INFLUNCIA DE DIFERENTES MECANISMOS DE ENDURECIMENTONAS PROPRIEDADES MECNICAS DO AO ABNT 1045

Ana Leticia Lima Santos1Guilherme Henrique Schwab Antunes2Leonardo Gasperin3Mariana Alves da Silva4Melissa Bianca Mendes5

1Universidade Tecnolgica Federal do Paran, analeticia.lim.st@gmail.com, 2Universidade Tecnolgica Federal do Paran, guilhermeantunes@alunos.utfpr.edu.br,3Universidade Tecnolgica Federal do Paran, leonardo_gasperin@hotmail.com,4Universidade Tecnolgica Federal do Paran, marianasilva@alunos.utfpr.edu.br,5Universidade Tecnolgica Federal do Paran, melissamendes@alunos.utfpr.edu.br,

Resumo: Os mecanismos de endurecimento de um ao so amplamente empregados na indstria mecnica. Portanto,uma anlise de suas influncias sobre as propriedades do material fundamental para um bom embasamento tericodessa prtica e determinao de qual processo mais interessante optar. Por meio desse trabalho, buscou-se estaanlise, comparando diferentes mecanismos entre si. Para tal, utilizou-se de ensaios de trao, medies de dureza,bem como anlise metalogrfica de uma liga especfica (ao ABNT 1045).

Palavras-chave: mecanismos de endurecimento, comportamento mecnico, propriedades mecnicas.

1. INTRODUO

As propriedades mecnicas de um ao esto diretamente relacionadas com seu processamento, bem como com ossubsequentes tratamentos trmicos aos quais ele pode ser submetido. Estes tratamentos so empregados em larga escalanas ligas Fe-C, em especial nos aos, e visam, justamente, a modificao destas por meio da alterao da microestruturada liga. Conta-se com diversos tipos de tratamentos trmicos; cada um leva a um tipo de estrutura e, por conseguinte, adiferentes propriedades. A seleo do tratamento trmico depende das condies de servio s quais o material estarsujeito.

Na deformao plstica tambm se modifica a microestrutura da liga. Por meio dela ocorre o encruamento,fenmeno que corresponde a um aumento da dureza e resistncia mecnica. O encruamento uma condio comum emaos conformados, sobretudo a frio1.

Certos tratamentos trmicos, assim como o encruamento so mecanismos de endurecimento de um materialmetlico, que determinam a resistncia deformao plstica deste. As tcnicas para elevar a dureza esto relacionadasao movimento de discordncias em um material. Quanto mais fcil para uma discordncia se movimentar na redecristalina, mais facilmente o material se deformar plasticamente. Assim, endurecer dificultar o movimento destas. Aoser deformado, o material metlico tem um aumento da densidade de discordncias [1]. No caso do encruamento, oaumento de discordncias acaba por dificultar o movimento entre elas. Alm deste mecanismo de endurecimento, h orefino de gro, a soluo slida e a precipitao de partculas de segunda fase, que via de regra aumenta tambm aresistncia mecnica de um material.

O refino de gro acresce a dureza por aumentar a rea total dos contornos de gro, os quais atuam como barreiraspara as discordncias. Alm disso, a maior diferena na orientao dos gros tambm barra este movimento. Assolues slidas intersticiais deformam a rede cristalina, sem a formao de segunda fase. A precipitao de partculasde segunda fase tambm deforma a rede. Em ambos os mecanismos, essa deformao o que trava o movimento dasdiscordncias.

Na tmpera, um dos tratamentos trmicos mais importantes, o principal objetivo obter a martensita,microestrutura altamente distorcida, na qual o carbono fica aprisionado como soluo slida supersaturada, o quetenciona a rede cristalina. Assim, h um aumento substancial na dureza do material. Entretanto, tem-se como efeito umadiminuio acentuada da sua ductilidade e tenacidade, e relativo aumento da sua fragilidade. Alm disso, a tmperapropicia, em determinados casos, a ocorrncia de tenses internas, de trincas e empenamentos. Estes defeitos podem seratenuados, posteriormente, com o emprego do processo de revenimento.

