TRABALHO FINAL METALOGRAFIA 2014

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UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
LABORATÓRIO DE MATERIAIS E METALOGRAFIA
PROFESSOR: GILMAR TONIETTO
AÇO SAE 4140
		CAXIAS DO SUL, 2014
ÍNDICE
Página
1. Objetivo geral................................................................................................................04
2. Introdução........................................................................................................................05
3. Revisão bibliográfica...................................................................................................06
3.1 Ensaio de tração..........................................................................................................06
3.2 Ensaio de dureza..........................................................................................................08
3.2.1 Dureza Brinell.........................................................................................................08
3.2.2 Dureza Rockwell.....................................................................................................09
3.2.2 Dureza Vickers........................................................................................................09
3.3 Ensaio de impacto........................................................................................................09
3.4 Microestruturas do aço................................................................................................11
3.5 Tratamentos térmicos...................................................................................................12
3.5.1 Normalização...........................................................................................................12
3.5.2 Têmpera....................................................................................................................13
3.5.3 Revenimento............................................................................................................13
3.6 Aço SAE 4140.............................................................................................................13
3.6.1 Composição química...............................................................................................14
3.6.2 Aços equivalentes....................................................................................................14
3.6.3 Seqüência de processamento recomendada..........................................................14
3.6.4 Dureza e temperatura de revenimento..................................................................15
3.6.5 Diagrama TTT.........................................................................................................15
4. Normas adotadas..........................................................................................................16
5. Materiais utilizados...........................................................................................................17
6. Descrições dos ensaios.................................................................................................18
6.1 Tratamento térmico......................................................................................................18
6.2 Ensaio de dureza..........................................................................................................18
6.3 Ensaio de tração...........................................................................................................19
6.4 Ensaio de impacto.......................................................................................................22
6.5 Ensaio metalográfico....................................................................................................23
7. Imagens das amostras..................................................................................................25
7.1 Análise metalográfica..................................................................................................25
8. Conclusão..........................................................................................................................28
9. Bibliografia.....................................................................................................................31
1. OBJETIVO GERAL
Esse trabalho tem como objetivo fazer uma análise do comportamento do material SAE 4140 quanto à resistências a impacto e tração em diferentes ocasiões: Natural, temperado, temperado e revenido a 300°C e temperado e revenido a 500°C. 
Serão detalhados todos os passos dos ensaios de caracterização do material que são eles: ensaio de tração, ensaio de impacto, ensaio de dureza e por fim analise da microestrutura.
2. INTRODUÇÃO
Foram preparados quatro corpos de prova para ensaio de tração e quatro corpos de prova para ensaio de impacto. A figura 2.1 e 2.2 mostra os corpos de prova.
	Figura 2.1 – Corpo de prova para ensaio de tração
	Figura 2.2 – Corpo de prova para ensaio de impacto
	Depois de prontos os corpos de prova sofreram tratamentos térmicos conforme tabela abaixo:
	NÚMERO DA AMOSTRA
	TRATAMENTO TÉRMICO
	01
	Normalizado
	02
	Temperado a 870°C
	03
	Temperado a 870°C e revenido a 300°C por 2 horas
	04
	Temperado a 870°C e revenido a 500°C por 2 horas
	Após o tratamento térmico foi cortado uma amostra do corpo de prova para o ensaio metalográfico e feito os ensaios de tração e de impacto. Os resultados obtidos foram comparados com amostras de materiais semelhantes no site www.matweb.com.
