INFLUÊNCIA DO TEOR DE CARBONO E ELEMENTOS DE LIGA NA CONFORMABILIDADE DOS AÇOS Caego Seabra de Assumpção -
[email protected] Jonas Machado -
[email protected] Mariana Peixoto -
[email protected] Thiago A. Carniel -
[email protected] Departamento de Engenharia Mecânica - DEM Centro de Ciências Tecnológicas - CCT Universidade do Estado de Santa Catarina - UDESC Campus Universitário Avelino Marcante, 29223-000, Joinville - SC - Brasil Resumo. Resumo. Diversos fatores influenciam a conformabilidade dos aços, dentre eles a microestrutura e a composição química se destacam. Este fato justifica que o foco dos estudos abordem a análise do percentual de carbono e elementos de liga na taxa de conformação dos aços. Sendo assim, este trabalho tem por fim comprovar a teoria que nos diz que quanto menor a quantidade de carbono no aço menor será sua dureza e conseqüentemente maior a sua conformabilidade, assim como que a adição do elemento de liga influenciará benéfica ou maleficamente à conformação. Para tal utilizar-se-á 4 tipos de aço com diferentes teores de carbono, sendo um destes ligado.
Palavras-chave: Palavras-chave: Conformação, Conformação, aços ferro-carbono, teor de carbono, elementos de liga.
1. INTRODUÇÃO A exigência do mercado consumidor por produtos com qualidade e lucratividade, obtidos a partir da conformação de aços carbono, está em crescente expansão. Deste modo, a busca por processos e materiais a serem utilizados para obter tais objetivos, incentiva a pesquisa acadêmica e fabril, principalmente no ramo da engenharia. Dentre as várias variáveis que influenciam o processo de conformação dos aços, a mais importante é qual o tipo de material a se utilizar. Este fator é de vital importância por definirá o processo a ser utilizado, qualidade final (rigidez, tolerâncias, rugosidade, etc) e principalmente o tempo e volume de produção que se refletirá no preço final do produto. Partindo destes fatos é que este trabalho tem por fim avaliar a influência do teor de carbono e elementos de liga na conformabilidade dos aços. Em primeira estância fez-se um apanhado geral da teoria de conformação e da influencia do carbono e elementos de liga na mesma. Posteriormente, ensaios mecânicos de compressão serão realizado para simular a conformação em aços com diferentes teores de carbono, obtendo assim a taxa de conformação experimental. Ao final será comparada a conformabilidade de dois aços com teores de carbono aproximados, porém, um deles tendo elementos de liga. Dos resultados experimentais obtidos, as durezas de ambas as amostras, não conformadas e conformadas, assim como suas metalografias, ajudarão a demonstrar como o teor de carbono e elementos de liga influenciam no encruamento dos materiais.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 Conformabilidade A conformabilidade plástica pode ser definida como a capacidade do metal poder ser processado por deformação plástica, por estampagem, ou por forjamento ou por outro processo específico, sem apresentar defeitos ou fraturas na peça. Pode-se afirmar que quanto maior a ductilidade do material, associada a uma resistência mecânica mínima para suportar os esforços de conformação, maior será a capacidade deste ser processado com deformação plástica. Os principais fatores de influência na conformabilidade dos aços, para todos os tipos de qualidade são: composição química, microestrutura, acabamento superficial e encruamento, os quais serão tratados posteriormente. O método mais seguro de verificar a conformabilidade plástica de um produto metálico é ensaiá-lo nas condições normais de fabricação onde estão presentes todos os fatores de influência do corpo metálico e do processo. Porém, esse método pode representar custos muito elevados. Em decorrência desenvolveram-se ensaios de laboratório, que podem ser divididos em dois grupos: ensaios mecânicos convencionais e ensaios mecânicos de fabricação. Através de um ensaio de compressão pode-se estabelecer algumas correlações significativas entre os seus valores e o comportamento para conformação. A estampabilidade
se eleva para uma ductilidade maior associada a um limite de resistência maior e um limite de escoamento menor.
