Transcript
CCET- Centro de Ciências Exatas e Tecnologia
Departamento de Engenharia Mecânica
Laboratório de Materiais e Metalografia
Prof. Gilmar Tonietto
SAE 4140
Henrique Faccin da Silva
Rodrigo Marcos da Silva
Turma 57
Caxias do Sul, 06 de dezembro de 2012.
Índice
Objetivo Geral ................................................................................................................... 3
Introdução .......................................................................................................................... 4
Revisão Bibliográfica ......................................................................................................... 8
Normas Adotadas............................................................................................................... 10
Instrumentação, Equipamentos e Material Utilizado.......................................................... 11
Descrição do Ensaio ......................................................................................................... 12
Fórmulas Utilizadas para Cálculo ...................................................................................... 17
Gráfico Obtido .................................................................................................................... 18
Resultados Obtidos ........................................................................................................... 19
Fotos da Amostra.............................................................................................................. 20
Conclusão ......................................................................................................................... 22
Referências Bibliográficas ................................................................................................. 24
Objetivo Geral
Determinar por ensaios de laboratório (como Ensaio Dureza Rockwell "B" e "C", Ensaio de Tração e Ensaio de Impacto Charpy) as diferentes propriedades mecânicas e estruturais de um mesmo material, no caso o aço SAE 4140.
Introdução
Para determinar as propriedades mecânicas dos materiais, realizam-se ensaios mecânicos e análises de microestrutura.
Tomando-se como corpos de prova diferentes geometrias do material normalizado SAE 4140, foram realizadas diversas análises de laboratório, como Ensaio Dureza Rockwell "B" e "C", Ensaio de Tração e Ensaio de Impacto Charpy. Posteriormente realizaram-se análises micro-estruturais dos mesmos baseados em normas e padrões.
Neste trabalho iremos apresentar uma breve explanação de cada tipo de ensaio realizado e os resultados obtidos, além dos equipamentos utilizados.
Ensaio de Dureza Rockwell
Um dos métodos mais utilizados para medir dureza, por sua simplicidade e eficiência. Possui o princípio da habilidade de um material riscar outro material mais mole. Consiste no processo de penetração de um material especial e padronizado em uma amostra, para calcular a dureza da mesma através da impressão resultante do processo de penetração. Várias escalas diferentes podem ser utilizadas a partir de combinações possíveis de vários penetradores e diferentes cargas, o que permite o ensaio de todas as ligas metálicas. Os penetradores incluem esferas de aço endurecidas (com diâmetros 1,588, 3,175, 6,350 e 12,70 mm) e um penetrador cônico de diamante, usado para materiais mais duros. A tabela (1) a seguir mostra as técnicas utilizadas nos ensaios de dureza.
Tabela 1 – Técnicas de Ensaio de Dureza.
Ensaio de Tração
Este é um ensaio mecânico de tensão x deformação que é conduzido sob tração. Pode ser usado para verificar diversas propriedades mecânicas dos materiais que são importantes para projetos. Uma amostra é deformada, geralmente até a fratura, por uma carga de tração que é aumentada gradativamente e que é aplicada uniaxialmente ao longo do eixo maior de um corpo de prova padronizado. Neste caso, o corpo de prova possuía seção circular com reduções de diâmetro. A razão deste corpo de prova possuir reduções de diâmetro é devido à deformação decorrente do ensaio que assim fica confinada à região central mais estreita e, ainda, por reduzir a probabilidade de fratura nas extremidades do corpo de prova. O diâmetro padrão é de 12,8mm, enquanto o comprimento da seção reduzida deve ser de, pelo menos, quatro vezes esse diâmetro, sendo comum a utilização de um comprimento de 60mm. O comprimento útil possui um valor padrão de 50mm. O corpo de prova é preso pelas usas extremidades nas garras de fixação do dispositivo de testes. A máquina de ensaios de tração é projetada para alongar o corpo de prova a uma taxa constante, ao mesmo tempo em que mede contínua e simultaneamente a carga instantânea que está sendo aplicada e os alongamentos resultantes.
