UNIVERSIDADE FEDERAL DO PIAU CENTRO DE TECNOLOGIACURSO: ENGENHARIA MECNICADISCIPLINA: ENGENHARIA E CINCIA DOS MATERIAIS IIPROFESSOR: JOO RODRIGUES DE BARROS NETO

ENSAIO METALOGRFICO E TESTES DE DUREZA DO AO 1045 COM E SEM TRATAMENTO TRMICO (NORMALIZAO)

Antnia Geisa Moura Mota 201266371Iago Lucas Martins Meneses 201264930Joo Batista Pereira dos Anjos 201267870Paulo Vitor Ribeiro Plcido 201266003 Pedro Rafael Costa Mesquita 201176265

Teresina, PI, 18 de Junho de 2015SUMRIO1. Introduo............................................................................................................32. Objetivo................................................................................................................43. Tratamento trmico.............................................................................................53.1 Procedimento.................................................................................................64. Metalografia.........................................................................................................74.1 Procedimentos................................................................................................7 4.1.1 Lixamento................................................................................................7 4.1.2 Polimento................................................................................................8 4.1.3 Ataque qumico.......................................................................................9 4.1.4 Anlise microscpica.............................................................................105. Ensaios de dureza...............................................................................................115.1 Ensaio Brinell (HB)........................................................................................115.2 Ensaio Rockwell (HRC)..................................................................................135.3 Ensaio Vickers (HV).......................................................................................146. Resultados e discusso.......................................................................................167. Concluso...........................................................................................................188. Referncia bibliogrfica......................................................................................19

1. IntroduoO ao um dos materiais mais importantes para o desenvolvimento da humanidade e est diretamente ligado ao crescimento de uma nao. O primeiro contato do homem com o ferro, elemento fundamental do ao, foi na forma de meteoritos. Os mais antigos objetos de ferro que se tem conhecimento datam do ano de 2900 a.C., encontrados na pirmide de Giz, no Egito.Arquelogos afirmam que o processo de beneficiamento do minrio de cobre contribuiu para o desenvolvimento das antigas tcnicas de reduo do minrio de ferro. Algumas fogueiras feitas com pedras de minrio de ferro propiciavam o contato de partculas quentes de carbono com partculas de ferro, dando incio a um processo de reduo.Muito tempo se passou para que houvesse uma grande difuso do ferro. Atravs das descobertas de grandes depsitos de minrio de ferro e o seu uso, principalmente em operaes militares, propiciou o desenvolvimento de vrias tcnicas de forjamento. No incio do sculo XVIII o consumo e a produo do ao experimentaram um grande avano. A indstria siderrgica continuou a crescer at depois da segunda guerra mundial. Atualmente a produo sofreu uma diminuio, mas o comrcio do ao continua sendo de grande contribuio para a economia.Visto a grande importncia do ao em nossas vidas, necessrio um estudo aprofundado tanto de suas propriedades macroscpicas como as microscpicas. O advento da cincia dos materiais possibilitou um avano no estudo das microestruturas e suas propriedades no mais variados materiais. Tal estudo das microestruturas em materiais metlicos chamado de metalografia.Muitas vezes os materiais apresentam caractersticas que precisam ser alteradas visando uma melhor adequao sua futura utilizao. Entre os processos que alteram as caractersticas do material, encontram-se os tratamentos trmicos, que consistem em um conjunto de operaes que incluem o aquecimento e o resfriamento controlados. Tal processo capaz de alterar propriedades mecnicas tais como resistncia, tenacidade, dureza, etc.O tratamento trmico no ao tem como principais objetivos a alterao de caractersticas bsicas como dureza, ductilidade e resistncia de acordo com o projeto em desenvolvimento, visando melhorar seu processo de manufatura e o desempenho dos produtos finais.

2. ObjetivoEste trabalho tem como objetivo comparar as mudanas na microestrutura e na dureza de um corpo de prova fabricado em ao ABTN 1040 aps ser submetido ao tratamento trmico de normalizao.

