Relatório IV

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UNIVERSIDADE DO VALE DO RIO DOS SINOS - UNISINOS 
UNIDADE ACADÊMICA DE GRADUAÇÃO 
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA 
 
 
JEAN F. MACHADO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ANÁLISE MICROESTRUTURAL DOS MATERIAIS 
Relatório IV 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
São Leopoldo 
2021 
 
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SUMÁRIO 
1- INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 2 
2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................... 3 
2.1 Temperabilidade .................................................................................................. 3 
2.1.1 Efeito do teor do carbono ................................................................................ 3 
2.1.2 Efeito dos elementos de liga ........................................................................... 4 
2.2 Ensaio Jominy ..................................................................................................... 4 
3- METODOLOGIA ..................................................................................................... 6 
4- EXERCÍCIO DE TEMPERABILIDADE ................................................................... 8 
5- RESULTADOS E DISCUSÕES ............................................................................ 10 
5.1 Aço ABNT 1045 .................................................................................................. 10 
5.2 Aço SAE 4340 .................................................................................................... 11 
5.3 Elementos de liga .............................................................................................. 11 
6- CONCLUSÃO ....................................................................................................... 12 
7- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................... 13 
 
 
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1- INTRODUÇÃO 
A temperabilidade pode ser definida como sendo a capacidade de aumentar a 
resistência mecânica de um aço pela obtenção da martensita. Um método utilizado 
para avaliar a temperabilidade dos aços é o ensaio Jominy. Para a realização deste 
ensaio deve-se realizar uma tempera no corpo de prova que deve ser realizado de 
modo que a superfície inferior deve resfriar mais rapidamente do que a superior, 
esta condição é obtida usando o dispositivo de ensaio jominy, em que o corpo de 
prova é colocado sobre um suporte e é direcionado um jato de água em sua 
superfície inferior. A dureza do aço aumenta de acordo com o teor de carbono e é 
definida como sendo uma taxa em que a dureza cai em função da distância do 
interior de uma amostra. 
Neste relatório se observa que, ao longo do procedimento de tratamento 
térmico de têmpera, alguns tipos de aços endurecem mais do que outros e que a 
dureza no interior do material pode ser diversa, dependendo do arranjo deste 
produto metalúrgico. Haverá uma avaliação dos diferentes níveis de dureza no 
percurso da barra de teste, através do ensaio Jominy, sendo este corpo de prova 
submetido ao tratamento térmico e logo depois ao resfriamento por água, apenas 
em uma das extremidades da barra. 
Para confirmação destas instruções, o ensaio Jominy se diferencia por 
levantar informações pertinentes as transformações metalúrgicas suportadas por 
ligas metálicas, como o aço. Igualmente, este ensaio pode ser recomendado para 
elencar as propriedades mecânicas que os metais possuem, sugerir aplicações 
particulares para cada aço, considerando estas características observadas no 
experimento. O relatório objetiva mostrar os inúmeros graus de dureza que um 
artefato pode ter quando trazido ao ensaio Jominy. 
No ensaio realizado foram usadas duas amostras, uma do aço ABNT 1045 e 
a outra do aço SAE 4340 em que será avaliado a sua temperabilidade através da 
medida da dureza dos dois aços e comparando os resultados obtidos a fim de 
demonstrar a diferença entre os dois aços. 
 
 
 
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2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 
2.1 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 (Burrier, 
1990). Também pode ser entendida como a capacidade do aço formar martensita 
durante a têmpera (H. R. W. & H. K. D. H, 2006). 
Aços que apresentam elevada dureza mesmo em pontos distantes da 
extremidade de têmpera possui em alta temperabilidade, enquanto aqueles que têm 
durezas menores ao se afastar da extremidade apresentam baixa temperabilidade 
(Burrier, 1990). 
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 (Burrier, 1990). 
Essa propriedade é governada quase que exclusivamente p ela composição 
química na temperatura de austenitização. Pode há ver 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 (Burrier, 1990). 
2.1.1 Efeito do teor do carbono 
O carbono controla os limites máximos de dureza atingidos pelo material e 
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 (Burrier, 1990). 
 
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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 a fraturas e distorções durante o tratamento térmico (Burrier, 
1990). 
2.1.2 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 (H. R. W. & H. K. D. H, 2006). 
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 (H. R. W. & H. K. D. H, 2006) (Burrier, 
1990). 
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 (H. R. W. & H. K. D. H, 2006). 
2.2 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 (H. R. 
W. & H. K. D. H, 2006). 
 
