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ESTUDO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS AÇ OS INOXIDÁVEIS 304 E 434

J. A. A. Guedes Júnior, H. S. Silva e Ana V. C. Sobral

Programa de Pós Graduação em Engenharia e Ciência de Materiais Universidade Federal do Ceará (UFC) - Departamento de Engenharia Mec ânica e Produção Campus

do Pici, bloco 714 - Centro de Tecnologia, CEP: 60455-760 Fortaleza - Ceará - Brasil Tel.: (0xx85)288 -9632 Ramal 202 Fax.: (0xx85)288 -9636

e-mail: avladia@secrel.com.br

RESUMO

No aço inoxidável 304, considerado austenítico, os mais conhecidos e populares são os 18-8 em que o teor médio de cromo é de 18% e o de níquel 8% e o teor de carbono no máximo de 0,08%. Enquanto que no aço 434, inserido no grupo dos ferríticos, o cromo é ainda o principal elemento de liga, podendo atingir valores muito elevados, superiores a 25% e o teor de carbono no máximo do 0,20%. Menos suscetibilidade à corrosão intercristalina, pelo teor mais baixo de carbono; empregado em equipamentos para processamento de alimentos e recipientes criogenicos, são características do aço 304. No inox 434, com adição de molibdênio que aumenta a sua resistência à corrosão atmosférica e tem sido utilizado em componentes da indústria automobilística com por exemplo, pára-choques de automóveis. No presente trabalho foram realizados ensaios mecânicos de materiais metálicos para determinar as propriedades mecânicas dos mesmos como por exemplo ensaio de tração e dureza (microdureza Vickers). Com a realização desses ensaios será feita uma comparação dos resultados, para analisar qual dos aços estudados teve melhor desempenho depois de serem ensaiados.

Palavras Chaves: Aços inoxidáveis 304 e 434, Ensaios mecânicos, Metalografia INTRODUÇÃO

A maior parte dos aços austeníticos comumente empregados pertencem ao primeiro grupo. Os mais conhecidos e populares são os 18-8 em que o teor médio de cromo é 18% e o do níquel 8%. A introdução do níquel melhora consideravelmente a resistência à corrosão e a resistência à oxidação a altas temperaturas, visto, que na maioria dos reagentes, o níquel é mais nobre que o ferro e, além disso, forma uma camada de óxido que protege o aço espontaneamente. Para comprovar esse fato, demonstra-se que a restauração da película inerte protetora que tenha sido retirada de um aço inoxidável ao Cr-Ni é muito mais rápida do que a de um aço inoxidável somente ao cromo (1-3). Os aços inoxidáveis austeníticos podem ser divididos em dois grupos: aços ao cromo-níquel e aços ao cromo-manganês-níquel.

O segundo grupo, menos importante, apareceu na década de 30 e o seu desenvolvimento ocorreu durante a Segunda Guerra Mundial, em razão da menor disponibilidade de níquel. Neles, parte do níquel (cerca de 4%) é substituído por outros elementos de tendência austenitizante, como o manganês (em torno de 7%) e o nitrogênio (em teores não superiores a 0,25%).

As principais características dos aços inoxidáveis austeníticos são: - não magnéticos; - não endurecíveis, por serem austeníticos; - quando encruados apresentam maior resistência à dureza e uma maior resistência à tração,

devido à instabilidade da austenita, que sob tensões de encruamento transforma-se parcialmente em ferrita.

O aço do tipo 304 é inoxidável austenítico que tem menor suscetibilidade à corrosão intercristalina, pelo teor menos de carbono e pode ser utilizada na construção de equipamentos para processamento de alimentos, recipientes criogênicos. Abaixo está uma foto das chapas utilizadas neste presente trabalho.

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Nos aços inoxidáveis ferríticos, o cromo é o principal elemento de liga, podendo atingir valores muitos elevados, superiores a 25%. Como o teor de carbono é baixo – máximo de 0,20% - a faixa austenítica fica totalmente eliminada e, em conseqüência, esses aços não são endurecíveis pela têmpera.

O aço inoxidável 434 é inoxidável ferrítico, com a adição de molibdênio tem uma melhora em sua resistência à corrosão atmosférica e pode ser empregado na manufatura de componentes da indústria automobilística como por exemplo, pára-choques (4).

No presente trabalho é realizado um estudo comparativo das propriedades mecânicas dos aços inoxidáveis 304 e 434. Para a caracterização dos aços inoxidáveis, foram utilizadas as técnicas de microscopia eletrônica de varredura (MEV), análise de energia dispersiva de Raio-X (EDAX) e microscopia ótica.

MATERIAIS E MÉTODOS Superfície de tratamento

As amostras foram preparadas com lixas de granulometria, variando entre 220 (grossa) e 600 (fina), em refrigeração constante. Em seguida foi realizado um polimento com pasta de diamante de · = 0,25·m a 3 µm, até a obtenção de uma face totalmente espelhada. Foram, então, lavadas em água, álcool, secadas adequadamente e guardadas em dessecador.