2.2 Microestrutura A microestrutura de um material compreende, em poucas palavras, tipicamente as diferentes fases e o modo como elas estão arranjadas. A composição química é, talvez, o fator de influencia mais importante. Quanto maior o teor de carbono presente, melhor será suas propriedades relativas à resistência mecânica. Para que haja uma boa conformabilidade o teor de carbono deve ser mantido baixo para não elevar exageradamente a quantidade de carbonetos de ferro, os quais reduzem a ductilidade do metal. Os elementos residuais como cobre, cromo, níquel, molibdênio, estanho e outros também devem ser mantidos nos níveis os mais baixos possíveis devido aos efeitos de endurecimento do aço. Com relação à microestrutura, que é afetada pela composição química, é analisada do ponto de vista da forma e do tamanho do grão, da morfologia do carboneto e das inclusões contidas. Tamanhos de grãos menores podem conduzir a excessiva perda de ductilidade. Quanto aos carbonetos de ferro, a sua quantidade é proporcional ao teor de carbono presente no aço. Ele pode se apresentar na forma de cementita ou perlita., conforme seja um aço hipoeutetóide, hipereutetóide ou eutetóide. A cementita ou carboneto de ferro é um composto químico de fórmula Fe3C e estrutura em forma de cristal ortorrômbico. Contém 6,67% de carbono e 93,33% de ferro. É um material duro e quebradiço. A ferrita é um constituinte no estado alotrópico alfa que possui uma estrutura cristalina cúbica de corpo centrado, e tendo como características a baixa resistência à tração, baixa dureza e excelente tenacidade e alongamento. A perlita é por sua vez uma justaposição de duas fases, ferrita e cementita, em forma lamelar. Suas propriedades são uma combinação dos seus dois constituintes. A cementita é mais dura e mais frágil que a ferrita e menos dúctil e tenaz que esta. Assim quanto maior a concentração de Fe3C num aço ele será mais duro e forte. Estamos interessados apenas nas características do aços hipoeutetóides, ou seja, abaixo do ponto eutético. Pois os aços utilizados no projeto estão nesta faixa na qual o teor de carbono é menor doque 0,8%. Nesta região e a temperatura ambiente os seus constituintes são ferrita e perlita. Segundo Colpaert (2002, p.126) “ a percentagem de perlita será tanto menor quanto menor for o teor de carbono, anulando-se quanto este cair abaixo de 0,020% ”.
2.3 Encruamento O encruamento é o processo de endurecimento do metal, quando este é deformado plasticamente. Ocorre basicamente porque os metais se deformam plasticamente por movimento de discordâncias e estas interagem diretamente entre si ou com outras imperfeições, ou indiretamente com o campo de tensões internas de várias imperfeições e obstáculos. Estas interações levam a uma redução na mobilidade das discordâncias, o que é acompanhada pela necessidade de uma tensão maior para provocar maior deformação plástica. O fenômeno de encruamento para um metal é influenciado por diversos fatores, como:
• • • • • • •
Estrutura cristalina; Natureza química do metal; Pureza do metal; Orientação do cristal metálico; Temperatura no processo de deformação; Forma e dimensão do cristal; Condições superficiais do cristal metálico.
2.4 Recozimento Recozimento é o tratamento térmico realizado com o fim de alcançar um ou vários objetivos, como remover tensões devido a deformações mecânicas a frio, diminuir a dureza, alterar as propriedades mecânicas como resistência e ductilidade, modificar as características elétricas e magnéticas, ajustar o tamanho de grão, regularizar a textura bruta, remover gases, produzir uma microestrutura definida, eliminar enfim os efeitos de quaisquer tratamentos térmicos a que o aço tiver sido anteriormente submetido. O tratamento térmico de recozimento pode ser subdivido em diversos métodos particulares. Dentre estes podem-se citar os mais convencionais como o recozimento total ou pleno, recozimento isotérmico ou cíclico e recozimento para alívio de tensões.