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Esse problemafoi simplificado no teste Jominy. O ensaio analisa a 
temperabilidade de um aço ao resfriar a uma taxa conhecida apenas a extremidade 
de um cilindro normatizado. Como o resfriamento é progressivo a partir da 
extremidade, é possível analisar diferentes taxas de resfriamento utiliza n do apenas 
um corpo de prova (H. R. W. & H. K. D. H, 2006). 
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 (ASTM Standard, 2010). 
O cilindro é então usinado para formar uma superfície plana ao longo do 
comprimento, a qual tem sua dureza medida pela escala Rockwell C (E18, 2014). 
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 
(ASTM Standard, 2010). 
 
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3- METODOLOGIA 
Para a realização do ensaio foi utilizado dois corpos de prova, o aço ABNT 
1045 e o aço SAE 4340 com constituição química que os diferencia e que vai 
influenciar diretamente nos resultados. 
Tabela 1 – Composição dos aços 
Material
Aços C Si Mn P S Cr Ni Mob
ABNT 1045 0,46 0 0,75 0,04 0,05 0 0 0
SAE 4340 0,04 0,22 0,7 0,03 0,04 0,8 1,8 0,25
Composição dos aços
 
Fonte: Gerdau 
Os corpos de prova têm dimensões padronizadas: deve ser cilíndrico com 
25,4 mm de diâmetro e 101,6 mm de comprimento. 
Primeiramente seria necessário ligar o forno e ajustá-lo a uma temperatura de 
750º C, assim que atingido essa temperatura o corpo de prova de aço 1045 seria 
colocado dentro do forno, que por sua vez estaria dentro do forno durante 30 
minutos para que ocorresse sua austenitização, após isso removido do forno e 
colocado rapidamente no suporte da máquina de ensaio Jominy e é direcionado um 
jato de água para o resfriamento do corpo de prova de acordo com a figura 1. 
Feito isso, o corpo de prova do aço SAE 4340 seria colocado no forno e 
realizado os mesmos procedimentos anteriores com o aço 1045, só que a 
temperatura do forno foi alterada para 850º C. 
Figura 1 - Dispositivo de têmpera para ensaio Jominy. 
 
Fonte: professorbarbieri.net 
http://professorbarbieri.net/
 
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Porém o ensaio foi somente acompanhado, não tendo sido feito pelos alunos 
e sim pelo laborista. No primeiro momento, foi acompanhada a retirada de um corpo 
de prova de um forno elétrico que estava a aproximadamente 850ºC que foi 
colocado direto em um dispositivo jominy, de acordo com o ensaio Jominy. 
Depois foi realizada o teste de dureza Rockwell C utilizando um durômetro 
digital em dois corpos de provas que já estavam prontos, sendo um de aço ABNT 
1045 e outro aço SAE 4340. Foram realizadas duas medidas de dureza em cada 
distância, e foi medido a dureza a cada 2 milímetros até estabilizar as medições de 
dureza, onde passou a ser medida a cada 5mm. Os valores obtidos encontram-se 
na tabela abaixo: 
Tabela 2 – Valores de dureza 
Material
0 53,9 54,1 54 52,1 52,3 52,2
2 49,8 50,7 50,25 48 48,7 48,35
4 39,3 37,4 38,35 48,6 48,6 48,6
6 22,9 26,3 24,6 48,9 50,1 49,5
8 22 21,5 21,75 46,8 47,3 47,05
10 20,9 19,7 20,3 45,6 45,8 45,7
12 19,9 18,7 19,3 46,4 44,8 45,6
14 18,7 17,3 18 43,1 42,5 42,8
16 15,9 17,5 16,7 43 40,3 41,65
18 17 14,8 15,9 39,8 39 39,4
20 16 14,3 15,15 38,4 39,5 38,95
22 14,7 13 13,85 38,6 35,2 36,9
24 14,3 11,4 12,85 36,8 36,1 36,45
26 14,1 13,9 14 35,5 33,4 34,45
28 12,2 10,9 11,55 34,2 32,2 33,2
30 13,9 10,2 12,05 33,8 33,8 33,8
32 13,7 8,9 11,3 33,8 30,2 32
34 10,7 13,4 12,05 33,2 33,5 33,35
36 12,3 10,5 11,4 30,1 30,1 30,1
38 10,6 12,2 11,4 30,6 30,1 30,35
40 - - - 30 30,8 30,4
45 - - - 28,6 27,9 28,25
50 - - - 27,8 29,3 28,55
55 - - - 26,7 27,6 27,15
60 - - - 27,5 27 27,25
Aço ABNT 1045 Aço SAE 4340
Distância 
Jominy 
(mm)
Dureza 1 
(HRC)
Dureza 2 
(HRC)
Média 
Dureza 
(HRC)
Dureza 1 
(HRC)
Dureza 2 
(HRC)
Média 
Dureza 
(HRC)
 