Para realizar este tratamento, o material aquecido a certa temperatura (austenitizado) e, em seguida, submetido auma alta taxa de resfriamento para que no ocorra o fenmeno da difuso, impondo na pea uma transformao fora do

1O nome trabalho a frio se d pelo fato da deformao pelo processo de conformao mecnica ocorrer em uma temperatura fria em relao temperatura de fuso do metal[3].

equilbrio. O revenido o tratamento que restitui ao ao tenacidade e ductilidade, confere menores tenses residuais,mas sem modificar significativamente a dureza e a resistncia mecnica j obtidas. Este processo consiste em reaquecera pea aps a tmpera at uma temperatura bem menor do que a de austenitizao, o que leva a microestrutura aconfiguraes mais prximas do equilbrio (ferrita + perlita), porm com grande refinamento dos gros e lamelas[1].

O recozimento, por sua vez, um tratamento que resulta na reduo da dureza da liga; consiste em austenitizar eem seguida resfriar lentamente, junto ao forno. Quanto mais baixa a temperatura do processo, mais heterognea ser aaustenita, e maiores so as chances de nuclear carbonetos em regies com mais carbono [1]. Esta nucleao contribuipara a recristalizao, processo pelo qual os gros deformados so substitudos at que os originais extinguem-se, o quereduz as tenses residuais anteriores.

Assim sendo, estes mecanismos podem ser avaliados por meio de amostras de ao, as quais, ao serem submetidas aalguns processos de medio, acabam por fornecer dados numricos que traduzem os resultados obtidos. Estes dadosso extrados das medies de dureza, metalografia e do ensaio de trao de um corpo de prova. Neste ltimo, umacurva de tenso-deformao pode ser construda, uma vez que a elongao do corpo obtida na medida em que a forade trao nele aplicada aumenta. As tenses obtidas so calculadas pela razo entre carga e rea inicial. Os parmetrosque descrevem essa curva so: a resistncia trao, a tenso limite de escoamento, elongao percentual e reduode rea[4]; eles traduzem resistncia e ductilidade.

A fim de comparar a influncia dos mecanismos de refino de gro e encruamento, o presente trabalho avalioupropriedades como tenso (de escoamento e mxima) e alongamento, bem como a dureza, alm da anlise das imagensda microestrutura e das fraturas obtidas.

2. MATERIAIS E MTODOSPara esta anlise, necessitou-se de quatro corpos de prova, material ao ABNT 1045 - composio conforme tabela

1 - com 10 mm de dimetro til e 50 mm de comprimento. Estas amostras foram denominadas de EF, RE, TR e RG. Aprimeira foi analisada em estado de fornecimento, portanto, passou pelo ensaio de trao e medio de dureza semtratamento trmico prvio. As outras trs foram submetidas aos tratamentos de recozimento (RE), tmpera erevenimento (TR) e refino de gro (RG). Destas, a primeira foi levada ao forno 830 graus por 25 minutos e entoresfriada lentamente junto ao forno desligado. TR, por sua vez, foi aquecida 830 graus por 25 minutos, a fim de sertemperada gua, e ento, aquecida novamente a 450 graus por 1 hora e 40 minutos para o revenimento ser realizado. Aamostra de refino de gro, RG, passou por dois processos de tmpera anlogos aos de TR, ambos seguidos de formaintercalada por recozimentos, similares ao de RE.

Tabela 1. Composio ao 1045 [3]ABNT/SAE/AISI C Mn P mx. S mx.

1045 0,43 - 0,50 0,60 - 0,90 0,04 0,05

Os ensaios de trao foram realizados em uma mquina EMIC DL10000 com o auxlio de um extensmetro50mm.Para as medies de dureza, utilizou-se o durmetro EMCOTEST M4C 025 G3M em escala de HV 20 147.43xSTAND. Alm do ensaio e da obteno dos valores de dureza, a amostra RG passou por preparao e anlisemetalogrfica atravs do microscpio tico OLYMPUS modelo BX51M. Todas as amostras tiveram suas seestransversais fotografadas na regio da fratura, por meio do microscpio OLYMPUS 8ZX10, e seus dimetros medidoscom o auxlio de um paqumetro.

Depois de concludos os ensaios, anlises e medidas, foram realizados os clculos das propriedades a partir dacurva tenso-deformao e das medidas obtidas de cada amostra. Cada propriedade foi calculada pela frmula eferramenta apresentadas abaixo (tabela 2):

Tabela 2. Clculo das propriedadesPropriedades Frmula/Mtodo de Clculo Software

Tenso de Escoamento Curvas de limite aparente: mtodo do limite n (0,2%)Curvas de limite no aparente: mdia entre as tenses ExcelTenso de Proporcionalidade Mtodo de Johnson Excel

Tenso Mxima Limite de resistncia calculado pela carga mxima atingida nomomento antes da estrico Excel