3. Tratamento trmicoO tratamento trmico um processo que permite alterar as propriedades fsico-mecnicas do ao, atravs da utilizao de ciclos de aquecimento e resfriamento, sob condies de temperatura, tempo, atmosfera e velocidade de resfriamento controlados. Este tratamento empregado quando se deseja adequar as caractersticas do material a uma etapa do processo de fabricao ou condio de produto final. Para determinadas aplicaes pode existir o interesse de alterar parcialmente caractersticas especificas, nestes casos preciso combinar as etapas de aquecimento e resfriamento sob determinadas atmosferas e/ou meios que permitam atender esta alterao. Para auxiliar nos processos de tratamento trmico pode-se utilizar o grfico TTT, que trata-se de uma espcie de diagrama que descreve o que acontece com o ao por meio de um resfriamento a diferentes velocidades, em diversas temperaturas abaixo de 723 C, observando a transformao isotrmica da austenita em perlita.

Figura 1 - Exemplo de diagrama TTTDiferentemente do diagrama de equilbrio, o diagrama TTT considera o fator tempo. Isso significa que o ao passar por transformaes de acordo com o tempo em que permanecer em determinada temperatura. O diagrama composto por duas linhas. A primeira representa o incio da transformao e a segunda, o fim. Com elas, possvel identificar que a velocidade de transformao do ao varivel. O tratamento trmico realizado foi a normalizao, que tem como principais objetivos o refinamento da granulao grosseira de peas de ao fundido e geralmente aplicada peas aps serem laminadas ou forjadas. Pode ser usada tambm como preparao para os processos de tmpera e revenido.

3.1- ProcedimentoO tratamento foi realizado em forno especificado EDG 3000. A pea fabricada em ao 1045 SAE foi colocada a temperatura ambiente dentro do forno e foi aquecida at 900 C a uma taxa de 20 C por minuto. O processo durou aproximadamente 1 hora.

Figura 2 - Forno utilizado na normalizaoQuando atingiu-se a temperatura desejada a pea foi retirada com o auxlio de uma pina e resfriada ao ar livre (caracterstica do processo de normalizao). Figura 3 - Peas minutos aps a retirada do fornoAps o resfriamento total da pea, seguiu-se para o exame metalogrfico.

4. MetalografiaA metalografia pode ser definida como o ramo da cincia dos materiais que tem por objetivo analisar a estrutura interna dos materiais metlicos e relacion-la sua composio qumica e propriedades fsicas e mecnicas. O estudo metalogrfico amplamente utilizado com a finalidade de investigar o tamanho e a forma dos gros, bem como sua distribuio no espao; verificar as fases e constituintes; observar defeitos; etc.Para a realizao da metalografia necessria uma srie de procedimentos preliminares a fim de obter o melhor resultado possvel. Tais procedimentos incluem: a seleo do corpo de prova; lixamento metalogrfico; polimento metalogrfico e ataque qumico.4.1 - ProcedimentosPara a realizao do ensaio metalogrfico os dois corpos de prova foram preparados na seguinte sequncia: lixamento; polimento; ataque qumico; anlise no microscpio.4.1.1 - LixamentoTal processo nada mais que o corte por gros abrasivos e tem como objetivo retirar os riscos mais profundos das superfcies das peas a serem analisadas, bem como a remoo de todo o material que foi deformado na etapa de corte, oferecendo uma superfcie plana e sem deformaes ao final do processo.

Figura 4 - Esquema da vista transversal de uma pea antes do lixamentoO processo realizado foi o lixamento manual mido, pois este processo facilita o lixamento, evitando o aquecimento da pea e a formao de poeira no ar. A tcnica utilizada consistia em lixar a superfcie do corpo de prova sucessivamente com lixas de granulometria cada vez menor, mudando a direo, 90, a cada lixa subsequente at desaparecerem os traos da lixa anterior. A granulometria da sequncia de lixas utilizadas foi 180, 240, 400, 600, 800, 1500. Tais valores esto relacionados textura da lixa, ou seja, representam a quantidade de gros por milmetro quadrado.

