Exercícios Resolvidos: Tratamentos Termoquímicos, Microestruturas e Fabricação de Aços

4ª QUESTÃO Explique as principais diferenças dos tipos de tratamento termoquímicos dos aços e suas aplicações 5ª QUESTÃO Explique a diferença entre Bainita Inferior e Superior nas microestruturas de determinados aços 6ª QUESTÃO Explique a diferença entre Perlita Bainita Martensita e Cementita nas microestruturas dos aços 7ª QUESTÃO Explique as principais diferenças dos Meios de resfriamento nos tratamentos térmicos de aços temperados 8ª QUESTÃO Explique a mudança de estrutura CCC para CFC para aços de baixo carbono apresentada no diagrama Ferro Carbono FeC 9ª QUESTÃO Explique detalhadamente o processo de fabricação dos aços desde a extração do minério de ferro até o produto final por exemplo bobinas de aço para fabricação de autopeças na indústria automobilística 10ª QUESTÃO Disserte em 10 linhas o procedimento mínimo necessário para análise metalográfica da microestrutura de um aço Abrir com o Documentos Google 1 a A composição depende da classificação SAE ABNT ASTM DIN mas geralmente um tipo comum de aço rápido contém 18 de tungstênio 4 de cromo 1 de vanádio e apenas 05 a 08 de carbono b Os aços com resistência ao escoamento acima de 560 MPa são às vezes chamados de aços de ultraalta resistência ou superligas Os grupos de aços que se enquadram nesta categoria são Aços endurecíveis de baixa liga e médio carbono Aços endurecíveis de média liga ou aços para ferramentas e matrizes Aços endurecíveis de alta liga Aços maraging com alto teor de níquel Aços inoxidáveis martensíticos Os aços mais conhecidos desta classe são os aços AISI 4130 e AISI 4140 Também estão nesta classe o aço AISI 4340 de maior resistência e o aço AMS 6434 A composição de um aço AISI 4140 é CARBONO C 038 043 CROMO CR 08 110 MOLIBDÊNIO Mo 015 025 MANGANÊS MN 075 100 FÓSFORO P 0035 Máx SILÍCIO Si 015 030 ENXOFRE S 004 Máx c Os aços de alta resistência possuem baixo teor de elementos de liga e alto limite de resistência mecânica em comparação aos açoscarbono tradicionais Em sua matéria há baixa presença de carbono e quantidades muito controladas de cobre níquel nióbio nitrogênio e vanádio o que gera boa conformabilidade soldabilidade e resistência superior apresentando limite de escoamento que varia entre 380 MPa até 700 MPa d Já os aços de ultraalta resistência apresentam concentração de elementos de liga levemente maior em comparação aos aços de alta resistência Este modelo de aço é aplicado em soluções que exigem material leve e alta performance como em indústrias de mineração e construção pesada máquinas de grande porte e setores de alto desempenho como florestal e agrícola apresentando limite de escoamento acima de 700 MPa conforme a classe de produto sem prejuízo à conformabilidade e soldabilidade e HSS convencionais são aços ferríticos monofásicos com potencial para alguma perlita em aços CMn UHSS são principalmente aços com uma microestrutura contendo uma fase diferente de ferrita perlita ou cementita por exemplo martensita bainita austenita eou austenita retida em quantidades suficientes para produzir propriedades mecânicas únicas Alguns tipos de UHSS têm maior capacidade de endurecimento por deformação resultando em um equilíbrio entre resistência e ductilidade superior aos aços convencionais Outros tipos têm rendimento ultraalto e resistência à tração e mostram um comportamento de endurecimento por cozimento f Esses aços são amplamente utilizados na indústria aeronáutica para aplicações estruturais de ultraalta resistência É também usado para submarinos aplicações aeroespaciais e vasos de pressão e normalmente está disponível como chapa para outras aplicações em que são necessárias moderada resistência à corrosão e alta resistência 2 Na Austêmpera o principal objetivo é a produção de uma microestrutura chamada bainita Perceba que quando temos o resfriamento abaixo da linha do joelho da curva TTT posteriormente temos a manutenção da temperatura até que se cruze a linha de 100 de