Ensaios tensão x deformação são ensaios destrutivos, ou seja, as amostras usadas são deformadas permanentemente e, freqüentemente, fraturadas. O resultado de um ensaio de tração desse tipo é registrado (geralmente em um computador) na forma da carga ou força em função do alongamento. As características carga-deformação são dependentes do tamanho do corpo de prova.
Detalhes sobre o processo, amostra, e equipamento utilizados, seguem na figura (A), e um gráfico ilustrado tensão x deformação na figura (B).
Figura A – Ensaio de Tração.
TS: Tensile Strength (Limite de Resistência à Tração)
M: Maximum point (Ponto máximo)
F: Fracture (Fratura)
Figura B – Gráfico Tensão x Deformação
Ensaio de Impacto Charpy
Este tipo de ensaio é utilizado para medir a energia de impacto, também denominada tenacidade ao entalhe. O corpo de prova padronizado possui o formato de uma barra com seção transversal quadrada na qual é usinado um entalhe em "V". Nesta técnica Charpy com entalhe em "V", utilizada neste trabalho, a carga é aplicada como um impacto instantâneo, por meio de um martelo pendular balanceado, que é liberado de uma posição elevada, a uma altura fixa h. O corpo de prova é posicionado na base. Ao ser liberado o martelo, a aresta em forma de cunha atinge e fratura o corpo de prova no entalhe, o qual atua como um ponto de concentração de tensões para esse impacto em alta velocidade. O pêndulo continua o seu balanço, elevando-se até uma altura máxima h', que é inferior a h. A absorção de energia, calculada a partir da diferença entre h e h', é uma medida da energia de impacto.
Detalhes sobre o processo, equipamento e corpo de prova, seguem na figura (C) abaixo.
Figura C – Ensaio de Impacto.
Revisão Bibliográfica
O SAE 4140 é um aço para beneficiamento de alta temperabilidade, má soldabilidade e usinabilidade razoável, porém com boa resistência à torção e à fadiga. Dureza na condição temperada varia de 54 a 59 HRc. Através do processo de nitretação podem-se melhorar suas propriedades mecânicas.
Utilizado em peças que exigem elevada dureza, resistência e tenacidade. Usado em automóveis, aviões, virabrequins, bielas, eixos, engrenagens, armas, parafusos, equipamentos para petróleo.
AISI 4140 (normalizado)
Fonte banco de dados de materiais na internet, MATWEB, que está disponível em: http://www.matweb.com
Análise Micro estrutural de uma amostra qualquer do Aço SAE 4140
Microestruturas no estado recebido, bruto de laminação.
Atacado quimicamente com Nital 2%. Magnitude: 500x.
Observa-se a presença de ferrita acicular e perlita do tipo esboroada.
Após a têmpera e revenimento, verifica-se a formação de uma estrutura
de martensita revenida fina e homogênea.
A dureza média obtida dessa amostra após tratamento térmico de têmpera
foi de 55,6 HRC e após revenimento: 35,6 HRC.
Normas Adotadas
Tratamento Térmico (temperar e revenir):
Norma – não aplicável
Ensaio de Dureza Rockwell:
Norma ABNT NBR NM ISO 6508-1
Ensaio de Tração:
Norma NBR ISO 6892/02
Ensaio de Impacto:
Norma NBR 6157/1980
Preparação das Amostras:
Norma NBR 13284
Micro Inclusões:
Norma NBR 9208
Análise de Inclusões:
Norma ASTM E-45-87
Ataque químico:
Norma NBR 8108
Análise de Metalografia e Foto micrografia:
Norma ASTM E-112
Instrumentação, Equipamentos e Material Utilizado.
Tratamento Térmico:
Forno para tratamento térmico.
Ensaio de Dureza Rockwell:
Durômetro Rockwell.
Ensaio de Tração:
Máquina Universal de Ensaio - Extensômetro (capacidade 20 T).
Paquímetro digital (200 mm e precisão de 0,01 mm).
Riscador mecânico – escala 5 mm.
Tinta para marcação – Metal Traço.
