EFEITO DA TAXA DE RESFRIAMENTO NA CONSTITUIO DA PERLITA E NAS PROPRIEDADES MECNICAS DE AOS COMUNS

Fabio Henrique Santos David1

Matheus Castanheira Paes1

Lucas Miranda da Silva1

Leandro Nunes da Silva1

Ubirajara Domingos de Castro2

RESUMO

Os aos so ligas de ferro muito importantes na engenharia de materiais. Eles apresentam pequenas quantidades de carbono, podendo atingir at 2,11%. Em temperaturas mais baixas, tem-se no ao uma mistura heterognea, uma vez que uma pequena parte do carbono se encontra em soluo na ferrita e o restante, a maior parte, se encontra arranjado com o ferro na forma de cementita (Fe3C). Assim, no campo de estabilidade da austenita todo o carbono presente no ao se encontra em soluo slida. Aos hipoeutetides, quando resfriados lentamente no forno, apresentam uma microestrutura de perlita grossa e ferrita primria ou pr eutetide. Com um ligeiro aumento da taxa de resfriamento, como no resfriamento ao ar, ocorrem outras transformaes significativas que vo desde a mudana do ponto eutetide (temperatura e composio) para valores mais baixos do que no equilbrio, at a obteno de uma perlita mais fina. Este trabalho busca analisar a formao da perlita bem como a sua morfologia em funo da taxa de resfriamento.

Palavras-chave: Ao hipoeutetide. Ferrita primria. Perlita. Taxa de resfriamento, Recozimento, Normalizao, Propriedades mecnicas.

ABSTRACT

The steels are iron alloys very important in materials engineering. They exhibit small amounts of carbon, reaching up to 2.11% (by weight). At lower temperatures, the steel must be a heterogeneous mixture, since a small part of the carbon is in solution in the ferrite and the remainder, mostly, is arranged with iron in the form of cementite (Fe3C). Thus, the

1 Alunos do Curso de Engenharia Mecnica da Faculdade de Cincias Exatas e Tecnolgicas do Instituto Cultural

Newton Paiva; 2 Coordenador de Projeto Professor Adjunto II da Faculdade de Cincias Exatas e Tecnolgicas do Centro

Universitrio Newton Paiva.

stability of the austenite field all the carbon in the steel is in solid solution. Steels hipoeutetides, when cooled slowly in the oven, have a microstructure of pearlite and ferrite thick primary or pro eutectoid. With a slight increase in the cooling rate, as in air-cooling, other significant changes occur ranging from eutectoid point change (temperature and composition) at lower than at equilibrium to obtain a finer pearlite. This paper seeks to analyze the formation of pearlite and its morphology as a function of cooling rate.

Keywords: Hipoeutectoid steel. Primary ferrite. Perlite. cooling rate, annealing, Normalizatio., Mechanical properties.

1 INTRODUO

O ferro um elemento de grande utilizao na produo de ligas para aplicao na engenharia. A importncia das ligas a base de ferro no estudo dos materiais se deve sua alotropia, que se caracteriza pela capacidade que alguns elementos apresentam de possuir mais de um arranjo atmico em funo da temperatura e/ou presso. Desta forma, o ferro apresenta um arranjo de tomos cbico de corpo centrado (CCC) em temperaturas que variam at 912C, denominado ferrita alfa (Fe). No intervalo de temperaturas situado entre 912C e 1394C, o arranjo mais estvel para os tomos de ferro o cbico de face centrada (CFC). Esta forma denominada austenita ou ferro gama (Fe). Acima desta temperatura at 1394C os tomos voltam a se arranjarem na forma cbica de corpo centrado (CCC), conhecida como ferrita delta (Fe) e permanecem neste arranjo at a fuso do metal que se d a uma temperatura de aproximadamente 1538C. A figura 1 ilustra esta alotropia do ferro.

Figura 1 Alotropia do ferro puro em funo da temperatura. Referncia: Grfico elaborado pelo autor.

