análise da influência do boro na temperabilidade de aços carbono

PONTIFCIA UNIVERSIDADE CATLICA DO PARAN

ESCOLA POLITCNICA

CURSO DE ENGENHARIA MECNICA

VICTOR MARCHIORO FONTANA

ANLISE DA INFLUNCIA DO BORO NA TEMPERABILIDADE DE AOS

CARBONO

CURITIBA

2014

I



CARBONO

Trabalho de graduao apresentado ao Curso de

Graduao em Engenharia Mecnica da Pontifcia

Universidade Catlica do Paran, como requisito

parcial obteno do ttulo de Engenheiro

Mecnico.

Orientador: Prof. Dr. Ricardo Diego Torres.

CURITIBA

2014

II



CARBONO

Trabalho de graduao apresentado ao Curso de Graduao em Engenharia Mecnica da

Pontifcia Universidade Catlica do Paran, como requisito parcial obteno do ttulo de

Engenheiro Mecnico.

COMISSO EXAMINADORA

Professor Dr. Ricardo Diego Torres.

PUC-PR

Professor MSc. Carlos Augusto Henning Laurindo.

PUC-PR

Professor MSc. Cesar Augusto Neitzke.

PUC-PR

Curitiba, 20 de junho de 2014

III

RESUMO

Este trabalho foi desenvolvido visando determinar a influncia do elemento qumico boro na

temperabilidade de aos ao carbono. Essa anlise, foi feita atravs de ensaio Jominy, que um

dos mtodos de medio da temperabilidade. Os aos analisados foram o ao 1543 e o ao SAE

AISI 15B45, ambos aos de alto mangans e com um percentual de carbono muito prximo, mas

se diferenciando pela presena de boro no segundo e pelas suas aplicaes diferentes. O mtodo

de medio da temperabilidade Jominy foi escolhido devido a sua simplicidade, ele consiste em

temperar uma extremidade de um corpo de prova, e traar um perfil de dureza deste corpo de

prova, medindo o comprimento endurecido, ou seja, medindo a facilidade do ao de formar

martensita. Foram feitas tambm metalografias dos dois aos nas condies bruta de fuso,

temperadas, normalizadas e dos corpos de prova Jominy. Ao final, os resultados encontrados nos

experimentos, foram confrontados com os resultados calculados por meio da norma ASTM A

255. Os resultados mostraro que uma pequena quantidade de boro, pode melhorar a

temperabilidade de um ao, atravs da formao de carbonetos de boro nos contornos de gro

que por sua vez dificultam a nucleao de ferrita, atrasando a reao austenita-ferrita, e com isso

permitindo uma camada endurecida 40% maior no ao com boro.

Palavras-chave: Temperabilidade, Boro, Martensita, Ensaio Jominy.

IV

ABSTRACT

This work was developed to analyze the influence of boron on hardenability of medium carbon

steels. This analysis was performed trough Jominy test, which is one of the methods to measure

hardenability. The steels analyzed were 1543 steel and steel SAE AISI 15B45, both steels have

high manganese and the same carbon content. The main difference between the two steels is the

presence of boron in the SAE AISI 15B45. The Jominy method of measuring hardenability was

chosen due to its simplicity. It consists of quenching the end of a test bar, and measuring the

hardness as a function of the quenched surface. Microstructural characterizations of the two

steels were also done in, quenched, normalized, as casted conditions and Jominy test bar. The

results revealed that the presence of boron improves the hardenability in 40%. The hardenaibility

improvement is due to the formation of boron carbides that retards the transformation of

austenite in pro-euctetoid ferrite.

Key words: Hardenability, Boron, Martensite, Jominy Test.

V

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Exemplo de um grfico gerado a partir do ensaio Jominy.............3

Figura 2 Efeito do boro na temperabilidade de um ao com 0,63% de carbono.........................5

Figura 3 Foto do ao 1543 no estado em que foi fornecido........9

Figura 2 Foto de uma das amostras utilizadas para a verificao da microsestrutura.................9

Figura 5 Forno eltrico utilizado nos experimentos...................................................................10

Figura 6 Corpo de prova Jominy fabricado para os ensaios.......................................................11

Figura 7 Equipamento utilizado na realizao do ensaio Jominy...............................................12

Figura 8 Dimenses padronizadas para o ensaio Jominy...........................................................12

Figura 9 Bloco de grafite utilizado no aquecimento dos corpos de prova Jominy.....................13

Figura 10 Amostras contidas nos blocos de grafite sendo aquecidas.........................................14

Figura 11 Bloco de grafite, contendo as amostras, logo aps a sua retirada do forno................14

Figura 12 Um dos corpos de prova sendo resfriados no ensaio Jominy.....................................15

Figura 13 Corpo de prova Jominy com os chanfros e marcaes de altura j feitas .................16

Figura 14 Microestrutura do ao 1543 no estado bruto de fuso. Ampliao de 50X, ataque

reativo de Nital 2%........................................................................................................................18

Figura 15 Microestrutura do ao SAE 15B45 no estado bruto de fuso. Ampliao de 50X,

ataque reativo de Nital 2%.............................................................................................................19

Figura 16 Microestrutura do ao 1543 temperado a partir do estado bruto de fuso. Ampliao

de 200X, ataque reativo de Nital 2%.............................................................................................20

Figura 17 Microestrutura do ao 1543 aps a normalizao 1. Ampliao de 500X, ataque

reativo de Nital 2%........................................................................................................................21

Figura 18 Microestrutura do ao SAE 15B45 aps a normalizao 1. Ampliao de 500X,




VI

Figura 20 Microestrutura do ao 1543 aps a normalizao 2. Ampliao de 200X, ataque

reativo de Nital 2%........................................................................................................................23





Figura 23 Distncia da extremidade temperada X Dureza Corpo de prova 1.........................26






Figura 29 Distncia da extremidade temperada X Dureza.........................................................32

Figura 30 Microestrutura do ao 1543 no ponto 4,8 mm. Ampliao de 200X, ataque reativo de

Nital 2%.........................................................................................................................................33

Figura 31 Microestrutura do ao 1543 no ponto 4,8 mm. Ampliao de 500X, ataque reativo de

Nital 2%.........................................................................................................................................33

Figura 32 Microestrutura do ao SAE 15B45 no ponto 4,8 mm. Ampliao de 200X, ataque

reativo de Nital 2%........................................................................................................................34


reativo de Nital 2%........................................................................................................................34

Figura 34 Microestrutura do ao 1543 no ponto 9,6 mm. Ampliao de 200X, ataque reativo

de Nital 2%....................................................................................................................................35


de Nital 2%....................................................................................................................................36


de Nital 2%....................................................................................................................................36


reativo de Nital 2%........................................................................................................................37

VII


reativo de Nital 2%........................................................................................................................37


de Nital 2%....................................................................................................................................38


de Nital 2%....................................................................................................................................39


de Nital 2%....................................................................................................................................39


reativo de Nital 2%........................................................................................................................40


reativo de Nital 2%........................................................................................................................40


de Nital 2%....................................................................................................................................41


de Nital 2%....................................................................................................................................42


reativo de Nital 2%........................................................................................................................42


reativo de Nital 2%........................................................................................................................43


reativo de Nital 2%........................................................................................................................43

VIII

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Composio qumica mdia de um ao 15B45 (% em massa)......................................8

Tabela 2 Composio qumica mdia de um ao 1543 (% em massa).........................................8

Tabela 3 Resultados do ensaio Jominy do corpo de prova 1......................................................25






Tabela 9 Fatores de multiplicao para o clculo do D.I. terico do ao 1543..........................44

