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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CAMPUS RUSSAS FERNANDA DOS SANTOS SILVA GILVAN ANTONIO CAPPI JOAO PAULO ALVES DOS SANTOS NUNES JOAO VICTOR NOGUEIRA GONCALVES KEVIN DOS SANTOS LIMA MICHELLE DE QUEIROZ NUNES PATRICK ALAN DE MENEZES ANDRADE PAULO MATEUS DE ARAUJO CAMPELO CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL DE UM AÇO 1045 SUBMETIDO À TRATAMENTOS TÉRMICOS RUSSAS 2019 FERNANDA DOS SANTOS SILVA GILVAN ANTONIO CAPPI JOAO PAULO ALVES DOS SANTOS NUNES JOAO VICTOR NOGUEIRA GONCALVES KEVIN DOS SANTOS LIMA MICHELLE DE QUEIROZ NUNES PATRICK ALAN DE MENEZES ANDRADE PAULO MATEUS DE ARAUJO CAMPELO CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL DE UM AÇO 1045 SUBMETIDO À TRATAMENTOS TÉRMICOS Relatório de aula prática apresentado como requisito parcial à obtenção de crédito na disciplina de Materiais Metálicos, ofertada pelo curso de Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Ceará - Campus Russas. Prof. Dr. Edvan Cordeiro de Miranda. Russas 2019 RESUMO Trabalho para a disciplina de materiais metálicos, pela universidade federal do ceará ,voltada para a constatação de fatos e resultados encontrados pela equipe ao decorrer das práticas, com enfoque na análise de microestruturas e tratamentos térmicos. Palavras Chave: Microestruturas, materiais metálicos, prática. SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ...................................................................................... 5 1.1 Tratamentos térmicos ............................................................................... 5 1.2 Micrografia ............................................................................................... 8 2 OBJETIVO ............................................................................................. 11 2.1 Objetivos gerais ........................................................................................ 11 2.2 Objetivos específicos ................................................................................ 12 3 MATERIAIS E MÉTODOS ................................................................... 12 3.1 3.2 3.3 3.4 4 Descrição das peças recebidas................................................................. 12 Lixamento das peças................................................................................. 13 Polimento das peças.................................................................................. 15 Ataque químico.......................................................................................... 16 RESULTADOS E DISCUSSÕES............................................................ 17 5 6 CONCLUSÃO .......................................................................................... 23 REFERÊNCIAS........................................................................................ 24 1 INTRODUÇÃO A preocupação em relação às propriedades dos metais não é recente, durante muito anos têm-se buscado materiais que atendam às mais diferentes necessidades. No ano de 55 a.C., o imperador romano Júlio César afirmava que os seus guerreiros da Bretanha perdiam muito tempo durante a batalha consertando as suas armas, uma vez que as mesmas se deformavam depois de um certo tempo de uso. Por sua vez, através de uma descoberta dos próprios romanos, foi possível perceber que ao colocar o ferro em uma espécie de forno de carvão vegetal e depois resfriando-o rapidamente, o metal torna-se mais duro e resistente, sendo considerada este um dos primeiros tratamentos térmicos realizados. Esse processo, hoje conhecido com têmpera foi descoberto por acaso, uma vez que os ferreiros martelavam as ferramentas e as colocavam dentro da água para resfriá-las, para que a oficina não acabasse ficando muito quente. 