Recozimento total ou pleno. Este método constitui no aquecimento do aço acima da zona crítica, durante o tempo necessário e suficiente para se ter solução do carbono ou dos elementos de liga no ferro gama, seguindo de um resfriamento lento, realizado ou mediante o controle da velocidade de resfriamento do forno ou desligado-se o mesmo e deixando que o aço resfrie ao mesmo tempo que ele. A temperatura para recozimento pleno está ao redor de 50ºC acima do imite superior da zona crítica (linha A3) para aços hipoeutetóides e acima do limite inferior (linha A1 ) para os hipereutetóides. Para estes aços, não se deve ultrapassar alinha superior Acm porque, no resfriamento lento posterior, ao ser atravessada novamente essa linha, iria forma-se nos contornos dos grãos de ausência um invólucro contínuo e frágil de carboneto. Analisando o diagrama Ferro-Carbono, mostrado na Figura 1, pode-se notar que as zonas críticas A1, A3 e Acm. Os microconstituintes que resultam do recozimento pleno são a perlita e ferrita para aços hipoeutetóides, cementita e perlita para aços hipereutetoídes e perlita para os aços eutetóides. O digrama TTT (Tempo, Temperatura, Transformação) mostrado na Figura 2, detalha através da linha verde, o tratamento térmico de recozimento pleno.
Figura 1 – Diagrama Ferro-Carbono.
Figura 2 – Diagrama TTT ilustrando um recozimento pleno.
2.5 Método de análise química
2.6 Teor de carbono Sabe-se que o teor de carbono influencia significativamente as propriedades mecânicas dos aços, como sua dureza, tensão de escoamento, tensão máxima, etc. Isto pode ser visivelmente comprovado analisando a Figura 3, que pode ser obtida experimentalmente através de ensaios mecânicos de tração e dureza, em aços com diferentes teores de carbono.
Figura 3 – Influência do carbono nas propriedades mecânicas dos aços. Nota-se que com o aumento do teor de carbono, a dureza aumenta com um caráter linear, diferente da tensão de máxima e de escoamento, que por sua vez, tende-se a se estabilizar nos aços hipereutetóides. Isto implica na redução da ductilidade do aço com o aumento do teor de carbono.
Figura 4 - Influência do carbono na tenacidade dos aços. Verifica-se também na Figura 4, que com o aumento do teor de carbono, a tenacidade diminui, isto é, tornando-o mais frágil e menos resistente ao impacto. Explicando os parágrafos anteriores tem-se que o carbono age nos aços a partir dos seguintes mecanismos básicos: • • • •
Sobre a formação da ferrita/perlita; Sobre a formação de carbonetos; Sobre o diagrama TTT; Sobre a dureza da martensita.
Também pode afetar de forma mais significativa as seguintes características e propriedades associadas tanto ao produto como ao processo: • •
Dureza; Resistência ao desgaste;
• • • • •
Resistência mecânica (tensão de ruptura e tensão de escoamento); Conformabilidade (ductilidade/alongamento); Usinabilidade; Temperabilidade; Soldabilidade;
Efeito do carbono sobre a ferrita/perlita. Aços com baixos teores de carbono tem-se uma matriz preponderantemente ferrítica. Este tipo de estrutura apresenta a característica de se mole, dúctil, e ter baixa resistência mecânica, portanto as peças ou componentes confeccionados com este tipo de aço possuem uma boa conformabilidade, usinabilidade e soldabilidade. Como a solubilidade do carbono na ferrita é muito baixa, com o aumento do teor deste elemento ocorre a precipitação de carbono na forma de carbonetos de ferro, ou seja, a cementita (Fe3C) que já é bem mais dura do que a ferrita. Esta cementita combina-se com a ferrita formando a perlita, que se constitui de lamelas intercaladas de ferrita e perlita. Os aços de médio teor de carbono apresentam uma matriz ferrítica-perlítica, o qual já apresenta uma maior dureza, resistência ao desgaste e, resistência mecânica, no entanto menor a ductilidade e usinabilidade. Contudo, os aços de maior teor de carbono tem-se a formação de cementita em contornos de grão e o aço passa a assumir uma elevada dureza e resistência ao desgaste, com queda acentuada da ductilidade. Efeito do carbono sobre os carbonetos. Além do carboneto de ferro (cementita) o carbono tem afinidade com uma série de outros elementos de liga formando os carbonetos. Como os carbonetos são fases essencialmente muito duras, quando se formam, provocam um aumento significativo da dureza em todo o material. Estes carbonetos podem se formar ao redor dos contornos de grão, ou na forma de precipitados no interior do grão. Efeito do carbono sobre o diagrama TTT. As transformações que ocorrem no estado sólido durante o resfriamento do aço, vão depender do teor de carbono. Este efeito se transporta para os diagramas TTT quando se leva em consideração o efeito da velocidade de resfriamento.