Mdulo de Elasticidade Lei de Hooke: =E SciDAVis

Mdulo de Tenacidade rea abaixo da curva tenso-deformao SciDAVisMdulo de Resilincia rea abaixo da curva tenso-deformao no regime elstico SciDAVisDuctilidade em % de

alongamento A=L L

0

L0100 Excel

Ductilidade em % de reduode rea %RA=

A0 A f

A0100 Excel

3. RESULTADOS E DISCUSSES

Os corpos de prova padronizados de ao ABNT 1045 so fabricados por laminao a quente no processo dedesbaste e passam por uma operao a frio, complementar, no processo de acabamento. A amostra em estado defornecimento, EF, no passou por nenhum tratamento trmico previamente anlise, portanto, sua estrutura se encontraparcialmente encruada. Aps o ensaio de trao, sua fratura (figura 1) apresentou um aspecto misto, ou seja, umaregio frgil na parte mais externa da amostra (onde o material se encontra encruado), na qual pode ser observada umaclivagem intragranular, e uma dctil na regio interna, onde se observa uma regio fibrosa. O grfico tenso-deformao resultante est apresentado no grfico 1; nele possvel notar que o material apresenta um limite deescoamento no aparente.

Figura 1. Fratura amostra EF Figura 2. Fratura amostra RE

Figura 3. Metalografia amostra RG; Ataque nital2%; Ampliao 500x

Figura 4. Descarbonetao na superfcie da amostra RG;Ataque nital 2%; Ampliao 100x

Figura 5. Fratura amostra RG Figura 6. Fratura amostra TR

A amostra recozida, RE, apresenta uma estrutura isotrpica composta por uma fase ferrtica e outra perltica. Suafratura (figura 2) teve aspecto taa-cone completamente fibroso, que caraterstico de um material dctil. O grfico

tenso-deformao resultante est representado no grfico 1.Aqui, possvel notar que o material apresenta um limitede escoamento aparente.

A amostra que passou pelo tratamento de refino de gro, RG, tambm apresenta uma estrutura isotrpica comgros e lamelas refinadas em relao ao estado de fornecimento. Isso pode ser observado na metalografia do material(figura 3).O tratamento de refino de gro exige uma longa exposio da pea ao calor, que quando no protegida,manifesta descarbonetao na superfcie, o que foi observado na amostra RG (figura 4).A fratura do material (figura 5)apresentou aspecto dctil (fibroso e taa-cone). O grfico tenso-deformao resultante mostrado no grfico 1. Nestegrfico, possvel notar que o material tambm presenta um limite de escoamento aparente.

A amostra temperada e revenida a 450C por 1h40min, TR, apresenta uma estrutura martenstica revenida, quenada mais que uma combinao das fases ferrtica e perltica, com essa extremamente refinada. Sua fratura (figura 6)caracterizou um material frgil, o que pode ser constatado pela presena das marcas de sargento. O grfico tenso-deformao resultante est contido no grfico 1. Por meio dele, possvel notar que o material tambm presenta umlimite de escoamento aparente.

Grfico 1. Tenso-Deformao

Os clculos descritos na seo Materiais e Mtodos geraram os resultados apresentados na tabela 3.

Tabela 3. Resultado das PropriedadesPropriedades RE EF RG TR

Mdulo deElasticidade [GPa] 209,166 216,240 221,948 204,447

Dureza [HV] 230 324 185 330Tenso de

Proporcionalidade[MPa]

401,325 474,307 382,66 923,506

Tenso deEscoamento [MPa] 390,261 532,431 379,381 912,671

Tenso Mxima[MPa] 569,327 572,627 586,212 950,117

Ductilidade em % deAlongamento 27 12 30 14

Ductilidade em % dereduo de rea 50 38 60 43

Mdulo deResilincia [MPa] 0,3456 0,6923 0,3389 2,02135

Mdulo deTenacidade [MPa] 153,353 63,373 163,408 124,085

Analisa-se, a seguir, como os diferentes mecanismos de endurecimento, obtidos por diferentes tratamentostrmicos e mecnico, afetaram nas propriedades do ao ABNT 1045.

3.1 Mdulo de Elasticidade

A deformao elstica do material est associada, principalmente, a ligao qumica dos tomos que o compem.Por isso, em geral, o mesmo material com diferentes estados apresenta aproximadamente o mesmo mdulo deelasticidade. Pode-se observar que os resultados obtidos condizem com esta afirmao, pois todas as amostras tiverammdulos que flutuaram ao redor da mdia 213GPa, sendo o valor usual para um ao de mdio teor de carbono 210GPa.

