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CAPÍTULO 4 ___________ ______________________ ______________________ ___________
D U R E Z A E E N D U R E C IB IB I L I D A D E
A microestrutura martensítica é a microestrutura mais dura que pode ser produzida em qualquer tipo de aço. Este fato torna importante o estudo da relação da Dureza da Martensita com o teor de Carbono do aço , bem como o conhecimento dos fatores que determinam se a dureza de uma determinada peça, fabricada a partir de um aço específico, pode ou não ser alcançada. O termo Endurecibilidade é usado para descrever tanto a formação da Martensita quanto a tecnologia que interrelaciona fatores tais como: tamanho da secção, taxas de resfriamento e composição.
Dureza e Teor de Carbono - A dureza máxima que pode ser produzida em qualquer aço é aquela que está associada a uma microestrutura totalmente martensítica. A figura abaixo mostra o quanto maior é a dureza da Martensita quando comparada com as microestruturas Ferrita-Perlita e Esferoidita ( base ferrítica com Cementita esferoidizada ), para uma faixa de teores crescentes de Carbono tipicamente encontrada nos aços.
As principais razões para a obtenção de uma estrutura martensítica ( por que temperar um aço ? ) são as propriedades alcançadas pelo aço: Alta dureza associada com alta resistência mecânica, resistência à fadiga e resistência ao desgaste. Os tratamentos térmicos para formar Martensita, normalmente, são aplicados em aços contendo mais que 0,3%C, pois nesses aços os ganhos na dureza são bastante substanciais.
ATENÇÃO : A microestrutura martensítica pode apresentar uma certa quantidade de Austenita Retida, uma vez que a temperatura final de formação da Martensita ( Mf ) se coloca abaixo da temperatura
ambiente
para
aços
com
teores
de
Carbono
acima
de
0,3%.
Consequentemente, uma quantidade considerável de Austenita não transformada, principalmente nos aços de alto teor de Carbono, pode estar presente na Martensita à temperatura ambiente. O efeito mais significante da Austenita retida sobre a dureza ocorre nos aços contendo mais que 0.7%C, conforme mostra a figura acima. O teor de Austenita Retida pode atingir até cerca de 30 a 40% nas ligas Fe-C contendo de 1.2 a 1.4%C. É importante lembrar que os elementos de liga que estabilizam a Austenita aumentam a quantidade de Austenita Retida para qualquer nível de Carbono e temperatura.
Definições de Endurecibilidade - Conforme foi visto, a máxima dureza de qualquer aço está associada a uma microestrutura totalmente martensítica. Esta microestrutura somente pode ser produzida se o processo de difusão para transformação da Austenita for suprimido por um resfriamento suficientemente rápido. Além disso, existem um número de fatores que afetam as taxas de resfriamento através de uma dada peça e a resposta de um dado aço àquelas taxas de resfriamento que ele pode estar sujeito. Assim, a formação da Martensita e a alta dureza podem variar consideravelmente através de uma dada secção reta ou entre secções retas idênticas para aços diferentes. A
Endurecibilidade é definida c omo a “Susceptibilidade ao endurecimento por resfriamento rápido” ou como, nas ligas ferrosas, a “propriedade que determina a profundidade e a distribuição da dureza produzida por um processo de têmpera”. Pode -se afirmar que a razão
do endurecimento é a formação e a presença de Martensita. Sendo assim, uma terceira definição de endurecibilidade pode ser dada como: “A Capacidade de um aço se transformar
completamente ou parcialmente, a partir da Austenita, em alguma percentagem de Martensita, numa dada profundidade, quando resfriadas de acordo com algumas condições específicas”.
A Distribuição da Dureza - Uma forma experimental de se avaliar os efeitos de diversos
fatores sobre a endurecibilidade é a realização de tratamentos de Têmpera em uma série de barras cilíndricas de diâmetros diferenciados. As barras são completamente austenitizadas, temperadas e revenidas. São tomadas medidas de dureza ao longo do diâmetro das secções retas barras no sentido de se avaliar a distribuição da dureza como uma função da distância a partir da superfície até o centro da barra. As figuras abaixo mostram os resultados de uma barra de aço SAE 1045 e de uma barra de aço SAE 6140, temperados em água.
No caso do aço SAE1045 observa-se que a dureza máxima somente pode ser obtida na superfície das barras com diâmetros pequenos, ainda que, para a barra de 12,7mm, a dureza caia significativamente no seu interior. Com o acréscimo do diâmetro das barras a dureza da superfície diminui intensivamente, ao mesmo tempo em que a dureza do centro continua a decrescer.