transformação Essa microestrutura tem menos chance de empenar que a martensita revenida pois gera menos tensões internas Por conta disso ela é indicada para aços com elevada temperabilidade temperabilidade é a capacidade do aço em atingir a microestrutura martensítica depois do tratamento de Têmpera A martêmpera tem o objetivo de atingir a microestrutura final da martensita Todavia se observarmos o gráfico quando se atinge a temperatura de início da transformação em martensita Mi o resfriamento que até esse ponto estava rápido passa a ser lento diferença principal para a têmpera convencional seguida do revenido Dessa forma teremos a formação da martensita ocorre mais lentamente 3 Ensaio Brinell Basicamente uma esfera de aço duro mais que do material e diâmetro D conhecido adentra lentamente o material do corpo de prova por conta de uma carga P aplicada Dessa forma uma área será impressa no material no formato esférico e de diâmetro d assim a medida de dureza depende de tal relação matemática Ensaio Vickers Nesse ensaio de dureza a escala é contínua para as medidas de dureza e uma característica a ser memorizada é que ele é amplamente usado desde materiais muito moles dúcteis até materiais muito duros Outra característica importante é quanto ao seu penetrador e o formato também é de diamante porém seu formato é piramidal formando uma pirâmide de base quadrada com um ângulo de 136 entre as faces opostas Além disso a dureza Vickers Hardness Vickers HV é contínua dada para cada carga pois depende da fórmula dimensional em unidades de N ou kgf por mm² Ensaio Rockwell É o mais comum e usado largamente na engenharia por conta da facilidade do procedimento e baixa probabilidade de erros surgirem além da vantagem de o penetrador causar baixa dimensão na impressão não estragando normalmente o material da peça a ser medida Uma característica importante que o distingue do Brinell é que a ponta do penetrador pode ser de diamante além do penetrador de esfera Isso é uma vantagem pois em materiais bem duros como os aços temperados falamos dele quando entramos nos tratamentos térmicos é possível executar a medida sem oscilações eou danos consideráveis no penetrador já que diamante é um dos materiais mais duros da natureza 4 Tratamentos Termoquímicos são assim denominados pois não dependem somente da temperatura necessariamente teremos a adição superficial de outro elemento químico Todavia nesse tipo de tratamento a composição química será alterada superficialmente não adentrando ao interior das peças a fim de mantêlo com as características originais Normalmente o objetivo é elevar a dureza e a resistência ao desgaste da superfície dessa peça ao passo que seu núcleo continue tenaz Todos os tratamentos possuem em sua denominação a dica do elemento químico que será introduzido na composição química Os principais tratamentos termoquímicos são listados a seguir Na Cementação a peça será aquecida até à temperatura crítica ficando um pouco acima da zona crítica entre 900 e 950C a fim de se atingir a microestrutura austenítica e melhorar a absorção do carbono Esse carbono provém do meio rico em carbonetos Esse meio pode ser gasoso será utilizado atmosfera rica em CO monóxido de carbono sólido será utilizado carvão para compor o meio líquido serão utilizados banhos de sal à base de cianetos Normalmente depois do processo de cementação costumase submeter a peça ao processo de têmpera a fim de produzir a microestrutura martensítica na superfície da peça local no qual ocorreu a adição do carbono Pelo processo de têmpera posterior teremos duas seções distintas a superfície dura e de alta temperabilidade com alto teor de carbono pela cementação e outra central de baixo carbono e dúctil consequentemente mais tenaz Nitretação Nesse tipo de Tratamento Termoquímico ocorre a adição de nitrogênio na superfície da peça A grande vantagem da nitretação é não precisar da posterior têmpera a fim de atingir a microestrutura martensítica pois ela já está suficientemente dura Dessa forma os objetivos