Caracterização Morfológica e Análise Elementar (EDAX)

As análises microestruturais dos aços inoxidáveis 304 e 434 foram realizadas através da microscopia ótica utilizando, o modelo Carls Zeiss GmbH, e empregando também a microscopia eletrônica de varredura (MEV), modelo Philips XL-30.

Ensaio de tração

A facilidade de execução e a reprodutividade dos resultados tornam o ensaio de tração um importante ensaio mecânico para materiais metálicos. Os ensaios de tração foram realizados no Núcleo de Tecnologia do Ceará (NUTEC – Ce).

A aplicação de uma força num corpo sólido promove uma deformação do material na direção e o ensaio de tração consiste em submeter um material a um esforço que tende a estica-lo ou alonga-lo. Geralmente, o ensaio é realizado num coro de prova de formas e dimensões padronizadas, para que os resultados obtidos possam ser comparados ou, se necessário, reproduzidos. Este corpo de prova é fixado numa máquina de ensaio que aplica esforços crescentes na sua direção axial, sendo medidas as deformações correspondentes por intermédio de aparelho especial (computador). Os esforços ou cargas são medidos na própria máquina de ensaio e o corpo de prova é levado até sua ruptura (5).

No presente ensaio foram analisados os seguintes pontos: força de ruptura, alongamento, limite de escoamento e limite de resistência. O ensaio foi realizado em uma máquina universal ensaio de tração da marca tira teste com capacidade de 24.250 toneladas. A velocidade do ensaio foi em torno de 1 kgf/mm² por segundo. Os corpos de prova utilizados no ensaio foram confeccionados de acordo com as medidas descritas no método MB-4 da ABNT para chapas finas como mostrado na figura 1.

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Figura 1 – Ensaio de tração dos aços inoxidáveis 434 e 304.

Ensaio de dureza (Microdureza Vickers)

A microdureza é aplicada para peças onde tem o problema da determinação das profundidades

de superfície carbonetada e de tempera além da determinação de dureza de constituintes individuais de uma microestrutura, de materiais frágeis, de peças pequenas ou extremamente finas. Foi por esse motivo que escolhemos a microdureza pelo motivo de nossas amostras terem uma pequena espessura cerca de 1,08 mm aproximadamente.

Como o próprio nome diz, a microdureza produz uma impressão microscópica no material, empregando uma carga menor que 1 kgf, com penetrador de diamante. A carga pode chegar a até 10gf somente e a superfície do corpo deve ser plana. No presente ensaio foi utilizada uma carga de 100 g e usado um aumento de 100 vezes na máquina utilizada. As amostras estavam embutidas em baquelite, perfeitamente polidas com pasta de diamante e previamente atacadas com glicerregia.

Este tipo de dureza tem como principais vantagens: a) escala contínua; b) impressões extremamente pequenas que não inutilizam a peça; c) grande precisão na medida; d) deformação nula no penetrador; e) existência de apenas uma escala de dureza. O penetrador é uma pirâmide de diamante de base quadrada, com um ângulo de 136° entre as faces opostas. Com esse ângulo produz resultados semelhantes à dureza Brinell. Como o penetrador é um diamante, ele é praticamente indeformável e como todas as impressões são semelhantes entre si, não importando o tamanho, a dureza Vickers (HV) é independente da carga usada para materiais homogêneos. A mudança da carga é necessária para se obter uma impressão regular, sem deformação e de tamanho compatível para a medida de suas dimensões no visor da máquina; isso depende, naturalmente, da dureza do material que se está ensaiando, como no caso da dureza Brinell. A forma da impressão é um losango regular, ou seja, quadrada, microdureza Vickers (5). RESULTADOS E DISCUSSÃO Microestrutura dos aços inoxidáveis 434 e 304

A microestrutura foi caracterizada por microscopia ótica. A figura 2 apresenta o aço inoxidável 434 com uma microestrutura ferrítica, e com 1,038 de molibdênio apresenta uma melhor resistência à corrosão atmosférica (4). A microestrutura do aço inoxidável 304 se apresenta como austenítica ( dados não mostrados).

O ataque foi realizado com glicerrégia (glicerina, ácida clorídrico e ácido nítrico nas proporções de 3: 2: 1, respectivamente).

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Figura 2 - Microscopia ótica do aço inoxidável 434. Aumento: 500x. Ataque: Glicerregia.

Ensaio de tração

Os parâmetros utilizados para os ensaios de tração nos aços inoxidáveis 304 e 434 estão mostrados na tabela 1. Tabela 1 – Parâmetros utilizados no ensaio de tração nos aços inoxidáveis 304 e 434.