Figura 5 - Diagrama TTT de um aço hipoeutetóide. Como pode ser visto através do diagrama TTT de um aço hipoeutetóide, antes de se iniciar a transformação eutetóide propriamente dita, ocorre necessariamente a transformação de austenita em ferrita. Desta forma, por mais rápido que se resfrie o material durante o tratamento térmico, parte da austenita sempre se transformará em ferrita que, por ser mole, não permite a obtenção de elevados valores de dureza. No caso específico de aços hipereutóides, antes da transformação eutetóide, ocorre a transformação de austenita em cementita, favorecendo até o aumento da dureza.
2.7 Elementos de liga Os elementos de liga são elementos químicos que podem fazer parte da constituição dos aços, além do ferro e do carbono que são elementos básicos de sua constituição. Estes elementos químicos influenciam consideravelmente as propriedades mecânicas, térmicas e magnéticas assim como algumas várias outras características dos aços. Sendo assim alguns deles são citados abaixo com suas respectivas influencias em certas propriedades e características dos aços.
Alumínio. É usado em pequenas proporções, como desoxidante e agente de controle do crescimento dos grãos. Chumbo. Não se liga ao aço mas, quando adicionado, distribui-se na estrutura em forma de partículas microscópicas, o que resulta em maior facilidade de usinagem. Entretanto, devido ao baixo ponto de fusão (cerca de 327°C), aços com chumbo não devem ser usados em temperaturas acima de 250°C. Cobalto. Aumenta a dureza do aço sob altas temperaturas.
Cobre. Melhora a resistência à corrosão por agentes atmosféricos, se usado em teores de 0,2 a 0,5% de carbono. Cromo. Melhora a resistência à corrosão (aço com cerca de 12% de cromo resiste à ação da água e de vários ácidos), aumenta a resistência à tração (em média, 80 MPa para cada 1% de cromo), melhora a facilidade de têmpera, aumenta a resistência à alta temperatura e ao desgaste. Enxofre. É, na maioria dos casos, um elemento indesejável, oriundo do processo de produção. Se combinado com o ferro na forma de sulfeto, deixa o aço quebradiço. Entretanto, se combinado com o manganês no forma do respectivo sulfeto, favorece a usinagem com a formação de cavacos que se quebram facilmente. Fósforo. É considerado um elemento prejudicial, resultante do processo de produção. Torna o aço frágil, efeito que se acentua com o aumento do teor de carbono. Assim, os teores máximos permitidos devem ser controlados com rigor em aços para aplicações estruturais ou críticas. Manganês. Em média, para cada 1% de manganês, a resistência à tração aumenta 100 MPa. Para aços temperáveis, aumenta a dureza após o processo de têmpera. Molibdênio. Melhora a resistência a altas temperaturas, a resistência ao desgaste e a dureza após a têmpera. Para aços inoxidáveis, melhora a resistência à corrosão. Níquel. Em média, para cada 1% de níquel, a resistência à tração aumenta 40 MPa, mas o limite de elasticidade é mais favorecido. Melhora significativamente a capacidade de têmpera, possibilitando redução da velocidade de resfriamento. O níquel altera a alotropia do ferro e teores acima de 25% fazem reter a austenita em temperaturas usuais, fazendo um aço austenítico, que é não magnético e bastante resistente à corrosão. Com 36% de Ni, o aço tem o menor coeficiente de dilatação térmica e é usado em instrumentos de medição. Em conjunto com o cromo, o aço pode ser austenítico com a combinação 18% Cr e 8% Ni. Silício. É um agente desoxidante na produção do aço. Aumenta a resistência à corrosão e a resistência à tração, mas prejudica a soldagem. O silício aumenta significativamente a resistividade elétrica do