Austenitização sobre as propiedades mecanicas do aço 1045

Austenitização sobre as propiedades mecanicas do aço 1045

(Parte 1 de 2)

51REM: R. Esc. Minas, Ouro Preto, 58(1): 51-56, jan. mar. 2005

Cristiano Ramos Stein et al.

Resumo

Estudou-se o efeito da rápida austenitização sobre as propriedades mecânicas de um aço SAE 1045, na condição de temperado e revenido a 600ºC. A microestrutura das amostras austenitizadas a 900 e 950ºC e temperadas imediatamente ao atingir essas temperaturas, têm a microestrutura constituída de martensita refinada, com pequena fração volumétrica de ferrita poligonal e ferrita acicular. Os valores dos limites de resistência e escoamento das amostras revenidas são fortemente dependentes do tempo de encharque. As transformações fases no revenimento têm efeitos similares sobre os limites de resistência e escoamento das amostras revenidas. Tais amostras têm altos valores da razão de escoamento (valor médio de 0,91). Os valores do produto do limite de resistência pelo alongamento percentual variaram de 32589MPa.% a 24150MPa.%. A otimização das propriedades mecânicas do aço SAE1045, com alta resistência mecânica e boa ductilidade, foi obtida com austenitização a 900ºC, têmpera imediatamente após atingir essa temperatura e revenimento a 600ºC por 100s.

Palavras-chaves: aço SAE1045, rápida austenitização, têmpera e revenimento, propriedades mecânicas.

Abstract

This work studied the effect of fast austenitization on the mechanical properties of SAE1045 steel, as quenched and tempered. The samples austenitized at 900 and 950ºC, and immediately quenched after reaching these temperatures, showed microstructures of refined martensite, with small volume fractions of polygonal and acicular ferrites. The values of the tensile and yield strengths of the tempered samples are strongly dependent on the soaking time. The phase transformations during the tempering have similar effects on the tensile and yield strengths of the tempered samples. These samples have high yield ratio values (average of 0.91). The values of the product of the tensile strength for the percent elongation varied from 32589MPa% to 24150MPa%. The optimization of the mechanical properties of the SAE1045 steel, with high strength and ductility, was achieved for the austenitization at 900ºC, immediately quenched after reaching that temperature, and tempering at 600ºC for 100s.

Keywords: SAE1045 steel, fast austenitization, quenched and tempered, mechanical properties.

Efeito da rápida austenitização sobre as propriedades mecânicas de um aço

SAE1045

Cristiano Ramos Stein Mestre em Engenharia de Materiais - REDEMAT/UFOP

Tahiana Francisca Hermenegildo Mestranda da REDEMAT/UFOP

Fernando Gabriel da Silva Araújo Professor Adjunto do DEFIS/ICEB/UFOP e da REDEMAT/UFOP

André Barros Cota

Professor Adjunto do DEFIS/ICEB/UFOP e da REDEMAT/UFOP E-mail: abcota@iceb.ufop.br

Metalurgia & Materiais

REM: R. Esc. Minas, Ouro Preto, 58(1): 51-56, jan. mar. 200552

Efeito da rápida austenitização sobre as propriedades mecânicas de um aço SAE1045

1. Introdução

A formação da austenita é uma ocorrência inevitável durante os tratamentos termomecânicos e soldagem dos aços. O fenômeno de austenitização tem sido estudado por alguns pesquisadores, que procuram desenvolver modelos para explicar a cinética de austenitização no aquecimento isotérmico e não isotérmico, a partir de uma dada microestrutura ou de microestruturas dissimilares (perlítica, martensítica, ferrítica, ferrita + perlita[1,2,3,4]).

A condição inicial da austenita determina o desenvolvimento da microestrutura final e, conseqüentemente, das propriedades mecânicas finais do aço. Assim, o comportamento e as propriedades mecânicas dos aços dependem, não somente da natureza da decomposição da austenita no resfriamento contínuo (a fase final do aço), mas também da cinética de reaustenitização, ou seja, se a fase austenítica é homogênea ou heterogênea, e, ainda, de seu tamanho de grão, da taxa de aquecimento, da presença de inclusões não metálicas e da distribuição das fases[1].