Tabela 10 Fatores de multiplicao para o clculo do D.I. terico do ao 15B45.....................44

Tabela 11 Tabela retirada da norma ASTM A 255 para a obteno do fator boro.....................45

Tabela 12 Tabela retirada da norma ASTM A 255 que estabelece as durezas HRC para duas

condies do material....................................................................................................................46

IX

SUMRIO

1.0 INTRODUO......................................................................................................1

2.0 OBJETIVO.............................................................................................................2

2.1 OBJETIVO GERAL................................................................................................2

2.2 OBJETIVOS ESPECFICOS..................................................................................2

3.0 REVISO BIBLIOGRFICA.............................................................................3

3.1 TEMPERABILIDADE............................................................................................3

3.2 INFLUNCIA DO BORO NAS PROPRIEDADES DOS AOS..........................4

3.3 APLICAO DOS AOS AO BORO...................................................................6

4.0 MATERIAIS E MTODOS.................................................................................8

4.1 PREPARAO E CARACTERIZAO DOS AOS.........................................8

4.2 ENSAIO JOMINY.................................................................................................11

5.0 RESULTADOS....................................................................................................18

5.1 CARACTERIZAO DAS MICROESTRUTURAS..........................................18

5.2 RESULTADOS DO ENSAIO JOMINY...............................................................24

5.3 CARACTERIZAO DAS FASES NOS CORPOS DE PROVA JOMINY......32

5.4 DETERMINAO DO DIMETRO IDEAL PARA OS DOIS AOS..............44

6.0 CONCLUSES....................................................................................................47

7.0 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS...............................................................48

1

1.0 INTRODUO

Os componentes mecnicos utilizados na indstria requerem cada vez mais, melhores

propriedades, a custos mais baixos. Essa demanda, somente pode ser atendida, com o

desenvolvimento de novos materiais ou novos processos, e em um mercado cada vez mais

concorrido como o da siderurgia, esse desenvolvimento absolutamente necessrio

sobrevivncia da empresa. Um dos pontos que vem sendo trabalhado nas indstrias

siderrgicas objetivando atender a essa demanda, a utilizao racional das ligas, visto que

algumas como o ferro nibio, por exemplo, apresentam custos superiores a R$ 70.000,00 por

tonelada. neste cenrio que surge o boro como alternativa a algumas ligas, permitindo

substituir, em quantidade bem menor, a utilizao de ligas como cromo, mangans ou

molibdnio.

A utilizao do boro na siderurgia recente se comparada com os demais elementos

de liga e, portanto, existem relativamente poucos estudos acerca deste tema. Ele utilizado

em baixssimas quantidades (cerca de trs quilogramas para cem toneladas de ao), em aos

para aplicaes que exijam elevada dureza tanto na superfcie quanto no ncleo da pea como

engrenagens, discos de arado e lminas diversas. O aumento da dureza proporcionado pelo

boro, no entanto, s obtido atravs de uma tmpera do ao, sendo que sem a realizao

deste, os efeitos proporcionados pelo semi-metal em questo so imperceptveis.

O aumento da camada endurecida proporcionado pela adio do boro no ao tratado

termicamente, pode ser medido atravs de testes que determinam a temperabilidade do

material como: o ensaio Jominy ou o Grossman, dependendo da aplicao do ao, a

temperabilidade uma importante propriedade que deve ser medida e controlada. atravs

dela que se pode saber qual a profundidade endurecida em uma pea de ao que passou por

tratamento trmico de tmpera. Neste trabalho sero determinadas, via mtodo Jominy, as

temperabilidades de dois aos de composio qumica semelhante, exceto pela presena de

boro em um deles.

2

2.0 OBJETIVO

2.1 OBJETIVO GERAL

O presente trabalho tem como principal objetivo avaliar a influncia do boro na

temperabilidade do ao 1543 e do ao ao boro 15B45, atravs do Ensaio Jominy.

2.2 OBJETIVOS ESPECFICOS

a) Avaliar a influncia do boro na temperabilidade de aos de mdio teor de carbono;

b) Verificar as microestruturas e as durezas dos aos 1543 e 15B45;

c) Comparar a temperabilidade dos aos 1543 e o 15B45.

3

3.0 REVISO BIBLIOGRFICA

3.1 TEMPERABILIDADE

Temperabilidade pode ser descrita como a capacidade do ao de se transformar

parcialmente ou completamente de austenita para alguma porcentagem de martensita a uma

dada profundidade quando resfriado sob uma dada condio (SIEBERT, 1977 apud DA

CRUZ, 2005). Em outras palavras, a temperabilidade a facilidade de se obter martensita

em um determinado ao, quando este passa pelo processo de tmpera.

De acordo com a norma ASTM A 255 (2002), a temperabilidade de um ao pode ser

medida quantitativamente, pela medio do comprimento endurecido em um corpo de prova

padro, submetido a um processo de resfriamento tambm padronizado. Os dois mtodos

mais utilizados para determinar a temperabilidade de um ao, so o ensaio Grossman e o

ensaio Jominy. De uso mais frequente, o ensaio Jominy consiste em medir as durezas em

pontos ao longo do comprimento de uma pea cilndrica, cada vez mais distantes da

superfcie temperada (CALLISTER, 2008).

Figura 1 Exemplo de um grfico gerado a partir do ensaio Jominy.

Fonte: Centro de Informao Metal Mecnica;

Segundo Souza (1989), os fatores que mais influenciam na temperabilidade de um ao

a sua composio qumica e o tamanho do gro do ao. Os efeitos da composio qumica

podem ser encontrados e calculados pela norma ASTM A 255 Standard Test Methods for

Determining Hardenability of Steel. Nesta norma descrito o procedimento de clculo do

dimetro ideal de um ao, levando em conta os seguintes elementos de liga: mangans,

silcio, nquel, cromo, molibdnio, cobre, vandio e boro. Quanto maior o dimetro crtico

4

ideal, mais facilidade aquele ao tem para formar martensita, e consequentemente, maior a

sua temperabilidade.

De acordo com Chiaverini (1988), um ponto que deve ficar claro, que na realidade,

o significado da temperabilidade no deve ser tomado como dizendo a respeito somente

obteno da mxima dureza, em vrias profundidades, em funo da velocidade de

resfriamento. Temperabilidade deve ser ligada igualmente obteno da mxima

tenacidade, em funo da micro-estrutura produzida no resfriamento. Chiaverini ainda

completa: o conhecimento da temperabilidade dos aos essencial, porque o mais

importante objetivo do tratamento trmico do ao, obter a maior dureza e a mais alta

tenacidade, em condies controladas de velocidade de resfriamento.

Enquanto o carbono tem forte efeito sobre a dureza da martensita, a maior parte dos

elementos de liga adicionados ao ao retarda as transformaes de decomposio difusional

da austenita, aumentando a sua temperabilidade, afirma Colpaert (2008). O mesmo autor

ainda completa, afirmando que o problema na seleo de materiais, em metalurgia, inverso

e consiste em definir qual ao, temperado em qual meio, atingir determinada microestrutura

em determinada posio na pea que se deseja fabricar. Em vista deste problema, foram

desenvolvidas trs metodologias diferentes para resolver este problema: modelos

matemticos, mtodo Jominy e mtodo Grossmann.