aço e, por isso, aços com silício são amplamente usados em núcleos magnéticos (motores, transformadores, etc) devido às menores perdas com as correntes parasitas que se formam. Tungstênio. Aumenta a resistência à tração em altas temperaturas. Forma carbonetos bastante duros e é usado em aços para ferramentas (aços rápidos). Vanádio. Refina a estrutura do aço, impedindo o crescimento dos grãos. Forma carbonetos duros e estáveis e é usado em aços para ferramentas para aumentar a capacidade de corte e dureza em altas temperaturas. Elemento de liga na microestrutura. Segundo Neto (2008), as principais influências dos elementos de ligado na microestrutura dos aços carbono, são:
• • • • • • • • • • • • •
Promovem o endurecimento da ferrita; Promovem a formação de carbonetos; Promovem a formação de inclusões não metálicas; Promovem a formação de compostos intermetálicos; Promovem a formação de partículas metálicas; Aumentam a resistência da austenita; Impedem o crescimento do grão; Alteram a composição e temperatura do eutetóide; Modificam o campo austenítico; Aumentam a temperabilidade; Afetam a temperatura de transformação da martensita; Afetam a dureza da martensita; Promovem o endurecimento secundário no revenido;
Podem-se citar alguns destes itens acima detalhadamente, que serão convenientes para o trabalho em questão.
Promover o endurecimento da ferrita. Os elementos de liga têm o poder de se dissolver na ferrita, formando soluções sólidas que aumentam sua dureza. Quanto maior a solubilidade de um elemento de liga na ferrita maior o seu efeito em modificar suas características, tendendo a aumentar a dureza e a resistência mecânica dos aços. Promover a formação de carbonetos. Alguns elementos de liga têm uma grande afinidade química com o carbono, gerando a formação de carbonetos, que por serem duros, aumenta a dureza do material. Remover a formação de inclusões não metálicas. Alguns elementos de liga formam inclusões não metálicas como os óxidos, sulfetos, nitretos e silicatos. De uma forma geral a presença de inclusões, com maior ou menor intensidade, afetam as propriedades dos aços, associadas principalmente a resistência mecânica e a conformabilidade. Por outro lado algumas inclusões podem ter um caráter benéfico como é o caso específico e proposital dos sulfetos de manganês nos aços de boa usinabilidade. Aumentar a resistência da austenita. Alguns elementos de liga também têm a característica de se dissolverem na austenita, da mesma forma como se dissolveram na ferrita, aumentando sua dureza e a resistência mecânica. Isto promove o aumento da rigidez da austenita, tornando-a mais difícil de ser conformada. Impedem o crescimento do grão. O aço tende a crescer o grão quando do tratamento térmico, reduzindo suas características quanto a tenacidade e resistência mecânica, por ser pior a distribuição de elementos residuais e impurezas pelo contorno de grão. Alguns elementos alteram a temperatura de crescimento do grão. Com isto é mais difícil o grão crescer quando da conformação ou tratamento térmico. Alteram a composição e temperatura do eutetóide. Alguns elementos de liga aumentam ou baixam a temperatura do eutetóide, bem como diminuem a composição de carbono deste ponto. Com isto aços com estes elementos de liga, mesmo com baixos teores de
carbono, podem ter estruturas mais perlíticas ou mesmo com presença de carbonetos, aumentando a dureza e a resistência mecânica. ����� ��������� ��� ��� ����� ��� �������� ��
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Figura 6 – Efeito do elemento de liga sobre a modificação do ponto eutetóide e sobre a conseqüente modificação da estrutura obtida.
