Relatório 16 - Ensaio Jominy

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE PONTA GROSSA 
SETOR DE CIENCIAS AGRÁRIAS E DE TECNOLOGIA 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS 
 
AUGUSTO ARAUJO VUITIK 
KAROLINA MAIA 
WILLIAN DA MAIA 
 
 
 
 
 
 
ENSAIO JOMINY 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
PONTA GROSSA 
AGOSTO/2014
 
AUGUSTO ARAUJO VUITIK 
KAROLINA MAIA 
WILLIAN DA MAIA 
 
 
 
 
 
 
 
 
ENSAIO JOMINY 
 
 
Relatório apresentado à disciplina de 
Ensaios e Caracterização de Materiais do 
Curso de Engenharia de Materiais, 3ª 
série, da Universidade Estadual de Ponta 
Grossa – UEPG. 
 
Prof. Msc. Guilherme Forbeck 
 
 
 
 
 
 
 
PONTA GROSSA 
AGOSTO/2014 
 
SUMÁRIO 
 
1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................ 3 
1.1 TEMPERABILIDADE ........................................................................................ 3 
1.1.1 Efeito do teor de carbono .................................................................................. 3 
1.1.2 Efeito dos elementos de liga ............................................................................. 4 
1.2 ENSAIO JOMINY .............................................................................................. 4 
2 OBJETIVOS ..................................................................................................... 6 
3 MATERIAIS E MÉTODOS................................................................................ 6 
3.1 MATERIAIS ...................................................................................................... 6 
3.2 PROCEDIMENTO ............................................................................................ 6 
3.2.1 Têmpera ........................................................................................................... 6 
3.2.2 Usinagem e medida .......................................................................................... 6 
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ....................................................................... 7 
4.1 ANÁLISE DOS DADOS .................................................................................... 7 
4.2 AÇOS 1045 ....................................................................................................... 7 
4.3 AÇO 4340 ......................................................................................................... 9 
5 CONCLUSÃO ................................................................................................. 11 
REFERÊNCIAS......................................................................................................... 12 
 
3 
 
 
1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 
 
1.1 TEMPERABILIDADE 
 
O ensaio Jominy é usado para medir a temperabilidade de um aço. Essa 
propriedade determina a profundidade e a distribuição da dureza ao longo de um 
corpo cuja extremidade está sujeita a uma grande taxa de resfriamento [1]. Também 
pode ser entendida como a capacidade do aço formar martensita durante a têmpera 
[2]. 
Aços que apresentam elevada dureza mesmo em pontos distantes da 
extremidade de têmpera possuem alta temperabilidade, enquanto aqueles que têm 
durezas menores ao se afastar da extremidade apresentam baixa temperabilidade 
[1]. 
Como o objetivo principal da têmpera é obter uma dureza satisfatória em 
determinado ponto da peça, a capacidade de endurecimento é o fator mais 
importante para a seleção de tratamentos térmicos em aços [1]. 
Essa propriedade é governada quase que exclusivamente pela composição 
química na temperatura de austenitização. Pode haver alguns carbetos não 
dissolvidos na austenita nessa temperatura, o que impede o carbono e outros 
elementos de liga de contribuírem para o endurecimento do aço. Isso é 
especialmente importante para os aços com grande teor de carbono (0,50 a 1,10%), 
os quais podem conter excesso de carbetos na temperatura de austenitização [1]. 
 
1.1.1 Efeito do teor de carbono 
 
O carbono controla os limites máximos de dureza atingidos pelo material e 
também contribui para a temperabilidade. Ou seja, uma porção maior da peça 
apresenta dureza elevada. 
A capacidade de endurecimento também pode ser melhorada adicionando 
outros elementos de liga, mas aumentar o teor de carbono produz o mesmo efeito e 
é certamente uma abordagem de menor custo. Isso é verdade até certo ponto, pois 
vários fatores são contrários à adição de grandes quantidades de carbono [1]. 
4 
 
 
A tenacidade do material tende a diminuir com grandes quantidades de 
carbono, considerando seu comportamento em temperatura ambiente ou abaixo de 
zero. Para essas concentrações também são formadas microestruturas duras e 
abrasivas que dificultam o processamento a frio do material. Além disso, o aço torna-
se mais suscetível à fraturas e distorções durante o tratamento térmico [1]. 
 