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Características de materiais obtidas através dos ensaios são fundamentais para o dimensionamento de elementos estruturais. Pode-se definir ensaio como a observação do comportamento de um material quando submetido à ação de agentes externos como esforços e outros. 
Os ensaios são executados sob condições padronizadas, em geral definidas por normas, de forma que seus resultados sejam significativos para cada material e possam ser facilmente comparados.
3.1 Ensaio de tração
No ensaio de tração, uma amostra do material (corpo de prova) é submetida a um esforço longitudinal. O corpo de prova tem dimensões padronizadas definidas por normas. As extremidades recebem garras do equipamento de medição. A figura 3.1 mostra um arranjo básico.
Figura 3.1 – Arranjo de um ensaio de tração.
Na condição inicial, a parte central tem um comprimento L0 e área transversal S0. 
O equipamento de ensaio aplica gradativamente, a partir do zero, uma força de tração no corpo de prova. Assim, de forma genérica, pode-se dizer que, a cada valor de força aplicada F, corresponde uma deformação ∆L do corpo.
Na condição inicial, a parte central tem um comprimento L0 e área transversal S0. 
O equipamento de ensaio aplica gradativamente, a partir do zero, uma força de tração no corpo de prova. Assim, de forma genérica, pode-se dizer que, a cada valor de força aplicada F, corresponde uma deformação ∆L do corpo. Continuando o aumento da força F, chega-se, como em (c) da figura, ao ponto de ruptura do material, finalizando o ensaio. 
Em princípio, seria possível estudar a relação F versus ∆L, mas o resultado ficaria dependente do material e das dimensões do corpo de prova. Para obter resultados dependentes apenas do material, são usadas grandezas relativas.
No lugar da força, é usada a tensão de tração σ, que é a relação entre força e área da seção transversal. No ensaio, considera-se apenas a área inicial do corpo: 
No lugar da deformação absoluta é usada a deformação relativa ao comprimento inicial L0. O valor de ε pode também ser dado em percentual, bastando multiplicar a igualdade anterior por 100.
Um material é dito ter comportamento elástico se, uma vez removido o esforço, as dimensões retornam àquelas antes da sua aplicação, isto é, não há deformações permanentes. O trecho σ►L da figura 3.2 é a região elástica do material, ou seja, o comprimento retorna ao valor L0 se o ensaio for interrompido nessa região.
Figura3.2 – Gráfico da região elástica do material
A tensão máxima correspondente é o limite de elasticidade σL do material. Dentro da região elástica, no trecho σ►P, a tensão é proporcional à deformação, isto é, o material obedece à lei de Hooke, onde E é o módulo de elasticidade do material (não tem relação com o ponto E da curva). Para aços, um valor típico de E é 2,06 105 MPa. 
Portanto, a tensão σP é o limite de proporcionalidade do material. O ponto L marca o início da região plástica ou escoamento do material, significando a existência de deformações residuais permanentes. É usual considerar início ou limite de escoamento σE a tensão que produz uma deformação residual: 
ε = 0,002 ou 0,2% (ponto E conforme Figura 3.2). 
Depois do limite de escoamento há uma significativa redução da área da seção transversal e a tensão real segue algo como a curva tracejada da figura 3.3. Mas a convenção é usar tensão aparente, em relação à área inicial. Em B da figura 3.3 ocorre a tensão máxima e, em R, a ruptura do corpo de prova. A tensão σB é denominada resistência à tração do material.
Figura 3.3 – Gráfico da região de tensão máxima e de ruptura
3.2 Ensaio de dureza
Pode-se definir dureza como a resistência que um material oferece à penetração de outro em sua superfície. Ao contrário do anterior (tração), o ensaio de dureza pode ser feito em peças acabadas, deixando apenas uma pequena marca, às vezes quase imperceptível. Essa característica faz dele um importante meio de controle da qualidade do produto. 	
3.2.1 Dureza Brinell
Seja um material, representado na parte inferior da figura 3.4, que é submetido à ação de uma esfera de material duro. 
D: diâmetro da esfera. 
F: força aplicada. 
d: diâmetro da cavidade no material. 
Figura 3.4 – material em ensaio de dureza
A dureza Brinell (HB) do material é calculada pela fórmula:
	A unidade da dureza Brinell é a mesma da tensão mecânica (pascal ou outras).
3.2.2 Dureza Rockwell
	Para materiais duros, o objeto penetrante é um cone de diamante com ângulo de vértice de 120º. Essa escala é denominada Rockwell C ou HRC. 
Com materiais semi-duros ou macios é usada uma esfera de aço temperado de diâmetro1/16". É a escala Rockwell B ou HRB. 
Em ambos os casos, é aplicada uma carga padrão definida em normas e a dureza é dada pela profundidade de penetração. 
3.2.3 Dureza Vickers
É usada uma pirâmide de diamante com ângulo de diedro de 136º que é comprimida, com uma força arbitrária F, contra a superfície do material. Calcula-se a área S da superfície impressa pela medição das suas diagonais. E a dureza Vickers HV é dada por F/S. 
Existe uma proporcionalidade entre a força aplicada e a área e, portanto, o resultado não depende da força, o que é muito conveniente para medições em chapas finas, camadas finas (cementadas, por exemplo). 
3.3 Ensaio de dureza
A tenacidade de um material, avaliada a partir do ensaio de tração, pode dar uma idéia da sua resistência ao impacto, mas a relação não é necessariamente conclusiva. Esse fato tornou-se relevante durante a segunda guerra mundial, quando navios passaram a usar chapas soldadas no lugar da tradicional construção rebitada. 