Para os aços C-Mn temperados e revenidos, o estudo do efeito da rápida austenitização sobre as propriedades mecânicas é de grande interesse científico, devido aos poucos trabalhos encontrados na literatura, e também de grande interesse tecnológico, devido ao seu potencial uso na fabricação de tubos para prospecção[5].

Nesse trabalho, foi estudado o efeito da influência da rápida austenitização, de diferentes temperaturas de austenitização e de tempos de revenimento sobre a microestrutura final e propriedades mecânicas, avaliadas pela medição de dureza Vickers e por ensaios de tração, de um aço de SAE1045, temperado e revenido.

2. Procedimento experimental

O aço SAE1045, fornecido pela GE-

OSOL, foi recebido na forma de barras com seção retangular (5mmx10mm) e comprimento de 50mm e tem sua composição básica dada na Tabela 1. A microestrutura do aço como recebido é constituída essencialmente de ferrita e perlita, com dureza Vickers de 175.

Nos tratamentos térmicos de austenitização, têmpera e revenimento, utilizou-se um forno tubular com retorta de quartzo, na posição vertical, com módulo de controle de temperatura realizado por um microcomputador e atmosfera natural. O controle de temperatura foi feito com o auxílio de um termopar inserido nas amostras, do tipo K, chromelalumel, de 1,5mm de diâmetro, com isolamento mineral e revestimento de aço inoxidável, e com a aquisição dos perfis térmicos de aquecimento e resfriamento.

No processo de austenitização, escolheram-se as temperaturas de 900 e 950ºC, com intervalos de tempo de encharque de 0, 100 e 1800s. Foi determinado, para cada temperatura de austenitização utilizada e com um termopar inserido no centro da amostra, o intervalo de tempo para que a amostra atinja o equilíbrio térmico com o forno e, a partir desse valor, é que foi considerado o tempo de encharque. A taxa de aquecimento medida, entre 600 e 900ºC, para as duas temperaturas de austenitização, foi praticamente a mesma, ou seja, de 5,0ºC/s, sendo o intervalo de tempo de aquecimento de aproximadamente 150s.

As amostras temperadas foram revenidas a uma temperatura fixa de 600ºC, em tempos de 100 e 1800s, e em atmosfera natural.

A caracterização microestrutural das amostras foi desenvolvida através da microscopia ótica e microscopia eletrônica de varredura (MEV), em amostras atacadas com nital 2%.

As propriedades mecânicas das amostras foram avaliadas por ensaios de dureza Vickers, com carga de 98,1N, e de tração, realizados em corpos-de-prova usinados diretamente das amostras temperadas e revenidas, segundo norma ASTM[6] (2m de comprimento), a uma taxa de deformação de 0,015s-1, à temperatura ambiente.

3. Resultados e discussão

3.1 Amostras como temperadas

A Figura 1 mostra as fotomicrografias em MEV das amostras austenitizadas a 900 e 950ºC e temperadas após os tempos de encharque de 0 e 1800s. As Figuras 1(a) e 1(c) mostram que a microestrutura das amostras temperadas, ao atingir a temperatura de austenitização, é constituída de martensita refinada, devido ao pequeno crescimento dos grãos austeníticos, com pequena fração volumétrica de ferrita poligonal, e ferrita acicular. A ferrita acicular e poligonal se forma devido à baixa temperabilidade martensítica da austenita com pequeno tamanho de grão. Nas Figuras 1(b) e (d), observa-se que a microestrutura é essencialmente martensítica e mais grosseira.

A Figura 2 mostra a evolução do tamanho de grão austenítico com uma função de temperatura de austenitização e do intervalo de tempo de encharque. Observa-se que, a uma dada temperatura de austenitização, o tamanho de grão austenítico aumenta com o intervalo de tempo de encharque e que, para o mesmo tempo de encharque, o tamanho de grão austenítico aumenta com a temperatura de austenitização.