3.2 INFLUNCIA DO BORO NAS PROPRIEDADES DOS AOS

A influncia dos elementos de liga nas propriedades de um ao j foi pesquisada em

diversos trabalhos, entretanto, as informaes para o caso especfico do boro so escassas

(GORNI; DA SILVEIRA; VALLIM, 2005). De forma geral, a adio de boro em aos,

melhora consideravelmente a sua temperabilidade e, por conseguinte, permite a reduo no

consumo de outras ligas. Sousa (1989) afirma: o boro aumenta muito a temperabilidade dos

aos hipoeutetides, porm diminui a temperabilidade dos hipereutetides. Para aos

hipoeutetides, portanto, o boro possibilita a substituio de aos de mdia e alta liga com

nquel, cromo e molibdnio por aos ao boro para algumas finalidades.

Shen & Hansen (1997) afirmam que 20 a 30 ppm de boro apresenta um efeito

equivalente a 0,5% de Mo, entretanto, o B tem grande afinidade por nitrognio e no estado

BN no atua na temperabilidade, tornando-se necessrio a adio de titnio para fixar o

nitrognio na forma de TiN, e assim deixando o B livre para atuar na temperabilidade. Em

5

vista desta substituio de outros elementos de liga, torna-se de grande interesse o estudo da

influncia do boro nas propriedades de um ao.

A melhoria na temperabilidade causada pelo boro devido ao fato de que ele provoca

um deslocamento para a direita da curva de incio de transformao no diagrama TTT

(CHIAVERINI, 1988). Este deslocamento causado pelo acmulo de borocarbonetos nos

contornos de gro, que acabam por suprimir ou at inibir a nucleao de ferrita pro-eutetoide

e consequentemente atrasam a reao austenita-ferrita.

Figura 2 Efeito do boro na temperabilidade de um ao com 0,63% de carbono.

Fonte: Aos e Ferros fundidos: Caractersticas (CHIAVERINI, 1990);

Segundo Chiaverini, a porcentagem de boro a adicionar para os efeitos que se desejam

extremamente pequena, ficando entre 0,0008% e 0,003%, dependendo do tipo de ao.

Contudo, se a sua quantidade ultrapassar certos limites, poder provocar excesso de

ductilidade a quente. O excesso de boro (acima de 0,006%) diminui o limite de escoamento,

alargando a fase plstica do ao pela combinao do B com nitrognio (SOUZA 1989).

O efeito maior do boro se d quando se tem tamanho de gro de austenita mais fino,

ou seja, a austenitizao deve ser conduzida em baixas temperaturas no campo , seno pode

haver perda do efeito do boro. Em seu teor ideal, o boro est em soluo slida na austenita,

ficando algum excesso concentrado nos contornos de gro como borocarbonetos de ferro

(SOUZA 1989).

A partir da norma ASTM A 255 pode-se notar que a presena do boro em um ao,

tratada parte dos demais elementos de liga e que a sua presena aumenta consideravelmente

6

o dimetro critico ideal. Para um ao SAE 1530 temos que o dimetro crtico ideal de 1,24

in. J para o ao 15B30 esse dimetro de 2,93 in. Ou seja, o B mais que dobrou a

penetrao de martensita na pea, permitindo uma micro-estrutura mais uniforme para um

mesmo meio de tmpera (DA CRUZ, 2005).

Souza afirma que no tratamento de normalizao, o boro no produz perlita fina e,

portanto, no influi na resistncia do ao, oque torna os aos com boro normalizados mais

fceis de usinar do que os aos com elementos de liga equivalentes de mesma

temperabilidade. J para o processo de revenimento, o boro no eleva a temperatura de

amolecimento, sendo que o revenimento pode ser feito a temperaturas mais baixas.

Uma das mais importantes consequncias da adio de boro nos aos, que se esse

elemento, se no ultrapassar os teores mencionados, no altera as caractersticas de trabalho a

quente, nem de trabalho a frio ou de usinabilidade, visto que no altera a dureza, a

plasticidade e a resistncia mecnica da ferrita nem da cementita ao contrario dos elementos

de liga que ele substitui, como Mn, Ni, Cr e etc. Tal caracterstica, constitui uma inegvel

vantagem, principalmente para os aos laminados (CHIAVERINI, 1988).

O processo de boretao, bastante difundido na indstria, tem uma funo semelhante

a da adio de boro ao ao na aciaria: elevar a dureza do ao e a sua resistncia ao desgaste

(KRELLING, 2012). Neste processo a pea posta em contato com um agente boretante, e

por difuso, os tomos de boro migram para o ao formando boretos de ferro. O mecanismo

de aumento da dureza deste processo diferente daquele que ir ser explorado neste trabalho,

contudo, por apresentarem finalidades semelhantes, o autor julga interessante a citao do

mesmo.

3.3 APLICAO DOS AOS AO BORO

Uma vez que a adio de boro em um ao causa somente uma alterao significativa

na sua temperabilidade, os aos ao boro destinam-se quase que exclusivamente para

aplicaes onde tratamentos trmicos ou termo-qumicos estejam envolvidos. Os aos ao

boro so normalmente utilizados em peas que necessitam de superfcies com elevada dureza

como facas e lminas circulares de serra (KEY TO METALS, 2007).

Outros usos comuns de aos ao boro incluem a fabricao de engrenagens, eixos e

caixas de cmbio para a indstria automotiva (CARDOSO, 2011). So aplicaes que exigem

muito da superfcie do material e, por conseguinte de uma elevada dureza da mesma. Para

7

atender a esta demanda, estas peas passam pelo processo de cementao que aumenta

consideravelmente o teor de carbono da superfcie da pea e, juntamente com o boro,

permitem uma excelente dureza superficial com um interior mais dctil. Segundo Chiaverini,

este uma das aplicaes mais importante dos aos ao boro, por permitir a reduo no teor de

nquel dos aos para cementao.

Quando associados ao mangans, os aos ao boro usualmente substituem aos com

maiores teores de ligas, visto que o custo para uma mesma temperabilidade muito mais

baixo. Estes aos podem ser encontrados na fabricao de esteiras para veculos (lagartas),

engrenagens, discos de arado e alguns componentes de eixos. Ou seja, para qualquer

aplicao abrasiva, que necessite de uma alta dureza superficial para evitar um desgaste

prematuro do componente.

Uma aplicao pouco conhecida dos aos ao boro na indstria nuclear, utilizando

cerca de 4% de B em chapas de revestimento, o ao apresenta uma alta capacidade de

absorver nutrons, servindo como forma de controle/conteno da reao de fisso

(CARDOSO el al.). Outro uso pouco conhecido da utilizao de boro nos aos retirar

nitrognio de alguns aos automotivos, tornando-os mais conformveis.

8

4.0 MATERIAIS E MTODOS

4.1 PREPARAO E CARACTERIZAO DOS AOS

Para a determinao da temperabilidade foram utilizados dois tipos de ao, o ao 1543

e o ao 15B45, ambos produzidos pela Gerdau Araucria. Estes aos, que so obtidos por

meio de lingotamento contnuo, ainda no passaram por nenhum processo de conformao

mecnica e, portanto, possuam estrutura bruta de fuso. Entre outras finalidades, estes aos

contm elementos de liga para favorecer a sua endurecibilidade e, consequentemente, a sua

resistncia mecnica. As aplicaes destes aos so respectivamente a laminao de

vergalhes e a laminao de perfis mdios. Suas composies qumicas so bem semelhantes,

fator este que levou a escolha destes aos, diferenciando somente, em se tratando de

temperabilidade, o percentual de boro e de cromo. O cromo, no entanto, apresenta baixa

influncia na temperabilidade se comparado com o boro. As tabelas 1 e 2 abaixo mostram a

composio qumica mdia dos aos utilizados nas anlises experimentais:

Tabela 1 - Composio qumica mdia de um ao SAE 15B45 (% em massa)

Fonte: Laboratrio de anlises qumicas e fsicas da Gerdau Araucria.