Sob impacto, trincas iniciadas em regiões de solda podiam propagar-se pelas chapas, que não apresentavam perda de tenacidade ou ductilidade em ensaios de tração. 
Foram desenvolvidos então ensaios específicos para impactos, considerando que a resistência a eles é grandemente afetada pela existência de trincas ou entalhes e pela velocidade de aplicação da carga, condições que não podem ser facilmente implementadas em um ensaio comum de tração. A temperatura também exerce significativa influência. 
O ensaio de impacto é simples conforme pode ser visto pelo esquema da figura 3.5: um corpo de prova padronizado com um entalhe é rompido pela ação de um martelo em forma de pêndulo. O princípio de operação pode ser analisado pela vista lateral (b) da mesma figura. 
Figura 3.5 – Ensaio de impacto
Supõe-se que o pêndulo seja levado até uma posição tal que o seu centro de gravidade fique a uma altura h0 em relação a uma referência qualquer. Desprezando a resistência doar e o atrito no pivô, uma vez liberado e na ausência do corpo de prova, o pêndulo deverá atingir mesma altura do outro lado pelo princípio da conservação da energia. 
Se o corpo de prova é inserido e rompido pelo impacto do pêndulo, a energia absorvida nessa operação faz o pêndulo atingir, no outro lado, uma altura máxima h1 menor que h0. Ou seja, a resistência ao impacto do material é dada pela diferenças entre as energias potenciais em h0 e em h1. 
 Na prática, o instrumento tem uma escala graduada, com indicador de valor máximo, para leitura direta da diferença de energias. Por ser energia, a resistência ao impacto deve ser dada em Joules (J), de acordo com o Sistema Internacional. 
Em equipamentos mais antigos, podem ser consideradas unidades como quilograma-força metro (kgf/m) ou libra-força pé (lbf/ft). Há dois padrões comuns para o ensaio: Charpy e Izod. O primeiro é usual nos Estados Unidos e o segundo, na Europa. 
No ensaio Charpy, o corpo de prova tem um entalhe central e é apoiado em ambas as extremidades. O impacto se dá no centro conforme figura 3.6. O entalhe comum é tipo "V", mas há também padrão em forma de "U" ou fenda terminada em furo (dimensões para V: comprimento 55 mm, seção 10 x 10 mm, entalhe a 45º profundidade 2 mm). 
Há padrões especiais (sem entalhe) para materiais como ferro fundido. 
No padrão Izod, o corpo é engastado em um lado e recebe o impacto na outra extremidade conforme figura 3.6.
Figura 3.5 – Ensaio de impacto Charpy e Izod. 
3.4 Microestruturas do aço 
Os constituintes básicos dos aços são:
A austenita (do nome do metalurgista inglês Robert – Austen), nos aços comuns, só é estável acima de 727°C; consta de uma solução sólida de carbono no ferro gama e apresenta uma estrutura de grãos poligonais irregulares; possui boa resistência mecânica e apreciável tenacidade; é não magnética.
A ferrita (do latim “ferrum”) é ferro no estado alotrópico alfa, contendo em solução traços de carbono; apresenta também uma estrutura de grãos poligonais irregulares; possui baixa dureza e baixa resistência à tração, cerca de 28 Kgf/mm² (270 MPa), mas excelente resistência ao choque e elevado alongamento.
A cementita (do latim “caementum”) é o carboneto de ferro Fe3C contendo 6,67% de carbono; muito dura (na escala Moh’s ocuparia aproximadamente o lugar do feldspato), quebradiça, é responsável pela elevada dureza e resistência dos aços de alto carbono, assim como pela sua menor ductilidade. Possui estrutura cristalina ortorômbica.
A perlita (nome devido à “nuance” de cores de madrepérola que esse constituinte freqüentemente apresenta ao microscópio) é a mistura mecânica de 88,5% de ferrita e 11,5% de cementita, na forma de lâminas finas (de espessura raramente superior a um milésimo de milímetro) dispostas alternadamente. As propriedades mecânicas da perlita são, portanto, intermediárias entre as da ferrita e da cementita, dependendo, entretanto, do tamanho das partículas de cementita. Sua resistência à tração é, em média, 75Kgf/mm² (740 MPa). A proporção de perlita num aço cresce de 0% para ferro até 100% para aço eutetóide (o,77% de carbono), de modo que um aço com 0,5% de carbono, por exemplo, apresentará cerca de 65% de perlita.
A martensita apresenta um reticulado tetragonal e sua dureza é muito elevada, podendo atingir 65 a 67 Rockwell C. Sua resistividade térmica é consideravelmente mais alta que a dos conglomerados ferrita-cementita, qualquer que seja o seu grau de dispersão. Sua elevada dureza é devido a diversos fatores como:
· precipitação de partículas submicroscópicas de carboneto de ferro da solução sólida gama e retenção dessas partículas na forma de uma solução sólida supersaturada no reticulado do ferro alfa (formado no esfriamento) onde atuam como espécies de “chavetas”, impedindo o escorregamento;
· distorção do reticulado;
· tensões internas;
· tamanho de grão muito pequeno. 
3.5 Tratamentos térmicosAs ligas ferro-carbono, antes de serem utilizadas na forma de peças são, principalmente quando aplicadas na construção mecânica, submetidas a tratamentos térmicos. Os tratamentos térmicos usados em nossa análise formam os de normalização (normalmente feito pelo fornecedor do aço), têmpera e revenimento.
3.5.1 Normalização