Ensaio de Impacto:
Máquina de Ensaio de Impacto – capacidade: 30 kgf x m.
Paquímetro digital (200 mm e precisão de 0,01 mm).
Dispositivo centralizador.
Preparação das Amostras:
Cortadeira Elétrica (com disco de corte abrasivo).
Prensa Metalográfica Embutidora.
Lima (remoção de rebarbas).
Lixas 150, 240, 320, 400 e 600.
Lixadeira Elétrica Circular (com feltro).
Álcool e algodão.
Secador Elétrico.
Análise Metalográfica:
Microscópio óptico de luz refletida e transmitida.
Descrição do Ensaio
Descrição dos procedimentos durante o ensaio:
Os corpos de prova (SAE 4140) foram usinados com diferentes geometrias, onde quatro tinham secção circular e quatro com secção retangular.
As amostras foram identificas como I (corpos de prova de impacto) e T (corpos de prova de tração) e numeradas de 01 a 04, sendo que a amostra nº 01 se manteve normalizada e as demais foram submetidas a tratamento térmico. A amostra nº 02 foi somente temperada a 870ºC (resfriada em óleo), a nº 03 foi temperada a 870ºC (resfriada em óleo) e revenida a 300ºC por duas horas e a nº 04 foi temperada a 870ºC (resfriada em óleo) e revenida a 500ºC por duas horas.
Após o tratamento térmico as amostras termicamente tratadas foram devidamente lixadas para eliminar os resíduos (impurezas da superfície) e encaminhadas para os processos subseqüentes.
Os corpos de prova tiveram suas durezas verificadas no Durômetro Rockwell segundo a norma ABNT NBR NM ISO 6508-1 e os valores obtidos seguem nas tabelas subseqüentes:
Identificação nº
Leituras obtidas
Unidades de Dureza
01
02
03
04
05
01T
97
92
94
92,5
96,2
HRb
02T
56,2
52
52
58
53,5
HRc
03T
49,5
46,5
44,5
48,5
48,5
HRc
04T
42
43
41
41
41
HRc
Identificação nº
Leituras obtidas
Unidades de Dureza
1
2
3
4
5
01I
93
94
94
95
94
HRb
02I
56
59
57
60
62
HRc
03I
53
51
51
51
55
HRc
04I
43
42
44
43
44
HRc
Médias Obtidas
Identificação n º
Média
Unidade
01T
94,34
HRb
02T
54,34
HRc
03T
47,5
HRc
04T
41,6
HRc
Médias Obtidas
Identificação n º
Média
Unidade
01I
94
HRb
02I
56,8
HRc
03I
52,5
HRc
04I
43,2
HRc
Observações:
4.a. Incerteza dos resultados: ± 0,5%
4.b. Equipamento utilizado: Durômetro Rockwell.
4.c. Medidas corrigidas devido à cilindricidade do corpo de prova.
Após a verificação de dureza as amostras foram preparadas e dimensionadas para que fosse feito o Ensaio de Tração segundo a norma NBR ISO 6892/02 e os resultados obtidos seguem nas tabelas abaixo:
Resultados:
Dimensões
Força de
Força Máxima
Comprimento
Diâmetro
Ø (mm)
escoamento (kgf)
(kgf)
Final: l0= 40 mm
Final (mm)
01T
8
3124
3793
45,02
5,43
02T
8,01
6753
6924
40,06
7,97
03T
8,01
7837
9081
41,40
7,76
04T
8,02
6207
6565
46,01
5,59
Resultados calculados:
Área
Limite de escoamento
Limite de resistência
Alongamento
Redução
(mm²)
(MPa)
à tração (MPa)
(%)
de Área (%)
01T
50,26
609,76
740,34
12,55
65,86
02T
50,39
1314,68
1347,97
0,15
0,99
03T
50,39
1525,72
1767,90
3,5
6,15
04T
50,52
1205,28
1284,80
15,025
51,42
Incerteza dos resultados: ± 0,5%
Equipamento utilizado:
Máquina universal de ensaio – Extensômetro – capacidade 20 t.
Paquímetro digital – capacidade 200mm (precisão 0,01mm).
