Ensaio de oxidação

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SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
CAMPUS BLUMENAU
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Relatório IV : Ensaio de Oxidação
Ludivar Junior de Souza (14203756) 
Prof. Dr. Wanderson Santana da Silva
Ensaio de materiais
Blumenau
2018
Resumo
Este relatório apresenta uma análise do comportamento dos aços sob atmosfera oxidante, procurou-se analisar sua resistência através da comparação entre os ganhos de massa adquiridos para amostras de aço inoxidável 304 e aço SAE 1040 submetidas a temperatura de 700 por tempos de 3 e 24 horas. O ganho de massa aferido para as amostras de aço SAE 1040 ocorreu de forma mais acentuada e contínua em relação às amostras de aço inoxidável 304, além de suas características superficiais observadas após a retirada do forno em que o aço SAE 1040 apresentou aspectos típicos de oxidação com uma coloração mais forte tendendo ao marrom enquanto o aço inoxidável 304 apenas apresentou um leve amarelamento sobre a superfície. Isso se deve a formação de uma camada protetora de óxido de cromo sobre a superfície dos aços inoxidáveis 304, promovendo sua aplicação em ambientes hostis.
1. Introdução	4
2. Revisão Bibliográfica	5
2.1. Oxidação	5
2.2. Aço inoxidável 304	6
2.3. Aço SAE 1040	6
3. Descrição de Metodologia	8
4. Resultados e Discussões	10
4.1 Tratamento em 700ºC - 3h	10
4.2 Tratamento em 700ºC - 24h	13
4.3 Variação Massa Aço Inoxidável – 3 e 24 horas	16
4.4 Variação Massa Aço Carbono – 3 e 24 horas	16
5. Considerações Finais	17
6. Referências Bibliográficas	18
1. Introdução
A oxidação dos metais a temperaturas ambiente constituem uma importante causa de perda de peças, diversos meios são utilizados para proteger o metal contra esse fenômeno. Uma das buscas desses meios consiste no recurso para conferir ao material uma camada com uma “passividade” natural, ou seja, a propriedade de permanecer inalterado no meio agressivo. 
Os aços-carbono, tais como aço SAE 1040 não possuem essa “passividade” e por isso apresentam dificuldade em suportar meios mais agressivos, mesmo a temperatura ambiente ocorre reações de oxidação, no entanto, devido a esse problema que surgiram várias ligas metálicas que possuem essa característica, tais como os aços inoxidáveis, o qual persiste na formação espontânea de uma película superficial de óxido resistente à ação corrosiva do meio, como é o caso do aço inoxidável utilizado como material comparativo neste trabalho.
Quanto à resistência ao calor, essa propriedade corresponde à capacidade que certas ligas metálicas possuem, quando expostas, de modo intermitente ou contínuo, em meios de várias naturezas, à ação de temperaturas elevadas. A resistência ao calor está relacionada com a resistência à oxidação a altas temperaturas, portanto materiais que apresentem resistência ao calor são igualmente resistentes a temperaturas diferentes da ambiente. 
1.1 Objetivo
	O objetivo é avaliar o comportamento dos aço SAE 1040 e 304L sob meio oxidante e correlacionar essa mudanças físico-química com suas composições químicas.