Figura 5 Esquema de como se deve proceder o lixamentoForam utilizadas duas lixadeiras manuais de 4 pistas. Sendo um aluno lixando a pea de controle e outro lixando a pea normalizada.Os procedimentos realizados foram:1- Equipar a lixadeira com as lixas em sequncia crescente de granulao;2- Ligar a torneira do equipamento com a finalidade de umedecer as lixas;3- Marcao de um ponto de referncia na pea;4- Comear com a lixa mais grosseira;5- Girar 90, passar para a lixa na sequncia e lixar at desaparecerem os riscos da lixa anterior;6- Repetir o 5 passo at a lixa de maior granulao (1500);

Figura 6 - Lixadeira manual utilizada no ensaio

4.1.2 - PolimentoLogo aps o processo de lixamento necessrio realizar o polimento da pea, a fim de se obter uma superfcie perfeitamente lisa e livre de quaisquer marcas de procedimentos anteriores. A diferena entre os processos de lixamento e polimento que no ltimo a granulometria dos abrasivos varia de 0,25 10 m. O processo realizado foi o polimento mecnico manual na mquina politriz. Neste equipamento, o polimento realizado a partir da rotao da amostra sobre discos cobertos com panos de feltro ou nylon, com uma suspenso abrasiva (pasta de diamante). Durante o processo foi adicionado um lubrificante de colorao azul a base de lcool em quantidades ideais.O polimento consistiu nos seguintes procedimentos:1- Limpou-se a secou-se a superfcie da amostra;2- Foi adicionada a pasta de diamante com a granulao correta no pano de polimento;3- O equipamento foi ligado e ento a superfcie a ser polida foi pressionada contra pano de polimento.

Figura 7 - Mquina politriz utilizada no polimento da peaAssim concluiu-se a preparao da superfcie do corpo de prova para que a mesma no apresentasse mais riscos ou defeitos que poderiam vir a afetar os resultados da metalografia. O prximo passo foi o ataque qumico.4.1.3 - Ataque qumicoUma superfcie metlica completamente polida apenas refletiria toda a luz incidente caso tentssemos visualizar sua microestrutura no microscpio. Por isso necessrio que seja feito um ataque qumico, que consiste em mergulhar a pea em uma soluo de qumica composta de 97% de lcool e 3% de cido ntrico para que haja uma reao com os gros do material. Como os gros possuem diferentes composies, a soluo qumica reagir de forma diferente, possibilitando assim diferenciar as fases presentes no corpo de prova analisado.O ataque foi realizado da seguinte maneira:1- Primeiramente a pea foi lavada em gua corrente;2- A pea foi secada com o auxlio de um secador;3- A superfcie a ser analisada foi colocada em contato com a soluo de 97% de lcool e 3% de cido ntrico por cerca de 10 segundos;4- Mais um vez a pea foi limpa e secada com o secador e ento prosseguiu-se para a anlise microscpica.4.1.4 Anlise microscpica Com o auxlio de um aplicativo especfico do microscpio, foi possvel obter imagens coloridas da microestrutura dos corpos de prova analisados. Figura 8 - Microscpio utilizado na anlise da microestrutura

Figura 9 - Microestrutura do ao 1045 sem tratamento trmico ampliada 100x em microscpio tico