Modificam o campo austenítico. Alguns elementos de liga tende a reposicionar e a reduzir o campo austenítico. Com isto maiores as dificuldades para se atingir o campo austenítico quando se for conformar a quente ou mesmo recristalizar a fim de se promover um tratamento térmico. 3. METODOLOGIA EXPERIMENTAL Foram utilizados nos experimentos quatro tipos de aços com diferentes teores de carbono, sendo um desses composto por elementos de liga. Os corpos de prova utilizados foram definidos pela geometria inicial dada pelo diâmetro de 10 mm e a altura de 20 mm, como visto na Figura 7. Estes foram usinados a partir de barras, sendo posteriormente realizado o tratamento térmico de recozimento, análise química, ensaios de compressão e dureza, bem como preparadas as amostras para as análises metalográficas nos três estágios do processo (inicial, recozido e conformado).
Figura 7 – Geometria inicial dos corpos de prova. A análise química é de essencial importância para obter a porcentagem de carbono e os elementos diversos constituintes dos aços ensaiados. Contudo é conveniente a realização de mais de uma análise química por amostra, para diminuir os erros e homogeneizar o resultado do ensaio. Esta foi realizada nos quatro aços propostos, onde foi utilizado o espectrômetro de emissão óptica Shimadzu OES-5500II, obtendo assim a composição química de cada material. Posteriormente, os corpos de prova foram submetidos ao tratamento térmico de recozimento pleno a temperatura de 910 °C durante 30 minutos. O objetivo do tratamento térmico foi de obter a recristalização da microestrutura e eliminar um possível encruamento das barras utilizadas, para que assim, estes efeitos não venham a prejudicar os resultados obtidos. O ensaio de compressão foi realizado em uma máquina universal de ensaios mecânicos. A compressão foi efetuada uma única vez em cada corpo de prova recozido, com toda a carga total da máquina, que gira em torno de 30 tonelada força. Assim, obteve-se o comprimento final dos corpos conformados e se pode calcular a taxa de conformação como segue na Eq. (1).
onde,
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Três medidas de dureza Rockwell-B (HRB) foram feitas em cada corpo de prova, e a média foi obtida nas três etapas do processo (inicial, recozido e conformado). Isto foi feito para diminuir os possíveis erros ocorridos durante o processo da medição das durezas. Ao final, fez-se a preparação das superfícies da seção longitudinal dos corpos de prova, sendo as peças embutidas em resina (baquelite). A preparação das superfícies foi feita de modo convencional, na qual empregaram-se lixas para o desbaste mais grosseiro e em seguida um polimento abrasivo com alumina. Para a revelação da microestrutura foi empregado nital 1%, sendo assim obtida as análises
metalográficas. As metalografias realizadas serviram para comprovar a eficácia do recozimento assim como visualizar o caráter da microestrutura após a conformação.
4. RESULTADOS E ANÁLISES 4.1 Análise química O resultado da análise química, que é dado pela média das análises realizadas para os quatro aços, está demonstrado Tabela 1. Tabela 1. Análise química dos aços utilizados. Elemento Carbono(C) Ferro(Fe) Níquel(Ni) Cromo(Cr) Molibdênio(Mo) Enxofre(S) Fósforo(P) Manganês(Mn)
Aço Carbono 1 [%] 0,13 99,09 0,007 0,018 0,004 0,016 0,012 0,52
Aço Carbono 2 [%] 0,33 98,61 0,03 0,04 0,009 0,016 0,02 0,64
Aço Carbono 3 [%] 0,40 98,55 0,03 0,04 0,008 0,015 0,02 0,64
Aço Ligado [%] 0,25 95,76 1,68 0,76 0,19 0,017 0,019 0,68
Pela avaliação dos resultados da análise química, nota-se que os aços 1, 2 e 3 são aços ao carbono. Já o aço ligado pode ser definido como um aço níquel-cromo-molibdênio, por estes elementos estarem com seus teores elevados, se comparados aos outros aços ao carbono citados. Para prosseguir, serão adotadas as nomenclaturas da Tabela 1 para os aços com os diferentes teores de carbono, assim como para o aço ligado.
