Artigo

IX Encontro de Iniciação Científica do LFS, 24 julho de 2008.
Efeito da microestrutura de uma liga de aço carbono obtido por
processos distintos
R. C. Proiete1, C. R. Serantoni2, A. Sinatora2
1
Laboratório de Fundição, LMMC, Instituto de Pesquisas Tecnológicas – IPT.
2
Aços Villares/Sidenor.
E-mail para contato: [email protected]
Resumo
Este trabalho tem como objetivo mostrar a modificação da estrutura bruta de fusão através
de processos com e sem forjamento. Para isto, foram estudadas duas ligas de aço carbono
extraduro contendo teores acima de 1%. Ambas ligas foram tratadas térmicamente após os
processos de fundição e forjamento. Para avaliar o desempenho das ligas foram feitas
caracterizações da microestrutura, microdureza da matriz, ensaios abrasivos (pino-lixa) e de
fadiga térmica. Os resultados mostraram que a resistência ao desgaste do aço forjado
apresentou uma menor perda de massa em relação ao aço fundido. O mesmo ocorre para
os ensaios de fadiga térmica, onde a nucleação e propagação de trincas térmicas foi menor
no aço forjado.
Palavras-chave: Aços carbono, desgaste abrasivo, resistência à fadiga térmica.
Resumen
Este trabajo tiene como objetivo mostrar la modificación de la estructura bruta de fusión a
través de procesos de forja e tratamientos térmicos. Para esto fueron estudiadas dos
aleaciones de acero al carbono extraduro con contenidos superiores a 1%. Ambas
aleaciones fueron tratadas térmicamente después de los procesos de fundición y forja. Para
evaluar el desempeño de las aleaciones fueron realizadas caracterizaciones de la
microestructura, microdureza de la matriz, ensayos abrasivos (pino-lija) e de fatiga térmica.
Los resultados mostraron que la resistencia al desgaste del acero forjado presentó una
menor perdida de masa en relación al acero fundido. Lo mismo ocurre para los ensayos de
fatiga térmica, donde la nucleación y propagación de grietas térmicas fue menor en el acero
forjado.
Palabras clave: Aceros al carbono, desgaste abrasivo, resistência à fadiga térmica.
1. INTRODUÇÃO
De acordo com o diagrama ferro-carbono, são considerados aços as ligas que
possuem teor de carbono entre 0 e 2 %. Os aços podem ser classificados como
baixo, médio e alto carbono. Souza (1989) descreveu que os aços na faixa entre
1,40 a 2,00% C são tratados como extraduro e, em alguns casos, são incorporados
vários elementos químicos em teores baixos para melhorar as propriedades
mecânicas do aço.
Após o processo de fundição de uma liga metálica de aço carbono, os grãos
apresentam uma estrutura heterogênea, afetando as propriedades mecânicas
necessárias durante uma aplicação determinada. Filho et al. (1991) descreveram
que para melhorar as propriedades brutas de fundição do metal são realizados
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processos tais como, tratamentos térmicos ou conformação plástica, que visam
modificar e melhorar a estrutura bruta de fundição do material.
Após o processo de forjamento, o material possui uma microestrutura com grãos
mais refinados e distribuição homogênea dos constituintes.
Para avaliação da microestrutura resultante podem ser empregados diversos
ensaios mecânicos, como ensaio de dureza, tração, impacto, abrasão, resistência à
fadiga térmica, entre outros.
2. OBJETIVO
Estudar o desempenho ao desgaste abrasivo e resistência à fadiga térmica de ligas
de aço carbono.
3. MATERIAIS E MÉTODOS
Para este trabalho foram estudas duas ligas de aço carbono com composição
química nominal conforme descritas na Tabela 1. A liga A foi obtida pelo processo
de forjamento e a liga B foi obtida pelo processo de fundição. Ambas as ligas foram
tratadas termicamente conforme Tabela 2, normalização, e alívio de tensões.
Tabela 2. Composição química nominal das ligas fundidas.
Liga
A
B
C
1,28 - 1,48
1,72 - 1,92
Si
0,20 - 0,55
0,40 - 0,80
Mn
0,95 -1,30
0,45 - 0,60
Cr
1,30 -1,60
1,35 -1,55
Ni
0,74 - 1,00
1,41 - 1,65
Mo
0,35 - 0,55
0,10 - 0,30
Tabela 3. Ciclo de tratamento térmico das ligas fundidas.
Liga
Tratamento Térmico
A
Normalização 930ºC/ 26h + Revenimento à 450ºC/ 31h
B
Normalização 930ºC/ 17h + Revenimento à 450ºC/ 30h
Após tratamento térmico, foram obtidos corpos-de-prova para ensaio de abrasão
e fadiga térmica. As amostras foram caracterizadas em microscópio ótico.
Realizaram-se medidas de microdureza na matriz utilizando microdurômetro Vickers
da marca Büehler com carga de 100gf e a macrodureza foi feita em durômetro
Rockwell da marca Wilson. Foram realizadas 15 repetições em cada amostra para
as medições de dureza da matriz, e 5 repetições Rockwell.
3.1 Ensaio de desgaste abrasivo (pino-lixa)
Os ensaios de desgaste foram realizados em um abrasômetro do tipo pino
contra lixa da marca PLINT modelo TE 79. Para os ensaios utilizaram-se os
seguintes parâmetros: carga de peso morto de 4,6N, pressão nominal 0,65 MPa, um
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total de 10 lixas de óxido de alumínio (Al2O3) e tamanho médio de grão de 3,6 µm (#
320). A perda de massa foi medida utilizando balança analítica com precisão de 0,1
mg e para cada ensaio foram feitas 2 repetições para cada material.
