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Universidade de São Paulo
Escola de Engenharia de Lorena
MAYARA RIGOLDI LEANDRO
Estudos das propriedades mecânicas dos aços H13 e “H13modificado“ aplicados em matrizes de extrusão de alumínio
Lorena – SP
2009
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MAYARA RIGOLDI LEANDRO
Estudos das propriedades mecânicas dos aços H13 e “H13modificado” aplicados em matrizes de extrusão de alumínio
Trabalho de Graduação apresentado à
Escola de Engenharia de Lorena da
Universidade de São Paulo para obtenção
do título de Engenheiro de Materiais.
Orientador: Prof. Dr. Miguel Justino RibeiroBarboza
Co-Orientador: Prof. Dr. César Alves daSilva Leandro
Lorena – SP
2009
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AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE
TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA
FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.
Ficha Catalográfica Elaborada pela Biblioteca Especializada em Engenharia de Materiais
USP/EEL
Leandro, Mayara Rigoldi
Estudos das propriedades mecânicas dos aços H13 e “H13modificado” aplicados em matrizes de extrusão de alumínio. /MayaraRigoldi Leandro ; orientador Miguel Justino Ribeiro Barboza .--Lorena,2009.
83 f.: il.
Trabalho apresentado como requisito parcial paraobtenção do grau de Engenheiro de Materiais – Escola deEngenharia de Lorena - Universidade de São Paulo.
1. Aço ferramenta 2. Propriedades mecânicas 3.Tratamento térmico I. Título.
CDU 620.193
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Dedico esse trabalho aos meus queridos
pais, César e Meire, pelo amor, paciência,
carinho, compreensão que tanto me
deram para a conclusão da graduação.
Ao meu grande ídolo vovô Professor
Mestre Thiago Alves da Silva Leandro que
me inspira para seguir na área de exatas,
me inspira a crescer como profissional e
como pessoa, sempre me comovendo
com uma palavra doce e um carinho
imenso nos olhos.
Ao meu querido professor Doutor Miguel
Justino que acredita no meu potencial.
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AGRADECIMENTOS
Primeiramente a Deus;
À escola de Engenharia de Lorena pela minha formação em engenharia;Ao Prof. Dr. Miguel Justino Ribeiro Barboza pela colaboração e dedicação a minha
formação como engenheira e ao meu trabalho de final de curso.
“O professor se liga à eternidade; ele nunca sabe onde cessa a sua influência ”
(Henry Adams)
Ao meu pai e Herói da minha vida, o Engenheiro e Prof. Dr. César Alves da SilvaLeandro, o qual com grande amor me guiou para a formação de engenharia e com
muito amor e carinho sempre esteve ao meu lado;
A minha mãe, Prof. Shirley Meire Rigoldi Leandro, que me educou com tanto esforço
e batalha na jornada dupla de mãe de família e profissional excepcional;
Ao Antônio Donizeti de Souza, Genilson Mota, João Carlos Batista, João Bosco,
Raoni Cabral, Noda e toda equipe do Maurício Godoy da Confab Tubos de
Pindamonhangaba que proporcionou a realização dos ensaios mecânicos de
impacto e utilização do MEV e Microscópio óptico para o desenvolvimento desse
trabalho;
À Gerdau Pindamonhangaba pela análise da composição química;
À TecTTerm pela realização dos tratamentos térmicos;
À escola ETEC – João Gomes de Araujo que usinou o entalhe dos corpos de prova
de impacto;
Aos meus amigos, Isabel, Ana, Bruno, Débora, Viviane, Letícia e Larissa que sem
eles eu não teria tantas lembranças memoráveis nos 5 anos de graduação;
Ao meu namorado, Valmes Rocha Corrêa, que teve paciência e carinho
compreendendo a minha ausência;
E todos aqueles que de alguma forma direta ou indiretamente estiveram envolvidos
com meu trabalho de conclusão de curso ou completaram meu 5 anos de faculdade
com a respectiva presença.
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“Não tenha medo da vida, tenha medo de não vivê-la.
Não há céu sem tempestade, nem caminhos sem acidentes.
Só é digno do pódio quem usa as derrotas para alcançá-lo.
Só é digno da sabedoria quem usa as lágrimas para irrigá-las.
Os frágeis usam a força; os fortes, a inteligência.
Seja um sonhador, mas una seus sonhos com disciplina, pois sonhos sem disciplina
produzem pessoas frustradas.
Seja um debatedor de idéias.
Lute pelo que você ama.”