O modulo de elasticidade a medida da rigidez do material: quanto maior o mdulo, menor a deformao domaterial para uma mesma carga aplicada. O mdulo de elasticidade pode ser fracamente afetado por adio deelementos de liga, tratamentos trmicos, conformaes a frio, temperatura e direo cristalogrfica.

3.2 Dureza

A dureza uma propriedade que mede a resistncia deformao plstica (permanente) na superfcie do material. possvel alter-la atravs dos mecanismos de endurecimento. Comprovou-se experimentalmente que o tratamentomecnico e o tratamento trmico de tempera seguida de revenimento aumentaram expressivamente essa propriedade domaterial, nas amostras EF e TR, respectivamente.

Teoricamente, esperava-se que a dureza da amostra RG superasse a da amostra RE, pois a primeira possuiria umagente endurecedor enquanto a segunda no. Porm, a amostra RE superou a dureza da amostra RG. Uma hiptesepara esse fenmeno que o encruamento foi um melhor agente nucleante do que a tempera.

3.3 Tenso de Proporcionalidade

As tenses de proporcionalidade foram calculadas para cada uma das amostras, porm, por ser uma medidademasiadamente aproximada, no conveniente realizar anlises sobre ela.

3.4 Tenso de Escoamento

Nos ensaios de trao, a determinao da tenso de escoamento (ou limite de escoamento) mais comum, pois observada nitidamente para aos de baixo carbono. O limite de escoamento adotado como critrio para resistncia domaterial em projetos mecnicos. Ele no constante para um determinado material, pois depende de vrios fatores,como a geometria, micrografia, temperatura, anisotropia, alotropias, velocidade de deformao, entre outros.

Em comparao com a amostra RE, a tenso de escoamento da amostra EF aumentou, uma vez que o materialencontra-se encruado. O limite para a amostra RG diminuiu, principalmente devido a descarbonetao, que ocorreu emvirtude da exposio altas temperaturas por longos perodos de tempo. A descarbonetao responsvel por umaperda na resistncia do material e pode desenvolver fissuras que o tornam vulnervel ruptura. Esse fenmeno foiobservado na amostra, tanto pela micrografia quanto pela macrografia.

Na amostra TR houve um aumento considervel da tenso causada pela alterao metalogrfica do material:reduo do tamanho de gro, refino de lamela e distribuio homognea das fases, aspectos tpicos do tratamento detempera seguido de revenimento.

3.5 Tenso Mxima

Embora esse valor seja fcil de obter, tem pouco significado em relao resistncia dos metais, pois a maior partedos projetos mecnicos trabalha dentro da regio elstica. Em casos em que o rompimento do material considerado,deve-se utilizar a curva real ou verdadeira, na qual apontada a tenso mxima real suportada pelo material.

possvel notar que os tratamentos de refino de gro e conformao mecnica no tiveram grandes influnciassobre a tenso mxima do material; ela foi expressivamente alterada apenas com o tratamento de tempera seguido derevenimento.

3.6 Ductilidade

A ductilidade uma propriedade qualitativa do material, e indica a extenso que este pode tomar at a sua fratura. interessante o conhecimento de tal propriedade para trabalho com operaes de conformao. Uma alta ductilidadeindica que o material fortemente propenso a se deformar de maneira localizada antes de romper. As medidas maiscomuns de ductilidade so a elongao e a reduo de rea percentual sofridas pelo material no ensaio de trao.Quanto menor o comprimento til do corpo de prova (como o caso) maior ser a influncia da estrico no valor daelongao.

Pode-se notar, pelos resultados encontrados, que o tratamento de refino de gro no causou significativasalteraes na ductilidade do material, pois essa se mostrou semelhante a amostra recozida. Isso se deve ao fato dorefino de gro ser o nico mecanismo que no afeta essa propriedade, por no modificar a microestrutura do material, a

qual alterada pelos outros mecanismos de endurecimento. A amostra EF teve baixa ductilidade devido ao seu altograu de encruamento, superando at a amostra TR, que por ter sido revenida em alta temperatura e por longo perodo,j se encontra dctil.

3.7 Mdulo de Resilincia

A resilincia a capacidade do material de absorver energia no campo de deformao elstica. O mdulo deresilincia representa a quantidade de energia por volume necessria para tensionar o material, at uma tensoqualquer, menor que a tenso de escoamento.