desse tratamento também é elevar a dureza e a resistência ao desgaste da peça além de melhorar tanto a resistência à fadiga quanto à corrosão e ao calor Além disso conforme aponta a doutrina a temperatura para o processo é abaixo da zona crítica Cianetação Na cianetação teremos a adição na superfície da peça tanto de nitrogênio quanto de carbono simultaneamente Para isso o banho de cianeto fundido é necessário para essa inclusão Nesse tratamento também teremos a necessidade da têmpera posteriormente assim como na cementação e ele também é aplicado a aços de baixo carbono justamente para se elevar a dureza do material em sua superfície com resistência ao desgaste Normalmente a faixa de temperatura é de 760C a 870C e o tempo no banho de sal fundido variando de 30 a 60 minutos A espessura da camada pode ficar em torno de 010 a 030 milímetros Carbonitretação Esse tratamento é bem simples de entendermos pois ele é muito parecido com a cianetação Na carbonitretação como o nome sugere o aço será aquecido em uma atmosfera rica em carbono e nitrogênio com o mesmo foco que na cianetação adicionar esses elementos simultaneamente na superfície da peça Alguns gases podem ser utilizados como o gás amônia e o gás natural e a temperatura terá um intervalo maior que o da cianetação variando entre 700C e 900C Todavia a espessura da camada tende a ser menor que da cianetação variando entre 007 e 07 milímetros Boretação Na mesma linha de raciocínio dos demais Tratamentos Termoquímicos na boretação teremos a adição por difusão do elemento boro Assim é gerado o composto boreto de ferro que gera elevada dureza na superfície da peça chegando a 2000 Vickers O tratamento é desenvolvido em meio sólido no qual um composto de carboneto de boro B4C e de um ativador fluoreto duplo de boro e potássio 5 À medida que a taxa de resfriamento aumenta a estrutura da zebra fica mais fina e confusa A bainita superior pode ser vista começando com pequenos núcleos de ferrita produzindo uma zona enriquecida em carbono na austenita vizinha Os núcleos de ferrita crescem em certa direção cristalográfica preferencial na matriz austenítica produzindo formas alongadas O carbono supersaturado precipita preferencialmente nos contornos de grão de ângulo pequeno na forma de agulhas ou tornos O processo começa em vários lugares e também no interior do grão A orientação dos grãos de ferrita alongados é parcialmente determinada pela orientação do grão de austenita original Para a bainita inferior as coisas são semelhantes exceto que a cementita agora precipita dentro dos grãos de ferrita na forma de plaquetas 6 Perlita No equilíbrio quando resfriado um aço eutetóide que estava acima dos 727C campo austenítico até a transformação da ferrita formase a estrutura perlítica que é justamente caracterizada pela formação de lamelas alternadas de cementita e ferrita Fora do equilíbrio quando existe o resfriamento outros microconstiruintes são formados Bainita microestrutura não supersaturada Possui formato de grãos de pequenas agulhas menores que a da matensita Possui boa relação dureza e ductilidade sendo mais dúctil que a martensita Martensita microestrutura metaestável supersaturada de carbono Possui formato de grãos que parecem agulhas É extremamente dura e frágil Possui alta tensão entre os átomos em seu cristalino Essa microestrutura é metaestável fora do equilíbrio derivada de uma transformação não difusional adifusional por conta da não difusão completa do carbono que fica intersticial gerando a célula unitária TCC Tetragonal de Corpo Centrado proveniente do resfriamento extremamente rápido da liga do campo austenítico A cementita é uma das fases presentes no diagrama FerroCarbeto de ferro composto químico cuja inclusão endurece o aço Cada molécula é feita de três átomos de ferro ligados a um átomo de carbono Fe 3 C para formar uma estrutura de rede cristalina chamada ortorrômbica onde vários prismas retangulares surgem da mesma estrutura de base e se cruzam em ângulos de 90 graus O resultado é uma