1.1 Tratamentos térmicos Os tratamentos térmicos consistem no processo de aquecimento ou resfriamento de um material para alcançar determinadas propriedades físicas ou mecânicas. Estes processos possibilitam que as diversas ligas metálicas adquiram propriedades de modo a se tornarem adequadas para várias aplicações. Este tratamento consiste na utilização de três fases distintas: o aquecimento, a manutenção da temperatura por um determinado tempo e o resfriamento controlado do material. Os tratamentos térmicos nem sempre são intencionais. Alguns podem acontecer durante o processo de fabricação, de modo a alterar as propriedades dos materiais de forma prejudicial. Como exemplo, pode-se citar a soldagem, onde a zona termicamente afetada pode acabar sofrendo um processo de têmpera e se tornando mais frágil. Os tratamentos térmicos são normalmente associados ao aumento da resistência do material, entretanto eles podem ser utilizado para conferir ao material características que auxiliem nos processos de fabricação, tais como usinabilidade, estampabilidade, soldabilidade e a recuperação das propriedades elásticas após os processos de conformação à frio. Os tratamento térmicos são utilizados também para reduzir as tensões residuais, além de conceder ao material maior dureza ou amolecimento, melhor resistência ao desgaste e ao calor, além de poder melhorar as propriedades elétricas e magnéticas. Recozimento Os tratamentos térmicos de recozimento são divididos em alívio de tensões ou subcrítico, recozimento para recristalização, recozimento para homogeneização, recozimento total ou pleno, recozimento isotérmico ou cíclico e esferoidização ou coalescimento. Os recozimentos para alívio de tensões e para recristalização são aplicados a qualquer liga metálica. O recozimento para homogeneização é indicado para peças fundidas. O recozimento total ou pleno e o recozimento isotérmico ou cíclico são indicados para os aços em geral. O que diferencia cada um desses tratamentos térmicos de recozimento é o produto formado e a aplicação prática do material tratado (se vai necessitar de maior resistência mecânica ou melhor usinabilidade). Com isso, definem-se temperaturas de aquecimento, formas de aquecimento, meios e tipos de resfriamento diferentes, adequados a cada tipo de resultado esperado. Normalização Na normalização, é obtida uma melhor homogeneização das microestruturas resultantes do que no recozimento pleno, pois a temperatura de tratamento é mais alta. A granulação mais fina é conseguida no resfriamento mais rápido. O tratamento térmico da normalização consiste em aquecer o aço até a temperatura de austenitização. Em seguida é resfriado ao ar natural fora do forno. A estrutura resultante é de pequenos grãos de ferrita e perlita fina. Têmpera A têmpera é o processo em que o material é aquecido até a sua temperatura de austenitização e mantido nessa temperatura por um certo período, depois é resfriado rapidamente. Esse resfriamento pode ser feito utilizando água, óleo ou jato de ar. A partir da têmpera, obtêm-se materiais com maior dureza, consequentemente aumenta-se a fragilidade do mesmo. A microestrutura formada com a têmpera é a martensita, cujo formato está apresentado na figura abaixo, com estrutura de agulhas ou placas muito finas. Figura 1: Estrutura martensítica (TSCHIPTSCHIN, 2014) Revenimento É o tratamento térmico queé feito após a têmpera, com o intuito de reduzir a fragilidade do material. Como a têmpera torna o material muito duro, o revenimento é realizado a fim de conceder ao material menor dureza e maior tenacidade. Durante o revenimento, a martensita começa a perder o excesso de carbono de modo que o reticulado cristalino começa a se aproximar da ferrita, sem distorções e com menos tensões acumuladas. O revenimento é feito aquecendo material até a uma determinada temperatura, que para o caso de aços carbonos pode variar e deve ser escolhida de acordo com a combinação de propriedades desejadas. Após o aquecimento, o material é mantido na temperatura por um certo período, o que é possível quando o aquecimento é feito em fornos, depois é resfriado. O resfriamento pode ser rápido, colocando o material em água ou óleo, ou lentamente, deixando-o esfriar naturalmente. Na imagem abaixo é possível observar a comparação da microestrutura formada pela têmpera e pelo revenimento. Na esquerda é possível observar a martensita formada juntamente com perlita fina, enquanto a microestrutura formada pelo revenimento é uma microestrutura conhecida como sorbita, onde a martensita após perder muito carbono se transforma em ferrita. Figura 2: Microestrutura de um aço temperado à esquerda e um temperado revenido à direita (VALE, 2011) 1.2 Micrografia Corpo de prova O corpo de prova é parte do material ou produto utilizado com forma e dimensões específica da superfície a ser analisada