1.1.2 Efeito dos elementos de liga 
 
Elementos de liga que desaceleram as reações da perlita e da ferrita 
aumentam a temperabilidade. A maioria dos elementos de liga que entram em 
solução sólida com a austenita abaixam a temperatura da transformação 
martensítica, com exceção do cobalto e do alumínio. Isso ocorre porque esses 
elementos diminuem a difusividade do carbono [2]. 
Cromo e molibdênio também são muito efetivos, e têm um custo 
relativamente baixo, ao considerar aumento de temperabilidade proporcionado pela 
adição de alguns traços desses elementos [2] [1]. 
Boro provoca um aumento particularmente elevado quando adicionado a aços 
de baixo carbono; até mesmo em concentrações da ordem de 0,001%, porém ainda 
não é possível controlar facilmente a sua distribuição durante o processamento [2]. 
 
1.2 ENSAIO JOMINY 
 
Os primeiros ensaios para determinação da temperabilidade envolviam vários 
cilindros de diâmetros variados submetidos ao mesmo tratamento térmico. 
Analisava-se a dureza na seção transversal dessas barras. Era possível determinar 
por técnicas metalográficas em qual barra havia 50% de martensita na linha de 
centro. Isso permitia traçar curvas de dureza e inclusive determinar o diâmetro 
crítico para a dureza de uma barra. Entretanto, a maior limitação dessas técnicas 
antigas era sua restrição a um meio de têmpera. Para relacionar aços temperados 
em água ou óleo era necessária uma grande quantidade de coeficientes de 
conversão [2]. 
Esse problema foi simplificado no teste Jominy. O ensaio analisa a 
temperabilidade de um aço ao resfriar a uma taxa conhecida apenas a extremidade 
5 
 
 
de um cilindro normatizado. Como o resfriamento é progressivo a partir da 
extremidade, é possível analisar diferentes taxas de resfriamento utilizando apenas 
um corpo de prova [2]. 
As normas utilizadas para este ensaio são a ASTM A255:2010 ou SAE 
J406:1998. 
De acordo com a norma ASTM A255:2010, deve ser usinado um cilindro de 
aço com 1” de diâmetro por 4” de comprimento. O corpo de prova deve permanecer 
por 60 minutos na temperatura de normalização e ser resfriado ao ar. Após a 
normalização, o aço deve permanecer na temperatura de austenitização por 30 
minutos. A têmpera é realizada por um jato d’água entre 5 e 30°C por 10 minutos. As 
dimensões do jato também são especificadas [3]. 
O cilindro é então usinado para formar uma superfície plana ao longo do 
comprimento, a qual tem sua dureza medida pela escala Rockwell C [4]. A 
profundidade da usinagem deve ser de 0,38 mm. A dureza deve ser aferida em 
passos de 1/16” para as primeiras 16 medidas e em 1/8” para as demais. Valores de 
dureza abaixo de 20 HRC não são considerados pela baixa precisão [3]. 
 O suporte utilizado para têmpera,dimensões do cilindro e do jato d’água 
estão estipulados na figura abaixo: 
 
Figura 1: Vista superior e frontal do aparato utilizado no ensaio Jominy, as medidas estão em 
polegadas [3]. 
6 
 
 
2 OBJETIVOS 
 
Observar a temperabilidade de três amostras de aço 1045 e 4340 para 
determinar a curva de dureza versus distância Jominy. 
 