	
2. Revisão Bibliográfica
2.1. Oxidação 
A oxidação pode ocorrer em três circunstâncias: quando se adiciona oxigênio à substância, quando uma substância perde hidrogênio ou quando a substância perde elétrons. Na reação de oxidação ocorra perda de elétrons, enquanto a reação de redução consiste em ganhar elétrons. A reação de redução é o inverso e ocorre também de três maneiras: quando uma substância perde oxigênio, quando ganha hidrogênio ou quando ganha elétrons. [1]
Sabe-se que oxidação e redução ocorrem juntas na mesma reação química. Esse fenômeno recebe o nome de Reação redox ou Oxirredução. São reações que transferem elétrons entre substâncias fazendo com que o número de oxidação (Nox) de uma substância aumente enquanto o Nox de outra substância diminui. Esse processo não deve ser confundido com as ligações iônicas (em que há transferência de elétrons de uma substância a outra) e sim como um processo de oxidação de uma substância e a redução de outra. Podemos dizer então que em uma reação a substância que perde elétrons e sofre oxidação é designada como agente redutor enquanto a substância que ganha elétrons e sofre redução é designada como agente oxidante. [1]
A taxa de oxidação e a tendência do filme em proteger o metal contra uma oxidação adicional estão relacionadas aos volumes relativos do óxido e do metal. Tal razão é denominada de razão de Pilling-Bedworth e é expressa da seguinte forma:
Figura 1- Razão de Pilling- Bedworth. [2]
 
Onde é o peso molecular do óxido, ρM é a densidade do óxido, é o peso atômico do metal, ρ0 é a densidade do metal. Se a razão desses volumes for menor que uma unidade forma-se uma camada de óxido que tende a ser porosa e não protetora, se a razão for maior que uma unidade, resultando em tensões de compressão no filme à medida que ele se forma.[2] 
Para uma razão maior do que 2 a 3, o revestimento de óxido pode trincar ou esfarelar. A razão P-B ideal para formação de um filme de óxido é de uma unidade. A Cinética da reação de oxidação nos aços é regida pela seguinte equação:
Figura 2- Razão de Pilling- Bedworth. [2]
Essa relação é denominada relação parabólica, onde K1 e K2 são constantes independentes do tempo. Além do ferro, o cobre e o cobalto também são regidos por essa equação. [2]
2.1.1. Leis de Oxidação
As equações que representam a velocidade de oxidação de um dado metal com o tempo são funções da espessura da camada de óxido e da temperatura. Existem três equações principais que exprimem a espessura (Y) da película formada em qualquer metal no tempo (t): linear, parabólica e logarítmica.[2]
Figura X. Curvas de crescimento para um filme de óxido para as taxas de reação
linear, parabólica e logarítmica.
Equação Linear→ a velocidade de oxidação é constante (K):
Y = K · t + A
Onde A é a constante de integração que define a espessura da película no período inicial de oxidação (t=0). Evidentemente, se a oxidação se iniciar em uma superfície limpa a constante A é desprezada. é a equação seguida geralmente pelo metais cuja relação entre o volume do óxido formado e o volume do metal consumido é menor que um. Isto é, a película é muito porosa e não impede a difusão.
Equação Parabólica → a difusão de íons ou a migração de elétrons através da película é controlada e a velocidade será inversamente proporcional à espessura da película:
Y ² = 2K′ · t + A
É a equação seguida geralmente pelos metais cuja relação entre os volumes de óxido formado e de metal consumido é maior do que um. Isto é, os que formam películas protetoras, pouco porosas. Por exemplo, metais como Ferro, Cobre, Níquel em temperaturas elevadas, já que com o aumento da temperatura a película
fica mais espessa dificultando a difusão iônica e a eletrônica.[2]
Equação Logarítmica→Nos casos em que a película formada é muito tênue e pouca permeável, ou quando a oxidação ocorre a baixas temperaturas, verifica-se:
Ocorre, geralmente, na oxidação inicial de muitos metais, como Ferro, Cobre, Zinco,
Níquel, Alumínio que se oxidam rapidamente no ínicio e depois lentamente, tornando-se a película praticamente constante, isto é, não aumenta de espessura: Zinco, 400ºC; Ferro, 200ºC; Alumínio, temperatura ambiente. As constantes K, K’ e K’’, que aparecem nas equações de oxidação, dependem da temperatura, em certos casos da pressão e em todos os casos da natureza do metal. Para um dado metal e uma pressão fixa, cada uma dessas constantes podem ser representado em função de temperatura pela equação de Arrhenius[2]:
onde Q é a energia de ativação da reação de oxidação, R é a constante dos gases e T é a temperatura absoluta.[2]
2.2. Aço inoxidável 304
 Esses aços apresentam simultaneamente cromo e níquel como principais elementos de liga e são considerados os mais importantes aços inoxidáveis. Apresentam a seguinte composição química:
Tabela I - Composição aço inoxidável 304.
	Elementos
	C
	Mn
	Si
	Fe
	Concentração(%)
	0,40
	0,8
	0,3
	RestoAço cromo-níquel, inoxidável austenítico, não-temperável, não-magnético, tipo 18-8. Possui resistência à oxidação até a temperatura de 850 °C, porém a resistência à corrosão intercristalina é garantida até a temperatura de 300 °C. Para evitar-se uma diminuição da resistência à corrosão, deve-se eliminar a carepa formada pelos processos de solda ou conformação a quente. Apresenta boa conformabilidade a frio, embora exija maiores esforços de conformação do que os aços não ligados. No estado solubilizado pode apresentar leve magnetismo que se eleva em função do grau de deformação a frio.
