Relatório de Laboratório de Materiais (OBS.: Nota 9.5)

Relatório de Laboratório de Materiais (OBS.: Nota 9.5)

UNIVERSIDADE DE PASSO FUNDO

FACULADE DE ENGENHARIA E ARQUITETURA

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

RELATÓRIO DE LABORATÓRIO DE MATERIAIS

Disciplina: MEC 008- Laboratório de Materiais

Acadêmicos: Douglas Alves e Jean Becker

Professor: ­­­­­­­­­­­­­­­­­­Luiz Airton Consalter

Data: 23/06/2009

  1. Introdução/ objetivo

Este trabalho tem o objetivo de avaliar o efeito de diferentes velocidades de resfriamento sobre a transformação da austenita nas amostras de aços ABNT 1020, ABNT 1045, ABNT 8640 e VC131*, que serão aquecidos em torno de 50 a 80 ºC acima da temperatura de austenitização (727 ºC), durante quinze minutos e submetidos a diferentes velocidades de resfriamento, entre elas: têmpera em água, salmoura (água e sais), óleo, ar e também através do ensaio de temperabilidade Jominy. Após isso as amostras serão lixadas e submetidas ao teste de dureza superficial em um durômetro, e também será feita a análise metalográfica de outras amostras buscando avaliar e identificar suas microestruturas.

* (VC131 será aquecido por volta de 180 ºC acima da temperatura de austenitização, por causa de seus elementos de liga que deslocam a curva de inicio da formação da austenita para cima.)

2 – Materiais

Os seguintes tipos de aços foram estudados: aços do tipo ABNT 8640, ABNT 1020, ABNT 1045, aço liga do tipo VC 131, ferro fundido branco, nodular, cinzento e maleável, cujas composições químicas são apresentadas na tabela 1.

Aço

C

Mn

S

P

Cr

Ni

Si

W

V

Mo

ABNT 8640

0,38 0,43

0,75-1,00

0,04

0,03

0,4

0,6

0,4

0,7

0,15

0,35

-

-

0,15 0,25

ABNT 1020

0,18 0,23

0,3-0,6

0,05

0,03

-

-

-

-

-

-

ABNT 1045

0,4 - 0,5

0,6-0,9

0,05

0,03

-

-

-

-

-

-

VC131

2,1

0,3

-

-

11,5

-

-

0,7

0,2

-

FOFO

BRANCO

1,8 - 3,6

0,25-0,8

0,06-0,20

0,06 - 0,20

-

-

0,5-1,9

-

-

-

FOFO NODULAR

3,0 - 4,0

0,10-1,00

0,01-0,03

0,01-0,10

-

-

1,8-2,8

-

-

-

FOFO MALEÁVEL

2,2 - 2,9

0,15-1,20

0,02-0,20

0,02-0,20

-

-

0,9-1,9

-

-

-

FOFO CINZENTO

2,5 - 4,0

0,20-1,00

0,02-0,25

0,02-1,00

-

-

1,0-3,0

-

-

-

Tabela 1 – Composição química dos aços (% em peso).

2.1 – Equipamentos

Para o experimento em questão foram utilizados os equipamentos abaixo:

- Aparelho para ensaio de temperabilidade Jominy;

- Durômetro; - Forno tipo mufla;

- Lixas d’água com granulometria tipo 180 a 1000; - Microscópio Óptico;

- Luvas; - Politriz;

- Óculos de proteção; - Relógio Comparador;

- Avental de couro; - Alicate.

2.2 – Métodos

Para o procedimento: efeito da velocidade sobre a transformação da austenita.

Foram recebidas amostras de aço 1020 e 1045 e colocadas no forno tipo mufla a uma temperatura de 850°C acima da linha de austenitização e deixadas por aproximadamente 15 minutos. Passado esse tempo foram retiradas as amostras e umas a uma foram resfriadas com sais, água, óleo, ao ar. Após atingirem a temperatura ambiente, foram realizadas análises visuais. As amostras foram então, limpas através do uso de lixas d’água de granulometria 180 até 1000, gradativamente da menor ate a maior granulação, sendo retirada assim a camada de óxidos das amostras nas superfícies onde seriam realizadas as medições de dureza com ponteira piramidal de diamante, para os aços resfriados na água, sais e óleo, e ponteira esférica com aço endurecido para os aços resfriados ao ar.

Para o procedimento: têmpera – efeito da composição química sobre a transformação da austenita.