3.2 Ensaio de resistência à fadiga térmica
Para os ensaios de fadiga térmica foi utilizado um equipamento constituído de
uma fonte de bobina de indução para aquecimento do corpo-de-prova, com controle
automático de temperatura e tempo. Os parâmetros para os ensaios foram:
temperatura de aquecimento de 645ºC, ciclos 100, tempo de permanência para
aquecimento 12 s e tempo de permanência para resfriamento de 40 s imerso em
água. Para cada material foram realizados um ensaio e 2 repetições.
Após os ensaios os corpos-de-prova foram cortados em seção transversal
conforme desenho da Figura 1. Utilizou-se máquina de corte de precisão para evitar
danos ao material.
(a)
(b)
Figura 5. Corpo-de-prova para ensaio de fadiga térmica. Geometria e dimensões do
corpo-de-prova (a) e seção de corte para caracterização quantitativa das trincas
térmicas (b).
Para a caracterização da quantidade de trincas térmicas, foi utilizado
microscópio óptico com aumento de 500x. A contagem das trincas foi realizada em
um quadrante apenas (Figura 1 (b)). Com os resultados medidos foi calculada a
densidade de trincas (Dt). Mediu-se também a profundidade máxima de trincas
(Pmáx) em microscópio óptico com aumento de 25x. As trincas foram
caracterizadas, qualitativamente, para revelar o caminho de propagação das trincas.
Para isso, foram obtidas fotos com reagente nital 3%.
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Figura 2 mostra a microestrutura das ligas estudadas. Observa-se que a
microestrutura da liga A (Figura 2 (a)), forjada a quente, é de um aço hipereutetóide
com matriz perlítica. A rede de cementita foi segmentada pelo processo de
forjamento. Na liga B (Figura 2 (b)) a microestrutura revela carbonetos eutéticos M3C
com morfologia ledeburítica e carbonetos hipereutetóides em uma matriz perlítica.
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(a)
(b)
Figura 2. Microestrutura das ligas estudadas (a) liga A e (b) Liga B. Reagente de
ataque: nital 3 %.
Nota-se que para a liga A, a microestrutura apresenta melhor distribuição dos
carbonetos e grãos refinados provenientes do forjamento e subseqüente tratamento
térmico.
A Tabela 4 mostra os valores de macrodureza e microdureza da matriz das ligas
A e B. Os intervalos de variação foram calculados para um nível de confiança de 95
%.
Tabela 3. Microdureza da matriz e Macrodureza.
Liga
Microdureza Matriz (HV100gf)
HRC
A
B
360 ± 8
355 ± 13
31 ± 1
35 ± 0,3
Embora as duas ligas apresentem o mesmo valor de dureza da matriz, a
macrodureza da liga B é maior devido à presença de carbonetos eutéticos.
4.1 Desgaste abrasivo (pino-lixa)
A Figura 3 apresenta os valores de perda de massa das ligas A e B. A perda de
massa da liga A é 16% menor do que a da liga B. É possível que a maior taxa de
desgaste da liga B esteja ligada ao arrancamento dos carbonetos eutéticos devido à
baixa dureza da matriz, que não oferece sustentação aos carbonetos.
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Liga A
Liga B
60.0
y = 0.248x + 0.178
R2 = 0.9999
Perda de massa [mg]
50.0
y = 0.288x - 0.0181
R2 = 0.9997
40.0
30.0
20.0
10.0
0.0
0
30
60
90
120
150
180
Distância percorrida [m]
Figura 3. Perda de massa em função da distância percorrida para as ligas
estudadas.
4.2 Resistência à fadiga térmica
A densidade de trincas aumenta com a quantidade e tamanho dos carbonetos
presentes. A Tabela 5 mostra os resultados de densidade de trincas e profundidade
máxima após os ensaios de fadiga térmica.
Tabela 4. Densidade e profundidade máxima de trinca dos corpos-de-prova
ensaiados.
Liga
A
B
Dt (trincas/mm)
1,9
2,3
Pmáx (µm)
95
3289
Observa-se que a liga A obteve menor concentração de trincas por mm e
profundidades máximas de trincas térmicas. A propagação da trinca ocorre
principalmente pela interface carboneto/ matriz e, em algumas situações, pelo
próprio carboneto, segundo Silva (2003). Para a liga B os resultados mostram que
as trincas se propagam ao longo dos carbonetos. Nota-se nas fotos da Figura 6 a
diferença na propagação das trincas para as liga A e B.
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(a)
(b)
Figura 3. Diferença na propagação de trincas térmicas da liga (a) e B (b). Reagente
de ataque: nital 3 %. 25x de aumento.
O caminho de propagação de trincas na liga B ocorre pelos carbonetos eutéticos
e na liga A pela interface matriz/carboneto.
5. CONCLUSÕES
Conclui-se deste trabalho que a microestrutura da liga forjada apresentou melhor
desempenho nos ensaios de desgaste abrasivo e resistência à fadiga térmica.
Os carbonetos eutéticos são mais propícios à propagação de trincas térmicas,
como comprovadas pelos ensaios. Com o aumento da fração de carbonetos, ocorre
maior propagação de trincas térmicas.
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Silva, C. R. S, “Fadiga Térmica De Ferros Fundidos Brancos Multicomponentes”,
Tese de Mestrado, São Paulo, SP, 2003.
Souza, S. A, “Composição Química dos Aços”, Ed. Edgard Blücher, São Paulo,
Brazil, 1989, p.14-18.
Silva, A. L. C, “Tecnologia Dos Aços”, Ed. Hamburg, São Paulo, Brazil, 1981, p.
62-88.
Filho, B. E., Zavaglia, C. A. C., Button, S. T., Gomes, E. e Nery, F. A. C,
“Conformação Plástica dos Metais”, Ed. UNICAMP, São Paulo, Brazil, 1991, p. 147162.
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