Como j explicado acima, por se tratar do mesmo material, o mdulo de elasticidade o mesmo,consequentemente, o mdulo de resilincia ser proporcional tenso de escoamento. Dessa forma, a amostra TR sertambm a mais resiliente e a RG a menos, pelas mesmas razes j citadas.

3.8 Mdulo de Tenacidade

A tenacidade est relacionada absoro de energia pelo material at seu rompimento. um parmetro quecompreende tanto a resistncia quanto a ductilidade. Tal quantidade representa o trabalho por unidade de volumenecessrio que o material pode resistir sem fraturar. Geralmente, quanto maior a tenacidade do material, menor a suaresilincia.

A tenacidade tem relao direta com a ductilidade, portanto, a amostra mais tenaz foi tambm a mais dctil, ouseja, a amostra RG. Assim como, a amostra EF foi a menos tenaz.

4. Concluses

Nesse trabalho comparou-se a influncia de diferentes mecanismos de endurecimento nas propriedades mecnicasde um ao ABNT 1045. O primeiro resultado obtido com os experimentos e anlises que, de fato, o material em seuestado fundamental (recozido) pouco resistente e de mdia dureza e, por isso, para aplicaes nas quais essaspropriedades so fundamentais, o endurecimento do ao necessrio.

H vrias formas de se provocar o endurecimento no material, contudo, para muitas aplicaes, a dureza no anica propriedade que se almeja. Por isso to importante conhecer o impacto dos diversos mecanismos deendurecimento nas demais propriedades mecnicas.

Constatou-se nesse estudo que, quando a aplicao exigir dureza e demais propriedades mdias, um tratamentomecnico que provoque encruamento no material poder ser o mecanismo de endurecimento empregado. Todavia, paraaplicaes que exigem maior tenacidade e ductilidade esse mecanismo no vantajoso.

De fato, para aplicaes em que alta resistncia mecnica e resilincia so necessrias (alm da alta dureza) otratamento trmico de tmpera seguido de revenimento o mais indicado, pois como trabalha com mais de ummecanismo de endurecimento (refino de gro e disperso homognea das fases) o que apresentou melhores resultadosnessas propriedades. preciso ressaltar que temperar uma pea nem sempre uma tarefa fcil. A possibilidade deocorrer trincas e empenamentos que inviabilizem a sua utilizao existe, portanto, deve-se avaliar de maneira cuidadosao caso antes de utiliz-lo.

Contudo, o endurecimento da pea realizado pelo tratamento de tempera revenida to pronunciado que atenacidade e a ductilidade so bastante prejudicadas. Aplicaes em que essas propriedades so necessrias no podemutilizar esse mtodo de endurecimento. Para esses casos, o tratamento de refino de gro mais indicado. Essetratamento no resulta em grandes aumentos de dureza e da resistncia mecnica, mas garante manuteno nas demaispropriedades, muito prximas do estado fundamental do material.

O que fundamental de se analisar, e que foi observado neste trabalho, que o tratamento de refino de gro no indicado para peas esbeltas, porque so casos em que o fenmeno da descarbonetao supera o fenmeno de aumentode resistncia, enfraquecendo o material. Para essas aplicaes, indica-se utilizao de proteo da superfcie da peaou emprego de outro mtodo. Alm disso, utilizar tratamento mecnico (no lugar da tmpera) como agente nucleante,hipoteticamente, pode gerar gros menores. Isso foi acidentalmente constatado nesse trabalho, pois a amostra recozidaa partir de um material encruado (RE) teve maior dureza que a amostra recozida a partir de um material temperado(RG).

Para estudos futuros, seria interessante buscar outros mecanismos de endurecimento, outros materiais, proteessuperficiais nos corpos de prova e outras geometrias de corpos de prova, a fim de ampliar a anlise realizada.

5. Referncias[1] H. COLPAERT, Metalografia dos Produtos Siderrgicos Comuns, 2008.[2] CALLISTER, W. D., Cincia e Engenharia de Materiais: Uma. Introduo. John Wiley & Sons, Inc., 2002[3] DIETER, G. E. Metalurgia Mecnica, 2a edio, Guanabara Koogan, Rio de Janeiro, 1981.[4] SOUZA, Srgio Augusto, Ensaios Mecnicos de Materiais Metlicos Fundamentos Tericos e Prticos, 5 edio,So Paulo, Edgard Blcher, 1982.[5] SILVA, Andr Luiz V. da Costa e, Aos e Ligas Especiais, 3 edio, So Paulo, Edgard Blcher.