RELATORIO Tratamentos térmicos - Tempera

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO PAULO - UNIFESP 
INSTITUTO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA - ICT
TÊMPERA DE AÇOS
São José dos Campos, São Paulo
Outubro de 2019
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO PAULO - UNIFESP 
INSTITUTO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA - ICT
Felipe Gritten, 86799
Ingred Lopes Ferreira,112211
Maikon Stefano dos Santos, 112232
Stefano Navarro Pacchello, 56656
Thamyres Rollemberg Aboud Arabi, 93431
Relatório técnico apresentado como requisito parcial para obtenção de aprovação na disciplina Tratamentos Térmicos, turma IB, no Curso de Engenharia de Materiais, na Universidade Federal de São Paulo.
		
			 Dra. Aline Capella de Oliveira
RESUMO
Este trabalho foi realizado a fim testar a técnica de tratamento térmico de têmpera em dois tipos diferentes de aço, sendo eles SAE 4150 e SAE 4140. A prática realizada tem como objetivo analisar as alterações causadas nas propriedades mecânicas dos diferentes tipos de aço, observando as variações das medidas de dureza obtidas antes e depois do tratamento térmico. Para tal, foram realizadas trocas de situações como o tamanho da peça, ou a quantidade de carbono em porcentagem presente na microestrutura, ou o tempo de permanência na mufla e/ou no resfriamento, além da possível necessidade de cuidados extras - lixamento e polimento - com o corpo de prova a ser analisado, após o mesmo ter passado pelo tratamento. Conclui-se que o tempo de austenitização é determinante para têmpera dos aços.
Palavras-chave: Tratamento térmico; Têmpera; Aços; Dureza.
1. INTRODUÇÃO 
De acordo com Chiaverini, tratamento térmico “é o conjunto de operações de aquecimento e resfriamento a que são submetidos os aços, sob condições controladas de temperatura, tempo, atmosfera e velocidade de resfriamento, com o objetivo de alterar as suas propriedades ou conferir-lhes características determinadas’’. Entre os tratamentos térmicos podemos citar: austêmpera, normalização, martêmpera, recozimento, revenimento e têmpera – todos com o mesmo objetivo - otimizar as propriedades dos aços, sejam elas físicas ou mecânicas, influenciando significativamente nas microestruturas do material a ser tratado. [1]
Dentre os principais objetivos de se aplicar um tratamento térmico em um aço estão: aumentar ou diminuir a dureza do material; remover tensões internas; melhorar a ductilidade; a usinabilidade; a resistência ao desgaste; à corrosão; a resistência ao calor; a resistência mecânica e as propriedades elétricas e magnéticas. [1]
Neste trabalho, foi empregada a têmpera nos aços SAE 4140 e 4150. O primeiro é utilizado para fabricar peças automotivas de tamanho médio, como veios de eixo, eixos de hélice e articulações de direção; já o segundo é utilizado sobretudo para engrenagens e outras peças que exigem dureza, resistência e tenacidade [2-3].
1.1 TÊMPERA
O tratamento térmico de têmpera consiste em aquecer o aço até uma temperatura acima da zona crítica (austenitização), mantê-lo nesta temperatura por um certo tempo e em seguida resfria-lo bruscamente. Por conta deste resfriamento brusco ocorre a transformação microestrutural da austenita para martensita. [4]
A transformação em martensita não ocorre por difusão, mas por um cisalhamento e uma expansão da rede da austenita. Os grãos de martensita nucleiam e crescem a uma taxa muito alta, próxima à velocidade do som, no interior da matriz da austenita. A estrutura cristalina da martensita é tetragonal de corpo centrado (TCC) que pode ser encarada como uma rede de ferrita (CCC, cúbica de corpo centrado), distorcida por átomos de carbono aprisionados devido à altíssima velocidade da formação. [5]