Dentre as ligas a base de ferro destacam-se os aos. Estes so os materiais de maior aplicao na indstria da construo mecnica. Essencialmente, os aos so ligas de ferro com teor de carbono de at 2,11% (em peso). De outra forma, os aos podem conter concentraes apreciveis de outros elementos de liga e impurezas. Consideram-se usualmente dois tipos fundamentais de aos: a) os aos comuns, caracterizados como ligas ferro-carbono com a presena de certos elementos residuais; b) os aos ligados caracterizados como ligas ferro-carbono contendo outros elementos (Cr, Ni, Al, Mo, Nb, V, W, Co, Cu, dentre outros), intencionalmente adicionados de forma a possibilitar propriedades especficas, ou que apresentam os elementos residuais em teores acima dos que so considerados normais.

Os aos carbono de maior aplicao contm de 0,1 a 1,5%C. Em geral, as impurezas encontradas so o fsforo, enxofre, mangans e silcio, podendo se observar a presena de outros elementos como nitrognio, oxignio, estanho e alumnio. Os teores mximos para cada impureza dependem da aplicao a qual se destinar o ao. O fsforo e o enxofre so provenientes da matria-prima e o mangans e o silcio so utilizados no processo de fabricao e caracterizam-se como desoxidantes (Pedraza, & Silva, 1989).

2 CLASSIFICAO DOS AOS QUANTO AO TEOR DE CARBONO

Os aos comuns so reunidos em trs grupos segundo o teor de carbono presente. O primeiro grupo constitui os aos eutetides que contm cerca de 0,8 %C (em peso). So resistentes e muito pouco dcteis. Quando resfriados lentamente do campo austentico, apresentam uma microestrutura de 100% de perlita conforme mostrado na figura 2.

Figura 2 Evoluo da microestrutura no resfriamento lento de um ao eutetide. A; austenitizao do ao; Ponto B: incio da formao da perlita a partir da austenita; (reao + Fe3C); Ponto C: microestrutura final (perlita); Ponto D: detalhe da microestrutura mostrando as lamelas de ferrita e cementita na perlita. (500x; ataque nital 2%).

O segundo grupo refere-se aos aos hipoeutetides que possuem um teor de carbono abaixo de 0,8%. Estes aos so macios e apresentam elevada ductilidade3, boa soldabilidade e baixa resistncia mecnica. A microestrutura representativa destes aos, quando resfriados lentamente, consiste em ferrita e perlita primria, conforme detalhado na figura 3.

Figura 3 Evoluo da microestrutura de um ao hipoeutetide no resfriamento lento. Ponto A: austenitizao do ao; Ponto B: incio da formao da ferrita primria a partir da austenita; Ponto C: a reao + Fe3C se inicia; Pontos D e E: microestrutura final de perlita e ferrita pr eutetide - detalhe da microestrutura mostrando a ferrita primria envolvendo a perlita. (500x; ataque nital 2%).

O terceiro e ltimo grupo representa os aos hipereutetides, como teores de carbono entre 0,77 e 2,11% (em peso). A microestrutura, obtida no resfriamento lento da austenita, constituda de cementita em alguns contornos dos gros de perlita (figura 4).

Figura 4 Evoluo da microestrutura de um ao hipereutetide com 1,05% de carbono no resfriamento lento. Ponto A: austenitizao do ao; Ponto B: formao dos ncleos de cementita pr-eutetide nos contornos da austenita; Ponto C: incio da formao da perlita a partir da austenita; Ponto D: a reao se completa; Ponto E: detalhe da microestrutura mostrando a cementita primria no contorno da perlita. (500x; ataque nital 2%).

3 Ductilidade: Caracterstica que alguns materiais possuem de apresentar grande quantidade de deformao

at a ruptura.

Aos comuns possuem a denominao 10XX de acordo com a SAE (Society Automotive Engineers), tendo igual denominao na AISI (American Iron and Steel Institute) e na ABNT (Associao Brasileira de Normas Tcnicas), sendo os dois ltimos algarismos referentes ao teor de carbono medido em centsimos de per cento.