podendo esta ser embutida ou não. O embutimento não se faz necessário quando as dimensões da superfície a analisar são suficientemente grandes. A preparação de corpos de prova de pequenas dimensões e que não permitem a adequada manipulação durante o lixamento e polimento requer uma montagem adequada para a sua preparação. Portanto, o primeiro objetivo do embutimento é facilitar o manuseio da amostra quando o tamanho e a forma são difíceis para serem trabalhados, dessa forma, evitando que amostras com arestas danifiquem lixas ou o pano de polimento. Existem dois tipos de embutimento, a quente e a frio. No embutimento a quente, o corpo de prova a ser analisado é colocado em uma prensa de embutimento com uma resina, sendo que a mais utilizada é a baquelite, que tem baixo custo e dureza relativamente alta. Já no embutimento a frio, a amostra é colocada em um molde que é preenchido com resinas sintéticas de polimerização rápida. Lixamento Uma amostra metalográfica necessita de um acabamento com um alto grau de perfeição para que os resultados obtidos sejam satisfatórios. Desse modo, o lixamento é a etapa mais demorada, pois deve ser executada com muito cuidado. O lixamento é de extrema importância na preparação do corpo de prova, uma vez que é nela que sulcos e riscos que surgiram na amostra no momento em que a mesma foi cortada são retirados. Esse processo visa tornar a superfície plana, com o mínimo de profundidade de deformações, as quais possam ser retiradas com um posterior polimento. Normalmente, é utilizado para esse processo lixadeiras fixas ou lixadeiras elétricas rotativas. O lixamento pode ser úmido ou seco. Para reduzir o aquecimento nas lixas, o lixamento na maioria das vezes é realizado com água. Além da questão térmica, a água reduz o empastamento, de modo que os resíduos abrasivos gerados pelo lixamento ficam melhor distribuídos em relação à amostra. É recomendável que a água seja adicionada na lixa através de um fluxo pequeno, suficiente para manter uma camada fina de líquido entre a amostra e a lixa, uma vez que o excesso de água pode danificar a lixa, gerando ondulações, podendo causar o aparecimento de novos planos. Outros líquidos podem ser utilizados no lugar da água, caso o material reaja com a mesma. O uso adequado de técnica de lixamentos é de extrema importância, uma vez que o as diferentes velocidades de lixamento e pressões utilizadas no procedimento podem gerar uma deformação plástica, dependendo do material utilizado, podendo influenciar em um resultado errôneo na visualização das imagens no microscópio. Para que as imagens não se tornem distorcidas, alguns cuidados devem ser tomados. A superfície deve estar totalmente limpa, para evitar que resíduos de outros materiais gerem algum tipo de reação na amostra. Do mesmo modo, as lixas não devem ser utilizadas para um outro tipo de material. Polimento O polimento é uma etapa realizada a fim de obter um acabamento polido e sem riscos que possam comprometer a visualização da amostra. Nesse procedimento, os principais abrasivos utilizados são a alumina e a pasta de diamante. O polimento pode ser realizado através de cinco processos: Processo mecânico, processo semiautomático em sequência, processo eletrolítico, processo mecânico-eletrolítico, polimento químico. Ataque químico O ataque químico depende do processo de oxido-redução, que ocorre na superfície do corpo de prova. Os reagentes químicos para a revelação da estrutura de um metal ou liga metálica podem ser soluções simples ou misturas complexas orgânicas e inorgânicas. Os reagentes são geralmente compostos de ácidos com solventes apropriados, tais como álcool, água, etc. Na sua grande maioria os reagentes para revelação das estruturas metálicas na metalografia são diluídos em solução alcoólica. É importante o segmento de algumas precauções quanto à qualidade da superfície preparada para o ataque. A superfície deve está totalmente plana da borda até o centro, isenta de riscos, manchas ou demais imperfeições, polida absolutamente limpa. O método mais utilizado é o de ataque por imersão, onde o reagente é despejado em uma pequena cuba de vidro e a amostra é imersa na solução, não permitindo o contato da mesma com o fundo da cuba. O corpo de prova, durante o período de imersão na solução reagente, deverá sofrer pequena movimentação rotativa para evitar a formação de bolsas de ar. A ocorrência de bolsas de ar na superfície do corpo de prova impede o contato metal-reagente, resultando em áreas não atacadas. Após o ataque, quando já ocorreu a revelação da textura, lava-se a amostra em água corrente para eliminar o e leva a peça até o secador. Durante a secagem, passa seguidamente algodão com álcool sobre a mostra, para evitar manchas de secagem. A superfície atacada perde o aspecto espelhado e deve apresentar um aspecto fosco. Caso ocorra o ataque excessivo (queima), faz-se necessário um novo polimento. 