substância muito dura e quebradiça chamada carboneto de ferro ou cementita 7 Para o controle da taxa de resfriamento utilizamse diversos meios de têmpera com diferentes capacidades de extração de calor severidade Os meios de têmpera mais comuns são água pura com adição de sal ou com adição de polímeros óleo e ar embora outros meios gasosos possam ser empregados nitrogênio hêlio argônio etc A severidade de tempera é um indice que dá uma medida da influência dos meios de têmpera sobre a profundidade e á distribuição da dureza em uma peça de aço temperada sob diferentes condições de agitação Em um aço de determinada temperabilidade um meio de tempera de grande severidade tempera drástica tende a produzir elevados valores de dureza e dos demais valores de resistência na peça favorecendo por outro lado a ocorrência de trincas e deformações Um meio de tempera de pequena severidade tempera suave tende a produzir o efeito inverso A disponibilidade dos meios de tempera e a viabilidade de sua aplicação devem ser levadas em conta na seleção dos aços para beneficiamento 8 No ferro puro a diferença na ferrita e na austenita é uma diferença em suas estruturas atômicas Os átomos de Fe são arranjados com uma estrutura cristalina cúbica de corpo centrado ccc na ferrita e uma estrutura cristalina cfc na austenita Tanto nos grãos de ferrita quanto nos grãos de austenita essa estrutura atômica não muda dentro do grão Tanto a ferrita quanto a austenita são fases individuais Quando C é adicionado à austenita para formar uma solução sólida a solução sólida tem a mesma estrutura cristalina FCC que no ferro puro O C do grafite se encaixa entre os átomos de ferro A estrutura cristalina permanece fcc a única mudança sendo que os átomos de Fe são empurrados ligeiramente mais afastados Tanto a austenita pura quanto a austenita com C dissolvido são a mesma fase Assim austenita com C dissolvido nela 9 Passo 1 O processo de fabricação de ferro Como o ferro é o principal componente do aço primeiro ele precisa ser feito Minério de ferro cal e coque são colocados em um altoforno e fundidos O líquido resultante conhecido como ferro fundido é então formado Como o ferro fundido ainda contém cerca de 4 a 45 de impurezas como carbono que por sua vez tornam o metal quebradiço elas precisam ser erradicadas O passo 2 faz exatamente isso Etapa 2 Fabricação de aço primário Existem dois métodos principais para fazer aço e estes são Fabricação de Aço com Oxigênio Básico BOS e Fornos de Arca Elétrica EAF Os métodos BOS por exemplo envolvem a adição de sucata reciclada de aço ao ferro fundido quando no forno O oxigênio é então forçado através do líquido o processo Bessemer para reduzir as impurezas no metal fundido para 05 15 Alternativamente com o método EAF o aço reciclado é alimentado em um forno elétrico de arca juntamente com o ferro fundido que é então aquecido a cerca de 1650 graus Celsius para convertêlo em aço de alta qualidade Etapa 3 Fabricação de aço secundário Em seguida o aço fundido recémformado precisa ser ajustado para fazer a composição de aço perfeita Isso é feito manipulando a temperatura eou removendo certos elementos Isso pode incluir processos como desgaseificação agitação injeção de concha ou borbulhamento de argônio Passo 4 fundição Agora que temos os ossos do nosso aço o próximo passo é despejálo em moldes resfriados Isso faz com que o metal esfrie rapidamente Depois de resfriado o metal é cortado nos comprimentos desejados dependendo da aplicação por exemplo placas para chapas blocos para seções como vigas e tarugos para produtos mais longos como fiação ou tubos finos Passo 5 Primeira formação Também conhecido como conformação primária as formas iniciais de placas blocos e tarugos são formadas em suas várias formas geralmente por laminação a quente Os produtos laminados a quente são então divididos em produtos planos produtos longos tubos sem costura e produtos especiais para uma última etapa de processamento Passo 6 O processo de fabricação fabricação e acabamento