3 MORFOLOGIA DA PERLITA

A transformao austentica se transforma, no resfriamento lento, em temperaturas logo acima de 723C, o produto da reao igual ao previsto no diagrama de equilbrio para um resfriamento continuo e muito lento. Como pode ser visto na figura 5, as fases estveis abaixo da temperatura eutetide so ferrita e cementita, e a estrutura eutetoide uma mistura dessas fases.

Figura 5 Regio eutetide do diagrama ferro-cementita.

Esse constituinte, denominado perlita, consiste de lamelas alternadas de cementita (Fe3C) e ferrita (Fea), sendo que a ferrita a fase continua. As figuras 6a e 6b exemplificam a estrutura da perlita em um ao eutetide, atravs de fotomicrografias da superfcie de um ao eutetide. A figura 6b mostra com maior ampliao o trecho assinalado da figura 6a, detalhando a morfologia da perlita.

A perlita, por sua vez, no uma fase, mas uma mistura de duas fases cementita e ferrita. No entanto ela um constituinte, porque tem um aspecto

definido ao microscopio podendo ser claramente identificada em uma estrutura composta de diversos outros constituintes. (HILL, 1985).

Figura 6 - Ao SAE 1080 recozido a 870oC durante 20 minutos: a) 400x de ampliao; b) Detalhe da figura anterior, ampliado 800x. Ataque nital 2%. Fonte: Laboratrio de Materiais da Faculdade de Cincias Exatas do Centro Universitrio Newton Paiva.

A razo entre as fases na perlita pode ser calculada empregando-se a regra da alavanca, conforme representado pelas equaes 1 e 2.

% Fe3Cem peso= 0,77- 0,026,7-0,02 x100 (1)

% Ferritaem peso= 6,7- 0,776,7-0,02 x100 (2)

Segundo HILL (HILL, 1985, p. 566) quando a austenita forma perlita em uma temperatura fixa, o espaamento entre as lamelas adjacentes de cementita aproximadamente constante. Durante a formao da perlita, ncleos de Fe3C, de diferentes orientaes, se formam. Desta maneira, as colnias de perlita passam a apresentar diferentes orientaes.

Considerando que as transformaes que ocorrem no resfriamento lento esto de acordo com o descrito para a reao de transformao isotrmica da austenita em perlita, admite-se que para um resfriamento um pouco mais rpido (como no resfriamento ao ar), ocorram algumas transformaes no diagrama de equilbrio. Segundo HILL, estas modificaes podem ser explicadas pela extrapolao de Hultgren no diagrama de equilbrio ferro-cementita, ou seja, o aumento na taxa de resfriamento leva a uma alterao na posio das linhas deste diagrama, incluindo a mudana do ponto euteide para valores menores do que no equilbrio (figura 7) (HILL, 1982, p. 569).

Figura 7 Extrapolao de Hultgren. Referncia: Hill, 1982, p. 569.

4 METODOLOGIA

4.1 MATERIAIS

Foram adquiridas, em lojas de materiais metlicos, barras de ao SAE 1020, 1045, 1060, 1070 e 1080, acompanhadas de certificados de qualidade contendo as anlises qumicas dos elementos presentes, conforme mostrado na tabela 1.

Tabela 1 Valores de composio qumica dos aos em estudo. Ao SAE C% Mn% Si% P% (max.) S% (Max.)

1020 0,23 0,45 0,21 0,04 0,05 1045 0,43 0,70 0,20 0,04 0,05 1060 0,62 0,90 0,21 0,04 0,05 1070 0,70 0,75 0,23 0,04 0,05 1080 0,93 0,75 0,23 0,04 0,05

4.2 MTODOS

Foram retiradas amostras das barras de ao com dimenses de cerca de 150 mm de comprimento. Estas amostras foram inicialmente aquecidas a 930C durante 30 minutos e em seguida 02 (duas) amostras de cada ao foram resfriadas ao ar (normalizao) e outras duas amostras de cada foram deixadas no interior do forno para um resfriamento muito lento, caracterizando o tratamento trmico de recozimento. Ensaios de dureza pelo mtodo Vickers foram realizados nas barras tratadas termicamente.