A variação da dureza obtida no tratamento térmico de têmpera de acordo com do teor de carbono do material. Dependendo do teor de carbono do aço é possível obter durezas que vão de 20 HRC até aproximadamente 67 HRC. Nos aços de muito alto teor de carbono não se obtém durezas mais elevadas devido à retenção de austenita (quando nem toda austenita se transforma para martensita). [4]
2. OBJETIVO
2.1 OBJETIVO GERAL
	A prática realizada tem como objetivo analisar as alterações causadas nas propriedades mecânicas dos diferentes tipos de aço (SAE 4140 E 4150), observando as variações das medidas de dureza obtidas antes e depois do tratamento térmico.
2.2 OBJETIVO ESPECÍFICO
	A prática de tratamento térmico em têmpera tem como objetivo o aquecimento das amostras (aços SAE 4140 e 4150) nas muflas a uma determinada temperatura e tempo para obter a total austenitização dos materiais e em sequência submetê-las ao resfriamento brusco no líquido (água) e então realizar novas medidas de durezas em cada amostra.
3. PROCEDIMENTO EXPERIMETAL
3.1 MATERIAIS
3.1.1 AÇOS UTILIZADOS
	Para essa prática, foram utilizados dois tipos de aços em blocos. O Aço SAE 4140 e o Aço SAE 4150.
3.1.1.1 AÇO SAE 4150
COMPOSIÇÃO QUÍMICA:
DUREZAS DO AÇO SAE 4150: 
	NORMALIZADO
	TEMPERADO
	42 HRC
	59-65HRC
3.1.1.2 AÇO SAE 4140
COMPOSIÇÃO QUÍMICA:
DUREZAS DO AÇO SAE 4140: 
	RECOZIDO
	NORMALIZADO
	TEMPERADO
	98 HRB
	40 HRC
	53-60 HRC
3.1.3 OUTROS MATERIAIS
2 Muflas da marca FORNITEC do ano de 2011;
2 Termopares;
Balde com água;
Durômetro Rockwell da marca EMCO-TEST DJ10 (utilizou-se ponteira de diamante como indentador para medidas em HRC e de ferro fundido para medidas em HRB).
3.2 MÉTODOS
3.2.1 MEDIDAS DE DUREZA ANTES DO TRATAMENTO TÉRMICO
	Primeiramente, todas as amostras foram submetidas ao teste de dureza antes do tratamento térmico. A amostra do aço SAE 4140 foi submetida ao teste de dureza HRB e do aço SAE 4150 foi submetida ao teste de dureza HRC. Assegurou-se que a distância entre cada impressão realizada pelo indentador fosse de, no mínimo, três diâmetros entre o centro de uma primeira impressão e a segunda. As medidas mensuradas foram anotadas para análise posterior. 
3.2.1 O TRATAMENTO TÉRMICO
	Neste experimento foram disponibilizadas duas muflas. Nas duas partes da prática as muflas foram programadas para operar na temperatura de austenitização da amostra do aço SAE 4140 e do aço SAE 4150, ambas com temperaturas de 870ºC. Utilizou-se dois termopares para fazer a averiguação da temperatura de dentro da mufla de maneira mais precisa do que àquela mostrada no visor do equipamento
	As amostras de aço foram inseridas na mufla após o seu aquecimento para atingirem a temperatura de austenitização. Todas amostras do aço SAE 4140 e SAE 4150 ficaram por aproximadamente 18 horas na mufla, exceto uma das amostras do aço SAE 4140 que ficou por aproximadamente 2 horas
Após o tempo de austenitização das peças, as amostras foram retiradas das muflas e resfriadas bruscamente para serem temperadas. O resfriamento brusco foi realizado em um balde contendo água limpa conciliando com o agitamento contínuo para que ocorresse o completo rompimento do filme de vapor que foi formado durante a têmpera. 
Logo após o resfriamento brusco das amostras, foi realizado o lixamento e polimento das mesmas a fim de remover a carepa formada durante o tratamento térmico. Em seguida, realizou-se novamente o ensaio de dureza Rockwell C (HRC), a fim de conferir se amostras de aço foram temperadas.
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1 AÇO SAE 4150
Tabela 1. Valores das Durezas do Aço SAE 4150.
	MEDIDAS
	ANTES DO TRATAMENTO 
TÉRMICO
	APÓS TRATAMENTO TÉRMICO
(MUFLA 3)
SEM CAREPA
	APÓS TRATAMENTO TÉRMICO
(MUFLA 4)
SEM CAREPA 
	APÓS TRATAMENTO TÉRMICO
(MUFLA 4)
COM CAREPA
	1
	41,52
	43,48
	45,28
	36,34
	2
	42,05
	43,48
	41,88
	26,90
	3
	42,54
	43,18
	47,23
	
	4
	41,67
	
	
	
	5
	40,91
	
	
	
	6
	41,06
	
	
	