Tabela 2 - Composio qumica mdia de um ao 1543 (% em massa)

Fonte: Laboratrio de anlises qumicas e fsicas da Gerdau Araucria.

O valor mais elevado do carbono equivalente (Ceq) do ao SAE 15B45, j indica uma

maior temperabilidade desse material. A frmula para o clculo do carbono equivalente dos

dois aos no foi disponibilizada pela empresa produtora dos dois materiais.

Os aos foram fornecidos na forma de pontas de tarugos (barras prismticas de seo

quadrada, 100 x 100 mm para o ao 15B45 e 130 x 130 para o 1543) com comprimento

variando entre 100 mm e aproximadamente 180 mm. A figura 3 mostra uma pea do ao

1543 na condio em que foi fornecido:

C Si Mn S P Cu Ni

0,442 0,2 1,257 0,026 0,022 0,267 0,081

Cr Sn As Nb Mo V Ceq

0,086 0,017 0,004 0,002 0,011 0,004 0,515%

%

9

Figura 3 Foto do ao 1543 no estado em que foi fornecido.

Fonte: o autor.

A partir destas peas, utilizando uma serra fita e uma serra de disco, ambas

disponveis nos laboratrio da PUC-PR, foram fabricados dezesseis corpos de prova cbicos,

oito para cada ao. Estes foram destinados anlise da microestrutura no estado em que foi

fabricado o material e das microestruturas aps tratamento trmico. Uma vez que somente se

desejava visualizar a microestrutura superficial do ao, no foi dada importncia s

dimenses exatas dos corpos de prova, tendo eles aproximadamente 10 mm de comprimento,

largura e altura, na figura 4 encontra-se uma foto de um desses corpos de prova.

Figura 4 Foto de uma das amostras utilizadas para a verificao da microsestrutura.

Fonte: o autor.

Quatro corpos de prova foram analisados na sua estrutura bruta de fuso. Outros

quatro foram colocados em um forno eltrico (figura 5) e mantidos durante 50 minutos a uma

temperatura de 850 C, para que ocorresse uma completa austenitizao da sua

microestrutura.

10

Figura 5 Forno eltrico utilizado nos experimentos.

Fonte: o autor.

Em seguida, estas amostras foram retiradas do forno, e resfriadas em um recipiente

contendo gua a temperatura ambiente. Esse rpido resfriamento provocou a chamada

tmpera no ao, e ocasionou a formao de martensita.

A prxima etapa foi tentar por meio de uma normalizao, transformar a estrutura

bruta de fuso, com gros grandes e carbono muito concentrado em alguns pontos, em uma

estrutura com o carbono uniformemente distribudo (perlita fina).

Quatro amostras passaram pelo processo de normalizao, sendo aquecidas durante

quarenta minutos no forno a 850 C (Normalizao 1). Outras quatro passaram pelo mesmo

processo de normalizao, utilizando, entretanto, uma temperatura de 900C e um tempo de

forno de duas horas (Normalizao 2). Em ambos os casos o resfriamento deu-se ao ar em

temperatura ambiente.

O prximo passo foi a preparao das amostras para a visualizao no microscpio

tico. Esta preparao constitui-se do lixamento em trs diferentes lixas, com granulometria

decrescente, e depois um polimento utilizando um disco de feltro e pasta de diamante como

abrasivo. Aps o polimento, as amostras foram atacadas durante aproximadamente 8

segundos com uma soluo de Nital 2% (lcool e cido ntrico) para que fossem revelados os

contornos de gro existentes nos aos. Aps o ataque qumico, foram visualizadas no

microscpio tico as microestruturas presentes nos aos.

11

4.2 ENSAIO JOMINY

Para o ensaio Jominy, foram fabricados, por uma empresa especializada, trs corpos

de prova para cada ao, sendo que estes corpos de prova so definidos pela norma ABNT

NBR 6339: 1989. Os corpos de prova tm as seguintes dimenses: 25 0,25 mm de dimetro

por 100 mm de comprimento, com um flange de suporte na extremidade superior com 32 mm

de dimetro e 3 mm de comprimento, conforme pode ser visto na figura 8. Na figura 6

encontra-se um dos corpos de prova utilizados nos ensaios.

Figura 6 Corpo de prova Jominy fabricado para os ensaios.

Fonte: o autor.

O equipamento utilizado no ensaio tambm padronizado pela norma citada

anteriormente. Ele composto basicamente por uma cuba para reter a gua utilizada, um

suporte para a pea e um bico que asperge gua a uma presso constante na extremidade de

baixo da pea, provocando um resfriamento localizado. O bico deve estar centralizado com a

pea, e a presso da gua deve permitir uma altura livre de jato de 65 mm. A figura 7 mostra

o dispositivo Jominy utilizados nestes experimentos.

12

Figura 7 Equipamento utilizado na realizao do ensaio Jominy.

Fonte: o autor.

Figura 8 Dimenses padronizadas para o ensaio Jominy.

Fonte: Ao Determinao da temperabilidade (Jominy) (Associao brasileira de normas tcnicas,

1989).

13

A fim de evitar a descarbonetao da superfcie das amostras durante a normalizao

e durante o aquecimento para o ensaio Jominy, foram fabricados trs blocos de grafite com

dois furos cada, figura 9, possibilitando o encaixe dos corpos de prova Jominy. Esses blocos,

contendo os corpos de prova, foram levados ao forno para fazer o aquecimento das amostras,

inibindo assim a reao do carbono superficial com o oxignio da atmosfera na regio a ser

analisada.

Figura 9 Bloco de grafite utilizado no aquecimento dos corpos de prova Jominy

Fonte: o autor.

Utilizando um forno eltrico de resistncia, as amostras Jominy, contidas dentro dos

blocos de grafite, foram aquecidas at 900 C por um tempo de uma hora e cinquenta

minutos, e mantidas nesta temperatura por quatro horas e quarenta e cinco minutos. Um dos

blocos contendo dois corpos de prova pode ser vistos na figura 10.

14

Figura 10 Amostras contidas nos blocos de grafite sendo aquecidas.

Fonte: o autor.

Passado este tempo, utilizando um tenaz, os trs blocos de grafite foram retirados do

forno, e as amostras foram tiradas de dentro de cada bloco e postas sobre a bancada do

laboratrio para resfriarem ao ar, em temperatura ambiente. Conforme pode ser visto na

figura 11, a parte superior dos corpos de prova ficaram de fora dos blocos de grafite,

provocando uma intensa descarbonetao dessa regio nas amostras.

Figura 11 Bloco de grafite, contendo as amostras, logo aps a sua retirada do forno.

Fonte: o autor.

15

O objetivo desta normalizao foi um refino da microestrutura dos corpos de prova,

que antes do procedimento, se encontrava no estado bruto de fuso, com o carbono muito

concentrado em pontos especficos, situao essa que poderia interferir no resultado do

ensaio Jominy.

Aps a normalizao das peas, a prxima etapa foi o ensaio Jominy propriamente

dito. As seis amostras foram colocadas dentro dos blocos de grafite e os trs blocos foram

levados ao forno, para serem aquecidos at 900C durante duas horas, e mantidas nesta

temperatura por duas horas, tempo necessrio para uma completa austenitizao dos corpos

de prova. Uma por vez, cada amostra foi sendo retirada do forno, e rapidamente sendo

posicionada no aparato Jominy para ento ser acionada a gua de resfriamento dos corpos de

prova, conforme pode ser visto na figura 12. As amostras foram resfriadas pelas suas

extremidades inferiores por 15 minutos cada, uma a uma.