2 OBJETIVOS 2.1 Geral O objetivo deste trabalho consta na observância microscópica dos diferentes tipos de microestruturas dos aços sujeitos a variados tipos de tratamentos térmicos após estes passarem por vários processos antes de chegar à análise, como o lixamento, o polimento e o ataque químico. Tais processos serão descritos e detalhados, junto com os materiais e os métodos utilizados, para fomentar o entendimento de cada parte do experimento de forma que, no final, seja apresentada uma discussão sobre os resultadosda análise de cada material. 2.2. Específicos Ao decorrer deste trabalho serão requisitados os seguintes objetivos: ● Identificar e conseguir relacionar as microestruturas dos aços a partir do conhecimentos adquiridos nas aulas teóricas após a análise microscópica de cada material. ● Saber o porquê de usar cada material e método para chegar à análise da peça. ● Identificar a importância dos processos de lixamento, polimento e ataque químico para conseguir observar o material no microscópio. ● Conhecer o que cada tratamento térmico influência na microestrutura da peça analisada e nas propriedades dos materiais. ● Avaliar criticamente os resultados conseguidos em cada material após o experimento. 3 MATERIAIS E MÉTODOS Para o desenvolvimento da prática em questão realizada pela equipe como um todo e auxiliados pelos técnicos presentes no laboratório LPTS, fez-se necessário seguir um conjunto de procedimentos, como lixamentos e polimentos, para a obtenção dos dados a serem analisados pelos membros da equipe. Dentre estes procedimentos, temos: 3.1 Descrição das peças recebidas: O primeiro passo tomado pela equipe foi tomar conhecimento das peças a serem analisadas posteriormente e que iriam passar pelos processos à frente citados. Dentre os 5 materiais analisados temos: - Uma peça de aço 1045 que passou pelo tratamento térmico de Normalização; - Uma peça de aço 1045 que passou pelo tratamento térmico de Recozimento; - Uma peça de aço 1045 que passou pelo tratamento térmico de Têmpera; - Uma peça de aço 1045 que passou pelo tratamento térmico de Revenido; - Uma peça de aço 1045 que foi analisada da forma que foi recebida sem passar por nenhum tratamento térmico. 3.2 Lixamento das peças: Logo após a identificação das peças utilizadas cada uma delas passou pelo respectivo processo de lixamento, tal processo tem como principal função a uniformização dos planos de cada uma das 5 peças. Para realizar o lixamento foi-se utilizada a Politriz, a qual é especializada para esta função, esta máquina consiste uma plataforma giratória onde era fixada a lixa em questão, ressaltando que todos os procedimentos foram feitos com a supervisão dos técnicos. Descrevendo-se na ordem dos acontecimentos, a primeira lixa a ser utilizada foi a de 80 HB, seguida das lixas 220 HB, 320 HB, 400 HB e 600 HB. Cada lixa foi utilizada para cada peça com seu próprio tratamento térmico. Figura 3: Politriz Figuras 4: Lixas Durante esse procedimento é importante ressaltar que para cada lixamento o sentido que deverá ser adotado deve ser de 90° com relação ao sentido do lixamento anterior, devendo ser realizado com cuidado para evitar a criação de novos planos. Dentre os cuidados necessários para realizar o lixamento tem-se, a constante umidificação da lixa durante o processo para evitar cortes e a diminuição do atrito, e o banho em álcool, seguido de uma secagem após lixadas, para evitar a oxidação das mesmas. Figura 5: Secador e recipiente com álcool 3.3 Polimento das peças: Após o lixamento das peças, foram colocadas como substitutas das lixas, os panos abrasivos respectivos para cada polimento nas Politrizes, logo após, foram selecionados para fazer os respectivos polimentos cada uma das peças anteriormente