3 MATERIAIS E MÉTODOS 
 
3.1 MATERIAIS 
 
 Quatro cilindros de aço (dois da série 1045 e dois 4340) normalizados, 
temperados e usinados. 
 Suporte para têmpera 
 Forno com termopar 
 Água corrente 
 Régua com escala em polegadas 
 Durômetro Rockwell 
 
3.2 PROCEDIMENTO 
 
3.2.1 Têmpera 
Apenas um dos quatro cilindros foi temperado para caráter demonstrativo, 
mas todos seguiram as especificações da norma ASTM A255:2010. As amostras de 
aço 4340 foram normalizadas a 900°C e austenitizadas a 870°C. Enquanto que as 
amostras de aço 1045 foram normalizadas e austenitizadas a 925°C [3]. 
Todas as amostras foram temperadas utilizando um jato livre de 2,5” de água 
corrente por 10 minutos. 
 
3.2.2 Usinagem e medida 
Os cilindros foram usinados no sentido do comprimento até uma distância de 
0,38mm da superfície. Essa usinagem criou uma faixa plana que possibilitou a 
medida da dureza HRC nos pontos especificados na norma ASTM A255:2010. 
7 
 
 
A dureza Rockwell C foi determinada usando um penetrador de diamante 
esférico com 1/16” de diâmetro, uma pré-carga de 60 kgf e uma carga total de 150 
kgf [4]. 
 
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO 
 
4.1 ANÁLISE DOS DADOS 
 
Foram plotadas curvas relacionando a dureza Rockwell C e a distância 
Jominy em cara uma das barras. Há três séries de medidas para cada aço, e todas 
foram comparadas com as curvas de temperabilidade disponíveis no Handbook 
Properties and Selection: Irons, Steels, and High-Performance Alloys, volume I da 
ASM [1]. 
As curvas teóricas são traçadas analisando as composições máximas e 
mínimas de cada liga, e espera-se que os pontos analisados estejam contidos nesse 
intervalo. As amostras não estavam indentificadas quanto a composição, isso foi 
feito comparando os dados obtidos com os listados no Handbook. 
 
4.2 AÇOS 1045 
 
A Figura 2 ilustra a temperabilidade do aço 1045 de acordo com as condições 
de têmpera utilizadas. Observa-se que a maior parte do comprimento apresenta uma 
dureza entre 30 e 25 HRC. 
Os dados coletados durante o experimento seguem esta tendência, apesar de 
haver grande divergência na amostra 2, é possível afirmar que tanto ela quanto a 
amostra 1 são constituídas de aço 1045. As medidas obtidas nas amostras 1 e 2 
estão organizadas nos gráficos 1 e 2, respectivamente. 
8 
 
 
 
Figura 2: Curva de temperabilidade do aço 1045, as medidas estão em polegadas e a dureza é dada 
em HRC. 
 
 
Gráfico 1: Resultados obtidos pelas três turmas para a amostra 1. As curvas de temperabilidade 
máxima e mínima para o aço 1045 estão esboçadas em preto. 
 
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0 1/8 1/4 3/8 1/2 5/8 3/4 7/8 1 1 1/8 1 1/4
D
u
re
za
 (
H
R
C
) 
Distância da extremidade de têmpera (pol) 
Amostra 1 
TURMA C
TURMA B
TURMA A
9 
 
 
 
Gráfico 2: Resultados obtidos pelas três turmas para a amostra 2. As curvas de temperabilidade 
máxima e mínima para o aço 1045 estão esboçadas em preto. 
 
A extremidade da amostra sempre possui dureza elevada por ter sido 
submetida a uma taxa de resfriamento elevada. Além disso, a dureza da amostra 
teve poucas variações em apenas ¼ do seu comprimento; no restante, a dureza 
permaneceu abaixo de 20 HRC. Com isso, pode-se dizer que o aço 1045 apresenta 
baixa temperabilidade. 
Essa propriedade se justifica pelo aço 1045 ser um aço com médio teor de 
carbono [2]. 
 