Figura 12 Um dos corpos de prova sendo resfriados no ensaio Jominy.

Fonte: o autor. Depois de resfriadas, foram feitos quatro chanfros, de dois milmetros de

profundidade, no sentido longitudinal em cada corpo de prova. Cada chanfro encontra-se

16

defasado 90 do outro, gerando quatro faces planas em cada corpo de prova, conforme pode

ser visto na figura 13. Nesses chanfros, agora no sentido transversal, foram feitos com um

marcador pontos aonde devem ser medidas as durezas do ao, sendo que cada ponto est

distante 1/16 um do outro nos primeiros 16 mm e depois aumentando o intervalo entre os

pontos para 1/8, essas marcaes podem ser visualizadas na figura 13. Nesses pontos foram

medidas as durezas Rockwell C e o valor das durezas em cada ponto utilizada para traar

um grfico distncia X HRC. Ao total foram feitas 72 medies de dureza por corpo de

prova, totalizando 432 medies.

Figura 13 Corpo de prova Jominy com os chanfros e marcaes de altura j feitas.

Fonte: o autor.

Com base nos valores fornecidos pelas medies de dureza dos dois aos, foi possvel

traar um grfico comparando as durezas nos diferentes pontos para os dois materiais, e

estabelecer pontos de transio de dureza. Foram ento cortadas quatro amostras para cada

ao nos seguintes pontos: 4,8 mm, 9,6 mm, 14,4 mm e 25,6 mm, estas fatias do material

foram embutidas em baquelite, lixadas e polidas e suas microestruturas foram visualizadas no

17

microscpio tico, permitindo uma caracterizao das fases presentes em cada altura dos

corpos de prova Jominy.

18

5.0 RESULTADOS

5.1 CARACTERIZAO DAS MICROESTRUTURAS

Inicialmente, procurou-se caracterizar as microestruturas dos aos 1543 e 15B45 nos

estados brutos de fuso.

Figura 14 Microestrutura do ao 1543 no estado bruto de fuso. Ampliao de 50X, ataque reativo de Nital 2%.

Fonte: o autor.

19

Figura 15 Microestrutura do ao SAE 15B45 no estado bruto de fuso. Ampliao de 50X, ataque reativo de Nital 2%.

Fonte: o autor.

Conforme o esperado, no foi possvel visualizar nenhuma fase claramente. Os

diferentes constituintes dos aos encontraram-se concentrados em alguns pontos, e viam-se

de forma esparsa, algumas pequenas colnias de perlita. Na figura 14, ao 1543, alguns gros

puderam ser encontrados, diferentemente da figura 15, isto se deve provavelmente

utilizao de um agitador eletromagntico (Stirrer) durante o lingotamento do mesmo. A

utilizao deste dispositivo favorece a quebra de pontas de dendritas que podem agir como

ncleos de cristais equiaxiais, e tambm uma maior homogeneidade no tarugo.

Em seguida foi analisada a microestrutura destes aos em estrutura bruta de fuso

aps serem submetidos a uma tmpera, vide figura 16:

20

Figura 16 Microestrutura do ao 1543 temperado a partir do estado bruto de fuso. Ampliao de 200X, ataque reativo de Nital 2%.

Fonte: o autor.

Notou-se que ocorreu a formao de martensita concentrada em alguns pontos. Isto se

deve ao fato de que na regio em que ocorreu essa formao de martensita, havia uma

concentrao de carbono maior do que na regio em que houve pouco surgimento dessa

estrutura. Na figura 16, pode-se observar que do lado esquerdo da imagem h muita

martensita com um pouco de ferrita, enquanto que no lado direito, ocorre o inverso.

Ficou evidente a necessidade de uma homogeneizao da microestrutura destes aos,

e o procedimento escolhido para este fim foi a normalizao. A seguir esto as figuras 17, 18

e 19, nas quais se encontram as metalografias dos dois aos aps uma normalizao a 850C

de 40 minutos (Normalizao 1):

21

Figura 17 Microestrutura do ao 1543 aps a normalizao 1. Ampliao de 500X, ataque reativo de Nital 2%.

Fonte: o autor.

Figura 18 Microestrutura do ao SAE 15B45 aps a normalizao 1. Ampliao de 500X, ataque reativo de Nital 2%.

Fonte: o autor.

22


Fonte: o autor.

Pode-se perceber que os gros diminuram consideravelmente de tamanho, e que a

perlita ficou muito mais evidente aps este tratamento trmico. Entretanto, a microestrutura

destes aos ainda continuava com alguns pontos bastante heterogneos, oque sabidamente,

iria influir nos resultados do ensaio Jominy posteriormente.

Visando uma maior homogeneidade microestrutural, foi tomada a deciso de fazer

uma normalizao com uma maior temperatura em um maior tempo de forno, objetivando

que o carbono, se dissolvesse de forma mais uniforme no ferro, e no ficasse concentrado em

pontos do material. Foi feita ento uma segunda tentativa de homogeneizao: uma

normalizao 900C por duas horas (Normalizao 2). Os resultados encontrados aps este

segundo procedimento foram mais satisfatrios, e podem ser visualizados nas figuras 20, 21 e

22:

23

Figura 20 Microestrutura do ao 1543 aps a normalizao 2. Ampliao de 200X, ataque reativo de Nital 2%.

Fonte: o autor.


Fonte: o autor.

24


Fonte: o autor.

Esta segunda normalizao, obteve uma maior homogeneizao microestrutural, com

a formao clara de perlita e ferrita, conforme pode ser visto na figura 22. Ainda notam-se

pontos em que o carbono no foi bem dissolvido, como por exemplo, na figura 20, entretanto,

para uma total homogeneizao, seria necessria a utilizao de uma conformao mecnica,

condio essa que no foi possvel de atender.

5.2 RESULTADOS DO ENSAIO JOMINY

Uma vez que os parmetros para uma normalizao razovel foram obtidos, foi

possvel preparar os corpos de prova Jominy para o ensaio. Estes foram submetidos a uma

normalizao de quase cinco horas visando uma boa homogeneizao microestrutral dos

mesmos. O tempo de forno foi maior para esta normalizao dos corpos de prova Jominy,

pois os mesmos possuem um volume muito maior que as amostras anteriormente analisadas.

Ao trmino do ensaio Jominy foram feitas as medies de dureza HRC nos corpos de

prova. Foram realizadas quatro medies a uma mesma altura para cada corpo de prova, uma

25

medio em cada lado do corpo de prova, tomando-se como zero, a superfcie inferior do

corpo de prova. Os dados foram organizados e se encontram na forma de tabelas (tabelas 3, 4,

5, 6, 7 e 8) e de grficos (figuras 23, 24, 25, 26 27, 28 e 29):

Tabela 3 Resultados do ensaio Jominy do corpo de prova 1.