lixadas. Durante o polimento das peças, onde visa-se a eliminação dos riscos criados no lixamento, com o intuito de deixá-las apropriadas para os ataques químicos, as mesmas serão colocadas em atrito contra o pano abrasivo, em rotação, com a adição de alumina de 1 micro e 0,03 micro respectivamente. Ao fim do processo as peças serão lavadas a álcool para evitar a oxidação e guardadas para aguardar o ataque químico. Figura 6: Pano Abrasivo Figura 7: Alumina 3.4 Ataque químico: Para finalizar os processos feitos até o momento, cada uma das peças recebeu ataque químico provido pelo mergulho das mesmas, em um certo período de tempo, no ácido utilizado (Nital 2%). Cada um dos respectivos tempos que cada peça sofreu ataque químico estará listado abaixo: Tempo de ataque químico para cada peça Normalizado 15s Recozido 15s Temperado 8s Revenido 8s Como recebido 15s Figura 8: Ácido nital Este processo teve como objetivo aumentar a opacidade de cada peça, para que as mesmas possam ser, eventualmente analisados no microscópio óptico e obter as imagens das microestruturas a serem analisadas. Figura 9: Microscópio 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES A seguir será mostrada as microestruturas formadas em cada peça que nos foi dada para análise por fotos tiradas pelo microscópio com ampliação de 200x, 500x e 1000x. ● Como recebido Nesta peça temos a microestrutura do respectivo material em sua forma bruta, onde por sua vez estima-se que esta não foi submetida a nenhum tratamento térmico. Podemos ver por meio de análises realizadas comparativas das fotos tiradas em laboratório com as fotos provenientes do referenciais teóricos, que representado por uma coloração mais clara à presença da ferrita e por uma cor mais escura à formação de perlita, estas por sua vez conferindo uma baixa plasticidade, bem como elevada dureza e tensões residuais nas peças, ocasionadas pelo fato da peça não ter passado por nenhum tratamento térmico para prover o alívio de tensões. Percebe-se também a provável não utilização de um tratamento térmico na peça, pela forma que estão estruturados os grãos. Por fim, destaca-se a obtenção de uma melhor visualização das fotos tiradas, nas fotos com forma transversal. Figura 10: Como recebido 200x transversal Figura 11: Como recebido 500x transversal Figura 12: Como recebido 1000x transversal Figura 13: Como recebido 200x longitudinal Figura 14: Como recebido 500x longitudinal Figura 15: Como recebido 1000x longitudinal ● Normalizado Na peça sujeitada ao tratamento de normalização com resfriamento realizado ao ar calmo, observamos um resultado de uma estrutura cristalina fina (mais fina que a produzida no recozimento), o que lhe confere uma maior tenacidade, usinabilidade e dureza, tal como o aumento da resistência mecânica que por sua vez apresenta-se como uma casualidade da normalização em aços 1045. Quanto a microestrutura formada, percebeu-se a formação de perlita fina, representada pela região mais escura, e ferrita, representada pela região mais clara. Mesmo olhando a imagem ampliada em 1000x fica difícil identificar a formação da perlita, pois nela, podemos notar uma predominância da região mais clara que representa a ferrita, já no aumento de 500x podemos notar os grãos mais finos. Vale ressaltar acerca desta peça e do seu respectivo tratamento, que são comumente utilizados com o intuito de se melhorar a estabilidade dimensional para o caso de um tratamento térmico posterior, caso necessário. Figura 16: Normalizado 200x Figura 17: Normalizado 500x Figura 18: Normalizado 1000x ● Recozido Na peça sujeita ao recozimento, aquecida até faixas de 650 a 700ºC e resfriado em um forno e por sua vez caracterizando-se como recozimento pleno, estimou-se que a peça tenha sofrido um alívio nas tensões residuais da mesma, além da variação de outras propriedades, como exemplo citamos o aumento da ductilidade bem como da tenacidade, ajuste da microestrutura, entre outros. Com respeito das imagens analisadas, podemos inferirque para a ampliação de 500x já conseguimos identificar a formação de perlita fina e da ferrita proeutetóide, na lente de 200x vemos que houve uma boa formação de perlita e da para notar também a formação de grãos pequenos, em comparação com as formadas na peça normalizada. Graças à recristalização que acontece ao final da