Figura 10 - Microestrutura do ao 1045 aps o processo de normalizao ampliada 100x em microscpio tico5. Ensaios de durezaDureza uma propriedade de um certo material que o permite resistir deformao plstica, geralmente causada por penetrao. O termo dureza tambm pode ser associado resistncia flexo, risco, abraso ou corte. A dureza no pode ser interpretada como uma propriedade intrnseca de um material, mas sim como o valor de um propriedade resultante de um processo especfico de medio.O mtodo mais comum utilizado para a obteno do valor de dureza chamado de dureza por penetrao, que consiste na medio da profundidade ou da rea deixada por um instrumento de formato especfico sobre a superfcie do corpo de prova analisado. O instrumento utilizado para a realizao de tais testes chamado de durmetro.Foram realizados os 3 testes de dureza por penetrao mais comuns: Brinell, Rockwell e Vickers. Todos feitos no mesmo durmetro. Foram realizadas 10 medies de cada mtodo com a pea de controle e mais 10 de cada mtodo na pea normalizada, totalizando 60 medies ao final do experimento. Os resultados e a comparao dos dados colhidos so mostrados frente.5.1 - Ensaio de dureza Brinell (HB)Proposto em 1900 pelo sueco J. A. Brinell, foi o primeiro ensaio de dureza por penetrao de aceitao geral e o primeiro a ser padronizado. O teste consiste em forar uma esfera de ao endurecido (ou carbeto de tungstnio) de dimetro especfico sob cargas pr-estabelecidas. A carga aplicada por um determinado tempo (de 10 30 segundos). Ao fim do processo, deixada uma impresso permanente no metal com o formato de uma calota esfrica de dimetro d, o qual medido com o auxlio de um micrmetro ptico. O valor do dimetro encontrado ento convertido ao nmero de dureza Brinell (HB) com o auxlio de uma tabela apropriada.

Figura 9 - Exemplo de penetradores do teste Brinell Figura 8 - Esquema do teste proposto por Brinell No ensaio proposto foram realizados 20 testes de dureza com o mtodo Brinell, 10 para a pea de controle e 10 para a normalizada. Para fins comparativos, ambos os testes foram feitos nas mesmas condies.

Figura 10 - Durmetro utilizado na realizao dos ensaiosUtilizou-se um penetrador esfrico de 2,5 mm de dimetro, com uma carga de 1839 N e tempo de contado entre penetrador e pea de 15s. Os dimetros de cada penetrao foram medidos atravs de um micrmetro ptico acoplado ao durmetro. Foi utilizada uma equao fornecida no manual de instrues do equipamento para a converso do dimetro em valor de dureza Brinell:

Onde d o valor do dimetro da impresso deixada pela penetrao na superfcie do corpo de prova. Os valores encontrados foram consultados na tabela fornecida no manual de instrues e encontraram-se os valores de dureza Brinell tabelados a seguir:

PEA DE CONTROLE

DUREZA (HB)CORRESPONDENTE NA TABELAPEA TRATADA (NORMALIZAO)DUREZA (HB)CORRESPONDENTE NA TABELA

264*0,004*4 = 4,229204 HB249*0,004*4 = 3,98231 HB

264*0,004*4 = 4,229204 HB246*0,004*4 = 3,936236 HB

260*0,004*4 = 4,160211 HB247*0,004*4 = 3,952235 HB

263*0,004*4 = 4,208205 HB238*0,004*4 = 3,808255 HB

262*0,004*4 = 4,192208 HB245*0,004*4 = 3,92293 HB

270*0,004*4 = 4,320195 HB248*0,004*4 = 3,968232 HB

251*0,004*4 = 4,016228 HB246*0,004*4 = 3,936236 HB

254*0,004*4 = 4,064222 HB246*0,004*4 = 3,936236 HB

252*0,004*4 = 4,032225 HB250*0,004*4 = 4,000229 HB

262*0,004*4 = 4,176210 HB249*0,004*4 = 3,984231 HB

Figura 11 - Impresses deixadas pelo penetrador esfrico aps o teste Brinell no corpo de prova normalizado5.2 - Ensaio de dureza Rockwell (HRC)Desenvolvido em 1922 por Rockwell, o mtodo de dureza que leva o nome de seu criador o mais utilizado no mundo inteiro devido sua facilidade de rapidez de execuo. O teste no necessita de habilidades especiais do operador e capaz de detectar pequenas diferenas de dureza com um pequeno tamanho de impresso.