CORPO DE PROVA 1 15B45

N da medio

Distncia de 0 Face

MDIA Desvio Padro 1 2 3 4

1 1,60 mm 57,9 57,4 56,7 57,3 57,33 0,49

2 3,20 mm 57 58,1 58,7 58,5 58,08 0,76

3 4,80 mm 58,1 57,1 57,5 56,9 57,40 0,53

4 6,40 mm 57 57,3 57,1 57,7 57,28 0,31

5 8,00 mm 56,4 56,5 57 56,8 56,68 0,28

6 9,60 mm 52,6 55,8 55,6 55,9 54,98 1,59

7 11,20 mm 53,3 54,3 54,3 54,7 54,15 0,60

8 12,80 mm 49 48,9 50,1 49,4 49,35 0,54

9 14,40 mm 43,5 43,6 44,3 44,5 43,98 0,50

10 16,00 mm 38,4 38,2 38,5 38,2 38,33 0,15

11 19,20 mm 32 31,3 33,4 32,2 32,23 0,87

12 22,40 mm 29,2 29,7 30,5 29,8 29,80 0,54

13 25,60 mm 27,6 28,6 29,2 28,8 28,55 0,68

14 28,80 mm 27 26 26,7 27,3 26,75 0,56

15 32,00 mm 24,9 25,6 26,4 27,1 26,00 0,96

16 35,20 mm 24,2 25,3 25,5 26,2 25,30 0,83

17 38,40 mm 22,7 22,7 24 23,8 23,30 0,70

18 44,80 mm 21,1 21,1 21,6 22,1 21,48 0,48 Fonte: o autor.

26

Figura 23 Distncia da extremidade temperada X Dureza - Corpo de prova 1.

Fonte: o autor.


CORPO DE PROVA 2 - 1543

N da

medio Distncia de 0

Face MDIA

Desvio

Padro 1 2 3 4

1 1,60 mm 55,3 56,6 55 55,1 55,50 0,74

2 3,20 mm 56 56,7 56 56,6 56,33 0,38

3 4,80 mm 54,8 55,1 54,7 54,7 54,83 0,19

4 6,40 mm 52,2 52,6 52,7 51,7 52,30 0,45

5 8,00 mm 47,9 47,3 47,4 47,3 47,48 0,29

6 9,60 mm 39,7 40,3 38,5 39,9 39,60 0,77

7 11,20 mm 34,2 34 35 34 34,30 0,48

8 12,80 mm 31,4 31,3 30,4 31,8 31,23 0,59

9 14,40 mm 29,1 29,1 28,8 28,2 28,80 0,42

10 16,00 mm 27,1 27,8 27,4 27,3 27,40 0,29

11 19,20 mm 25,8 26 25,5 26 25,83 0,24

12 22,40 mm 26 24,5 24,8 24,9 25,05 0,66

13 25,60 mm 23,8 24,5 24 24,4 24,18 0,33

14 28,80 mm 23,4 23,6 23,5 23,2 23,43 0,17

15 32,00 mm 23,4 22,8 21,7 22,2 22,53 0,74

16 35,20 mm 21,3 22,4 21,6 22,4 21,93 0,56

17 38,40 mm 21,5 21,9 20,8 21,3 21,38 0,46

18 44,80 mm 19,7 19 21,2 19,3 19,80 0,98

Fonte: o autor.

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10,00

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mm

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m

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m

50,0

0 m

m

HR

C

27


Fonte: o autor



N da medio

Distncia de 0 Face


1 1,60 mm 58,4 58,3 59,2 57,6 58,38 0,66

2 3,20 mm 57,9 58,4 58,2 57,4 57,98 0,43

3 4,80 mm 57 57,9 57,7 57,3 57,48 0,40

4 6,40 mm 56,9 56,5 57,3 56,2 56,73 0,48

5 8,00 mm 58 56,4 56,3 56,2 56,73 0,85

6 9,60 mm 55,7 55,3 55,4 55,4 55,45 0,17

7 11,20 mm 53,9 53,5 54,4 53,6 53,85 0,40

8 12,80 mm 50,5 47,2 49,1 48,4 48,80 1,38

9 14,40 mm 42,9 39,8 42,7 41,5 41,73 1,42

10 16,00 mm 37,9 38,3 38,9 37 38,03 0,80

11 19,20 mm 31,9 31,9 30,9 30,9 31,40 0,58

12 22,40 mm 30,2 29,2 29,5 28,2 29,28 0,83

13 25,60 mm 28,2 28,7 27,8 28,2 28,23 0,37

14 28,80 mm 26,9 27,5 27,7 27 27,28 0,39

15 32,00 mm 26,3 26,8 25,6 27 26,43 0,62

16 35,20 mm 25,6 25,1 25,7 25,2 25,40 0,29

17 38,40 mm 25,1 24,3 23,9 23,2 24,13 0,79

18 44,80 mm 20,2 22,8 23,3 22,1 22,10 1,36 Fonte: o autor.

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m

HR

C

28


Fonte: o autor.



N da

medio Distncia de 0

Face MDIA

Desvio

Padro 1 2 3 4

1 1,60 mm 56,9 57,1 56,4 56,2 56,65 0,42

2 3,20 mm 56,6 55,6 56,5 56,6 56,33 0,49

3 4,80 mm 54,6 54,7 54,1 54,7 54,53 0,29

4 6,40 mm 51,2 51,1 52 52,4 51,68 0,63

5 8,00 mm 46,1 45,8 47,2 46,1 46,30 0,62

6 9,60 mm 38,5 38,7 39,3 39,4 38,98 0,44

7 11,20 mm 34,3 33,4 35,2 33,3 34,05 0,89

8 12,80 mm 31,1 30,1 30,8 31,5 30,88 0,59

9 14,40 mm 29,3 28,9 29,3 29,8 29,33 0,37

10 16,00 mm 28,7 28 28,3 27,7 28,18 0,43

11 19,20 mm 26,3 26 26,5 26,4 26,30 0,22

12 22,40 mm 25,7 26,2 25,7 26,1 25,93 0,26

13 25,60 mm 25,5 23,9 24,5 24,8 24,68 0,67

14 28,80 mm 24,5 24,1 24,6 23,7 24,23 0,41

15 32,00 mm 24 23,2 24,1 24,1 23,85 0,44

16 35,20 mm 23,3 23,7 22,7 22,5 23,05 0,55

17 38,40 mm 22,5 22 21,9 21,8 22,05 0,31

18 44,80 mm 22 21 21,4 21,3 21,43 0,42 Fonte: o autor.

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m

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m

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m

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m

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m

50,0

0 m

m

HR

C

29


Fonte: o autor.



N da medio

Distncia de 0 Face


1 1,60 mm 57,1 56,9 56,4 55,5 56,48 0,71

2 3,20 mm 55,9 57,1 55,6 56,1 56,18 0,65

3 4,80 mm 54,4 55,5 53,8 53,9 54,40 0,78

4 6,40 mm 52,5 52,7 53,4 52,5 52,78 0,43

5 8,00 mm 48,4 47,8 48,9 46,8 47,98 0,90

6 9,60 mm 41,6 40,8 42,8 40,3 41,38 1,09

7 11,20 mm 35,7 35,1 35,4 34,2 35,10 0,65

8 12,80 mm 31,1 30,6 32,5 31,1 31,33 0,82

9 14,40 mm 29,4 28,4 28,8 28,3 28,73 0,50

10 16,00 mm 27,6 27,4 28 27,2 27,55 0,34

11 19,20 mm 26,2 24,8 26,2 25,5 25,68 0,67

12 22,40 mm 24,9 24,4 25,1 25 24,85 0,31

13 25,60 mm 24,6 24,5 25,2 24,6 24,73 0,32

14 28,80 mm 23,3 23,2 23,6 22,4 23,13 0,51

15 32,00 mm 21,5 22,7 23,6 21,8 22,40 0,95

16 35,20 mm 22,3 23 20,5 21,2 21,75 1,12

17 38,40 mm 21,5 21,1 21,4 20,9 21,23 0,28

18 44,80 mm 20,5 20,1 19,5 18,7 19,70 0,78 Fonte: o autor.

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m

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m

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m

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0 m

m

50,0

0 m

m

HR

C

30


Fonte: o autor.