austenitização, podemos perceber que os grãos formados no recozimento são menores que os do como recebido, e esses grãos só cresceriam mais se houvesse um acréscimo no tempo do recozimento. Figura 19: Recozido 200x Figura 20: Recozido 500x Figura 21: Recozido 1000x ● Revenido Nesse processo que foi executado após a têmpera entre 250 e 650º C, o material possuía austenita retida, e, por isso, o revenimento foi utilizado para reduzi-la, além de reduzir também o alívio de tensões, sendo que, após o aquecimento da martensita seguido do resfriamento brusco do material, a austenita se transforma, por meio de um mecanismo de cisalhamento, na chamada martensita revenida. Esse processo também é responsável por diminuir a extrema dureza causada pela têmpera e aumentar a tenacidade do material, além de melhorar sua resistência mecânica, porém essas propriedades caem quando se aumentam o tempo e a temperatura a que o tratamento térmico é submetido. Ademais, no revenido, podemos notar a formação de uma camada de carbonetos, que é a responsável pela “fragilidade” da martensita revenida. Na ampliação de 1000x, podemos observar melhor a grande quantidade de precipitação de cementita, representada pela faixa escura, e, em maioria, áreas claras de ferrita. Figura 22: Revenido 200x Figura 23: Revenido 500x Figura 24: Revenido 1000x ● Temperado Notamos que a peça não teve um bom resfriamento, após seu aquecimento entre 815 e 870 ºC, pela pequena quantidade de formação da martensita, podendo ser identificada pela imagem ampliada de 200x, com muitos flocos de formação de perlita com austenita retida. Na imagem de 500x da para identificar bem os contornos de grão e na de 1000x foi focada em uma grande região do material que houve uma grande concentração de martensita em formato acicular, uma estrutura tetragonal de corpo centrado. Após esse tratamento térmico, podemos notar, pela microestrutura do material, que o aço não terá uma dureza tão elevada, isso por causa da pequena quantidade de martensita formada e concentrada em determinados lugares. Além disso, podemos concluir que a microestrutura formada está repleta de tensões internas, e ,por isso, o revenido é, geralmente, aplicado em conjunto. Figura 25: Temperado 200x Figura 26: Temperado 500x Figura 27: Temperado 1000x 5 CONCLUSÃO De acordo com todos os fatos ocorridos e constatados pela equipe, chegamos a conclusão, como já foi citado anteriormente, de que os tratamentos térmicos agem como influenciadores das propriedades mecânicas dos materiais nas respectivas peças analisadas durante toda a prática, tais mudanças são acarretadas pelas formas como estão arranjados suas microestruturas, arranjos estes que puderam ser percebidos a medida com que a equipe se aprofundava no assunto, estudando as semelhanças entre os resultados obtidos em laboratório, dos obtidos por pesquisas em fontes teóricas. Foi perceptível, durante todo o processo, a importância da efetividade do tratamento térmico na peça, importância essa que se refletia muitas vezes na forma de dificuldades de reconhecimentos dos tipos microestruturas por parte dos integrantes da equipe. Quanto aos processos ao qual as peças foram submetidas, como lixamento, polimento e ataques químicos, todos eles necessitam de bastante atenção, devido ao impacto de um processo em outro, tendo em vista que todos estão ordenados de forma a se completarem, e se um não foi feito de forma correta ou não adequada para a finalidade de deixar o mais espelhado possível para analisar a estrutura em microscópico, pode gerar problemas na hora de observar e podendo ser necessário refazer todo o processo. 6 REFERÊNCIAS BORGES, Juliano Nestor. Preparação de amostras para análise microestrutural. Universidade Federal de Santa Catarina-UFSC, nd, 2014. ROHDE, Regis Almir. Metalografia preparação de amostras. Laboratório de ensaios mecânicos. Universidade Regional Integrada do alto Uruguai e Missões, 3ª Edição, Rio Grande do Sul, 2010. PAULI, Evandro Armini. ULIANA, Fernando Saulo. Tratamentos Térmicos. SENAI / CST (Companhia Siderúrgica de Tubarão) , 1997. TSCHIPTSCHIN, André Paulo. Tratamento térmico de aços. EPUSP: Brasil, 2014. VALE, Alan Rafael Menezes do. Tratamento térmico / Alan Rafael Menezes do Vale. — Belém: IFPA ; Santa Maria : UFSM, 2011.
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