Riscador mecânico – escala 5mm.
Tinta para marcação – Metal Traço.
Após o Ensaio de Tração as amostras foram preparadas e dimensionadas para que fosse feito o Ensaio de Impacto (modelo Charpy) segundo a norma NBR 6157/1980 e os resultados obtidos seguem nas tabelas abaixo:
Identificação n º
Dimensões
Energia Absorvida
(mm x mm)
(kgf x m)
01I
10,00 x 8,11
5,1
02I
10,01 x 8,15
0,5
03I
10,00 x 8,14
1,3
04I
10,00 x 8,14
5,9
Resultados Calculados:
Identificação n°
Área
Energia Absorvida
Resistência ao
(cm²)
(J)
Impacto (J/cm²)
01I
0,811
50,013
61,669
02I
0,815
4,903
6,010
03I
0,814
12,748
15,661
04I
0,814
57,859
71,080
Observações:
1 kgf.m = 9,80665 J
Incerteza dos resultados: ± 0,5%
Equipamentos utilizados:
Máquina de Ensaio de Impacto – capacidade: 30 kgf x m.
Energia máxima do pêndulo utilizado: 294 J
Perda máxima de energia do pêndulo por atrito: 1,4 J.
Entalhe: V2 x 10
Paquímetro digital – capacidade 200 mm (precisão 0,01 mm).
Dispositivo centralizador.
Preparação das amostras para análise Metalográfica.
As amostras (peças cilíndricas) foram cortadas na cortadeira elétrica com disco abrasivo em secções transversais e longitudinais para que posteriormente fosse realizado um embutimento em baquelite. O procedimento exigiu certo cuidado para que não ocorressem queimas no material e assim prejudicasse a análise da estrutura do corpo de prova.
Secções transversais: para análise da microestrutura.
Secções longitudinais: para verificação das inclusões.
Na sequência as amostras foram embutidas em baquelite na Prensa Metalográfica Embutidora. A pressão da prensa ficou em 150 kgf/cm² e o tempo de aquecimento não ultrapassou 10 minutos, sendo que posteriormente foi feito o resfriamento em água corrente. As amostras foram identificadas, rebarbadas, lixadas, polidas, secadas no secador elétrico e protegidas com algodão envolto em fita crepe.
Na sequência foi realizada a análise Inclusões (com ampliação em 100x – lente 10x10), segundo a Norma ASTM E 45-87, nas amostras de secção longitudinal e segundo a tabela de referência os resultados obtidos foram os seguintes:
Inclusões tipo sulfeto, série fina e nível ½ .
Inclusões tipo globular de óxidos, série fina e nível ½.
Após essa etapa as amostras sofreram um ataque químico com a substância Nital (2% de ácido nítrico e 98% de álcool), sendo então realizada análise da microestrutura das amostras e os resultados obtidos foram os seguintes:
Amostra 01: ferrita + perlita (maior quantidade) + cementita (contorno dos grãos). Tamanho de grão: 9.
Amostra 02: martensita + perlita (traços finos). Tamanho de grão: 10.
Amostra 03: ferrita (pouca quantidade) + martensita revenida (agulhas finas). Tamanho de grão: 10.
Amostra 04: ferrita + martensita revenida. Tamanho de grão: 10.
