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ESTUDO DO TRATAMENTO TÉRMICO SOBRE A CONFORMAÇÃO DO AÇO 10451

Buerger, G. R.; Domingues, T. G.; José, D. R.; Manske, G. A.; Oliveira, R. D.; Vieira, L. N.2

Universidade do Estado de Santa Catarina - UDESC/CCT C P 631 – CEP 89223-100 – Joinville- SC

Resumo

Este trabalho tem por objetivo estudar o comportamento da conformação do aço 1045 quando submetido à diversos tratamentos térmicos. Diversas amostras foram submetidas aos seguintes tratamentos: normalização, recozimento, têmpera à óleo e têmpera a salmoura. Através dos ensaios mecânicos de compressão e dureza, suas propriedades foram comparadas entre si e com as propriedades das amostras não-tratadas. Metalografias foram realizadas para caracterizar a micro-estrutura das amostras a fim de validar os tratamentos térmicos realizados e analisar as amostras no estado pós-conformadas. As amostras temperadas obtiveram alta dureza, e a têmpera a óleo apresentou uma taxa de compressão de 22%. A amostra não tratada e as amostras recozidas e normalizadas plenamente apresentaram taxas de compressões similares, em torno de 75%. Palavras chaves: tratamento térmico, conformação mecânica, aço SAE 1045.

Abstract This paper has the objective to study the behavior of 1045 steel when submitted to several heat treatments. Several samples were submitted to the following heat treatments: normalizing, full annealing, oil tempering and brine tempering. Through mechanical tests of compression and hardness, the specimen’s properties were compared among each other and with the non-treated samples. Metallographies were made to characterize their micro-structures, in order to validate the heat treatments made and to analyze the post-conformed specimens state. The tempered samples have shown high hardness, and the oil tempering process influenced the deformation significantly, yielding a compression rate of 22%. The non-treated sample and the annealed and normalized samples presented similar compression rates, around 75%.

Key-words: heat treatment, metalworking processes, 1045 SAE steel.

(1) Trabalho apresentado na disciplina de Processos de Fabricação, do curso de graduação em Engenharia Mecânica da Fundação Universidade do Estado de Santa Catarina.

(2) Alunos do curso de graduação em Engenharia Mecânica da Fundação Universidade do Estado de Santa Catarina.

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1) INTRODUÇÃO :

Em diversas aplicações os materiais fornecidos por processos de produção convencionais possuem características inadequadas que podem influenciar negativamente o seu desempenho e até mesmo comprometê-lo. Empenamentos, tensões internas e estruturas indesejadas surgem com frequência e afetam as propriedades do material. Para solucionar esses problemas alguns tratamentos térmicos podem ser empregados, envolvendo aquecimento e resfriamento subsequente, dentro de condições controladas de temperatura, tempo, ambiente de aquecimento e velocidade de resfriamento [1]. Na maioria dos casos os tratamentos térmicos são aplicados a ligas Fe-C, em especial aos aços.

Com 0,45% de carbono em sua composição, o aço SAE 1045 é classificado como aço de médio teor de carbono com boas propriedades mecânicas e tenacidade bem como boas usinabilidade e soldabilidade quando laminado a quente ou normalizado [2]. As suas aplicações compreendem eixos, peças forjadas, engrenagens comuns, componentes estruturais e de máquinas, virabrequim [3].

O objetivo do presente trabalho é o estudo dos efeitos de diferentes tratamentos térmicos, a saber, têmpera, recozimento e normalização no aço SAE 1045.

A realização dos tratamentos térmicos exige o conhecimento da curva TTT do material, que relaciona as principais variáveis deste com o comportamento da microestrutura; conforme exibido na Figura 1.1.

Figura 1.1: Diagrama TTT do Aço SAE 1045

A têmpera consiste em resfriar o aço, após austenitização, a uma velocidade suficientemente rápida para evitar as transformações perlíticas e bainíticas na peça em questão. Deste modo, obtém-se a estrutura metaestável martensítica. Uma célula unitária dessa estrutura cristalina consiste simplesmente em um cubo de corpo centrado que foi alongado em uma das suas dimensões. Muito diferente da ferrita CCC, todos os átomos de carbono permanecem como impurezas intersticiais na martensita, restringindo dessa maneira o movimento de discordâncias [4].