Fonte: Autor, 2021 
 
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Por fim, realizou-se a análise metalográfica de outras 2 amostras (não do 
teste de dureza) mas com o mesmo SAE 1045 e 4340, que também passaram pelo 
ensaio Jominy. As amostras foram preparadas por dois alunos e depois analisadas 
pelo professor no microscópio óptico. 
 
 
4- EXERCÍCIO DE TEMPERABILIDADE 
Foi solicitado determinar o diâmetro crítico dos aços SAE 1045 e SAE 4340, 
cujas curvas Jominy foram obtidas em aula. Foi considerado os aços temperados em 
óleo com agitação moderada. Inicialmente, foi determinado o diâmetro crítico no 
ensaio Jominy, fazendo-se a média entre o valor com 100% de martensita e com 
as medições estabilizadas. 
Para o SAE 1045 a média foi entre 54 e 11,4 HRC, o que conferiu uma dureza 
de 32,7 HRC, o que representa uma distância Jominy de aproximadamente 4,7 mm. 
No SAE 4340 a média foi entre 52,2 e 27,25 HRC, que resultou em uma dureza de 
39,73 HRC, conferindo uma distância Jominy de aproximadamente 18,35 mm, 
conforme gráfico 01 abaixo: 
 
Gráfico 1 – Gráfico Jominy 
 
Fonte: Autor, 2021 
 
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Depois, utilizou-se material de aula, fornecido pelo professor, quanto à 
correlação com o meio de têmpera em que, para óleo com agitação moderada, 
corresponde à 0,35 - 0,40. 
Tabela 3 – Severidade de têmpera H 
 
Fonte: Unisinos, 2021 
Por fim, foi utilizado o gráfico de Lamont e Grossmann com r=0,1, visto que 
o diâmetro crítico representa o diâmetro máximo que se consegue o centro da barra 
com mais de 50% de martensita. O gráfico 2, representa o diâmetro crítico do aço 
ABNT 1045 com aproximadamente 12,5 mm. O gráfico 3 corresponde ao diâmetro 
crítico do aço SAE 4340 de aproximadamente 50 mm. 
Gráfico 2 – Gráfico Lamont e Grossmann (r/R=0,1) 
 
Fonte: Unisinos, 2021 
Gráfico 3 - Gráfico Lamont e Grossmann (r/R=0,1) 
 
Fonte: Unisinos, 2021 
 
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5- RESULTADOS E DISCUSÕES 
Através da tabela 1 e do gráfico 1 pode-se observar que a dureza média cai 
de acordo com a profundidade do corpo de prova, isto porque quanto mais se 
aprofunda o material, mais lenta se torna taxa de resfriamento e como consequência 
se diminui a formação de martensita e aumenta a formação de ferrita e cementita. 
Percebe-se também que o aço SAE 4340 tem maior temperabilidade, portanto 
mantém seus níveis de dureza relativamente altos enquanto comparado ao longo da 
seção resfriada, isso se deve ao fato de que o SAE 4340 possui em sua composição 
elementos de liga (Mn, Mo, Cr, Ni) que aumentam a temperabilidade dos materiais. 
A partir disso se concluir que a temperabilidade dos aços é afetada pelo teor de 
carbono em sua composição, mas o fator que mais influi na temperabilidade do 
material é a adição de elementos de liga. 
5.1 Aço ABNT 1045 
No gráfico 1 se observa que a maior parte do comprimento da amostra 
apresenta uma dureza entre 25 e 12 HRC, enquanto a extremidade da amostra 
sempre possui dureza elevada por ter sido submetida a uma taxa de resfriamento e 
levada. Além disso, a dureza da amostra teve poucas variações em apenas ¼ do 
seu comprimento; no restante, a dureza permaneceu abaixo de 25 HRC. 
Ao analisar os valores de dureza, obtidos no ensaio Rockwell C, pode-se 
observar que em torno de 4 e 6 mm já se apresenta a distância Jominy para o 
diâmetro crítico, com formação de 50% perlita e 50% martensita (este percentual é 
obtido fazendo-se a média do valor de dureza com 100% de martensita na face onde 
recebeu o jato d’água) e o valor de dureza onde se estabilizar as medições. 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 (H. R. W. & H. K. D. H, 2006). 
No microscópio observou-se que, praticamente na borda que recebe jato 
d’água, já ocorre a formação de perlita fina nos contornos do grão. Entre 4 e 6 mm já 
corresponde à região de 50% de martensita e 50% de perlita. Aos 8 mm há pouca 
quantidade de martensita, com grandes quantidades de perlita e começa a surgir a 
ferrita. 
 