4.3 AÇO 4340 
 
O aço 4340, ao contrário do 1045, possui outros elementos de liga que 
aumentam a temperabilidade por diminuir a difusividade do carbono durante o 
tratamento térmico e privilegiando a formação de martensita em toda a extensão do 
material [2]. 
De fato, o aço 4340 apresenta uma dureza elevada, se comparada ao 1045, e 
o comportamento da sua curva é retilíneo, no qual a dureza varia muito pouco ao 
15
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0 1/8 1/4 3/8 1/2 5/8 3/4 7/8 1 1 1/8 1 1/4 1 3/8
D
u
re
za
 (
H
R
C
) 
Distância Jominy (pol.) 
Amostra 2 
TURMA C
TURMA B
TURMA A
10 
 
 
longo do comprimento. Abaixo são comparadas as curvas encontradas na literatura 
com os valores determinados experimentalmente. 
 
Figura 3: Curva de temperabilidade do aço 4340, as medidas estão em polegadas e a dureza é dada 
em HRC [1]. 
 
 
Gráfico 3: Resultados obtidos pelas três turmas para a amostra 3. As curvas de temperabilidade 
máxima e mínima para o aço 1045 estão esboçadas em preto. 
 
 
20
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30
35
40
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50
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0 1/2 1 1 1/2 2 2 1/2 3 3 1/2 4
D
u
re
za
 (
H
R
C
) 
Distância Jominy (pol.) 
Amostra 3 
TURMA C
TURMA B
TURMA A
11 
 
 
As curvas máximas e mínimas são decorrentes das variações nos 
componentes da liga. Para o aço 4340, essa composição é dada pela tabela abaixo 
[5]: 
Tabela 1: Composições percentuais dos elementos de liga para o aço 4340 [5]. 
Elemento C Si Mn Cr Ni Mo 
Comp. mín 0,38 0,15 0,60 0,80 1,65 0,20 
Comp. max 0,43 0,30 0,80 1,10 2,00 0,30 
 
Elementos como Níquel e Manganês podem formar solução sólida 
substitucional com o ferro na forma de austenita, por possuírem a mesma estrutura, 
eletronegatividade e raios semelhantes. Com isso, esses elementos expandem o 
campo da austenita. O mesmo ocorre com o Cromo, que apesar de não ter esta 
afinidade com a austenita, acaba ajudando a estabilizar este componente em 
determinadas composições [2]. 
O fato desses elementos estabilizarem o campo austeníticos, desloca o 
diagrama TTT do aço 4340 para a direita em relação ao diagrama do aço com 
apenas ferro e carbono. Isso permite que a austenita seja transformada em 
martensita a taxas de resfriamento mais lentas [2]. 
 
5 CONCLUSÃO 
 
 
12 
 
 
REFERÊNCIAS 
1
. 
BURRIER, H. Hardenability of Carbon and Low-Alloy Steels. In: ______ ASM 
Handbook - Properties and Selection: Irons, Steels, and High-Performance 
Alloys. [S.l.]: ASM International, v. I, 1990. p. 464-484. 
2
. 
K, H. R. W.; BHADESHIA, H. K. D. H. Steels: Microstructure and Properties. 3ª. 
ed. Oxford: Elsevier Ltd., 2006. 
3
. 
ASTM Standard A255,2010, "Standard Test Methods for Determining Hardenability 
of Steel", ASTM International, West Conshohocken, PA, 2010, DOI: 
10.1520/A0255-10, www.astm.org. [S.l.]: [s.n.]. 
4
. 
ASTM Standard E18,2014, "Standard Test Method for Rockwell Hardness of 
Metallic Materials", ASTM International, West Conshohocken, PA, 2014, DOI: 
10.1520/E0018-14, www.astm.org. [S.l.]: [s.n.]. 
5
. 
AÇO ABNT/AISI 4340. Schimolz Bickenbach - Providing Special Steel 
Solutions. Disponivel em: <http://www.schmolz-
bickenbach.com/fileadmin/user_upload/_SCHULUNG_/Brasilien/FICHAS_TECNIC
AS/4340.pdf>. Acesso em: 16 Agosto 2014.