N da

medio Distncia de 0

Face MDIA

Desvio

Padro 1 2 3 4

1 1,60 mm 52,7 52,8 51,4 50,7 51,90 1,02

2 3,20 mm 56,8 56,8 57,2 57,7 57,13 0,43

3 4,80 mm 57,3 56,9 58,1 57,7 57,50 0,52

4 6,40 mm 56,9 57,3 57,4 57 57,15 0,24

5 8,00 mm 56 56,1 56 56,2 56,08 0,10

6 9,60 mm 56,2 56,2 55,1 55,4 55,73 0,56

7 11,20 mm 54,1 53,9 54,1 54,7 54,20 0,35

8 12,80 mm 50,3 48,9 46,5 47,4 48,28 1,67

9 14,40 mm 43,2 41,4 40,3 41,2 41,53 1,21

10 16,00 mm 35,6 36,1 36,3 36,2 36,05 0,31

11 19,20 mm 30,8 31,8 32,2 31,1 31,48 0,64

12 22,40 mm 29,7 29,3 30,2 29,6 29,70 0,37

13 25,60 mm 28,4 28,7 28,8 28,6 28,63 0,17

14 28,80 mm 27,2 26,9 27,8 26,7 27,15 0,48

15 32,00 mm 26,5 26,1 26,6 26,9 26,53 0,33

16 35,20 mm 26,1 26,4 25,9 25,1 25,88 0,56

17 38,40 mm 24,5 24,3 24,4 24,6 24,45 0,13

18 44,80 mm 22,9 22,3 22,3 21,7 22,30 0,49

Fonte: o autor.

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mm

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m

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m

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m

50,0

0 m

m

HR

C

31


Fonte: o autor.

Sobrepondo os seis grficos, temos:

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

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mm

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mm

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40,0

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m

50,0

0 m

m

HR

C

32

Figura 29 Distncia da extremidade temperada X Dureza.

Fonte: o autor.

A partir da figura 29, podemos perceber que os corpos de prova um, trs e seis,

apresentam um tipo de comportamento, enquanto que os C.P.s dois, quatro e cinco

apresentam outro. Essa diferena de aproximadamente cinco milmetros na profundidade

endurecida, bem como uma maior dureza, se d devido a presena do boro nos corpos de

prova um, trs e seis, e ser melhor analisada mais adiante.

5.3 CARACTERIZAO DAS FASES NOS CORPOS DE PROVA JOMINY

Com o objetivo de se analisar as fases presentes em diferentes alturas dos corpos de

prova, e com isso a diferena existente na temperabilidade dos dois aos, foram cortados

fatias em quatro pontos nos corpos de prova dos dois aos: 4,8 mm, 9,6 mm, 14,4 mm e

25,6 mm. Os resultados encontrados para o primeiro ponto esto a seguir, nas figuras 30, 31,

32 e 33:

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

0,00

mm

5,00

mm

10,0

0 m

m

15,0

0 m

m

20,0

0 m

m

25,0

0 m

m

30,0

0 m

m

35,0

0 m

m

40,0

0 m

m

45,0

0 m

m

HR

C

C. P. 1 C. P. 2 C. P. 3 C. P. 4 C. P. 5 C. P. 6

33

Figura 30 Microestrutura do ao 1543 no ponto 4,8 mm. Ampliao de 200X, ataque reativo de Nital 2%.

Fonte: o autor.


Fonte: o autor.

34

Figura 32 Microestrutura do ao SAE 15B45 no ponto 4,8 mm. Ampliao de 200X, ataque reativo de Nital 2%.

Fonte: o autor.


35

Fonte: o autor.

Analisando a figura 29, podemos perceber que neste ponto 4,8 mm ambos os aos

apresentam uma elevada dureza, o que indica forte presena de martensita nesta regio.

Situao essa que pode ser confirmada ao olharmos as imagens 23, 24, 25 e 26, nelas pode-se

observar uma matriz martenstica com pequenos traos de perlita no ao 1543, enquanto que

no ao 15B45 no se nota outra fase presente, seno a martensita.

O prximo ponto analisado foi distncia de 9,6 mm da face resfriada. Cinco

metalografias foram obtidas, trs para o ao 1543 (figuras 34, 35 e 36) e duas para o material

contendo boro (figuras 37 e 38):


Fonte: o autor.

36


Fonte: o autor.


Fonte: o autor.

37


Fonte: o autor.


Fonte: o autor.

38

Neste ponto dos corpos de prova, pode-se notar uma grande divergncia de durezas

dos dois aos, 39,98 HRC para o 1543 e 55,38 HRC para o SAE 15B45, e consequentemente,

uma grande divergncia nas microestruturas. Enquanto que no ao sem boro, possvel notar

a presena de perlita, martensita e tambm de bainita, no ao com boro, a microestrutura se

assemelha a das imagens 23 e 24, com a formao de martensita e pequenas placas de perlita.

Neste ponto j podemos notar claramente a influncia do boro na formao da martensita,

deslocando o diagrama TTT para a direita e permitindo a formao dessa fase mesmo com

mudanas menos abruptas de temperatura.

A seguir encontram-se as figuras 39, 40, 41, 42 e 43, estas so as metalografias dos

aos 1543 e 15B45 no ponto 14,4 mm:


Fonte: o autor.

39


Fonte: o autor.


Fonte: o autor.

40


Fonte: o autor.


Fonte: o autor.

41

Nesta altura dos corpos de prova, as fases perlita, martensita, bainita e ferrita,

coexistem, estando presentes nos dois aos analisados. No ao 1543, nota-se uma quantidade

maior de perlita se comparando com o ao 15B45, mas encontram-se presentes em alguns

ncleos, ripas menores de martensita e maiores de bainita. J no segundo ao, a presena de

perlita muito maior do que no ponto analisado anteriormente (9,6 mm), mas ainda pode ser

ver na figura 36 a existncia de grande quantidade de martensita nesta altura do corpo de

prova. Analisando o grfico de durezas, pode-se afirmar que neste ponto, aproximadamente

50% da microestrutura martensita, enquanto que os demais 50% so outras fases.

Interessantemente, nesta altura do corpo de prova do ao 15B45, ocorreu uma segregao das

fases em lamelas, formando macroscopicamente uma estrutura dendrtica, e

microscopicamente faixas de martensita e faixas de perlita.

No ltimo ponto, 25,6 mm, foram feitas cinco metalografias, duas para o ao sem

boro (figuras 44 e 45) e trs para o ao com boro (figuras 46, 47 e 48):


Fonte: o autor.

42


Fonte: o autor.


Fonte: o autor.

43


Fonte: o autor.


Fonte: o autor.

44

Analisando as micrografias dos dois aos nesta altura dos corpos de prova, percebe-se

que elas se assemelham muito, com ambas apresentando basicamente somente perlita e

ferrita. A perlita apresenta-se mais grosseira no ao 1543, indicando um resfriamento mais

rpido, entretanto, essa mesma perlita grosseira est presente no 15B45 em alguns pontos do

material.

Puderam-se perceber em algumas das metalografias, pontos em que ocorreram

concentraes de determinada fase, como por exemplo, nas figuras 16, 17, 20, 39, 42, 36 e

40. Estes pontos so causados pelo acmulo ou pela falta de carbono naquela regio do ao

(heterogeneidade), favorecendo ou dificultando a formao de determinada fase. Estaa falta

de homogeneidade provm do fato de nenhum dos dois aos ter passado por algum processo

de conformao mecnica, sendo produtos semi-acabados e possuindo, portanto uma

microestrutura bruta de fuso. A grande heterogeneidade encontrada inicialmente foi

amenizada por meio da normalizao dos corpos de prova, porm, no foi completamente

eliminada. Esta condio das amostras no impactou fortemente nos resultados do ensaio

Jominy devido ao elevado nmero de medies realizadas, mas ficou evidente nas

metalografias.