Amostras Dimensões mm x mm

Força de Ruptura

(N)

Alongamento % Limite de Escoamento

(MPa)

Limite de Resistência

(MPa) 01 (304) 12,9 x 1,0 5582,55 7,36 413,33 432,76 02 (304) 12,4 x 1,0 5521,87 9,97 430,69 445,31 03 (304) 12,5 x 0,6 5621,17 11,69 678,39 749,49 04 (434) 12,7 x 0,7 3418,30 ZERO ZERO 384,81 05 (434) 12,9 x 0,8 3383,37 ZERO ZERO 327,85 06 (434) 12,5 x 0,5 3342,91 ZERO ZERO 534,87

Podemos perceber que o aço inoxidável 304 teve uma média na força de ruptura de

5575,19N, um alongamento médio de 9,67%, limite de escoamento médio de 507,47MPa e uma resistência média de 542,52Mpa como mostrado na figura 3. Em contrapartida o inox 434 teve uma média na força de ruptura de 3381,52N, e uma resistência média de 415,84Mpa (Figura 4). Um fato interessante ocorrido após obter os dados do ensaio foi que o aço 434 não teve alongamento em conseqüência não manifestou escoamento, tendo comportamento semelhante a de um material dúctil. Convém observar que em todos os parâmetros medidos no ensaio de tração o aço inoxidável 304 (austenítico) foi superior ao 434 (ferrítico), conclui-se que o mesmo tem resistência a tração superior que o seu adversário.

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Figura 3- Gráficos (tensão x deformação) do aço inoxidável 304

Figura 4- Gráficos (tensão x deformação) de duas amostras do aço inoxidável 434. Ensaio de dureza (Microdureza Vickers)

Os parâmetros utilizados para o ensaio de dureza (Microdureza Vickers) nos aços inoxidáveis

304 e 434 estão mostrados nas tabelas 2 e 3 respectivamente.

Tabela 2 – Parâmetros utilizados para o ensaio de dureza (Microdureza Vickers) no aços inoxidáveis 304.

Amostra 01 Medições M (micros) HV

01 156 183,102 02 160 174,062 03 159 176,258 04 158 178,496 05 159 176,258

Média HV 177,635 Amostra 02

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Medições M (microns) HV 01 158 178,496 02 157 180,777 03 158 178,496 04 151 195,429 05 157 180,777

Média HV 182,795

Tabela 3 – Parâmetros utilizados para o ensaio de dureza (Microdureza Vickers) no aços inoxidáveis 434.

Amostra 01 Medições M (microns) HV

01 146 209,044 02 153 190,353 03 150 198,043 04 150 198,043

Média HV 198,871 Amostra 02

Medições M (microns) HV 01 149 200,711 02 151 195,429 03 150 198,043 04 156 183,102 05 154 187,889

Média HV 193,035

Podemos perceber que o aço inoxidável 304 que a dureza média de ambas as amostras é de 180,215HV ( tabela 2) e que a dureza média do inox 434 é de 195,953HV ( tabela 3). Na amostra 01 do aço 434 não foi possível realizar a quinta medição de dureza pelo motivo da pequena superfície da mesma. Quando comparamos os resultados obtidos constatamos que o aço ferrítico (434) tem uma dureza maior que o austenítico (304), portanto o aço 434 tem maior resistência a dureza que o aço 304.

CONCLUSÕES - O aço inoxidável 304 é mais resistente à tração que o aço inoxidável 434 - O aço inoxidável 434 apresenta uma dureza superior em relação ao aço inoxidável 304

AGRADECIMENTOS

- Prof. Lindberg Lima Gonçalves coordenador do curso de pós graduação em engenharia e ciência de materiais

- NUTEC (Núcleo de Tecnologia do Ceará) e CEFET-Ce (Centro Federal de Educação Tecnológica) pela realização dos ensaios mecânicos

- CNPq pelo apoio financeiro

REFERÊNCIAIS 1. A.J. Sedriks, Corrosion of stainless ste els, 2ª edição, New York, USA, John Wiley & Sons, 1996. 2. D. A. Jones, Principles and prevention of corrosion. 2.ed. New Jersey: Prentice Hall, inc., 1996.

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3. V. Chiaverini, Aços e Ferros Fundidos. 5. ed. São Paulo: Associação Brasileira de Metais – ABM, 1982. 4.W.D.Callister Jr. Materials science and engineering: an introduction. 5.ed. New York: John Wiley & Sons, Inc., 2002. 5. A. Garcia, J. A. Spin e C. A. dos Santos, Ensaios dos Materiais, 1a edição, LTC. 2002.

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STUDIES OF MECHANICAL PROPERTIES OF STAINLESS STELL 304 AND 434

J. A. A. Guedes Júnior, H. S. Silva e Ana V. C. Sobral

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e-mail: avladia@secrel.com.br ABSTRACT The mechanical properties of AISI 304 and 434 stainless steel are ascertainded by performing carefully designed laboratory experiments that replicate as nearly as possible the service conditions. This work consists in pioneer effort to mechanical properties of stainless steel. The experiments were tension tests and hardness (Vickers microhardness tests). The characterization of microstructure were analyzed by optical and electronic microscopy, X-ray diffraction, and EDS microprobe analysis. Key-words: mechanical properties, stainless steel, tension tests, hardness