Fórmulas Utilizadas para Cálculo
Área A=πز4 L0=5xØ (n° inteiro)Tensão(MPa) σ=FA09,81Deformação ε= LL0Estricção= A0-AfA0100Alongamento= Lf-L0L0100Energia absorvida (J)=kgf x m x gResistência ao impacto=Jcm2Área A=πز4 L0=5xØ (n° inteiro)Tensão(MPa) σ=FA09,81Deformação ε= LL0Estricção= A0-AfA0100Alongamento= Lf-L0L0100Energia absorvida (J)=kgf x m x gResistência ao impacto=Jcm2
Área A=πز4
L0=5xØ (n° inteiro)
Tensão(MPa) σ=FA09,81
Deformação ε= LL0
Estricção= A0-AfA0100
Alongamento= Lf-L0L0100
Energia absorvida (J)=kgf x m x g
Resistência ao impacto=Jcm2
Área A=πز4
L0=5xØ (n° inteiro)
Tensão(MPa) σ=FA09,81
Deformação ε= LL0
Estricção= A0-AfA0100
Alongamento= Lf-L0L0100
Energia absorvida (J)=kgf x m x g
Resistência ao impacto=Jcm2
Gráfico Obtido
Resultados Obtidos
Amostra n ºDurezaTeTmáx.AlongamentoEstricçãoCharpy(MPa)(MPa)(J/cm²)194,34 HRb609,76740,3412,55%65,86%61,669254,34 HRc1314,681347,070,15%0,99%6,010347,5 HRc1525,721767,903,5%6,15%15,661441,6 HRc1205,281284,8015,025%51,42%71,080Amostra n ºDurezaTeTmáx.AlongamentoEstricçãoCharpy(MPa)(MPa)(J/cm²)194,34 HRb609,76740,3412,55%65,86%61,669254,34 HRc1314,681347,070,15%0,99%6,010347,5 HRc1525,721767,903,5%6,15%15,661441,6 HRc1205,281284,8015,025%51,42%71,080
Amostra n º
Dureza
Te
Tmáx.
Alongamento
Estricção
Charpy
(MPa)
(MPa)
(J/cm²)
1
94,34 HRb
609,76
740,34
12,55%
65,86%
61,669
2
54,34 HRc
1314,68
1347,07
0,15%
0,99%
6,010
3
47,5 HRc
1525,72
1767,90
3,5%
6,15%
15,661
4
41,6 HRc
1205,28
1284,80
15,025%
51,42%
71,080
Amostra n º
Dureza
Te
Tmáx.
Alongamento
Estricção
Charpy
(MPa)
(MPa)
(J/cm²)
1
94,34 HRb
609,76
740,34
12,55%
65,86%
61,669
2
54,34 HRc
1314,68
1347,07
0,15%
0,99%
6,010
3
47,5 HRc
1525,72
1767,90
3,5%
6,15%
15,661
4
41,6 HRc
1205,28
1284,80
15,025%
51,42%
71,080
Amostra n ºMicroestruturaInclusões1ferrita + perlita (maior quantidade) + cementita (contorno dos grãos)Tipo sulfeto, série fina e nível ½2martensita + perlita (traços finos)3ferrita (pouca quantidade) + martensita revenida (agulhas finas)Tipo globular de óxidos, série fina e nível ½4ferrita + martensita revenidaAmostra n ºMicroestruturaInclusões1ferrita + perlita (maior quantidade) + cementita (contorno dos grãos)Tipo sulfeto, série fina e nível ½2martensita + perlita (traços finos)3ferrita (pouca quantidade) + martensita revenida (agulhas finas)Tipo globular de óxidos, série fina e nível ½4ferrita + martensita revenida
Amostra n º
Microestrutura
Inclusões
1
ferrita + perlita (maior quantidade) + cementita (contorno dos grãos)
Tipo sulfeto, série fina e nível ½
2
martensita + perlita (traços finos)
3
ferrita (pouca quantidade) + martensita revenida (agulhas finas)
Tipo globular de óxidos, série fina e nível ½
4
ferrita + martensita revenida
Amostra n º
Microestrutura
Inclusões
1
ferrita + perlita (maior quantidade) + cementita (contorno dos grãos)
Tipo sulfeto, série fina e nível ½
2
martensita + perlita (traços finos)
3
ferrita (pouca quantidade) + martensita revenida (agulhas finas)
Tipo globular de óxidos, série fina e nível ½
4
ferrita + martensita revenida
Fotos da Amostra
Amostra 01: ferrita + perlita (maior quantidade) + cementita (contorno dos grãos). Tamanho de grão: 9.
Amostra 02: martensita + perlita (traços finos). Tamanho de grão: 10.
Amostra 03: ferrita (pouca quantidade) + martensita revenida (agulhas finas). Tamanho de grão: 10.