No caso do aço SAE 6140, por outro lado, este desenvolve maiores durezas que o aço SAE 1045, em todos os diâmetros das barras, embora continue, ainda, a apresentar grandes variações na dureza a partir da superfície até o centro, especialmente nas barras de
diâmetros maiores. Nessas figuras podemos, então, observar a influência tanto do diâmetro da barra quanto do teor de elementos de liga na endurecibilidade ( distribuição da dureza ) do material. Outro fator importante que influencia a distribuição de dureza no material é a velocidade da têmpera ( severidade do meio de resfriamento ). Nas figuras abaixo observam-se os resultados obtidos para as distribuições de durezas, nos mesmos aços vistos anteriormente, oriundas de Têmperas realizadas em óleo. O óleo é um meio de têmpera muito menos severo que a água e sendo assim as taxas de resfriamento são inferiores que a da têmpera em água. fig 6.8 e 6.9 pag 156 Observa-se que a resposta do aço SAE1045 à têmpera em óleo é muito baixa. Além disso na barra de 12,7mm de diâmetro a dureza da superfície está bem abaixo da dureza esperada para uma estrutura martensítica de um aço com 0,48%C. Para o aço SAE6140, entretanto, a dureza é compatível aos níveis esperados para a Martensita e somente para os diâmetros maiores a distribuição de dureza cai significativamente. A comparação das figuras mostra que o aço SAE6140 é muito mais endurecível que o aço SAE1045 e por isso é dito ter uma maior endurecibilidade do que o outro. O aço carbono comum pode ser endurecido mas somente em pequenas secções e/ou com meios de tempera bastante severos. Fundamentalmente os elementos de liga, no aço SAE 6140, aumentam o tempo necessário para a Austenita se decompor em Ferrita e/ou misturas de Ferrita-Cementita o que torna possível a formação da Martensita em taxas de resfriamento inferiores.
___________________ Composição, % ______________________ Aço
C
Mn
P
S
Si
SAE 1045...................
0.48
0.60
0.022
0.016
0.17
SAE 6140...................
0.42
0.73
0.027
0.023
0.25
Cr
V
0.94
0.17
Fatôres que afetam as Taxas de Resfriamento - Pode-se considerar dois fatôres que influenciam as taxas de resfriamento ou as taxas na qual o calor pode ser removido de uma peça de aço. Um deles é a habilidade com a qual o calor difunde do interior da peça para a superfície e o outro é a habilidade do meio de têmpera remover o calor da superfície da peça. A habilidade de um aço transferir calor é caracterizada pela sua difusibilidade térmica ( unidades de área por unidade de tempo ). Para um dado meio de têmpera a difusividade térmica determina a distribuição de temperaturas como uma função da posição, em qualquer tempo dado, num processo de têmpera. Por exemplo, a figura abaixo mostra as taxas de resfriamento como uma função da posição em uma barra temperada de 25,4mm de diâmetro. fig 6.10 pag 158 As taxas de resfriamento mais lentas permitem mais tempo para que ocorram as transformações controladas por difusão. Este tipo de comportamento, durante o resfriamento, é que resulta em valores inferiores de dureza no centro das peças. Na prática, entretanto, existe pouco controle das possíveis propriedades térmicas nos aços e o controle mais importante das taxas de resfriamento é feito pela própria seleção do meio de têmpera.
Severidade do Meio da Têmpera - A efetividade de um dado meio de têmpera pode ser medida por um parâmetro chamado de “Severidade do Meio de Têmpera”. Esta medida de resfriamento
ou “poder da Têmpera” é identifi cada pela letra
“H”
e é determinada
experimentalmente temperando-se uma série de barras cilíndricas, para um dado aço. A tabela abaixo lista os valores de
“H”
para os meios de têmpera mais comumente utilizados,
onde pode ser observado que o efeito de agitação do meio aumenta a sua severidade
Ar Nenhuma circulação do Fluido ou Agitação da Peça
0.02
Óleo 0.25 a 0.30
Água 0.9 a 1.0
Salmora 2.0
Meio com baixa agitação .......................... ..............
......
0.30 a 0.35
1.0 a 1.1
2.0 a 2.2
Circulação Moderada ...............................................
......
0.35 a 040
1.2 a 1.3
..............
Circulação forte ........................................................
0.05
0.5 a 0.8
1.6 a 2.0
.............
Ensaio Jominy para avaliação da Endurecibilidade - Uma outra maneira bastante importante para avaliação da endurecibilidade é a utilização de amostras, de um dado aço, que são temperadas em uma de suas extremidades, e foi desenvolvida por Jominy e Boegehold ( Tans ASM , Vol 26, 1938, p.574 ). A figura abaixo mostra a forma e as dimensões da amostra utilizada neste teste, bem como o sistema de fixação da mesma para que possa ser temperada.
A amostra é resfriada por uma coluna de água em uma de suas extremidades de forma que uma única amostra experimenta uma faixa de taxas de resfriamento que se situam entre o resfriamento a água e o resfriamento ao ar. Após a têmpera a amostra é cortada em dois planos paralelos e os valores de dureza são medidos a cada 1/16 da polegada a partir da extremidade temperada e plotados num gráfico como mostra a figura abaixo. fig 6.23 pag 173 Esta prática permite que se avalie as diferenças entre a endurecibilidade de várias classes de aços e quanto maiores os valores da dureza ao longo da barra, a partir da extremidade temperada, mais endurecível é o aço. Um elemento muito importante deste teste é que cada posição da amostra corresponde a uma taxa de resfriamento muito bem definida. Os dados obtidos de um ensaio Jominy caracterizam, um método bastante preciso para o processo de seleção de um aço com uma determinada endurecibilidade para uma dada distribuição de durezas desejadas, isto é; um aço pode ser selecionado não somente para satisfazer as condições de dureza desejadas mas também para se encontrar a composição correta de elementos de liga que consequentemente permitirão a seleção de um aço em condições de “custo mínimo” ao
invés de aços com excesso de endurecibilidade para uma dada aplicação.