A normalização é o tratamento térmico, através do qual determinados aços após a austenitização são resfriados ao ar. A principal finalidade da normalização é conseguir a melhoria das condições de usinabilidade do aço. Ela funciona como agente que homogeniza a estrutura cristalina, eliminando os pontos críticos resultantes de trabalhos anteriores. A normalização também prepara o material para outros tipos de tratamentos térmicos. Não se deve analisar apenas a dureza do material para saber se a normalização dará usinagem eficiente. A estrutura do material após normalização é que na verdade possibilita a idéia exata das condições da peça para as operações seguintes. Nos aços normalmente usados, essa estrutura é constituída de perlita e ferrita, que devem estar bem distribuídas, homogeneamente repetidas e com grãos de tamanho uniforme. A normalização ainda é utilizada como tratamento preliminar à têmpera porque, sendo a estrutura mais homogênea que a de uma aço laminado, por exemplo, reduz-se a tendência ao empenamento e facilita-se a solução de carbonetos e elementos de liga, principalmente quando o aço é ligado.
3.5.2 Têmpera
O objetivo fundamental da têmpera é obter uma estrutura martensítica, o que exige resfriamento rápido, de modo a evitar-se a transformação da austenita em seus produtos normais.
Em resumo: na têmpera aquece-se o aço acima da zona crítica durante o tempo necessário, em função da seção das peças, seguido de resfriamento rápido em um meio como o óleo, água, salmoura ou mesmo ar dependendo da curva em C do aço no diagrama TTT.
	No resfriamento que se segue, a estrutura será constituída de martensita que, possuindo dureza elevada, aumenta em muito a dureza do aço.
	O estado em altas tensões junto com a elevada dureza e fragilidade da martensita constituem inconvenientes que devem ser atenuados ou corrigidos. Para isso submete-se o aço temperado à operação de revenimento.
3.5.3 Revenimento
	O revenido é um tratamento posterior à têmpera, que consiste em elevar a temperatura até certo nível e manter por algum tempo. O resultado é um alívio das tensões internas e redução da dureza, tanto maior quanto maiores a temperatura e o tempo de revenido. Pode-se dizer, portanto, que a operação de revenido ajusta a dureza desejada da peça. Se a dureza diminui, a ductilidade aumenta e, por conseqüência, a resistência ao impacto.
	3.6 Aço SAE 4140
Os aços da família AISI/SAE 41XX são usados em aplicações de engenharia na condição “temperados e revenido” ou “normalizado, temperado e revenido”, este último quando é necessário assegurar elevados níveis de tenacidade. Os aços baixa-liga dessa família, especialmente o 4130 e o 4140.
	O aço SAE 4140 é um aço ligado ao cromo e molibdênio que apresenta alta resistência mecânica e tenacidade após o beneficiamento. Adequado a aplicações severas de fadiga, abrasão e impacto. Possui como características:
· Média a alta temperabilidade (54 a 59 HRC).
· Média a alta resistência mecânica.
· Baixa soldabilidade.
· Média usinabilidade.
· Média a alta tenacidade.
É aplicado na fabricação de eixos, virabrequins, bielas, cabeçotes, rolos de laminação, eixo pra turbinas, eixos para geradores hidráulicos, nas indústrias agrícolas, automobilísticas e de máquinas e equipamentos. Aplicado em eixos de média a alta solicitação mecânica.
3.6.1 Composição química
	C (%)
	Mn (%)
	P Máximo (%)
	S máximo (%)
	Si
	Cr
	Mo
	0,38-0,43
	0,75-1,00
	0,03
	0,04
	0,15-0,35
	0,80-1,10
	0,15-0,25
3.6.2 Aços equivalentes
A tabela abaixo indica a equivalência ao aço SAE 4140 de acordo com diferentes normas e fornecedores de aço.
	AISI/SAE
	W NRº.
	DIN
	UNI
	JIS
	BS
	AFNOR
	GERDAU
	VILLARES
	BOEHLER
	4140
	1. 7223
	42 Cr Mo 4
	42 Cr Mo 4
	SCM 440
	708 A 40
	40 42 CD 4 TS
	4140
	VL 40
	V 320
 3.6.3 Seqüência de processamento recomendada
A figura 3.6 mostra a seqüência de processamento recomendada do aço SAE 4140.
Figura 3.6 – Seqüência de processamento recomendada.
3.6.4 Dureza e temperatura de revenimento
A figura 3.7 mostra a relação entre temperatura de revenimento e dureza do aço SAE 4140.
Figura 3.7 – Gráfico temperatura de revenimento x dureza
3.6.5 Diagrama TTT
A figura 3.8 mostra o diagrama tempo-temperatura-transformação (TTT) do aço SAE 4140.
Figura 3.8 – Gráfico TTT
4. NORMAS ADOTADAS
Foram adotadas as seguintes normas:
· Ensaio de Dureza Rockwell: norma NBR NM 146-1:1999.
· Conversão de Unidades de Dureza: norma ASTM E140.
· Ensaio de Tração: norma NBR ISO 6892/02.
· Ensaio de Impacto (Charpy): norma ASTM E23/1980.
· Análise das Inclusões: norma ASTM E45 (100x).
· Análise da Microestrutura: norma ASTM E112 (100x).
· Ataque com reativos metalográficos em ligas ferrosas: NBR 8108.
· Preparação de corpos de prova para análises metalográficas: NBR 13284.
· Determinação do nível de micro inclusões (aço): NBR9208.
· Determinação de tamanho de grãos austeníticos: ASTM E 112.
5. MATERIAL UTILIZADO
Foram utilizados os seguintes materiais para cada etapa do trabalho.
Para o tratamento térmico:
· Forno para tratamento térmico.
Para o ensaio de dureza:
· Durômetro.
Para o ensaio de tração:
· Máquina de escalonar e tinta para marcação.
· Paquímetro digital.
· Máquina de ensaios de tração.
Para o ensaio de impacto.
· Máquina de ensaios de impacto.
Para a análise metalográfica:
· Serra para cortar as amostras.
· Máquina para embutir amostras.
· Mesa para lixamento.
· Máquina para polimento.
· Microscópio.
6. DESCRIÇÃO DOS ENSAIOS
	Os ensaios foram divididos em quatro partes: tratamento térmico, ensaio de tração, ensaio de impacto e metalografia.
6.1 Tratamento térmico
Os corpos de prova 2, 3 e 4, tanto os cilíndricos quanto os retangulares, foram colocados em uma caixa de aço, e cobertos por limalha de ferro a fim de evitar formação de óxido nas peças. Em seguida, a caixa foi colocada em um forno elétrico como mostrado na figura 6.1. Após as peças foram resfriadas em óleo. Os corpos de prova número 2 receberam somente têmpera sem revenimento.
	