4.2 Recozimento As microestruturas anteriores e posteriores ao recozimento podem ser visualizadas na Figuras (8 a 10).
a) Inicial
b) Recozido
Figura 8 – Metalografia do Aço Carbono 1 (0,13% de C) com aumento de 20X.
c) Inicial
d) Recozido
Figura 9 – Metalografia do Aço Carbono 2 (0,33% de C) com aumento de 20X.
e) Inicial
f) Recozido
Figura 10 – Metalografia do Aço Ligado (0,25% de C) com aumento de 50X. Nota-se que o recozimento obteve os resultados esperados na recristalização da microestrutura, como visto no tamanho dos grãos, que teve um ligeiro aumento se comparado a estrutura inicial. Para o Aço Carbono 3 (0,40% de C) o recozimento não foi realizado, devido ao processo de fabricação a quente que o material do corpo de prova foi submetido, assim eliminando o efeito do encruamento.
4.3 Durezas Os ensaios de dureza Rockwell-B foram realizados nas três etapas do processo, como citadas anteriormente. Os resultados obtidos são informados na Tabela 2. Tabela 2. Dureza dos aços utilizados nas três etapas do processo. Aço Aço Carbono 1 Aço Carbono 2 Aço Carbono 3 Aço Ligado
Durezas Rockwell B [HRB] Inicial Recozido Conformado 85 62 100 90 80 104 87 87 104 100 98 118
Nota-se que o recozimento obteve resultado positivo, pois foi refletido na dureza reduzida das amostras, assim como o ensaio de compressão, que através do encruamento, aumentou significativamente a dureza dos aços. O aço ligado não obteve significativa mudança de dureza com o recozimento, devido aos elementos de ligas que evitam a recristalização.
Analisando a Tabela 3, que demonstra o delta de dureza para cada Aço Carbono ensaiado, nota-se que o mesmo diminui com o aumento do teor de carbono, como mostrado na Figura 11, assim provando a influência significativa do teor de carbono na dureza dos aços. Tabela 3. Delta de dureza dos aços carbono antes e após a conformação. Durezas Rockwell B [HRB] Recozido Conformado ∆ de dureza 62 100 38 80 104 24 87 104 17
Aço Aço Carbono 1 Aço Carbono 2 Aço Carbono 3
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Figura 11 – Delta de dureza em função do teor de carbono. 110 100 � � � � � � � � � � �
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Figura 12 – Dureza dos corpos de prova recozido e conformado em função do teor de carbono.
Visualizando, finalmente, a Figura 12, observa-se que após a conformação dos materiais, suas durezas mantiveram-se praticamente constante em função do teor de carbono. Isto ocorre, pois o nível de discordâncias da microestrutura, acarretadas pelo mecanismo do encruamento, chegou ao ponto tal, que a dureza não seria mais afetada com a aplicação de uma maior carga.
4.4 Taxa de conformação A taxa de conformação é o principal parâmetro de avaliação da influência do teor de carbono na conformação dos aços. Assim, os resultados obtidos pela Equação (1) são mostrado na Tabela 4. Tabela 4. Dados da taxa de conformação. Aço Li [mm] Lf [mm] Taxa de Conformação [%] Aço Carbono 1 (0,13% de C) 20,00 5,03 74,85 Aço Carbono 2 (0,33% de C) 20,00 5,44 72,80 Aço Carbono 3 (0,40% de C) 20,00 6,17 69,15 Deste modo, pode-se plotar o gráfico da Figura 13, que demonstra efetivamente, através da taxa de conformação, a influência do teor de carbono na conformabilidade dos aços. Notase que com o aumento do teor de carbono, o material torna-se de mais difícil conformação, o que vem a comprovar a teoria. �0 � % � � �� � � � �0 � � � � � � �� � � � � �0 � � �
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Figura 13 – Influência do teor de carbono na conformação dos aços. Reforçando o parágrafo anterior, pode-se visualizar, nas Figuras (14 a 16), as microestruturas, obtidas através de metalografias, dos corpos de prova recozidos e posteriormente conformados. Pode-se notar nitidamente o alongamento dos grãos após o ensaio de compressão, o qual levou o material ao encruamento aumentando significativamente sua dureza.
a) Recozido
b) Conformado
Figura 14 – Metalografia do Aço Carbono 1 (0,13% de C) com aumento de 20X.
a) Recozido
b) Conformado
Figura 15 – Metalografia do Aço Carbono 2 (0,33% de C) com aumento de 20X.
a) Recozido
b) Conformado
Figura 16 – Metalografia do Aço Carbono 3 (0,40% de C) com aumento de 20X.