Finalmente uma variedade de técnicas secundárias de conformação incluindo modelagem usinagem junção e revestimento dão aos produtos suas formas e propriedades reveladoras 10 As amostras devem ser cortadas utilizando a serra de corte metalográfica com um disco de corte compatível com a dureza da amostra depois disso deve ser lavada e embuta a fim de facilitar o processo seguinte de lixamento e polimento Em seguida deve ser realizado o lixamento e polimento das amostras com o auxílio da lixadeira e politriz do laboratório As lixas devem ser utilizadas em ordem decrescente em termos de granulometria seguidamente usase alumina em suspensão para realizar o polimento Com os procedimentos de preparação da amostra finalizados realizase o ataque químico da superfície Após isso depois de certo tempo reagindo é lavada é secada e então encaminhada ao microscópio metalográfico para visualização das microestruturas 1ª QUESTÃO Os aços HSS e UHSS contêm quantidades específicas de elementos de liga diferentes daqueles no utilizados nos aços comuns para as mais diversas aplicações industriais logo a Cite os principais elementos e quantidade são encontrados nos aços HSS b Cite os principais elementos e quantidade são encontrados nos aços UHSS c Quais as principais características mecânicas dos aços HSS d Quais as principais características mecânicas dos aços UHSS e Quais as diferenças entre as microestruturas dos aços HSS e UHSS f Cite 5 exemplos de produtos fabricados com aço UHSS dos mais diversos segmentos industri 2ª QUESTÃO Explique as principais diferenças entre Martêmpera e Austempera conforme indicado no gráfico 3ª QUESTÃO Descreva detalhadamente os 3 três principais tipos de ensaio de Dureza mecânica em aços 1 a composição depende da classificação SAE ISO ABNT DIN mas geralmente um tipo comum de aço rápido contém 10 de W 4 de Cr 1 de V e apenas 05 087 de C b os aços de ultra alta resistência UHSS tem resistência do escoamento superior a 700 MPa são as vezes chamados de superligas os aço mais conhecidos dessa classe são AISI 4130 e AISI 4140 por exemplo a composição química de um aço UHSS AISI 4140 é 038 043 de C 08 11 de Cr 015 025 de Mo 075 100 Mn 0035 máx de P 015 030 Si 004 máx de S c os aço HSS possuem baixos teores de elementos de liga e alto limite de resistência mecânica uma comparação com os aço carbono tradicionais os novos aço HSS tem boa conformabilidade e são soldáveis com resistência superior apresentando um limite de escoamento de até 700 MPa d já os aço UHSS apresentam concentração de elementos de liga levemente maior em comparação aos aço HSS os UHSS são utilizados onde só é mandado peso leve e alta performace possuem uma resistência ao escoamento superior a 700 MPa sem que mantenha alteração nas caracteristicas de conformabilidade e soldabilidade 1 HSS não ferror ferro monofásico com potencial para algum perlita em aço C Mn UHSS são principalmente aços com uma microestrutura contendo uma fase diferente de ferrita perlita ou cementita além de terem maior capacidade de endurecimento por deformação resultando em um ótimo equilíbrio entre resistência e ductilidade b esses aço são amplamente utilizado na indústria aeroespacial aeronáutica aplicações estruturais de ultra alta resistência aplicações indústria naval em submarinos e também vasos de pressão 2 no Austempera após o aço ter sido austenitizado de s resfriado até o patamar abaixo do joelho do curva TTT resfriamento esse que deve ser feito suficientemente perto a fim de se evitar transformações em martensita no dourado No patamar de temperatura em que ocorre a transformação bainítica ocorre o processo de manutenção da temperatura até a linha de 100 da transformação de perlita e por fim é feito o resfriamento a temperatura ambiente o produto desse tratamento é a Bainita no Martempera o resfriamento brusco ocorre até o patamar de temperatura bainítica e pula a manutenção da temperatura evitar distorção dimensional devido ao gradiente de temperatura entre centro e superfice da peça para garantir