Figura 6.1 – Forno para tratamento térmico.
Com exceção da primeira amostra que foi comprada normalizada, as demais sofreram tratamento térmico de têmpera e revenimento conforme tabela abaixo:
	IDENTIFICAÇÃO
	TRATAMENTO TÉRMICO
	01
	Normalizado
	02
	Temperado a 870°C
	03
	Temperado a 870°C e revenido a 300°C por 2 horas
	04
	Temperado a 870°C e revenido a 500°C por 2 horas
6.2 Ensaio de dureza
Após o tratamento térmico nos corpos de prova foi verificada a dureza dos mesmos com um durômetro como o mostrado na figura 6.2, sendo que cada corpo de prova foi medido cinco e vezes e feito uma média das medições.
Figura 6.2 – Durômetro.
 As tabelas abaixo mostram a dureza obtida nas amostras.
	AMOSTRAS PARA ENSAIO DE TRAÇÃO
	IDENTIFICAÇÃO
	LEITURAS OBTIDAS 
	MÉDIA
	UNIDADE DE DUREZA
	
	1
	2
	3
	4
	5
	
	
	01
	95
	96,5
	96,5
	96
	96
	96
	*HRB
	02
	46
	46
	49
	45
	52
	47,6
	HRC
	03
	32
	39
	27
	25
	30
	30,6
	HRC
	04
	41
	40
	36
	41
	34
	38,4
	HRC
	AMOSTRAS PARA ENSAIO DE IMPACTO
	IDENTIFICAÇÃO
	LEITURAS OBTIDAS 
	MÉDIA
	UNIDADE DE DUREZA
	
	1
	2
	3
	4
	5
	
	
	01
	96
	93
	94
	93
	92
	93,6
	*HRB
	02
	57
	53
	54
	55
	54
	54,6
	HRC
	03
	57
	52
	56
	57
	48
	54
	HRC
	04
	47
	44
	41
	46
	44
	44,4
	HRC
	É importante frisar que a primeira amostra teve sua dureza medida em HRB, visto que ela possui uma baixa dureza por não ter sofrido têmpera, enquanto as demais amostras tiveram sua medida de dureza em HRC.
	A partir da dureza média calculada de cada corpo de prova será procurado no site www.matweb.com um aço SAE 4140 de dureza equivalente, sobre o qual os resultados serão comparados. 
6.3 Ensaio de tração
	Os corpos de prova para ensaio de tração foram medidos com um paquímetro digital,de onde obtivemos o diâmetro e o comprimento das peças. Para as medidas de comprimento final o corpo de prova foi pintado com tinta de marcação e feita marcas a cada 5mm pela máquina de escalonar. A figura 6.3 mostra o corpo de prova com as marcações.
Figura 6.3 – Corpo de prova com as marcações.
Após foram submetidos ao ensaio na máquina para ensaios de tração mostrada na figura 6.4. Após o ensaio os corpos de prova tiveram o comprimento e diâmetro final medidos. O comprimento final foi obtido a partir da medição das marcações. 
Figura 6.4 – Máquina de ensaio de tração.
Após o ensaio foram obtidas a força de escoamento e a força máxima, bem como o gráfico deslocamento x força. A figura 6.5 mostra o gráfico deslocamento x força dos quatro corpos de prova.
Figura 6.5 – Gráfico deslocamento x força do ensaio de tração.
	Observamos no gráfico que o corpo de prova 2 não teve deformação plástica, sendo que rompeu sem escoar o material. 
	A partir desse ensaio também obtivemos a força de escoamento e a força máxima de cada corpo de prova mostrados na tabela abaixo.
	IDENTIFICAÇÃO
	Diâmetro inicial (mm)
	Força de escoamento (Kgf)
	Força máxima (Kgf)
	Comprimento final
	Diâmetro final (mm)
	
	
	