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Enquanto a têmpera consiste em realizar um resfriamento rápido para obtenção de um novo arranjo cristalino, o recozimento visa eliminar quaisquer tratamentos mecânicos e térmicos a que o material tenha sido anteriormente submetido. A temperatura de recozimento pode variar de acordo com a sua finalidade que são: recozimento total, recozimento para alívio de tensões e esferoidização. Os principais objetivos alcançados são remoção de tensões, diminuição da dureza, melhora da ductilidade, ajuste do tamanho de grão, produção de estruturas definidas entre outras. De modo geral, em todos os processos de recozimento o material é submetido a uma temperatura elevada por um período de tempo prolongado, sendo ele então resfriado lentamente.

A normalização é um tratamento muito semelhante ao recozimento, pelo menos quanto aos seus objetivos. A diferença consiste no fato de que o resfriamento posterior é menos lento ao ar, por exemplo, resultando assim numa estrutura cristalina mais fina do que a produzida no recozimento, e consequentemente propriedades mecânicas superiores [1]. Tem-se que a normalização é geralmente obtida a temperaturas de 55 a 85 °C acima da temperatura crítica superior e mantido por tempo suficiente até que a liga seja completamente transformada em austenita. O tratamento é então encerrado pelo resfriamento, normalmente ao ar [4].

Neste trabalho o aço SAE 1045 foi submetido aos tratamentos de têmpera, recozimento e normalização e após caracterização seus valores de dureza foram determinados. Realizaram-se também ensaios de compressão para verificar o comportamento aos tratamentos térmicos realizados mediante comparação.

2)METODOLOGIA EXPERIMENTAL :

2.1 Tratamentos Térmicos Os tratamentos térmicos foram realizados em um forno mufla convencional no

Laboratório de Tratamentos Térmicos da UDESC/Joinville. Para tal, as amostras foram envolvidas em arame e submersas em um granulado com pequeno teor de carbono, a fim de evitar a descarbonetação da superfície.

A têmpera foi realizada a 880 °C, com 20°C/min de taxa de aquecimento e 40 min no patamar de temperatura máxima, respeitando a recomendação de 1h por polegada de seção transversal de material [2]. Foram utilizados dois meios de resfriamento: óleo e salmoura. O resfriamento em óleo apresenta menor taxa de resfriamento, ao passo que a salmoura é o meio mais severo dentre os comumente usados [1], fato que se deve à redução dos primeiro e segundo estágios da têmpera, no qual há formação de filme e bolhas de vapor sobre a peça, respectivamente [5]. No meio de salmoura foi utilizado 10% de massa de sal de cozinha.

Para o recozimento a temperatura usada foi 830 °C, com taxa de aquecimento de 20 °C/min e 40 min sob a temperatura de recozimento. O resfriamento lento dentro do forno atende às recomendações, com um valor na ordem de 25°C/h [5].

O tratamento de normalização utilizou temperatura de 880°C na qual as amostras permaneceram por 40 min após aquecimento de 20 °C/min. Depois de retiradas do forno, as amostras foram resfriadas ao ar sobre uma base de concreto.

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2.2 Amostras As amostras foram usinadas de uma barra cilíndrica laminada a quente,

comumente comercializada, de modo a ficar com 10 mm de diâmetro e 20 mm de comprimento. A composição avaliada por espectroscopia em uma amostra com diâmetro maior revelou a seguinte composição, apresentada na Tabela 2.1:

Tabela 2.1: Composição química das amostras,

Elemento %

C 0,45618 Si 0,20512

Mn 0,55030 P 0,02658 S 0,01522

2.3 Conformação Dois grupos de amostras foram formados. Ambos foram submetidos aos

tratamentos térmicos mencionados, mas apenas um deles foi conformado, para posterior comparação dos resultados.

Foi utilizada uma máquina universal de ensaios mecânicos (Figura 2.3.1) para conformar as amostras, sendo que a carga utilizada foi de 300 kN com uma taxa de deslocamento de 5 mm/min. Empregou-se lubrificante sólido nas faces dos corpos de prova para garantir uma melhor qualidade nas conformações.