Sees transversais e longitudinais das barras foram investigadas no exame microgrfico para avaliao da microestrutura dos aos, tanto no estado como recebido, quanto nos estados recozido e normalizado.

A partir das barras tratadas foram usinados corpos de prova de dimenses especficas para realizao dos ensaios de trao conforme padro apresentado na figura 8.

Figura 8 - Aspecto do corpo de prova para o ensaio de trao.

As dimenses nominais dos corpos de prova esto apresentadas a seguir:

Tabela 2 - Dimenses nominais dos corpos de prova segundo norma Brasileira NBR 6152.

(a) (b) Figura 9 a) Mquina universal de ensaio WDW100 - E marca: TIME GROUP INC (Laboratrio de Materiais da Faculdade de Cincias Exatas e Tecnolgicas do Centro Universitrio Newton Paiva); b) Microdurmetro digital HMV 2T SHIMADZU (Laboratrio de Materiais do Instituto Politcnico da Pontifcia Universidade Catlica de Minas Gerais).

As figuras 9a e 9b apresentam a mquina universal e o durmetro utilizados nos ensaios de trao e de dureza, respectivamente.

As amostras embutidas para observao microscpica foram tambm utilizadas para ensaios de microdureza (P = 2,45 mN). As impresses de dureza realizadas nos gros de ferrita e de perlita.

d0 () (mm) A (mm) R (mm) 10 50 4,5

5 RESULTADOS E DISCUSSES

Durante os ensaios de trao dos corpos de prova, foram obtidas as curvas de carga (KN) versus alongamento (mm). Os grficos a seguir so representativos destes ensaios.

O grfico 1 mostra as curvas obtidas nos ensaios de trao de corpos de prova do ao SAE 1020 recozido e normalizado. Estas curvas ilustram a influncia do tratamento no patamar de escoamento, no limite de resistncia e no alongamento percentual aps ruptura.

GRFICO 1 - Curvas de carga (KN) versus alongamento (mm), obtidas nos ensaios de trao de corpos de prova de ao SAE 1020 recozido e normalizado.

Fonte: Ensaios realizados no Laboratrio de Materiais da Faculdade de Cincias Exatas e Tecnolgicas do Centro Universitrio Newton Paiva.

O grfico 2, mostra as curvas obtidas para os trs aos (SAE 1020, SAE 1045 e SAE 1060) no estado normalizado. Neste grfico visvel a variao do limite de resistncia, do alongamento percentual aps ruptura e do comprimento do patamar de escoamento. O primeiro parmetro aumenta com o teor de carbono e os dois ltimos diminuem com o aumento deste.

GRFICO 2 Curvas de carga (KN) versus Alongamento (mm) obtido experimentalmente nos ensaios de trao de corpos de prova cilndricos de aos comum SAE 1020, 1045 e 1060, normalizados.

Fonte: Ensaios realizados no Laboratrio de Materiais da Faculdade de Cincias Exatas do Instituto Cultural Newton Paiva

GRFICO 3 Curvas de carga (KN) versus Alongamento (mm) obtido experimentalmente nos ensaios de trao de corpos de prova cilndricos de aos comum SAE 1020, 1045 e 1060, recozidos.

Fonte: Ensaios realizados no Laboratrio de Materiais da Faculdade de Cincias Exatas e Tecnolgicas do Centro Universitrio Newton Paiva

O grfico 3 apresenta as curvas obtidas no ensaio de trao dos aos SAE 1020, SAE 1045 e SAE 1060 no estado recozido. A correlao entre os mesmos parmetros e o teor de carbono a mesma apresentada no caso dos aos normalizados. No entanto, os

aos recozidos apresentam valores menores para estes parmetros do que os aos normalizados.

As tabelas 3 e 4 apresentam os dados obtidos nos ensaios de trao referentes aos grficos 1, 2 e 3 e as propriedades mecnicas determinadas segundo a Norma Brasileira NBR 6152.

Tabela 3 Dados obtidos no ensaio de trao de corpos de prova de aos recozidos.

Fonte: Ensaios realizados no Laboratrio de Materiais da Faculdade de Cincias Exatas e Tecnolgicas do Centro Universitrio Newton Paiva.