Amostra 04: ferrita + martensita revenida. Tamanho de grão: 10.
Conclusão
O aço SAE 4140 normalizado possui propriedades mecânicas, como boa temperabilidade, boa forjabilidade e baixa soldabilidade. Na condição recozida apresenta boa usinabilidade.
Durante os experimentos realizados ao longo do semestre com o aço em questão, pudemos tirar diversas conclusões a respeito do mesmo. Fizemos análises comparativas com ele normalizado, austenitizado (temperado), temperado e revenido a 300°C e temperado e revenido a 500°C.
Conforme relataremos a seguir, poderemos observar certas discrepâncias e divergências nos resultados obtidos, obviamente, conforme o tipo de tratamento térmico realizado.
Pelo ensaio de tração, ao compararmos o SAE 4140 sem tratamento térmico ao austenitizado (somente temperado) e também ao temperado e revenido a 300°C, constatamos que o aço aumentou consideravelmente a sua força de escoamento, saiu de 3124 kgf para 6753 kgf e 7837 kgf, respectivamente. Vimos também que sua força máxima saltou de 3793 kgf para 6924 kgf e 9081 kgf, da mesma forma, respectivamente. Logo concluímos que o corpo de prova tratado ficou muito mais resistente. Porém seguindo a linha comparativa, verificamos que o corpo de prova sem tratamento, ao contrário dos outros, manteve uma boa ductibilidade com era de se esperar, pois o mesmo teve uma redução de área de 65,86%, enquanto os outros tiveram valores pífios. Portanto, concluímos que nessa primeira etapa comparativa, os materiais com tratamento, mostraram-se muito mais frágeis, ou seja, suscetíveis a quebra ao longo de seu comprimento.
Entretanto, quando comparamos os resultados do corpo de prova sem tratamento com o temperado e revenido a 500°C, o resultado mostrou-se completamente diferente, pois o material tratado dobrou as forças máximas e de escoamento, ou seja, aumentou sua resistência, todavia em contrapartida, sua porcentagem de alongamento e redução de área manteve-se bem próxima ao material sem tratamento. Logo, o tratamento térmico de têmpera e revenimento a 500°C, é o procedimento ideal quando quiser se obter boas propriedades mecânicas do aço, aliadas à boa ductibilidade e bons limites de resistência a tração.
Sabemos que em um Ensaio Charpy, o material que absorver a maior quantidade de energia possível, a saber, em Joules [J], determinar-se-á, sua tenacidade.
Novamente, tomando-se como base comparativa o corpo de prova sem tratamento térmico em relação ao corpo de prova temperado e ao temperado e revenido a 300°C, verificamos que a energia absorvida do primeiro foi de 50 J e a resistência ao impacto foi de 62 J/cm², já os corpos de prova tratados termicamente apresentaram valores de absorção de energia de 5 J e 12 J respectivamente conforme ordem do enunciado. Da mesma forma a resistência ao impacto apresentou valores na ordem de 6 J/cm² e 15 J/cm² respectivamente. Então, conclui-se que os corpos de prova tratados termicamente mostraram-se muito mais frágeis, ou seja, muito menos tenazes que o corpo sem tratamento.
Entretanto, quando comparamos os resultados do corpo de prova sem tratamento com o temperado e revenido a 500°C, o resultado mostrou-se completamente diferente, pois o material tratado apresentou uma energia absorvida de 58 J e uma resistência ao impacto de 71 J/cm². Portanto o corpo com o revenimento a 500°C mostrou-se bem mais tenaz que o material sem tratamento e, além disso, com boas propriedades mecânicas.
Diante da analogia acima descrita concluímos que o tratamento térmico correto é fundamental para se obter boas propriedades mecânicas, como boa ductibilidade e tenacidade no material que se deseja utilizar para determinada construção de um sistema mecânico.
Referências Bibliográficas
ASM International. ASM Handbook. [Materials Park, OH]: ASM International, 1985-1997. 20v.
COMERCIAL GERDAU. Disponível em: Acesso em: 01 dec. 2012.
MATWEB. Disponível em: Acesso em: 01 dec. 2012.