Este aço é amplamente utilizado na fabricação de válvulas, tubos, recipientes, equipamentos hospitalares e farmacêuticos, peças para a indústria química, petrolífera, têxtil, de laticínios, frigorífica, de tintas, etc. É indicado para a fabricação de peças que devem resistir ao ataque de um grande número de substâncias corrosivas, tais como o ácido nítrico, soluções alcalinas, soluções salinas, etc.
2.3. Aço SAE 1040
O aço SAE 1040 é um aço classificado como médio carbono, possui boa resistência mecânica e dureza. Apresenta quantidade para realização de um tratamento térmico de têmpera efetivo, porém exige altíssimas velocidades de resfriamento.[4] 
Pode ser conformado de diferentes maneiras, como laminação e forjamento. Também possui boa soldabilidade e apresenta como composição os seguintes elementos:
Tabela II - Composição aço SAE 1040.
	Elementos
	C
	Mn
	Si
	Fe
	Concentração(%)
	0,40
	0,8
	0,3
	Resto
 
A composição não apresenta Cr ou Ni, em caso, de nenhum tratamento em superfície o aço 1040 apresenta facilidade em “permitir” que seus constituintes reajam com o oxigênio (oxidação). O elemento que mais reagem naturalmente é ferro, pois é o elemento base, além de sua reação com oxigênio apresentar preferência em temperaturas próximas à temperatura ambiente. 
Apresenta dureza nas ordens de 93 HRB e podem ser aplicados em uma variedade de componentes mecânicos, tais como: parafusos, barras de distribuição e perfis estruturais.[4]
3. Descrição de Metodologia
Foram utilizadas quatro amostras, sendo duas do aço SAE 1040 e outras duas do aço SAE 304. Os tratamentos foram realizados em um forno mufla para acelerar o processo de oxidação, os quais passaram por métodos de tratamento seguindo as respectivas condições:
1. Aquecimento a 700ºC, mantido por 24 horas, resfriamento ao ar calmo (Amostras – Aço Inoxidável 304 II; Aço Carbono II);
2. Aquecimento a 850ºC, mantido por 3 horas, resfriamento ao ar calmo (Amostras – Aço Inoxidável 304 I; Aço Carbono I);
 Inicialmente as amostras foram devidamente medidas e pesadas, os resultados constam nas tabelas a seguir:
 Tabela III - Dimensões das amostras que foram submetidas à temperatura de 700ºC.
Tabela IV – Massa das amostras que foram submetidas à temperatura de 700ºC.
	Amostra/Suporte
	Massa ±0,0001(g)
	Inoxidável 304(I)
	35,4005
	Inoxidável 304(II)
	42,0622
	Carbono(I)
	39,9003
	Carbono(II)
	35,6023
	Inoxidável 304 (I) + Suporte
	84,4993
	Inoxidável 304(II) + Suporte
	87,8867
	Carbono I + Suporte
	104,2208
	Carbono II + Suporte
	72,4764
	Suporte - Inoxidável 304 (I)
	49,0981
	Suporte - Inoxidável 304 (II)
	45,8245
	Suporte - Carbono (I)
	64,3197
	Suporte - Carbono (II)
	36,8727
Após é realização do procedimento em alta temperatura é realizado a pesagem e à análise visual das amostras. Através da pesagem podemos obter a variação de massa ocorrida (ΔM) e o percentual de ganho ocorrido(%M). Para realização do cálculo de ganho foi utilizado a seguinte equação:
 Também foi coletadas imagens ante e após o experimento para análise comparativa.
4. Resultados e Discussões
4.1 Tratamento em 700ºC - 3h
As duas amostras que foram submetidas ao tratamento de três horas obtiveram crescimento de massa, no entanto a amostra de aço carbono foi a que obteve maior aumento.
Tabela V – Variação de Massa – Ensaio a 700ºC e 3 horas.
	Amostra/Suporte
	M0 ±0,0001(g)
	Mf ±0,0001(g)
	ΔM
	%M
	Inoxidável 304(I)
	35,4005
	35,4028
	0,0023
	0,0065
	Suporte - Inoxidável 304 (I)
	49,0981
	49,0984
	0,0003
	0,0006
	Inoxidável 304 (I) + Suporte
	84,4993
	84,4987
	-0,0006
	-0,0007
	Carbono(I)
	39,9003
	39,9808
	0,0805
	0,2018
	Suporte - Carbono (I)
	64,3197
	64,3207
	0,0010
	0,0016
	Carbono I + Suporte
	104,2208
	104,3015
	0,0807
	0,0774
Na tabela V visualizamos que no aço carbono ocorreu um ganho de 0,0805g, isso representa um aumento de 0,2018%, já a amostra de aço inoxidável obteve um ganho de 0,0023g, de modo que isso representa um ganho de 0,0065%. Através da tabela podemos visualizar ganhos também nos suportes, no entanto o valor referente ao aço inoxidável mais o suporte apresenta uma variação negativa, isso de ter como causa uma falha no modo de manejar as amostras durante a execução do ensaio. Os gráficos três e quatro apresentam a diferença de comportamento entre amostras.
