ANÁLISE DA MICROESTRUTURA DO AÇO 1020 Guilherme Ernesto Militz; Thomas Winter; Eduardo Zowfeld; Felipe Pozzombom UTFPR – ME05E – T51 1. Introdução Este Este trab trabal alho ho tem tem o obje objetiv tivoo de aval avalia iarr o efei efeito to de dife difere rent ntes es velo veloci cida dade dess de resfriamento sobre a transformação da austenita nas amostras de aço ABNT 1020. A finalidade dos tratamentos térmicos é alterar as microestruturas e como conseqüência, as propriedades mecânicas das ligas metálicas. Os seus principais objetivos são: Aumento ou diminuição da dureza e da resistência mecânica, Remoção de tensões internas; e melhora da ductilidade, usinabilidade, resistência ao desgaste, resistência à corrosão, resistência ao calor, entre outros. A identi identific ficaçã açãoo das propri proprieda edades des de uma aço é feito feito princi principal palmen mente te atrave atravezz observ observaçã açãoo da microestrutura dos materiais, para isso é feito a análise micrográfica após o tratamento térmico, para se certificar de que a microestrutura esperada é a mesma encontrada na peça após o processo de análise da micrografia. O tratamento térmico é essencial para a fabricação de pro produ dutos tos com com comp compon onet etes es de aço, aço, pois pois com com o trat tratame ament ntoo é poss possiv ivel el “man “manipu ipular lar”” as propriedades mecânicas do material de acordo com a sua aplicação. Os tratamentos termicos são usados em grande escala nas industrias de fabricação, como a automotiva ou em qualquer ramo que se use aços em geral e até outros materiais não ferrosos. 1.1 Referencias bibliográficas Tratamentos Tratamentos Térmicos: Térmicos: Consiste, Consiste, essencialmente essencialmente em aquecer aquecer o material material a uma certa temperatura e esfrialo em determinadas condições. [1] Austenita: é a solução solida de carbono no ferro gama. [4] Perlita: constituinte micrográfico formado por finas lamela juntapostas de ferrita e de cementita e que ocorre abaixo de 723º nas ligas de ferro-carbono. [2] Ferrita: é a solução solida de carbono no ferro alfa e origina-se na zona críticam durante o esfriamento, por transformação alotropica do ferro. [3] Cementita: É o nome dado ao carboneto de fe3C contendo 6,68% de carbono. [3] Tempêra: Consiste, em regra, no aquecimento da peça acima da zona crítica, seguido de um esfriament rápido em água, óleo, etc. [1] Normalização: Recozimento com esfriamento ao ar denomina-se normalização.[7] Esfriamento lento: Êste se consegue deixando as peças pequenas esfriar no forno. [6] •
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2. Materiais e métodos [8] Primeiramente determinamos a temperatura de austenitização do aço 1020, utilizando o diagrama de fases, que no caso foi 860°C e também adicionamos 50°C como uma margem de erro, pois a peça apresenta impurezas que alteram a temperatura de austenetização, como também a quantidade de carbono da peça que não é 100% exata e existe um resfriamento causado pela abertura do forno ao tirar a peça. Para não ocorrer uma troca de calor entre a peça e a tenaz, as amostras foram presas em arames (cestas), para retirá-las dos fornos. Posteriormente a isso as três amostras foram postas no forno “mufla”, porém não em contato direto com a superfície do forno; as peças foram colocadas em cima de um tijolo, para que haja uma distribuição mais uniforme do calor envolta da peça. Após 30 minutos (tempo determinado para a austenetização), retiramos a primeira amostra que rapidamente foi resfriada na água por 20 segundos (ao resfriar a peça é necessário movimentá-la para evitar o retardamento da troca de calor entre a peça e a água, pois devido ao calor, ocorre uma vaporização da água que está em contato com a peça e com isso a troca de calor entre a peça e a água é menor). Em seguida, retirou-se uma segunda amostra do forno para o resfriamento ao ar, que durou cerca de 15 minutos e a terceira amostra foi deixada no forno para o resfriamento lento (retirada somente no outro dia).