	
	Lo = 40mm
	
	01
	7,99
	2.177
	3.596
	49,74
	5,64
	02
	7,99
	-
	4.713
	-
	-
	03
	7,92
	2.591
	3.624
	51,55
	5,7
	04
	7,99
	3.932
	4.825
	47,98
	6,23
	Como os corpos de prova 2 e 3 não possuem zona plástica e conseqüentemente não houve escoamento do material, os comprimentos e diâmetros finais de ambos permaneceram iguais. A partir desses dados foram calculadas as propriedades de cada corpo de prova a partir das fórmulas da tabela abaixo.
	Área inicial
	Área final
	Limite de escoamento (MPa)
	Limite de resistência à tração (MPa)
	Alongamento
	Redução de área
	π x d(inicial)²
4
	π x d(final)²
 4
	Fe x 9,81
 A
	F x 9,81
 A
	L1-L0 x 100
 L0
	A1-A0 x 100
 A0
Sendo que:
π (pi) = 3,14159
d(inicial) = diâmetro inicial do corpo de prova.
d(final) = diâmetro final do corpo de prova.
Fe = força de escoamento.
A= área.
F = força máxima.
L0 = alongamento inicial.
L1 = alongamento final.
A0 = área inicial.
A1 = área final.
	A tabela abaixo nos mostra os resultados calculados.
	IDENTIFICAÇÃO
	Área inicial (mm²)
	Área final (mm²)
	Limite de escoamento (MPa)
	Limite de resistência à tração (MPa)
	Alongamento (%)
	Redução de área (%)
	
	
	
	
	
	
	
	01
	50,14
	24,93
	425,93
	703,57
	24,35
	50,17
	02
	50,14
	-
	-
	922,04
	-
	-
	03
	49,26
	25,51
	515,99
	721,72
	28,87
	48,21
	04
	50,14
	30,48
	769,3
	944,02
	19,95
	39,21
6.4 Ensaio de impacto
Inicialmente foram medidos os corpos de prova e depois feito o ensaio por impacto Charpy, conforme mostrada na figura 6.6.
Figura 6.6 - Máquina de ensaio de impacto Charpy
 Os resultados estão na tabela abaixo.
	IDENTIFICAÇÃO 
	DIMENSÕES (mm x mm)
	ENERGIA ABSORVIDA (Kgf x m)
	01
	9,84 x 8,08
	5,6
	02
	9,99 x 8,15
	0,4
	03
	9,98 x 8,04
	0,8
	04
	9,88 x 7,96
	6,3
	A partir desses dados foram calculadas as propriedades de cada corpo de prova a partir das fórmulas abaixo.
Área (cm²) = largura (cm) x altura (cm).
Energia absorvida (J) = energia absorvida (Kgf x m) x 9,81
Resistência ao impacto (J/cm²): energia absorvida (J)
 área (cm²)
A tabela abaixo nos mostra os resultados calculados.
	IDENTIFICAÇÃO 
	ÁREA (cm²)
	ENERGIA ABSORVIDA (J)
	RESISTÊNCIA AO IMPACTO (J/cm²)
	01
	0,792648
	54,91724
	69,283
	02
	0,814185
	3,92266
	4,817
	03
	0,802392
	7,84532
	9,777
	04
	0,786448
	61,781895
	78,558
6.5 Análise metalográfica
	Foram cortadas duas amostras de cada corpo de prova do ensaio de tração. Uma amostra foi cortada de forma longitudinal (para observação das inclusões) e outra de forma transversal (para observação das microestruturas). A figura 6.7 mostra as amostras cortadas.
Figura 6.7 – Amostras cortadas 
	Em seguida as amostras foram embutidas com baquelite para facilitar o polimento para que as bordas não fossem arredondadas durante o polimento. A figura 6.8 mostra à máquina de embutimento e a figura 6.9 as amostras após o embutimento. 
Figura 6.8 – Máquina de embutimento de amostras
 
Figura 6.9 – Amostras após embutimento
	Após o embutimento as amostras foram polidas utilizando 4 lixas. A figura 6.10 mostra a bancada de polimento.
Figura 6.10 – Bancada de polimento
	O polimento final foi feito com uma máquina de polimento (figura 6.11).	
Figura 6.11 – Máquina para polimento
Logo após as amostras foram lavadas com álcool e secas com algodão. Ao serem observadas no microscópio com aumento 100x sem ataque podemos avaliar as inclusões. Para a análise micrográfica as amostras sofreram ataque de nital e foram observadas no microscópio também com aumento 100x.
7. IMAGENS DAS AMOSTRAS
	7.1 Análise metalográfica
	A partir da análise metalográfica das amostras concluímos que as inclusões encontradas são:
· Tipo sulfeto: sem inclusões.
· Tipo globular de óxido, série fina, nível ½.
Na análise micrográfica observamos que todas as quatro amostras o tamanho de grão é padrão 10, ou seja, 512 grãos/polegada².
	Nas figuras abaixo podemos observar as microestruturas para cada amostra, bem como o tamanho dos grão.
 