Figura 3 – gráfico variação de massa para aço inoxidável 304 – Ensaio à 700ºC e 3 horas.
Figura 4 – gráfico variação de massa para aço carbono – Ensaio à 700ºC e 3 horas.
Ao realizarmos uma análise comparativa entre os aços, podemos visualizar a diferença que a presença de uma camada de proteção, tal como a camada passiva de óxido de cromo na superfície dos aços inoxidáveis, altera no desempenho sob tal atmosfera. 
O aço carbono por não apresentar esse recurso de proteção acaba facilmente entrando em reação com o oxigênio, de modo que suas características também acabam por degradar facilmente, a imagem cinco apresenta um gráfico que reforça essa ideia. As imagens seis e sete mostram como o efeito do processo de oxidação atua em cada uma. Na amostra de Carbono observamos na camada de óxido de ferro regiões com coloração mais marrons e outras com um azul mais brilhoso. Em relação a primeira temos a formação de Fe2O3, já camada com coloração azul podemos ter o composto FeO ou Fe3O4. Outra característica que os diferencia é aderência com que atuam sobre o material, pois o FeO não apresenta boa aderência e é facilmente retirado, no entanto o Fe3O4 apresenta boa aderência, de modo que é complicado sua remoção do material.
 
Figura 5 – gráfico variação de massa entre os aços – Ensaio à 700ºC e 3 horas.
Figura 6 – Efeito do Processo de Oxidação na Superfície da amostra de aço carbono. a)amostra antes ensaio de oxidação; b)amostra após ensaio de oxidação.
 b)
a)
Figura 7 – Efeito do Processo de Oxidação na Superfície da amostra de aço inoxidável. a)amostra antes ensaio de oxidação; b)amostra após ensaio de oxidação.
 b)
a)
4.2 Tratamento em 700ºC - 24h
Nas amostras que foram submetidas ao tratamento de vinte e quatro horas também observarmos um crescimento de massa de modo mais acentuado no aço carbono do que no aço inoxidável 304. Nas figuras oito e nove a amostra de aço carbono apresenta uma maior modificação em sua superfície, de modo que é mais facilmente visualizado a camada de óxido de ferro formada. Na amostra de Carbono também observamos que na camada de óxido temos a formação de Fe2O3(coloração marrom) e a camada composta de FeO ou Fe3O4 (coloração azul).
 A característica pela qual podemos diferencia-los é a mesma apresentada anteriormente, a aderência com que atuam sobre o material, pois o FeO não apresenta boa aderência, enquanto o Fe3O4 apresenta boa aderência.
Figura 8 – Efeito do Processo de Oxidação na Superfície da amostra de aço carbono. a)amostra antes ensaio de oxidação; b)amostra após ensaio de oxidação.
 b)
a)
Figura 9 – Efeito do Processo de Oxidação na Superfície da amostra de aço inoxidável. a)amostra antes ensaio de oxidação; b)amostra após ensaio de oxidação.
 b)
a)
Na tabela VI notamos que o aço carbono obteve um ganho de 0,2001g, isso representa um aumento de 0,5620%. Em relação ao aço inoxidável 304, a amostra obteve um ganho de 0,0002g, de modo que isso representa um ganho de 0,0005%. 
Os gráficos dez e onze apresentam esse comportamento.
Tabela VI – Variação de Massa – Ensaio a 700ºC e 24 horas.
	Amostra/Suporte
	M0 ±0,0001(g)Mf ±0,0001(g)
	ΔM
	%M
	Inoxidável 304(II)
	42,0622
	42,0624
	0,0002
	0,0005
	Suporte - Inoxidável 304 (II)
	45,8245
	45,8258
	0,0013
	0,0028
	Inoxidável 304(II) + Suporte
	87,8867
	87,8872
	0,0005
	0,0006
	Carbono(II)
	35,6023
	35,8024
	0,2001
	0,5620
	Suporte - Carbono (II)
	36,8727
	36,8983
	0,0256
	0,0694
	Carbono II + Suporte
	72,4764
	72,7007
	0,2243
	0,3095
Figura 10 – gráfico variação de massa no aço inoxidável 304 – Ensaio à 700ºC e 24 horas.