As 2 primeiras amostras já resfriadas foram cortadas ao meio (utilizando a cortadeira elétrica com disco de corte abrasivo) para podermos analisar o centro das peças (durante o corte é preciso utilizar refrigeração, aliviar a pressão de corte e utilizar um disco com baixa dureza para evitar o super aquecimento e a queima da amostra), pois nas bordas ocorre uma oxidação e descarbonetação superficial devido a combinação de parte do carbono da peça com o oxigênio da atmosfera. Após o corte, foi feio o embutimento à quente sob pressão (usando a prensa metalográfica (ebutidora) das peças utilizando como resina, a baquelite e posteriormente foi feito a identificação de cada amostra com o gravador elétrico. Após o resfriamento da terceira peça ter chegado ao fim foram feitos os mesmos processos citados anteriormente. Após o embutimento das três peças, foi iniciada a etapa dos lixamentos, começando com uma lixa mais grossa (com granulometria 240 mesh) e depois os riscos devem ser retirados com lixas subseqüentes com granulometria cada vez mais finas (400 – 600 mesh), durante o lixamento deve-se ter o cuidado em segurar a amostra corretamente para que a mesma não apresente vários planos de lixamento. Após o lixamento é feito o polimento (utilizando a politriz metalográfica elétrica) o abrasivo utilizado no pano da politriz (veludo) foi a alumina 1 μm, durante o polimento a amostra deve ficar girando em sentido contrario a rotação do prato da politriz, para evitar que se formem as “caudas de cometa”. O objetivo do lixamneto e do polimento é obter uma face espelhada sem riscos de alta refletividade aparente ao microscópio, para uma melhor análise micrográfica. Após a obtenção de uma amostra com superfície totalmente plana, isenta de riscos e absolutamente limpa se faz o ataque químico (oxidação e/ou redução da superfície da peça), isso é feito para que ocorra a revelação da estrutura de um metal, no caso, o reagente utilizado no ataque por imersão foi o Nital 2% e 5%, após o ataque lava-se a peça em água corrente para eliminar o processo de corrosão e é feito a secagem da peça com o secador (durante a secagem, passa-se o algodão embebido em álcool sobre a amostra, para evitar as machas de secagem). Após o ataque, as amostras foram levadas ao microscópio óptico (Microscópio Carl, Zeiss Jena, JENAVERT), e por meio do software Image-Pro Plus as amostras foram analisadas e foram tiradas as fotomicrografias (é preciso identificar uma área da peça mais propícia para a análise, ajustando a luminosidade e foco do microscópio). Analisando as fotos micrográficas é possível determinar as fases estruturais presentes, características e constituição do material, fator importante para determinação das propriedades mecânicas de um material. 3. Resultados e Discussões Após obtermos os dados e analisarmos nas literaturas do assunto verificamos as diferentes microestruturas formadas nas três amostras que tiveram diferentes processos de resfriamento. Notou-se também uma variação na dureza. RESFRIAMENTO AR TEMPÊRA EM FORNO ÁGUA DUREZA média 133 273 118 (vickers) Tabela 1: dados da dureza conforme resfriamento.
resfria mento.