	MÉDIA
	42 ± 0,6 HRC
	43 ± 0,12 HRC
	45 ± 2 HRC
	32 ± 5
	Analisando os resultados obtidos na Tabela 1 é possível afirmar que a durezado Aço SAE 4150 normalizando está de acordo com a literatura que apresenta dureza de 42 HRC, como descrita na seção dos materiais.
	Após o tratamento térmico com tempo de austenitização de 18 horas observou-se que em nenhuma das amostras ocorreu a têmpera. Os valores obtidos das duas amostras foram próximos, 43 e 45 HRC, para as amostras que estavam na mufla 3 e 4 respectivamente. 
 	O tempo de austenitização de temperatura pode ser um dos motivos para a não têmpera do material, isso deve-se ao fato que ela pode ter descabornetado a superfície e sabe-se que quanto menor teor de carbono, menos temperável é o material. Como a dureza foi medida apenas na superfície o tempo de austenitização pode ter sido um dos motivos de não sucesso do tratamento térmico.
 	Outro fator que deve ser levado em consideração é o volume do material resfriado em função do volume de água do meio de resfriamento, pois a água aqueceu muito rápido e com isso perdeu-se a taxa de resfriamento, resultando a não têmpera do material. Com esses resultados é possível dizer que as amostras continuaram mais no estado normalizado do que no estado temperado.
 	Vale lembrar que o material precisa ser usinado após ser temperado, pois senão mede-se a dureza da superfície da carepa (que é uma superfície mole) e não do material, resultando em baixos valores de dureza. O fato pode ser comprovado observando o resultado obtido na tabela 1, que apresenta uma dureza do material com carepa de 32 HRC (abaixo do valor do aço normalizado) e sem carepa foi em média 44 HRC.
4.2 AÇO SAE 4140
Tabela 2. Valores das Durezas do Aço 4140.
	MEDIDAS
	ANTES DO TRATAMENTO TÉRMICO*
(Recozido)
	APÓS TRATAMENTO TÉRMICO
(2 HORAS)
	APÓS TRATAMENTO TÉRMICO
(MUFLA)
	APÓS TRATAMENTO TÉRMICO
(MUFLA 4)
	1
	94,47
	59,37
	20,43
	28,75
	2
	88,90
	58,59
	28,05
	33,14
	3
	94,58
	58,89
	26,39
	33,07
	MÉDIA
	93 ± 3 HRB
	59 ± 0,3 HRC
	25 ± 3 HRC
	32 ± 5 HRC
	Analisando os resultados obtidos na Tabela 2 é possível afirmar que a dureza do Aço SAE 4140 recozido está próximo ao resultado da literatura. Na literatura encontra-se que o valor da dureza do AÇO SAE 4140 é de 98 HRB e neste experimento obteve-se uma dureza de aproximadamente 93 HRB.
	Após o tratamento térmico de têmpera com tempo de austenitização de 2 horas é possível afirmar que o aço foi temperado, visto que apresentou um valor de dureza de aproximadamente 59 HRC e este valor está de acordo com a literatura, a qual apresenta dureza do AÇO SAE 4140 no intervalo de 53-60 HRC.
 	Após o tratamento térmico com tempo de austenitização de 18 horas observou-se que em nenhuma das amostras ocorreu a têmpera. Um dos principais para motivos tal resultado deve-se ao longo tempo de austenitização, o qual pode ter descabornetado a superfície, portanto, apresentou baixa temperabilidade, devido ao baixo teor de carbono.
 5. CONCLUSÕES
 	Conclui-se que o volume do material resfriado em função do volume de água do meio de resfriamento deve ser observado, pois no resfriamento da amostra do aço SAE 4150 a água aqueceu-se rapidamente e com isso houve a perda da taxa de resfriamento. Além disso, o material temperado deve ser usinado para posteriormente realizar as medidas de dureza, pois a não retirada da carepa formada, pode alterar significativamente o valor da dureza do material. 
	Também foi conclui-se que o tempo de austenitização altera significativamente os resultados, pois as amostras que ficaram por 18 horas nas muflas não foram temperadas; já a amostra que ficou por apenas 2 horas temperou. 
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Chiaverini, V. Tratamentos térmicos das ligas metálicas. São Paulo: ABM, 2003.
[2] ASM Handbook. (1990). Properties and selection: Irons, Steel and High Perfomance Alloys. 10ª ed. USA: ASM International. 
[3] Rocha, M. A. C. (2004) Análise das propriedades Mecânicas do aço SAE 4140 com estrutura Bifásica. Dissertação de Mestrado
[4] GERDAU. Mundo dos Aços Especiais. Disponível em:< https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/4889840/mod_resource/content/3/Aula%20-%20Tratamentos%20T%C3%A9rmicos.pdf>. Acesso em: 30 set 2019. 
[5] CIÊNCIA DOS MATERIAIS MULTIMÍDIA. Mudança de estrutura: Martensita. Disponível em: <http://www.cienciadosmateriais.org/index.php?acao=exibir&cap=21&top=140>. Acesso em: 30 set 2019.