esse conformidade entre temperatura do núcleo da peça e superfice é feito o resfriamento para obtenção de martensita dua vez em meio de tempo menor securo ponto de sais fundidos após fim da transformação é feito o resfriamento sendo assim o produto desse tratamento é a martensita revenida 3 Ensaio Brinell a medida da dureza dure maior é governada pelo Raciocínio matemático que calcula a medida em que uma esfera de aço duro penetra no material ensaiado dando o aplicação de uma carga P a aplicação da carga deve obedecer Distância de impressão no mínimo 25 x d das bordas da peça Espessura da peça no mínimo 10 x d ou 17 vezes a profundidade da calote Distância entre impressões no mínimo 5 x d Um ensaio nao deve ser utilizado em peças que sofram algum tratamento superficial Ensaio Vickers amplamente utilizado para materiais muito mode até materiais muito duros seu penetrador é de diamante e a medida da dureza também é obtida através de um relógio matemático A dureza Vickers possui escala continua e ao contrário do Brinell por ter impressão extremamente pequenas nao utiliza a peça Enxojro Rockwell dirá o enaxio apresentado este pois o tempo de enaxio mais auto por esse motivo é o mais empregado na umplicade reluj ressignifivamente o uso do ens perçai aulatado o uso pouco su parinel do seu lsito erroneamente pelo quonti dad de escalas HRA HRB HRC seu penutador é de diamante e nao utilizo relação matemática para o rilmaio de durezo 4 Cada tratamente quimico ofer prinçopalmen em relação oe elemento que uso utilizado Carbutação Peça aquecida aí temperatud arque acima para srurtintizado e portanto melhorar a alocação de carbono que pode surposer soluio ou liquido depois dum proceso controlado o que 3 sulmitido à tempo Nititrição comut na adça de Nitrogenio no supurle do peça pode se realizado inm temperantur alave do zona untica e nao recanto de tempera portenonents Carboniturraco comuida o adção do C e N no supurlo do paço apara do Nitrogenio estar prisente nem cara prucen realizar o limper do final 5 Provism inferer e formado o método en que a taxoe enfroumento aymeito o que implica numa majoritura mon refnoda a cementitaमपअयद dentro da çãos de junta no forno de ploguitas Alo menos superior pode nr vista comecando com pequena niecla de junta produyzdo uno zono ou enquarada em carbono no autemta Vizatha podzryndo formar elongaoda genuvan 6 A perlita é um microconstituinte caro deri zo da pila formação de lomulor alternados de cemtita ferita Romita é una microtstura noo supersuturada Ponti formate de qués da pequenas agullas mono os qua ar do martumita Martumitamicroistimo moto estàvel supersaturado de carbono Ponur formato de grais que parecem agullas E extremamente duro e fragil Assim como a cemorta que é uma das Fars preseta no sultero FeFe3C Aslrm Perito Bainito e Martumbo sao Microconsti tuinte Formada Cemitito é uno Fore 7 on Meve do Resframento dizem respecto a ruerudo de da tempera ourya o taxa de refrigerento com a quel a peça sulmitido ao tratament e vai serjg amim por exampiio um ace de alta tie refroididade cuando refraoado em um meo de tempera muta pusso tendo a prodrug elevado indeses de dnrozo 8 No fero puro X uma Vg qu hó franço c em redução solida quarta um ligo é resfrudo alave do tempore A3 a deformação no rude auctelino permite a recuperaçás de eslitura CFC para CCC 9 Extracão do Feno Muneru do Ferro calfeno e coon soo adcuandar no alto Fomo Feno Fundudo direção no Rezamento Feno Guma Retirado das impureso elorganizaçao Fundição lungotamento Laminaco Fabricação e acalornulto unimagen conferou cão 10 os amotiras devem sir cotadas em tanhonh padronizada eu códè deve ru fato eom duco de corti compativel com o durezo do mat uguL as amotiras devem sir inbulidas para portenur lxomento e podimento o polimento deve se realizados cada vez man diminuindo a grosouloma do luxo ate chegam a base do polimento apos o polimento a amostro deve sr atrugido pelo abogól quimico releonado e apa eno atlauser do microrocopio neo sulado en tam presita no Microgía