Foram recebidas quatro amostras de aço ABNT 8640 e quatro amostras de aço VC 131 para a realização do procedimento. Após, as oito amostras foram colocadas no forno para atingirem uma temperatura pouco acima da de austenitização (800ºC) e no caso do aço VC131 o aquecimento foi de 900 ºC - devido à sua composição química possuir mais elementos de liga -, durante quinze minutos. Depois disso realizaram-se quatro procedimentos de resfriamento para os aços, partindo do resfriamento em água, em salmoura, em óleo e ao ar livre. As amostras foram então limpas através do uso de lixas d'água de granulométrica 180 à 1000, gradativamente da menor ate a maior granulação, sendo retirada assim a camada de óxidos das amostras nas superfícies onde seriam realizadas as medições de dureza. Posteriormente foram realizadas três medições de dureza com ponteira piramidal de diamante com carga de 10Kg em cada uma das amostras, tendo sido estas realizadas com durômetro de bancada.

Para o procedimento: temperabilidade – ensaio Jominy.

Foram recebidos três corpos de prova padronizados com uma polegada de diâmetro por quatro polegadas de comprimento para serem aquecidos até a temperatura de austenitização (850ºC) e submetidos ao resfriamento por um jato de água pelo dispositivo de resfriamento Jominy, sob condições controladas de quantidade, pressão e temperatura contra uma de suas extremidades, conforme representado na figura 1. A temperabilidade foi avaliada através da análise da profundidade da camada temperada em uma escala de 1/16 avos de polegada até a sexta medição e 2/16 avos de polegada até a décima segunda medição, com ponteira de diamante cônica, que se dá pela distância até o ponto onde incide o jato d’água. Verificou-se a distância da extremidade esfriada até a zona de meia dureza, percebendo-se que quanto mais longe da extremidade resfriada menor é a dureza.

Figura 1 – Aparelho para ensaio de temperabilidade Jominy.

Para o procedimento: análise micrográfica.

Foram recebidas amostras de aço carbono já tratadas termicamente e ferros fundidos com e sem embuti mentos para serem lixadas até terem sua superfície lisa. Após foram polidas em uma politriz na qual adicionou-se um composto de alumina líquida para ter melhor acabamento, obtendo como resultado uma superfície espelhada. As amostras foram levadas ao microscópio para análise das suas microestruturas. Após, as amostras foram atacadas com um reativo de Nital 2% para uma melhor análise micro estrutural, e em seguida foram novamente observadas no microscópio com uma resolução de 100x até 1000x para comparar os efeitos ocorridos na microestrutura após os ataques.

3 – Resultados

A tabela 2 apresenta os resultados de dureza obtidos para as amostras dos dois diferentes tipos de aço ABNT 8640 e VC131 submetidos as diferentes velocidades de resfriamento.

Aço

Meio de Resfriamento

Valores Vickers

(HV)

Média de Dureza

(HV)

 

ABNT 8640

Como fornecido

215 / 205 / 210

210,00

Água

500 / 450 / 460

470,00

Água+Sal

440 / 430 / 460

443,33

Óleo

410 / 400 / 410

406,66

Ar

245 / 235 / 217

232,33

 

VC 131

Como fornecido

200 / 205 / 210

205,00

Água

660 / 640 / 640

650,00

Água+Sal

660 / 660 / 660

660,00

Óleo

660 / 660 / 660

660,00

Ar

600 / 640 / 600

613,33

 

ABNT 1070

Como fornecido

250 / 250 / 245

248,33

Água

560 / 550 / 550

553,33

Água+Sal

580 / 560 / 580

546,66

Óleo

530 / 580 / 530

546,66

Ar

245 / 245 / 240

243,33

Tabela 2 – Resultados de dureza obtida nos ensaios.

A tabela 3 apresenta os resultados de dureza obtidos para as amostras dos dois diferentes tipos de aços ABNT 1020 e ABNT 1045 submetidos as diferentes velocidades.

           Aço

Meio de resfriamento

        Valores de resfriamentos (escala HV)

Média de dureza

ABNT 1020

Normalizada (ar)

138 / 133 / 130

133,66

Tempera em óleo

185 / 200 / 200

195,00

Tempera em água

300 / 260 / 260

273,33

Tempera em sais

272 / 280 / 260

270,66

ABNT 1045

Normalizada (ar)

190 / 210 / 205

201,66

Tempera em óleo

470 / 481

475,50

Tempera em água

600 / 550 / 550

566,66

Tempera em sais

580 / 580 / 520

560,00

Tabela 3 – Resultados de dureza das amostras.