Figura 11 – gráfico variação de massa no aço carbono – Ensaio à 700ºC e 24 horas.
Assim como nas amostras que ficaram três horas, também podemos realizar uma análise comparativa entre os aços, de modo que podemos visualizar a diferença que a presença de uma camada de proteção altera no desempenho sob tal atmosfera, no entanto devido ao tempo maior de ensaio essa diferença é mais evidente. A figura doze ilustra um gráfico que representa o percentual de ganho de cada uma das amostras, o qual reforça esse pensamento.
Figura 12 – gráfico variação de massa no aço carbono – Ensaio à 700ºC e 24 horas.
4.3 Variação Massa Aço Inoxidável – 3 e 24 horas
Para o aço inoxidável observarmos que o valor de ganho de massa é maior para o ensaio de três horas do que no em vinte e quatro horas (figura treze apresenta esse comportamento). Esse resultado é contraditório com o discutido em aula, portanto podemos constatar que ocorreu falha no manejo das amostras.
Figura 13 – gráfico variação de massa no aço inoxidável.
4.4 Variação Massa Aço Carbono – 3 e 24 horas
Para as amostras de aço carbono visualizamos maior ganho de massa para a amostra ensaiada vinte e quatro horas (figura quatorze), de modo a coincidir com a relação apresentada na figura 2. 
Figura 14 – gráfico variação de massa no aço inoxidável.
5. Considerações Finais
	As conclusões acerca dos ganhos de massa comprovou a diferença de comportamento entre o aço inoxidável e o aço carbono em atmosfera oxidante, assim como também comprou a eficácia da camada passiva de óxido apresentada pelo aço inoxidável.
	Para o aço carbono foi possível verificar a variação de comportamento para períodos de tempos diferentes, de modo que para tempos maiores teremos maior oxidação, por consequência, maior ganho de massa. Esse comportamento segue o estabelecido pela relação parabólica, pois para um mesmo material a relação depende unicamente do tempo. 
	A análise para os aços inoxidáveis não apresentou tal relação, portanto podemos presumir que ocorreu falha na operação do ensaio. 
6. Referências Bibliográficas
[1] ALVES, Líria. Oxidação e Redução. Disponível em: <http://www.brasilescola.com/quimica/oxidacao-reducao.htm>. Acesso em 17 de Junho de 2017.
[2]D., CALLISTER Jr. William. Fundamentos Da ciência e Engenharia De Materiais. LTC Editora, 2006.
[3] SMITH, W. F. Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais. 3a. ed. Lisboa: McGraw-Hill, 1998.
[4]SILVA, Amanda Cristina Medeiros. Tratamento térmico de têmpera no aço SAE 1040 em diferentes meios de resfriamento. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) - Universidade Federal do Sul e Sudeste do Pará, Campus Universitário de Marabá, Instituto de Geociências e Engenharias, Faculdade de Engenharia de Materiais, Curso de Engenharia de Materiais, Marabá, 2016.
Diferença de Massas - Inoxidável 304
Inoxidável 304 - M0	35.400500000000001	Inoxidável 304 - Mf	35.402799999999999	Massa(g)
Diferença de Massas - Aço Carbono
Carbono - M0	39.900300000000001	Carbono Mf	39.980800000000002	Massa(g)
Diferença de Ganho de Massa
Ganho Carbono	0.20175286902604914	Ganho Inoxidável	6.4970833745235023E-3	%M
Diferença de Massas - Inoxidável 304
Inoxidável 304 - M0	42.062199999999997	Inoxidável 304 - Mf	42.062399999999997	Massa(g)
Diferença de Massas - Aço Carbono
Carbono - M0	35.6023	Carbono Mf	35.802399999999999	Massa(g)
Gráfico comparativo - Ganho Massa
Ganho Carbono	0.56204233996117958	Ganho Inoxidável	4.7548630361591616E-4	%M
Ganho de Massa Aço Inoxidável
ΔM - 3 Horas	2.2999999999981924E-3	ΔM - 24 horas	1.9999999999953388E-4	ΔM(g)
Ganho de Massa Aço Carbono
ΔM - 3 Horas	8.0500000000000682E-2	ΔM - 24 horas	0.20009999999999906	ΔM(g)
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