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5.2 Aço SAE 4340 
O aço SAE 4340 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 (H. R. W. & 
H. K. D. H, 2006). 
Constatou-se uma grande diferença na queda da dureza em comparação com 
o aço ABNT 1045, isso ocorre porque os elementos de liga, presentes no aço, 
alteram a curva de resfriamento do material, deslocando-a para a direita, dando mais 
tempo para formação de martensita ao invés de perlita. Para este aço a distância 
Jominy para o diâmetro crítico ficou entre 18 e 20 mm. Na microestrutura 
observamos uma significativa diferença, sendo apresentado um martensita bem 
refinada até 10 mm, onde inicia uma formação de perlita nos contornos de grão. 
Também foi possível perceber que o material sofre uma variação lateral na 
microestrutura formada, comentada pelo professor, como bandiamentos, tendo 
regiões com mais martensita ou perlita. 
De fato, o aço SAE 4340 apresenta uma dureza elevada, se comparada ao 
aço ABNT 1045, e o comportamento da sua curva é retilíneo, no qual a dureza varia 
muito pouco ao longo do comprimento. 
5.3 Elementos de liga 
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, a caba ajudando a estabilizar este componente em 
determinadas composições (H. R. W. & H. K. D. H, 2006). 
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 (H. R. W. & H. K. D. H, 2006). 
 
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6- CONCLUSÃO 
Foi possível observar, a partir das avaliações realizadas, que o aço SAE 
4340 possui uma maior temperabilidade do que o aço ABNT 1045, por apresentar 
elementos de liga e maior dureza, mesmo possuindo em sua composição um teor 
menor de carbono que o aço ABNT 1045. 
Os elementos de arranjo da composição do aço 4340 Níquel, Silício, 
Manganês, Cromo e Molibdênio; atuam como estabilizadores e permitem que este 
metal tenha uma formação em retardo de ferrita e bainita. 
O ensaio Jominy se constitui em ferramenta de enorme simplicidade e muito 
prática com o objetivo de analisar modificações e comportamentos dos aços. Por 
conta disso, este modelo de experimento torna-se recomendado para que seja 
definido materiais/metais/aços ideais para determinadas aplicações. Este ensaio 
permitiu comparação de aços, como os utilizados neste relatório. 
 
 
 
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7- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
4340, A. A. (s.d.). Schimolz Bickenbach - Providing SpecIal Steel Solutions. Fonte: 
Schimolz Bickenbach: http://www.schmolz -
bickenbach.com/fileadmin/user_upload/_SCHULUNG_/Brasilien/FICHAS_TE
CNICAS/4340.pdf 
ASTM Standard E18, 2. (2014). Standard Test Method for Rockwell Hardness of 
Metallic Materials. West Conshohocken, PA: ASTM International. 
ASTM Standard, A. (2010). Standard Test Methods for Determining Hardenability of 
Steel. Fonte: ASTM International, West Conshohocken: www.astm.org. 
BURRIER, H. (1990). Hardenability of Carbon and Low-Alloy Steels. - Properties and 
Selection: Irons, Steels, and High-Performance Alloys v.I. ASM International. 
Callister, W. D. (2015). Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 
Tradução: Sérgio M. S. Soares. Rio de Janeiro: LTC. 
COLPAERT, H. (2008). Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns. Revisão 
Técnica: André L. V. Costa e Silva. 4 ed. São Paulo: Blucher. 
H. R. W., K., & H. K. D. H, B. (2006). Steels: Microstructure and Properties. 3° ed. 
Oxford: Elsevier Ltd. 
Química, T. G. (14 de Junho de 2021). Tabela Gerdau de Composição Química. 
Fonte: Gerdau.com.br: https://www2.gerdau.com.br/blog-acos-
especiais/tabela-composicao-quimica