Ponto E: estão presentes as fases α e γ, com o predomínio da fase ferrita (α). Na fase α + γ, conforme acontece o resfriamento, a um aumento da fase ferrita (α);
Ponto F: após ocorrer a reação eutetóide, existe a formação de três fases sólidas, sendo elas, a α eutetóide, a cementita e α proeutetóide.
Figura 3: Fotomicrografia do aço 1045 
	Constata-se ao analisar a figura 3, a presença de duas fases, sendo uma, escura, correspondente a perlita; e a clara, representando a ferrita proeutetóide. No aço 1045, com a composição de 0,45%p C, há um predomínio da perlita. Conforme essa porcentagem aumenta, a quantidade de fases escuras também aumenta. Além disso, a maior presença dessa fase, torna as propriedades mecânicas do material intermediárias, entre a mole e dúctil ferrita e dura e frágil cementita. 
 Ensaio de dureza Vickers
Foram realizados ensaios mecânicos na peça para medir sua dureza vickers, com o auxílio de um microdurômetro digital, segundo a fórmula:
	
	
	(1)
	
	Aonde F = 1kgf e o tempo de aplicação da carga foram de 10 segundos. E d era a média entre as duas diagonais em milímetros.
 
	Medida
	d₁
(µm)
	d₂
(µm)
	dmedia (µm)
	Dureza
(HV)
	1
	84,73
	84,39
	84,56
	259,3
	2
	81,75
	83,57
	82,66
	271,4
	3
	83,57
	85,30
	84,435
	260,1
	4
	82,77
	82,27
	82,52
	272,32
	5
	82,27
	82,27
	82,27
	273,98
	Desvio padrão
	7,1133
	Dureza média (HV)
	267,42
Outro método para calcular a dureza, consiste na utilização do microscópio para obter a imagem do furo, a qual foi processada em um software, ImageJ. Este tinha o intuito de obter o valor das diagonais utilizando a seguinte imagem.
Figura 4: Ponto de incisão do microdurômetro 
Os valores obtidos foram:
	d₁(µm)
	d₂(µm)
	dmedia(µm)
	78,368
	78,486
	78,427Portanto, a partir da fórmula (1), o valor obtido foi de 301,489 HV.
Segundo a literatura, a dureza do aço 1045 está em uma faixa de 180 a 316 HV [10].
Com base nos dados, conclui-se que a dureza, em ambos os métodos, aproxima-se intimamente na faixa estabelecida pela literatura. Contudo, essa variação de valores pode ser explicada considerando que as medidas das diagonais realizadas a partir do microdurômetro estão sujeitas a falha humana, pois cada integrante do grupo manuseia de forma distinta, acarretando em um erro maior.
Como a precisão do software é maior, o valor a ser considerado deve ser o obtido por ele.
Conclusão
Observando os resultados obtidos e baseando no objetivo do trabalho, foi possível concluir que:
O aço 1045 apresenta duas fases em sua microestrutura: a perlita, fase mais escura da imagem; e a ferrita proeutetóide, fase mais clara. 
No aço 1045, com a composição de 0,45%p C, há um predomínio da perlita, tornando as propriedades mecânicas do material intermediárias, entre a moleza e ductilidade da ferrita e a dureza e fragilidade da cementita. 
Nos dois ensaios para o cálculo da dureza Vickers, pode se observar que o resultado obtido experimentalmente está dentro da faixa dos valores reais do aço. 
Os valores da dureza diferenciaram-se nos dois experimentos, porém, como o software tem uma precisão maior quanto ao manuseio do microdurômetro, o valor mais confiável é este. 
Bibliografia
Referências
[1] PORCARO, Rodrigo Rangel et al. Microestrutura e Propriedades Mecânicas de um Aço para Trilhos Ferroviários Soldado por Centelhamento. 2017. Disponível em: <http://www.scielo.br/pdf/si/v22n1/0104-9224-si-22-1-59.pdf>. Acesso em: 6 jun. 2018.
[2] SOARES, Renata Braga. AVALIAÇÃO DA RESISTÊNCIA À CORROSÃO DE AÇOS CARBONO BAIXA LIGA USANDO A ESPECTROSCOPIA DE IMPEDÂNCIA ELETROQUÍMICA E ENSAIOS DE CAMPO. 2013. 84 f. Tese (Doutorado) - Curso de Engenharia Quimica, Departamento de Engenharia Química, Universidade Federal de Minas Gerais - Ufmg, Belo Horizonte, 2013. 
[3] COLPAERT, P. H. Metalografia dos Produtos siderúrgicos comuns. 3. ed. São Paulo: Editora Edgard Blucher Ltda., 1989.
[4] ROHDE, Regis Almir. METALOGRAFIA PREPARAÇÃO DE AMOSTRAS: Uma abordagem prática. 2010. Disponível em: <http://www.urisan.tche.br/~lemm/metalografia.pdf>. Acesso em: 06 jun. 2018.
[5] CHIAVERINI, V. Aços e Ferros Fundidos. 5a Ed. Makron Books : São Paulo, 1987.
[6] AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. Standard Specification for Castings, Iron-Chromium, Iron-Chromium-Nickel, Corrosion Resistant, for General Application.-Designation 743/A743M-98a. In: Annual Book of ASTM Standards. Philadelphia, 1998.
[7] O QUE É DUREZA E SUA IMPORTÂNCIA NAS DIFERENTES APLICAÇÕES. Disponível em: <http://www.multiesferas.com.br/o-que-e-dureza-e-sua-importancia-nas-diferentes-aplicacoes/>. Acesso em: 10 jun. 2018.
[8] AÇO 1045. Disponível em: <http://www.acoespecial.com.br/aco-1045>. Acesso em: 10 jun. 2018.
[9] AÇOESPECIAL. Aço 1045. Disponível em: < http://www.acoespecial.com.br/aco-1045>. Acesso em: 10 jun. 2018.
[] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, Critério de Classificação dos Aços, NBR NM 172/2000. Rio de Janeiro, 2000.
[10] CONVERSOR de durezas de Wolpert. Disponível em: <http://www.kansert.es/conv_dur.htm>. Acesso em: 10 jun. 2018.
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