5.4 DETERMINAO DO DIMETRO IDEAL PARA OS DOIS AOS

Utilizando a norma ASTM A 255, foi possvel calcular, as diferenas entre os

dimetros ideais dos dois aos, e, por conseguinte, na temperabiliade dos dois materiais.

Neste clculo da norma, s levado em conta a composio qumica dos aos:

Tabela 9 Fatores de multiplicao para o clculo do D.I. do ao 1543.

Fonte: o autor.

C Mn Si Ni Cr Mo Cu V

0,44% 1,27% 0,22% 0,04% 0,04% 0,01% 0,09% 0,01%

Fator de multiplicao: 0,22 5,36 1,15 1,02 1,09 1,03 1,03 1,02

1543

% em massa:

45

Tabela 10 Fatores de multiplicao para o clculo do D.I. do ao 15B45.

Fonte: o autor.

A partir de uma tabela disponvel na norma ASTM A 255, temos os fatores de

multiplicao para cada concentrao de elemento qumico. Estes fatores se encontram nas

tabelas 9 e 10 para o ao 1543 e para o 15B45 respectivamente.

Multiplicando todos os fatores, temos que o dimetro ideal para o ao 1543 1,64

polegadas, ou 41,77 mm. Ou seja, levando em considerao somente a composio qumica

deste ao, uma pea cilndrica com o dimetro de 41,77 mm, resfriada em uma condio

ideal, apresentaria 50% de martensita em seu centro.

J para o ao 15B45, o clculo do seu dimetro ideal torna-se um pouco diferente

devido presena do boro. Deve-se primeiro calcular um D.I. desconsiderando o boro, e

depois dividir o fator de multiplicao do carbono pelo dimetro ideal encontrado. Esta

diviso nos d o fator de liga do ao, que para este material em questo de 8,42.

A partir deste fator de liga, e do teor de carbono do ao, interpola-se o fator boro de

uma tabela tambm disponvel na norma ASTM A 255 (tabela 11):

Tabela 11 Tabela retirada da norma ASTM A 255 para a obteno do fator boro.

Fonte: Standard Test Methods for Determining Hardenability os Steel (American society for testing and materials, 2002).

Tem-se, portanto, que o fator boro deste ao 1,81, o que multiplicado pelo D.I.

calculado sem boro, nos d um dimetro ideal de 3,41 polegadas ou 86,55 mm.

C Mn Si Ni Cr Mo Cu V

0,44% 1,26% 0,20% 0,08% 0,09% 0,01% 0,27% 0,00%

Fator de multiplicao: 0,223 5,306 1,14 1,029 1,194 1,03 1,1 1

15B45

% em massa:

46

A norma ASTM A 255 tambm estabelece a dureza para a superfcie endurecida, bem

como para o ponto com 50% de martensita (tabela 12):

Tabela 12 Tabela retirada da norma ASTM A 255 que estabelece as durezas HRC para duas condies do material.

Fonte: Standard Test Methods for Determining Hardenability os Steel (American society for testing and materials, 2002).

Com base na tabela 12, utilizando um percentual de carbono de 0,44%, temos que a

dureza para um ponto com 50% de martensita de 44 HRC. Essa dureza ocorre a

aproximadamente 14 mm da superfcie resfriada no ao 15B45 e a 8,8 mm para o 1543.

47

6.0 CONCLUSES

A partir dos clculos realizados anteriormente, descobriu-se que os dimetros ideais

para o ao 1543 e para o ao SAE AISI 15B45 so respectivamente 41,77 mm e 86,55 mm.

Esses dimetros foram calculados levando em considerao um tamanho de gro austentico

n 7, uma microestrutura homognea e um meio de arrefecimento ideal. Dentro destas

condies, portanto, o ao com boro apresenta uma temperabilidade 107% maior do que a

temperabilidade do ao sem o semi-metal.

Na prtica, utilizando a tabela 12 e a figura 29, descobriu-se que os pontos com 50%

de martensita ocorrem a aproximadamente 8,75 mm da superfcie temperada para o ao 1543

e a 14 mm para o ao SAE AISI 15B45. Ou seja, nas condies do ensaio, o ao com boro

mostrou uma temperabilidade 60% maior se comparado com o ao sem boro.

Mesmo com o aumento real da temperabilidade estando bem abaixo do aumento

calculado, a influncia do boro nesta propriedade inegvel e justifica a sua utilizao em

aplicaes nas quais se deseje uma camada endurecida mais profunda.

48

7.0 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

[1] DA CRUZ, Luiz Carlos. Avaliao da capacidade de processo de fabricao em

atender especificao de temperabilidade para o ao SAE 1548M. 2005. 93 p. Dissertao

(Mestrado em Engenharia Metalrgica e de Minas) Universidade Federal de Minas Gerais,

Belo Horizonte.

[2] AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM A 255 02:

Standard Test Methods for Determining Hardenability of Steel. West Conshohocken.

2002.

[3] CALLISTER Jr.,Willian T. Cincia e Engenharia de Materiais: Uma Introduo. 7 ed.

LTC, 2008. 620 p.

[4] SOUZA, Sgio A. de. Composio Qumica dos Aos. 1 ed. So Paulo: Edgard Blucher

LTDA, 1989. 130 p.

[5] CHIAVERINI, Vicente. Aos e Ferros Fundidos: Caractersticas. 6 ed. So Paulo:

Associao Brasileira de Metalurgia e Materiais, 1990. 560 p.

[6] GORNI, Antonio A.; DA SILVEIRA, Jos H. D.; VALLIM, Pedro S. S. O efeito do boro

na resistncia deformao a quente de aos com baixo carbono. In: SEMINRIO DE

LAMINAO, 42., 2005, Santos. Associao Brasileira de Metalurgia e Materiais.

[7] KEY TO METALS. Boron in steel: Part two.Buffalo, 2007.

[8] CARDOSO, Gabriel Filipe B. M. G. Modelamento da Temperabilidade Jominy por

Regresso Linear Mltipla para Aos ao Boro. 2011. 137 p. Dissertao (Mestrado em

Engenharia de Minas, Metalrgica e de Materiais) Universidade Federal do Rio Grande do

Sul, Porto Alegre.

[9] KRELLING, Anael P. Estudo do Comportamento Tribolgico do Ao AISI H13

Submetido a Tratamento Termoqumico de Boretao. 2012. 88 p. Dissertao (Ps-

Graduao em Cincia e Engenharia de Materiais) Universidade do estado de Santa

Catarina, Joinville.

[10] CENTRO DE INFORMAO METAL MECNICA. O Teste Jominy. Florianpolis,

2005.

[11] DA COSTA, Ana Lgia S. Avaliao Microestrutural e de Propriedades Mecnicas

do Ao SAE 10B22 Fio Mquina Visando a Otimizao do Processo de Fabricao.

2010. 33 p. Dissertao (Graduao em Engenharia de Materiais) Universidade Federal do

Rio Grande do Sul, Porto Alegre.

[12] COLPAERT, Hubertus; DA COSTA E SILVA, Andr Luiz V. Metalografia dos

produtos siderrgicos comuns. 4 ed. So Paulo: Blucher, 2008. 652 p.

análise da influência do boro na temperabilidade de aços carbono

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