A tabela 4 apresenta os resultados de dureza obtidos para as amostras dos diferentes tipos de aço ABNT 8640, ABNT 1045 e ABNT 1020 submetidas ao resfriamento pelo método Jominy.(Ver gráfico 1).

Material (mm)

1,58

3,2

4,75

6,32

7,9

9,5

12,64

15,8

18,96

22,12

25,28

28,44

ABNT 1020

250

235

230

200

180

165

160

155

155

145

135

135

VC 131

680

680

640

620

620

600

580

580

560

560

550

520

ABNT 8640

550

530

520

550

500

490

440

375

295

280

270

255

ABNT 1045

620

580

480

272,5

245

240

235

225

220

218

-

-

Tabela 4 – Resultados de dureza obtida nos ensaios Jominy, transformados para Vickers já com suas devidas correções.

No gráfico abaixo se pode analisar melhor a profundidade de têmpera de cada material.

Gráfico 1: O gráfico apresenta dados referente à variação na profundidade de têmpera nos aços temperados pelo método Jominy.

Análises Micrográficas

Como se pode ver na figura abaixo, este ferro fundido cinzento apresenta veios de grafita do tipo E6.

Figura 2 - Ferro fundido cinzento antes do ataque com nital (aumento 200x).

Analisando as demais regiões da amostra pôde-se verificar uma trinca devido ao possível tipo de grafita E, que favorece o caminho para trinca.

Figura 3 – Ferro fundido cinzento antes do ataque, com uma pequena trinca (aumento de 100x).

Ferro fundido cinzento após ataque com Nital. Notam-se os constituintes ferrita (mais claro), perlita, e grafita (em forma de veios).

Figura 4 – Ferro fundido cinzento após ataque com Nital (aumento 1000x).

Aço ABNT 1045 normalizado antes do ataque com Nital.

Figura 5 – Aço ABNT 1045 antes do ataque com Nital (aumento 100x).

Aço ABNT 1045 normalizado após ataque com Nital. Nota-se aos micro constituintes perlita e ferrita.

Figura 5 – Aço ABNT 1045 normalizado após ataque com Nital (aumento 100x)

4 – Discussão

De acordo com a literatura (Chiaverini, Vicente e Colpaert, Hubertus), depois de atingida a temperatura de austenitização tem-se uma total dissolução do carboneto de ferro no ferro gama: essa austenitização é o ponto de partida para as transformações posteriores desejadas, as quais ocorrerão em função da velocidade de resfriamento adotada.

Analisando os resultados de dureza da tabela 2 para o aço VC 131 e ABNT 8640 foi possível observar primeiramente que:

O aço VC 131 resfriado drasticamente torna-se mais duro, consequentemente mais frágil, devido a essa característica é muito utilizado na indústria como aço ferramenta. Além disso, percebe-se que no mesmo pode-se obter uma dureza desejável até mesmo resfriado ao ar. Já o aço ABNT 8640 apresentou níveis muito inferiores ao aço VC 131, o que lhe confere maior ductilidade e maior tenacidade sendo menos frágil que o aço VC 131.

Analisando a tabela 3, sobre os aspectos de dureza dos aços ABNT 1020 e ABNT 1045, pode-se observar que o aço ABNT 1045 sempre obteve uma maior dureza que o aço ABNT 1020 em todos os meios de resfriamento, sendo aplicados na indústria de fabricação de eixos, bases para matrizes e na indústria automobilística.

Analisando a tabela 4 verificou-se que quanto mais longe da extremidade resfriada menor é a dureza, sendo que a partir da zona de meia dureza os índices se tornam constantes, com isso na extremidade resfriada se concentra a maior dureza no material.

Os aços compostos com vários elementos de liga deslocam as curvas T.T.T. para a direita, aumentando o tempo para a transformação e afetam a parte isotérmica dos diagramas de transformação como também a reação de formação da martensita.

Em relação ao tamanho de grão da austenita verifica-se que quanto maior o tamanho de grão, mais atrasada será a formação de perlita que se formará nos contornos de grão da austenita.

Analisando as micrografias, percebe-se fato importante em relação ao ferro fundido cinzento. Onde o qual apresenta tipo de grafita E, que favorece o aparecimento de trincas, devido suas formas alinhadas. Através de análises pôde-se verificar que o mesmo continha uma trinca, confirmando dados da literatura.