Figura 2.3.1: Máquina de ensaios universais

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As dimensões das amostras foram medidas antes e depois da conformação e foi calculada a taxa de conformação para cada amostra com a seguinte equação:

0

l

lε ∆=

sendo ε a taxa do conformação, l∆ a variação de comprimento no ensaio de compressão e 0l o comprimento inicial da amostra.

2.4 Metalografia Com a conclusão dos processamentos térmicos e mecânicos, as amostras foram

embutidas em baquelite, lixadas e polidas (0,3 µm) e atacadas com Nital 1%. Foram tiradas fotos das microestruturas reveladas através de microscopia ótica.

A metalografia das amostras conformadas foi feita na sua seção transversal a fim de mostrar a orientação dos grãos devido ao trabalho a frio. A metalografia das amostras restantes foi feita na sua face circular.

2.5 Ensaios de Dureza Ensaios de dureza Rockwell foram realizados nas amostras a fim de analisar o

efeito dos tratamentos térmicos e da conformação mecânica. 3) RESULTADOS E DISCUSSÃO

3.1 Taxa de conformação Para cada amostra foi calculado a taxa de conformação, como mencionado

anteriormente. Os resultados estão contidos na tabela 3.1.

Tabela 3.1: Taxas de conformação das amostras estudadas,

Amostra Taxa de Conformação

Bruta 65,60% Recozida 69,00% Normalizada 66,50% Têmpera Salmoura 12,20% Têmpera Óleo 22,00%

A tabela 3.1 mostra que as amostras temperadas em salmoura e em óleo sofreram

pouca deformação, se comparadas às outras. Observa-se um fenômeno interessante na amostra temperada a óleo: apesar de apresentar uma dureza comparável à amostra temperada em salmoura [Tabela 3.2], sua taxa de conformação foi muito superior. Houve rompimento, inclusive, desta mesma amostra ao final do ensaio, mostrada na Figura 3.1.1.

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Figura 3.1.1: Rompimento da amostra temperada em óleo durante a conformação

realizada.

Como pode ser visto ainda na tabela 3.1, a taxa conformação das amostras não temperadas são similares. A maior taxa de conformação obtida provém do tratamento de Recozimento pleno, conforme o esperado segundo a literatura.

Figura 3.1.2: Gráfico comparativo entre os ensaios de compressão.

A figura 3.1.2 mostra os resultados dos ensaios de compressão realizados na máquina universal de ensaios mecânicos. Como pode ser observado, a amostra que apresentou a maior taxa de deformação foi a que sofreu o tratamento térmico de recozimento pleno. Em seguida tem-se a amostra normalizada, seguida da amostra bruta. Essas três mantiveram patamares similares de conformabilidade. Vê-se que os tratamentos de têmpera conferem ao material uma alta resistência mecânica e uma grande região elástica. A taxa de conformação demonstrado por estas últimas é muito inferior quando comparada às restantes.

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3.2 Dureza Rockwell A tabela 3.2 apresenta os valores de dureza obtidos na escala Rockwell B.

Tabela 3.2: Durezas obtidas em ensaios de dureza Rockwell B.

Tratamento Térmico

Sem

tratamento Recozimento Normalização Têmpera em

salmoura Têmpera em

óleo

Amostras não conformadas

58 59 65 120 119

Amostras conformadas

104 100 103 119 118

Os valores da tabela 3.2 estão demonstrados graficamente na figura 3.2, a seguir:

Figura 3.2: Gráfico dos valores de dureza Rockwell B das amostras. A figura 3.2 mostra a diferença substancial entre as durezas das amostras sem

tratamento, recozidas e normalizadas, o que indica a presença de encruamento, evidenciado também pelas grandes taxas de conformações presentes nessas amostras. Por outro lado, as amostras temperadas apresentaram pouca diferença na dureza, o que condiz com o pequeno encruamento obtido na conformação das mesmas.

Comparando os valores da figura 3.2 tomando como parâmetro o tratamento térmico realizado, nitidamente se percebe uma diferença de microestruturas, como será explicitado a diante. A martensita, resultado dos tratamentos de têmpera, tem dureza mais elevada que grãos de perlita grosseira ou fina em matriz ferrítica, característica dos tratamentos de recozimento e normalização para esse material. O efeito é uma dureza muito maior para as amostras temperadas, como pôde ser observado. As amostras sem tratamento tem origem num processo de trabalho a quente e portanto também possuem dureza inferior às temperadas, com uma estrutura de grãos de perlita em matriz ferrítica.