300 250 200 150 100 50 0
água forno
ar DUREZA (VICKERS)
Fig. 1: ABNT 1020 temperado em água, ataque Nital (50x). Sob condições de resfriamento lento ou moderado, os átomos podem difundir para fora da austenita. Os átomos de ferro podem, então, em um rearranjo em nível atômico, passar para uma estrutura cúbica de corpo centrado. Esta reação ocorre por um processo de nucleação e crescimento, com intensa difusão de carbono no reticulado do ferro. Com um resfriamento rápido não daremos tempo para a difusão do carbono obrigando que ele se mantenha em solução. À medida que tivermos a austenita a uma temperatura menor que a eutetóide haverá uma força motriz no sentido do ferro passar da estrutura CFC para a estrutura CCC. Na tentativa do ferro passar para CCC o excesso de carbono fará com que ocorra uma distorção no reticulado cristalino. A supersaturação de carbono fará com que o ferro passe a apresentar uma estrutura cristalina distorcida tetragonal de corpo centrado. A estrutura martensítica lembra o aspecto de agulhas explicada pelo mecanismo de formação de cisalhamento da estrutura [9]. Observa-se que a dureza da amostra resfriada em água é mais elevada, em decorrência da formação mastensítica, com um pouco de austenita retida (Fig. 1) proveniente do rápido resfriamento. Já as amostras resfriadas ao forno e ao ar apresentam dureza reduzida, pois sendo estes refriamentos, lentos/moderados, tem-se tempo suficiente para a difusão do carbono fora da austenita, formando uma estrutura CCC, como já citado. Esta estrutura por sua vez, possui menos tensões internas, e um escorregamento entre planos facilitado. Gráfico 1: evolução da dureza conforme
ME05E – Tratamentos e Análise de M ateriais – Relatório de atividade prática
As microestruturas em ambos são, ferrita (grão claros) e perlita (grãos escuros) ( Fig. 2), para o ar; e grãos maiores com maior presença de perlita ( Fig. 3), para o forno. No caso do forno, por ser um resfriamento mais lento, há um maior aumento no tamanho dos grãos, reduzindo mais a dureza por facilitar o deslizamento entre os mesmo, e reduzir os contornos de grãos, que são “defeitos”, que barram o escorregamento, um dos principais fatores da alteração da dureza. A diferença entre o aço esfriando ao ar e o esfriado no forno não é tão aparente pois aços de baixo teor de carbono, até cerca de 0,3% podem ser esfriados ao ar tranquilo e são considerados normalizados, que foi o caso das amostras com 0,2% de carbono, pode-se analisar que a diferença da dureza entre as duas amostras esfriadas de formas destintas não é tão relevante. Porém outras propriedades mecanicas e fatores como tamanho de grão serão aparentes. [6] 4. Conclusões Concluiu-se que quanto maior for a velocidade de resfriamento maior será a dureza do material, devido a formação de uma estrutura puramente martensítica, quando a velocidade de resfriamento é lenta a estrutura transforma-se basicamente em perlita, velocidades de resfriamento muito altas podem ocasionar conseqüências sérias, como tensões internas excessivas, empenamento das peças e até mesmo aparecimento de trincas. Assim, o conhecimento da temperabilidade dos aços é essencial, porque o mais importante objetivo do tratamento térmico do aço é obter a maior dureza e a mais alta tenacidade, em condições controladas de velocidade de esfriamento, a uma profundidade determinada ou através de toda a sua secção e de modo a reduzir ao mínimo as tensões de esfriamento. 5. Referências [1] Colpaert, Hubertus. Metalografia dos produtos ciderurgicos comuns, V. 3ª p.216, 1974 [2] Colpaert, Hubertus. Metalografia dos produtos ciderurgicos comuns, V. 3ª p.157, 1974 [3] Colpaert, Hubertus. Metalografia dos produtos ciderurgicos comuns, V. 3ª p.156, 1974 [4] Colpaert, Hubertus. Metalografia dos produtos ciderurgicos comuns, V. 3ª p.165, 1974 [6] Colpaert, Hubertus. Metalografia dos produtos ciderurgicos comuns, V. 3ª p.219, 1974 [7] Colpaert, Hubertus. Metalografia dos produtos ciderurgicos comuns, V. 3ª p.222, 1974 [8] Apostila “Preparação de Amostras para Analise Microestrutural”, elaborado por Juliano Nestor Borges. (PDF) [9]. Principais Tratamentos Térmicos - Prof. Dr. Telmo Roberto Strohaecker, Prof. Vitor José Frainer. pág. 29-31
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