Tabela 4 Dados obtidos no ensaio de trao de corpos de prova de aos normalizados.

Fonte: Ensaios realizados no Laboratrio de Materiais da Faculdade de Cincias Exatas do Centro Universitrio Newton Paiva.

As figuras a seguir mostram as fotografias pticas das superfcies dos aos recozidos e normalizados, obtidas no exame microgrfico.

(a) (b) Figura 10 Fotomicrografias do ao SAE 1045 resfriado no forno (recozido): a) ampliao de 400x; b) ampliao de 800x. Ataque Nital 2%.

(a) (b) Figura 11 Fotomicrografias do ao SAE 1045 resfriado ao ar (normalizao): a) ampliao de 400x; b) ampliao de 800x. Ataque Nital 2%.

(a) (b) Figura 12 Fotomicrografias do ao SAE 1070 resfriado no forno (recozimento): a) ampliao de 400x; b) ampliao de 800x. Ataque Nital 2%.

(a) (b) Figura 13 Fotomicrografias do ao SAE 1070 resfriado ao ar (normalizao: a) ampliao de 400x; b) ampliao de 800x. Ataque Nital 2%.

Nas amostras preparadas para observao microscpica foam feitas impresses de microdureza Vckers com carga de 2,45 mN (mili Newton). A figura 14 representa os ensaios de microdureza que foram realizados em todas as amostras.

(a) (b) Figura 14 Impresses de microdureza Vickers (P = 2,45 mN) em aos SAE 1045: a) ao recozido; b) ao normalizado.

TABELA 5 Valores de microdureza obtidos nos aos em estudo representados pelas figuras 14a e 14b.

Na determinao do novo ponto eutetide, definido pelo aumento da taxa de resfriamento ao ar, em relao ao resfriamento no forno, foi tomado como referncia o ao SAE 1045, uma vez que este possui um teor mdio de carbono e quantidades relativas de fases (ferrita e perlita) razoavelmente equiparveis. Neste sentido, qualquer alterao na relao quantitativa de fases presentes neste ao, devido a variao na taxa de resfriamento, seria facilmente percebida. Assim, de acordo com as figuras 10 e 11, observa-se que para o resfriamento no forno, a quantidade de perlita presente neste ao de aproximadamente 55%. No entanto, para o resfriamento ao ar, esta quantidade cresce para cerca de 80%. Com a aplicao da regra da alavanca, o novo ponto eutetide fica determinado como sendo em torno de 56% de carbono.

Microdureza Vickers

Microdureza Vickers

6 CONCLUSES

O principal constituinte de aos comuns resfriados lentamente no forno a perlita. Em geral, este constituinte formado atravs do resfriamento muito lento do ao, desde o campo austentico at a temperatura ambiente. Com um ligeiro aumento da taxa de resfriamento de um ao hipoeutetide, como ocorre no resfriamento ao ar, embora os constituintes formados sejam a perlita e a ferrita primria ou pr eutetide, ocorrem outras transformaes significativas que vo desde a mudana do ponto eutetide para valores mais baixos do que no equilbrio, de 727C para uma temperatura abaixo (727C - T) e para uma percentagem de carbono de 0,56% (em peso), at a obteno de uma perlita mais fina.

Esta perlita fina apresenta uma maior quantidade de ferrita em relao perlita obtida no resfriamento de equilbrio. No entanto, isto no acarreta em uma queda na dureza da perlita e muito menos da dureza do ao como um todo, pois a isto esta associada uma reduo na espessura das lamelas de ferrita e cementita na perlita, o que provoca uma reduo no espaamento interlamelar desta. De outra forma, ocorre uma significativa reduo da quantidade relativa de ferrita pr eutetide, qual a dureza do ao muito mais sensivel.

Estas mudanas acarretam em melhorias nas propriedades mecnicas do ao, tais como: aumento da dureza, resistncia mecnica, tenso de escoamento e melhoria nos parmetros de parmetros de ductilidade (alongamento percentual aps ruptura (A%) e reduo percentual de rea (Z%)).

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