Figura 12 - Exemplo de penetradores cnicos com ponta de diamante Figura 11 - Penetradores utilizados no mtodo Rockwell O penetradores utilizados podem ser esfricos ou cnicos de diferentes materiais, o que possibilita a utilizao de diferentes escalas de medio. O teste consiste na aplicao de uma pr-carga, para garantir um contato firme entre o penetrador e a pea, e depois aplica-se uma carga maior. A diferena na profundidade da penetrao resultante da aplicao da pr-carga e carga principal o valor da dureza Rockwell.Foram realizadas 20 medies de dureza utilizando o mtodo Rockwell, sendo 10 para a pea de controle e outros 10 para a pea normalizada. Foi utilizado um penetrador cnico com a ponta de diamante. A escala utiliza foi a HRC e o valor da carga em ambos os testes foi 1471 N. Os valores de dureza foram obtidos atravs do visor presente no durmetro e so mostrados na tabela a seguir:PEA DE CONTROLE PEA NORMALIZADA

12,5 HRC17,0 HRC

13,5 HRC16,5 HRC

14,5 HRC16,5 HRC

14,5 HRC16,25 HRC

14,0 HRC17,0 HRC

13,5 HRC15,75 HRC

13,5 HRC17,0 HRC

13,0 HRC16,0 HRC

14,0 HRC16,75 HRC

13,5 HRC15,75 HRC

Figura 13 - Pea de controle aps o teste RockwellFigura 14 - Pea normalizada aps o teste Rockwell

5.3 - Ensaio de dureza Vickers (HV)O mtodo Vickers, foi desenvolvido em 1925 com o intuito de suprir a limitaes do mtodo Rockwell. Este mtodo assemelha-se ao ensaio de dureza Brinell, visto que o valor de dureza obtido uma relao entre a carga aplicada e as dimenses da impresso deixada na superfcie do corpo de prova pelo penetrador. No mtodo Vickers o penetrador consiste em uma pirmide de base quadrada com um ngulo de 136 entre as faces opostas.Os valores da diagonais da impresso deixada pelo penetrador so ento coletados, faz-se uma mdia entre eles e ento, com o auxlio de uma tabela, pode-se encontrar o valor da dureza Vickers (HV) para tal medio.

Figura 12 - Esquema de penetrador utilizado no mtodo VickersFigura 13 - Exepmlo de penetrador de ponta piramidal de diamnate

No ensaio proposto foram realizadas mais 20 medies, 10 para cada corpo de prova. As superfcies das peas utilizadas estavam devidamente lixadas e livre de imperfeies que pudessem acarretar em erros de medio. A carga utilizada foi de 1839 N, e o penetrador ficou em contato com a superfcie por 15 segundos em cada medio. Com o auxlio do micrmetro ptico acoplado ao durmetro, foram medidas as duas diagonais de cada impresso. Aps calculadas as mdias aritmticas das diagonais medidas, com o auxlio da tabela fornecida pelo fabricante do durmetro no manual de instrues, foram obtidos os seguintes valores de dureza Vickers (HV):PEA DE CONTROLEDUREZACORRESPONDENTE NA TABELAPEA TRATADA (NORMALIZAO)

DUREZA (HV)CORRESPONDENTE NA TABELA

[(239+241)/2]*0,004 = 0,960210 HV[(228+229)/2]*0,004 = 0,914222 HV

[(238+245)/2]*0,004 = 0,966198,7 HV[(230+228)/2]*0,004 = 0,916221 HV

[(240+239)/2]*0,004 = 0,958202,1 HV[(222+199)/2]*0,004 = 0,842261,6 HV

[(235+237)/2]*0,004 = 0948206,3 HV[(225+222)/2]*0,004 = 0,894232 HV

[(240+237)/2]*0,004 = 0,954203,8 HV[(228+227)/2]*0,004 = 0,910223,9 HV

[(237+243)/2]*0,004 = 0,960210 HV[(300+221)/2]*0,004 = 1,042170,8 HV

[(240+241)/2]*0,004 = 0,962200,4 HV[(222+226)/2]*0,004 = 0,896231 HV

[(233+232)/2]*0,004 = 0,930214,4 HV[(221+224)/2]*0,004 = 0,890234 HV

[(238+237)/2]*0,004 = 0,950205 HV[(221+222)/2]*0,004 = 0,886236,2 HV

[(248+245)/2]*0,004 = 0,986190,7 HV[(223+222)/2]*0,004 = 0,890234 HV

Figura 14 - Impresses deixadas na pea de controle pelo penetrador piramidal6. Resultados e discussoCom o auxlio de programa especfico, foi possvel obter algumas imagens da microestrutura dos corpos de prova analisados:

Figura 16 - Ao normalizado. Aumento de 200xFigura 15 - Ao sem tratamento. Aumento de 200x

Figura 18 - Pea normalizada. Aumento de 400xFigura 17 - Pea de controle. Aumento de 400x

Figura 19 - Ao 1045 sem tratamento trmico. Aumento de 800xFigura 20 - Ao 1045 aps normalizao. Aumento de 800x

Aps uma anlise detalhada das imagens obtidas no microscpio, percebe-se uma maior uniformidade nos gros presentes no corpo de prova normalizado. possvel perceber tambm que os gros esto menores. H tambm uma maior quantidade de ferrita (gros brancos). Em contrapartida, a anlise metalogrfica do ao sem tratamento trmico nos mostra uma superfcie menos organizada, com gros maiores e dispostos de forma aleatria.J no ensaio de dureza, para uma maior preciso nos testes, 60 medies foram feitas e os dados obtidos foram utilizados em uma anlise estatstica. As formulas utilizadas foram: Mdia: Desvio Padro: Coeficiente de Varincia:Varincia: (desvio padro) = Os resultados encontrados foram:Ensaio de dureza Brinell:

6

PEA DE CONTROLEMedia: 211,125 HBVarincia: 65,839Desvio padro: 8,114Coeficiente de Varincia: 3,843PEA TRATADAMedia: 236,500 HBVarincia: 60,857Desvio padro: 7,801Coeficiente de Varincia: 3,299

Ensaio de dureza Rockwell:

PEA DE CONTROLEMedia: 13,688 HRCVarincia: 0,21Desvio padro: 0,458Coeficiente de Varincia: 3,346PEA TRATADAMedia: 16,469 HRCVarincia: 0,204Desvio padro: 0,452Coeficiente de Varincia: 2,744

Ensaio de dureza Vickers:PEA DE CONTROLEMdia: 204,454 HVVarincia: 17,248Desvio padro: 4,153Coeficiente de Varincia: 2,031

PEA TRATADAMedia: 229, 263 HVVarincia: 36,186Desvio padro: 6, 015Coeficiente de Varincia: 2, 624

7. ConclusoQuanto s caractersticas microscpicas da estrutura do ao, a normalizao um tipo de tratamento trmico que visa aperfeioar os gros presentes na microestrutura, torn-la mais homognea e melhorar a estabilidade dimensional. Todas esses benefcios citados puderam ser observados atravs deste experimento. Foi possvel tambm conferir um aumento na dureza do material aps realizada a normalizao, caracterstica esperada pela realizao de tal processo.

Referncias BibliogrficasCALLISTER, JR., William D. Cincia e Engenharia de materiais: uma introduo. 7. Ed. Rio de Janeiro: LTC, 2008.RHODE, R. A. Metalografia e Preparao de Amostras: uma abordagem prtica. 3. Ed. 2010.Disponvel em: http://www.cimm.com.br/portal/material_didatico/6442-objetivos-do-tratamento-termico-dos-acos Acesso em: 19 Jun 2015.Disponvel em: http://www.spectru.com.br/Metalurgia/diversos/tratamento.pdf Acesso em: 19 Jun. 2015.Disponvel em: http://www.acobrasil.org.br/site/portugues/aco/siderurgia-no-brasil--desenvolvimento.asp Acesso em: 19 Jun. 2015.Disponvel em: http://www.dicesarautopecas.com.br/_arquivos/rokwell2.pdf Acesso em: 19 Jun. 2015.