4.5 Influência dos elementos de liga Para demonstrar a influência dos elementos de liga na conformabilidade dos aços, serão avaliados dois aços de teores de carbono aproximados. Sendo assim, da Tabela 1, serão comparados o Aço Carbono 2, como 0,33% de carbono, com o Aço Ligado, que tem 0,25% de carbono. Pela análise da Tabela 5, pode-se demonstrar a influência dos elementos de liga na dureza e na taxa de conformação através da Figura 17. Tabela 5. Dados da taxa de conformação. Aço
Durezas Rockwell B [HRB]
Inicial Recozido Conformado Aço Carbono 2 90 80 104 Aço Ligado 100 98 118
∆
de dureza 24 20
Taxa de Conformação [%] 72,80 60,45
Assim, pode-se comprovar que a adição de certos elementos de liga influenciam visivelmente as propriedades mecânicas dos aços. Isto pode ser comprovado pela análise da Figura 18-a) que demonstra a dureza superior do aço que contem o elemento de liga. Para reforçar a influência dos elementos de liga na conformação do aços, a análise mais detalhada da curva experimental de compressão, Figura 17-b), é efetuada. Esta curva possui uma descontinuidade, ao redor de 24 tonelada força, que prescreve a ruptura do material. Isto se explica, pois a adição de elementos de liga aumenta a rigidez e reduz a ductibilidade do material, aumentando a dureza e diminuindo a região plástica devido ao aumento da tensão de escoamento.
a) Aço Carbono 2
b) Aço Ligado
Figura 17 – Curvas experimentais do ensaio de compressão. Deste modo, isto se reflete na conformabilidade, Figura 18-b), onde a taxa de conformação diminui para aços ligados se comparado com outro aço carbono com mesmo teor de carbono.
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a) Delta de dureza
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b) Taxa de conformação
Figura 18 – Comparações entre o Aço Carbono 2 e o Aço Ligado.
7. CONCLUSÕES
Agradecimentos
Os autores agradecem ao Laboratório de Caracterização de Materiais – UDESC - CCT, pela infra estrutura necessária para a realização dos ensaios, testes e análises. Agradecemos também ao professor André Olah Neto por orientar os autores e oferecer a possibilidade da realização deste trabalho junto à sociedade acadêmica.
REFERÊNCIAS 1 - CALLISTER, Willian D. . Ciência e Engenharia De Materiais: Uma Introdução . 5ª ed, Editora Livros Técnicos e Científicos S.A, Rio de Janeiro, 2002. 2 - CHIAVERINI, Vicente. Aços e Ferros Fundidos. 4ª ed. Associação Brasileira de Metais, 1979. 3 - COLPAERT, Hubertus. Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns. 2ª ed. Editora Edgard Blütcher, 1965. 4 - SOUZA, Augusto Sérgio de. Composição Química dos Aços. 2ª ed. Editora Edgard Blütcher, 2006. 5 - FREIRE, José de Mendonça. Fundamentos de Tecnologia Mecânica: Materiais de Construção Mecânica. Editora LTC, 1983. 6 – NETO, André Olah. Apostila de Seleção e Especificação de Aços. UDESC-CCT-DEM, 2008 6 - Departamento de Ciência dos Materiais – PUC-RIO. Materiais para Engenharia. http://www.dcmm.puc-rio.br/cursos/mateng/Aula8.pdf, Acesso em 19 agosto. 2008. 7 - INFLUÊNCIA da temperatura nos Tratamentos Térmicos. http://www.perdiamateria.eng.br/Downloads/tratamentos_termicos.pps#260,10, Acesso em 20 agosto. 2008. 8 - http://www.proterm.com.br2006htmlservicos5.php, Acesso em 20 agosto. 2008. 9 - http://www.mspc.eng.br/ndx_ciemat0.shtml, Acesso em 20 agosto. 2008. 10 - http://www.spectru.com.br, Acesso em 20 agosto. 2008.