5 – Conclusão

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.

6 – Referências Bibliográficas

1- Chiaverini, V. Aços e Ferros Fundidos.

2- Colpaert, U. Metalografia dos produtos Siderúrgicos.

3- ASTM; ASTM Handbook – Vol. 9; ASTM; 1995.

Adendum

Efeito da Velocidade de Resfriamento sobre a transformação da austenita.

1- Qual o principal efeito do aumento da velocidade de resfriamento sobre a microestrutura do aço?

R: Se o aço for esfriado rapidamente, não haverá tempo suficiente para uma completa movimentação atômica e as reações de transformação da austenita se modificam, podendo mesmo deixar de se formar os constituintes normais, como a perlita. E surgem novos constituintes de grande importância para a aplicação dos aços. A estrutura fica dura e quebradiça (aço duro e frágil).

2- Quais os cuidados que deve se tomar durante o aquecimento das amostras?

R: Deve-se aquecer no máximo a 50°C acima da linha de transformação da austenita, não aquecer demais a amostra evita o crescimento de grão, oxidação e também a descarbonetação do material.

3- Quais os critérios para a escolha da melhor temperatura de austenitização?

R: Quanto mais longo o tempo à temperatura considerada de austenitização, tanto mais completa a dissolução de carboneto de ferro ou elementos de liga no ferro gama, porém resulta em um tamanho de grão maior, o que é prejudicial. Diante disso é preferível uma temperatura ligeiramente mais elevada, do que um longo tempo a uma temperatura inferior, devido a maior mobilidade atômica. Resumidamente, o tempo deve ser pelo menos o suficiente a se obter uma uniformização através de toda a seção da peça.

4- Quais os inconvenientes de se utilizar uma temperatura muito alta ou um tempo de permanência excessivo no aquecimento?

R: Pode ocorrer a oxidação, descarbonetação e também o crescimento de grão na peça.

Análise micrográfica:

1- Qual a microestrutura esperada para os aços hipoeutetóides recozidos?

R: Perlita grosseira

2- Qual a microestrutura esperada para os aços hipoeutetóides normalizados?

R: Ferrita e perlita fina ou cementita e perlita fina.

3- Qual a microestrutura esperada para os aços hipoeutetóides temperados em água?

R: Martensita, devido a queda brusca de temperatura.

4- Qual a microestrutura esperada para os aços hipoeutetóides temperados em óleo?

R: Perlita mais Martensita, devido ao resfriamento mais brando.

5- Qual a microestrutura esperada para os ferros fundidos brancos?

R: Perlita e Ledeburita.

6- Qual a microestrutura esperada para os ferros fundidos modulares?R: Nódulos de grafita esferoidal.

7- Qual a microestrutura esperada para os ferros fundidos cinzentos?

R: A microestrutura predominante é a presença de carbono livre ou grafita lamelar (quanto maior a quantidade mais mole e menos resistente será o material).

8- Qual a microestrutura esperada para os ferros fundidos maleáveis?

R: Grafita na forma de nódulos e ferrita.

Tempera – Efeito da Composição Química sobre a transformação da austenita.

  1. Qual o principal efeito do aumento do teor de carbono sobre a posição das curvas T.T.T?

R: As curvas se deslocam para a direita, ou seja, retarda-se o processo de transformação da austenita.

2- Qual a tendência de distribuição dos elementos de liga no aço VC131?

R: Dissolver-se na ferrita, formar carbonetos, formar inclusões não metálicas.

3- Qual é o critério para a escolha da temperatura de austenitização dos aços – carbono hipoeutetóides?

R: Admite-se um aquecimento máximo de 50ºC acima da linha A3, pois com um aquecimento em temperatura alta e menos tempo o que pode ocorrer é uma certa quantidade de carbonetos não dissolvidos, o que é menos prejudicial que o crescimento de grão da austenita.

4- Qual é o critério para a escolha da temperatura de austenitização dos aços – carbono hipereutetóides?

R: É realizado um aquecimento acima da linha A1 não se devendo atingir ou ultrapassar a linha ACM, porque no resfriamento lento posterior forma-se nos contornos de grão da austenita um invólucro contínuo e frágil de carbonetos, o que iria conferir excessiva fragilidade aos aços.

5- Por quê a temperatura de austenitização do aço VC131 é maior que a dos aços carbono?

R: Porque o aço VC131 possui mais elementos de liga, ou seja, quanto mais elementos, mais lento o processo de austenitização.

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