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3.3 Metalografia A figura 3.3 mostra a microestrutura do aço SAE 1045 na condição bruta, como

fornecida pelo fabricante.

Figura 3.3: Amostra de SAE 1045 no estado bruto, atacada em Nital 1%. Ampliação de 500x.

Pode-se ver a matriz ferrítica, a parte clara, e os grãos de perlita, a parte escura. A

equiaxidade dos grãos mostra que não houve trabalho mecânico a frio nessa direção. Na figura 3.4 tem-se a mesma condição sem tratamento térmico de uma amostra

conformada.

Figura 3.4: Amostra de SAE 1045 sem tratamento térmico, conformada, atacada em Nital 1%. Ampliação de 500x.

Tem-se a mesma microestrutura da amostra bruta da figura 3.3, no entanto fica

claro a orientação dos grãos, não mais equiaxiais, consequência do trabalho a frio realizado.

Os tratamentos de recozimento são mostrados nas figuras 3.5 e 3.6, respectivamente. A figura 3.5 apresenta o estado sem conformação, enquanto na figura 3.6 tem-se conformação mecânica a frio.

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Figura 3.5: Aço SAE 1045 recozido, atacado em Nital 1%. Aumento de 500x.

Figura 3.6: Aço SAE 1045 recozido, conformado a frio, atacado em Nital 1%. Aumento de 500x.

Confirmando o grande encruamento presente nas amostras recozidas pode-se ver a

orientação dos grãos na figura 3.6, enquanto que na figura 3.5 os grãos estão, de uma maneira geral, equiaxiais. Comparando as microestruturas das amostras recozidas e sem tratamento (figuras 3.5 e 3.3, respectivamente) percebe-se que os grãos obtidos no recozimento são menores que no estado bruto. Isso se deve à recristalização que acontece ao fim da austenitização do processo de recozimento. O surgimento de novos e pequenos grãos faz com que se tenham grãos menores que no estado bruto. Um subsequente crescimento de grãos aconteceria caso o tempo de recozimento fosse estendido além do empregado.

A seguir, as figuras 3.7 e 3.8 mostram as microestruturas formadas nos tratamentos de normalização. Na figura 3.7 tem-se uma amostra normalizada antes da conformação. O estado após conformada está apresentado na figura 3.8.

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Figura 3.7: Metalografia de um aço SAE 1045 normalizado e atacado em Nital 1%. Ampliação de 500x.

Figura 3.8: Metalografia de um aço SAE 1045 normalizado, conformado e atacado em Nital 1%. Ampliação de 500x.

Como nos outros casos anteriores, está clara a presença de encruamento na figura

3.8, deixando os grãos alongados em uma direção. Um resultado plausível se comparado à tabela 3.1 que mostra uma taxa de compressão significativa para as amostras normalizadas.

Vê-se também, no estado apenas normalizado (figura 3.7), grãos menores que no estado bruto (figura 3.3) e que no estado recozido (figura 3.5). Isso se deve ao início do processo de recristalização que, assim como no recozimento, está presente na normalização, logo após a austenitização completa da estrutura cristalina do aço. Como o resfriamento do recozimento é mais lento, dentro do forno, as altas temperaturas favoreceram um crescimento de grão não notado na normalização, na qual a taxa de resfriamento é mais alta uma vez que as amostras são resfriadas ao ar quiescente.

A diferença entre as taxas de resfriamento da normalização e do recozimento implicam em estruturas distintas para cada um desses tratamentos. O recozimento favorece a formação de perlita grosseira que consiste em lamelas espessas tanto de ferrita quanto de cementita. Elevadas taxas de difusão estão associadas às temperaturas de transformação isotérmica inerentes ao processo de recozimento, permitindo que os átomos de carbono percorram distâncias relativamente longas, o que resulta na

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formação de lamelas grossas. Com a diminuição da temperatura, a taxa de difusão do carbono diminui, e as camadas se tornam progressivamente mais finas. Essa estrutura é chamada de perlita fina e é obtida com o tratamento térmico de normalização [4]. Tal disparidade é pouco visível nas fotos das micrografias, possibilitando apenas notar que na normalização (figura 3.7) as lamelas de perlitas são tão finas que não são visíveis na ampliação de 500x. No entanto, a tabela que contém os valores de dureza, tabela 3.2, torna mais clara a diferença. Uma estrutura perlítica com lamelas mais finas possuem maior dureza que ume perlita grosseira, como pôde ser visto.