3.2 Amostras temperadas e revenidas

A influência da temperatura de austenitização, do tempo de encharque e do

Tabela 1 - Composição em % em peso do aço 1045.

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Cristiano Ramos Stein et al.

tempo de revenimento sobre a evolução microestrutural pode ser avaliada a partir dos valores de dureza Vickers das amostras temperadas e revenidas (Figura 3). Nessa Figura, verifica-se que os valores de dureza Vickers diminuem com o aumento do intervalo de tempo de revenimento, para todas as condições de austenitização. Como a temperatura de revenimento é fixa, 600ºC, essa redução de dureza está associada à precipitação de carbonetos da matriz martensítica supersaturada e ao fenômeno de recuperação, que tem como força motriz a energia de deformação associada à densidade de discordâncias geradas na transformação martensítica.

A amostra austenitizada a 900ºC, com um tempo de aquecimento de aproximadamente 150s e tempo de encharque de 0s, tem uma dureza Vickers de 414, para o intervalo de tempo de revenimento de 100s a 600ºC. Esse resultado é muito próximo do valor médio de dureza Vickers obtido por Ferreira et al.[5], 407, na condição mais adequada à produção de hastes de perfuração para sondagem geológica, utilizando o aço SAE1045.

A Figura 4 mostra o limite de resistência (LR) das amostras temperadas e revenidas, para os dois tempos de revenimento a 600ºC, como uma função do tempo de encharque. Para o tempo de encharque de 0s, ou seja, têmpera após a amostra atingir a temperatura de austenitização, verifica-se que o limite de resistência da amostra austenitizada a 900ºC é maior que a da amostra austenitizada a 950ºC. Esse fato pode ser explicado pelo maior tamanho de grão austenítico da amostra austenitizada a 950ºC em comparação com a amostra austenitizada a 900ºC. Na têmpera, a martensita oriunda da austenita possui tamanho médio dos seus pacotes relacionado com o tamanho médio dos grãos austeníticos. Assim, quanto menor o tamanho médio do grão austenítico, menor será o tamanho médio dos pacotes de martensita, resultando em um maior limite de resistência.

Para o tempo de encharque de 100s, verifica-se que a temperatura de austen-

Figura 1 - Fotomicrografias em MEV das amostras austenitizadas 900ºC e temperadas após o tempo de encharque de (a) 0s e (b) 1800s; austenitizadas 950ºC e temperadas após o tempo de encharque de (c) 0s e (d) 1800s. Ataque com nital 2%. FP - ferrita poligonal; FA - ferrita acicular.

Figura 2 - Evolução do tamanho de grão austenítico médio com o tempo de encharque, para as temperaturas de austenitização de 900 e 950ºC.

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Efeito da rápida austenitização sobre as propriedades mecânicas de um aço SAE1045 tização não influenciou o limite de resistência das amostras. O aumento do tempo de encharque, antes da têmpera, aumenta o tamanho de grão austenítico para uma dada temperatura de austenitização (Figura 2), aumentando a temperabilidade martensítica. Para o tempo de encharque de 100s, a microestrutura é essencialmente martensítica, o que resulta em um maior limite de resistência, quando comparado com as amostras austenitizadas e temperadas imediatamente após atingir a temperatura de austenitização.

Para o tempo de encharque de 1800s, o limite de resistência da amostra austenitizada a 950ºC e temperada, praticamente, não se altera com o aumento do tempo de encharque de 100s para 1800s. A amostra austenitizada a 900ºC apresenta uma redução no limite de resistência quando o tempo de encharque aumenta de 100 para 1800s, devido ao aumento do tamanho de grão austenítico e, conseqüentemente, em maiores pacotes de martensita na estrutura após a têmpera[7}.

A Figura 5 mostra o limite de escoamento (LE), medido a 0,2% de deformação plástica, das amostras temperadas e revenidas como uma função do tempo de encharque, para os dois tempos de revenimento a 600ºC. Essa figura mostra que o limite de escoamento tem um comportamento similar ao do limite de resistência (Figura 4).

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