Figura 7.1 – Amostra 01 (normatizada) ampliada 100x.
· Pontos claros: ferrita.
· Pontos escuros: perlita.
· Pouca cementita nos contornos de grãos.
Figura 7.2 – Amostra 01 (normatizada) ampliada 500x.
Figura 7.3 – Amostra 02 (temperado a 870°C) ampliada 1000x.
· Parte clara: ferrita.
· Parte escura: martensita.
· Perlita fina.
Figura 7.4 – Amostra 03 (temperado a 870°C e revenido a 300°C por 2 horas) ampliada 1000x.
· Parte clara: ferrita.
· Parte escura: martensita.
· Perlita fina.
Figura 7.5 – Amostra 04 (temperado a 870°C e revenido a 500°C por 2 horas) ampliada 1000x.
· Parte clara: ferrita (em pequena quantidade).
· Parte escura: martensita revenida.
8. CONCLUSÃO
O Material SAE 4140 é um material muito utilizado nos processos de manufaturas de diversas indústrias e setores industriais, justamente por este material ter propriedades mecânicas excelentes no que diz respeito a boa forjabilidade, boa usinabilidade no estado recozido, e principalmente boa temperabilidade, diferentemente de outros aços que seguem a mesma linha de propriedades mecânicas. Este último aspecto, boa temperabilidade, nos possibilita alterar as propriedades mecânicas do material de acordo com a necessidade e aplicação, através de tratamentos térmicos e/ou tratamentos termoquímicos.
	Relembrando os tratamentos térmicos sofridos pelos corpos de prova:	
	NÚMERO DA AMOSTRA
	TRATAMENTO TÉRMICO
	01
	Normalizado
	02
	Temperado a 870°C
	03
	Temperado a 870°C e revenido a 300°C por 2 horas
	04
	Temperado a 870°C e revenido a 500°C por 2 horas
Analisando as propriedades das amostras temos a tabela baixo. Sempre lembrando que a amostra 01 tem sua dureza medida em Brinell B enquanto as outras são em Brinell C.
	AÇO SAE 4140 (ensaio de tração)
	Identificação
	Dureza
	Limite de escoamento (MPa)
	Limite de resistência à tração (MPa)
	Alongamento (%)
	Redução de área (%)
	01
	96 HRB
	425,93
	703,57
	24,35
	50,17
	02
	47,6 HRC
	-
	922,04
	-
	-
	03
	30,6 HRC
	515,99
	721,72
	28,87
	48,21
	04
	38,4 HRC
	769,3
	944,02
	19,95
	39,21
Observando os valores conclui-se que o limite de escoamento maior é da amostra 04, enquanto a amostra 02 não apresentou zona plástica e, conseqüentemente o corpo de prova rompeu sem escoar o material. 
	Quanto a resistência à tração o corpo de prova 04 apresentou maior resistência enquanto a menor foi observada no corpo de prova 01, que não sofreu tratamento térmico. Conclui-se que o maior tempo de revenimento diminuiu a resistência à tração, porém aumentou o limite de escoamento. 
	Agora analisando os corpos de prova de ensaio de impacto: 
	AÇO SAE 4140 (ensaio de impacto)
	Identificação
	Dureza
	Energia absorvida (J)
	Resistência ao impacto (J/cm²)
	01
	93,6 HRB
	54,91724
	69,283
	02
	54,6 HRC
	3,92266
	4,817
	03
	54 HRC
	7,84532
	9,777
	04
	44,4HRC
	61,781895
	78,558
	Conclui-se que a amostra com maior tenacidade é a amostra 04, enquanto a amostra 02 por ser apenas temperada tem a pior absorção de energia e conseqüente resistência ao impacto.
	 Agora faremos uma análise das propriedades mecânicas a partir da revisão bibliográfica de cada um dos corpos de prova.
	CORPO DE PROVA 01 (Normalizado)
	Identificação
	Dureza (HRB)
	Limite de escoamento (MPa)
	Limite de resistência à tração (MPa)
	Alongamento (%)
	Redução de área (%)
	Corpo de prova
	96
	425,93
	703,57
	24,35
	50,17
	Revisão bibliográfica
	100
	655
	1020,4
	17,7
	46,8
O corpo de prova da revisão bibliográfica possui maior limite de escoamento (35%) e maior limite de resistência à tração (31%). 
	CORPO DE PROVA 02 (Temperado a 870°C)
	Identificação
	Dureza (HRC)
	Limite de escoamento (MPa)
	Limite de resistência à tração (MPa)
	Alongamento (%)
	Redução de área (%)
	Corpo de prova
	47,6
	-
	922,04
	-
	-
	Revisão bibliográfica
	-
	-
	-
	-
	-
Não foi encontrada bibliografia, visto que não há uma utilidade prática para o material meramente temperado e sem revenimento posterior.
	CORPO DE PROVA 03 (Temperado a 870°C e revenido a 300°C por 2 horas)
	Identificação
	Dureza (HRC)
	Limite de escoamento (MPa)
	Limite de resistência à tração (MPa)
	Alongamento (%)
	Redução de área (%)
	Corpo de prova
	30,6
	515,99
	721,72
	28,87
	48,21