O tratamento térmico de têmpera em salmoura forneceu estrutura martensítica ao aço SAE 1045, como mostra a figura 3.9.

Figura 3.9: Metalografia de um aço SAE 1045 temperado em salmoura e atacado

em Nital 1%. Ampliação de 500x. A estrutura em forma de agulhas é a martensita, uma estrutura tetragonal de corpo

centrado, muito dura, produto da têmpera. As suas propriedades mecânicas impediram grandes deformações durante a conformação, como pode ser constatado na figura 3.10:

Figura 3.10: Metalografia de um aço SAE 1045 temperado em salmoura, conformado e atacado em Nital 1%. Ampliação de 500x.

Não se percebem quaisquer orientações que demonstrem a presença de

encruamento na figura 3.10. Como mostrado em seções anteriores, a taxa de

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conformação foi pequena para esse caso, de modo que a dureza não teve alterações significativas.

O mesmo aconteceu para a têmpera em óleo, conforme explicitam as figuras 3.11 e 3.12:

Figura 3.11: Metalografia de um aço SAE 1045 temperado em óleo e atacado em

Nital 1%. Ampliação de 500x.

Figura 3.12: Metalografia de um aço SAE 1045 temperado em óleo, conformado

e atacado em Nital 1%. Ampliação de 500x. A têmpera em óleo, mesmo fornecendo um resfriamento mais lento, possibilitou a

formação de martensita no aço SAE 1045, as estruturas em forma de agulhas podem ser vistas nas figuras 3.11 e 3.12. No entanto, devido a elevadas propriedades mecânicas, a conformação teve pouco efeito nas amostras temperadas em óleo. A figura 3.12 não mostra sinais de orientação definida, característica da presença de encruamento no material.

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4) CONCLUSÕES : Os resultados obtidos levam às seguintes conclusões:

• Os tratamentos térmicos de recozimento e normalização concedem boa conformabilidade ao aço SAE 1045 ao passo que têmperas em óleo e salmoura o deixam pouco conformável.

• O recozimento formou a microestrutura de perlita grosseira em matriz ferrítica. As amostras normalizadas obtiveram perlita fina, com dureza mais elevada que a perlita grosseira. Martensita foi formada nos dois procedimentos de têmpera estudados.

• Houve recristalização nas amostras normalizadas e recozidas, sendo que nestas últimas o crescimento de grão foi maior devido à pequena taxa de resfriamento ao final do processo.

• As amostras temperadas em óleo sofreram fragilização próximo ao limite de compressão da máquina universal de ensaios, seguida de ruptura frágil. Não houve rompimento das amostras temperadas em sal apesar de terem durezas praticamente iguais àquelas das temperadas em óleo.

• Há um interessante campo de estudos a respeito da têmpera em óleo, uma vez que as amostras submetidas a esse tratamento tiveram a mesma dureza que as temperadas em salmoura, mas maior conformabilidade, o que pode possibilitar a aplicação para fins comerciais da conformação em peças temperadas em óleo.

BIBLIOGRAFIA : [1] CHIAVERINI, Vincente. Tecnologia Mecânica – Materiais de Construção Mecânica - Volume II. 2. Ed. São Paulo-SP: MacGraw-Hill, 1986. [2] Interloy, 1045 Carbon Steel Bar. http://www.interlloy.com.au/data_sheets/carbon_steels/1045.html Acesso em 28 de Setembro de 2009. [3] Gerdau, Aços especiais ao Carbono. http://www.comercialgerdau.com.br/produtos/acos_especiais_aocarbono Acesso em 28 de Setembro de 2009. [4] CALLISTER, William D.. Materials Science and Engineering – An Introduction. 7 Ed. York-PA: John Wiley & Sons Inc, 2007. [5] SILVA, André Luiz V. Da Costa e; MEI, Paulo Roberto. Aços e Ligas Especiais. 2 Ed. Sumaré-SP: Editora Blücher, 1988.