	Revisão bibliográfica
	53
	1.655
	1.860
	11
	44
	Observa-se que o material da revisão bibliográfica possui uma dureza de 42% maior, o limite de escoamento é 69% maior, além de um limite de resistência à tração 61% maior. Observa-se também que o corpo de prova possui um alongamento muito maior que o alongamento da revisão bibliográfica.
	CORPO DE PROVA 04 (Temperado a 870°C e revenido a 500°C por 2 horas)
	Identificação
	Dureza (HRC)
	Limite de escoamento (MPa)
	Limite de resistência à tração (MPa)
	Alongamento (%)
	Redução de área (%)
	Corpo de prova
	38,4
	769,3
	944,02
	19,95
	39,21
	Revisão bibliográfica
	42
	1.380
	1.170
	15
	48
O corpo de prova da revisão bibliográfica possui maior limite de escoamento (44%) e maior limite de resistência à tração (19%). 
Agora vamos analisar o ensaio de impacto:
	CORPO DE PROVA 01 (Normalizado)
	Identificação
	Dureza (HRB)
	Resistência ao impacto (J/cm²)
	Corpo de prova
	93,6
	69,283
	Revisão bibliográfica
	100
	22,6
O material do corpo de prova possui uma resistência ao impacto 67% maior. 
	CORPO DE PROVA 02 (Temperado a 870°C)
	Identificação
	Dureza (HRC)
	Resistência ao impacto (J/cm²)
	Corpo de prova
	54,6
	4,817
	Revisão bibliográfica
	-
	-
Não foi encontrada bibliografia, visto que não há uma utilidade prática para o material meramente temperado e sem revenimento posterior.
	CORPO DE PROVA 03 (Temperado a 870°C e revenido a 300°C por 2 horas)
	Identificação
	Dureza (HRC)
	Resistência ao impacto (J/cm²)
	Corpo de prova
	54
	9,777
	Revisão bibliográfica
	52
	14
O material do corpo de prova possui uma resistência ao impacto 30% menor. Uma diferença razoável de tenacidade entre o corpo de prova e a revisão bibliográfica.
	CORPO DE PROVA 04 (Temperado a 870°C e revenido a 500°C por 2 horas)
	Identificação
	Dureza (HRC)
	Resistência ao impacto (J/cm²)
	Corpo de prova
	44,4
	78,558
	Revisão bibliográfica
	42
	22
O material do corpo de prova possui uma resistência ao impacto 72% maior. Uma diferença grande de tenacidade entre o corpo de prova e a revisão bibliográfica.
Diante do exposto acima podemos concluir que o tratamento térmico e o material a ser escolhido devem ser muito bem analisados, pois no caso dos ensaios feitos com o SAE 4140 o material demonstrou-se muito resistente e com boa dureza e boa capacidade de absorver energia (tenaz), respondendo muito bem ao tratamento térmico de têmpera e revenimento a 500°C. Para aplicações de engenharia, de nada adianta termos um material ultra resistente à força de escoamento e à força máxima, se o mesmo não tiver um bom alongamento e estricção e uma boa tenacidade. Dessa forma, o material seria muito resistente, porém na primeira adversidade iria se romper comprometendo toda a estrutura.
9. BIBLIOGRAFIA
ARCELORMITTAL. Catálogo de Aços Para Construção Mecânica.
BAPTÍSTA. André Luís de Brito. O Ensaio Metalográfico no Controle de Qualidade.
CALLISTER, William D. Ciência e Engenharia de Materiais: uma Introdução. LTC – Livros Técnicos E Científicos Editora SA. 2002, p. 82 e 87.
CHIAVERINI, Vicente. Materiais de Construção Mecânica. McGraw-Hill Ltda.hhH 1986, p. 96 a 99.
DIFERRO. Catálogo de materiais.
FAVORIT. Catálogo de Equivalência em Qualidade de Aços. 
LIMA, Flávia Barros. Microestrutura e tenacidade de Aços de Baixa liga Tipo 41XX – Uma Abordagem Quantitativa. Mestrado em Ciências em Engenharia Metalúrgica e de Materiais.
MATWEB. www.matweb.com - AISI 4140 Steel, normalized at 870°C (1600°F), reheated to 845°C (1550°F), oil quenched, 260°C (500°F) temper, 25 mm (1 in.) round. (Corpo de prova 03 do ensaio de tração).
MATWEB. www.matweb.com - AISI 4140 Steel, oil quenched, 425°C (800°F) temper, 25 mm (1 in.) round. (Corpo de prova 04 do ensaio de tração).
MATWEB. www.matweb.com - AISI 4140 Steel, oil quenched, 205°C (400°F) temper, 25 mm (1 in.) round. (Corpo de prova 03 do ensaio de impacto).
MATWEB. www.matweb.com - AISI 4140 Steel, oil quenched, 425°C (800°F) temper, 25 mm (1 in.) round. (Corpo de prova 04 do ensaio de impacto).
METAL HANDBOOK. Mechanical Properties of Carbon and Alloy Steels. , p. 79-80
MSPC. Informações Técnicas.
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