Augusto Cury - Filhos brilhantes, alunos fascinantes
“Você é tão livre quanto o tamanho do seu conhecimento”
César Alves da Silva Leandro
“Sem sonhos, as perdas se tornam insuportáveis,
As pedras do caminho se tornam montanhas,
Os fracassos se transformam em golpes fatais.
Mas, se você tiver grandes sonhos...
Seus erros produzirão crescimento,
Seus desafios produzirão oportunidades,
Seus medos produzirão coragem.
Por isso, meu ardente desejo é que você
NUNCA DESISTA DOS SEUS SONHOS”
Augusty Cury – Nunca desista dos seus sonhos
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RESUMO
Leandro, M. R. Estudos das propriedades mecânicas dos aços H13 e “H13
modificado” aplicados em matrizes de extrusão de alumínio. 2009. 83 f.Monografia (Trabalho de Graduação em Engenharia de Materiais) – Escola deEngenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2009.
Aços para aplicações em ferramentas estão sujeitos às mais rigorosas solicitações
entre as aplicações. Em princípio, os fatores que fundamentalmente possibilitam o
atendimento das exigências de qualidade dos aços ferramenta envolvem a
composição química e o tratamento térmico. Neste trabalho foram avaliados três
tipos de aços ferramenta com aplicação em matrizes comparando suas propriedades
mecânicas. Os aços testados são 2340 (AISI H11), 2344 (AISI H13) e 2367 (entre
H11 e H13) da empresa Schmolz-Bickenbach.Estes foram temperados com
resfriamento em água e ar e revenidos pela empresa TecTTerm e submetidos a
ensaios mecânicos. Os aços tratados termicamente apresentaram maiores valores
de dureza quando comparados aos aços na condição inicial. Não se observou
diferenças nos limites de resistência entre os aços, porém foi observada uma leve
tendência de limite de resistência maior no aço 2367, classificado pela norma
NADCA #207 2006 de grade C tipo 2367 & Modificado. No ensaio Charpy os açosresfriados em água apresentam maior energia absorvida.
Palavras Chaves: aço ferramenta, propriedades mecânicas, tratamento térmico.
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Tendência geral de distribuição dos elementos nos aços (Pedraza,
Coutinho, & Silva, 1989) ............................................................................................ 32Figura 2 - Efeito do aumento de dureza em relação aos elementos de liga na ferrita(Chiaverini, 1996) ...................................................................................................... 33
Figura 3 - Elementos de liga e o efeito no campo austenítico (Chiaverini, 1996) ...... 35
Figura 4 - Foto de uma matriz ................................................................................... 41
Figura 5 - Figura esquemática de uma extrusora direta ............................................ 41
Figura 6 - Representação esquemática de uma curva Transformação-Tempo-Temperatura para um aço eutetóide. (Chiaverini, 1996) .......................................... 45
Figura 7 - Diagrama TTT para um aço hipoeutetóide (Chiaverini, 1996) ................. 46
Figura 8 - Efeito do manganês do carbono na temperatura Mi (Chiaverini, 1996) .... 48
Figura 9 - Efeito do cromo e do carbono na temperatura Mi (Chiaverini, 1996) ........ 48
Figura 10 - Diagrama TTT para o aço 2367 (schmolz-bickenbach, 2009) ................ 49
Figura 11 - Diagrama TTT para o aço 2340 (schmolz-bickenbach, 2009) ................ 50
Figura 12 - Diagrama TTT para o aço 2344 (schmolz-bickenbach, 2009) ................ 50
Figura 13 - Estrutura cristalina a) austenita, b) ferrita, c) martensita (Totten,Narazaki, Blackwood, & Jarvis, 2002) ....................................................................... 51
Figura 14 - Expansão da estrutura cristalina com o teor de carbono (Totten,Narazaki, Blackwood, & Jarvis, 2002) ....................................................................... 52
Figura 15 - Efeito do teor de C nas temperaturas Mi e Mf (Costa e Silva & Mei, 2006) .................................................................................................................................. 53
Figura 16 - Variação da dureza martensítica com relação ao %C (Costa e Silva &Mei, 2006) ................................................................................................................. 53
Figura 17 - Temperatura e taxa de resfriamento (Costa e Silva & Mei, 2006) .......... 54
Figura 18 - Ilustração do estado de tensão para os estágios da têmpera (Costa eSilva & Mei, 2006) ..................................................................................................... 55
Figura 19 - Ciclo de têmpera e revenimento (Costa e Silva & Mei, 2006) ................. 57
Figura 20 - Amostras do aço 2340 ............................................................................ 59
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Figura 21 - Amostras do aço 2367 ............................................................................ 60
Figura 22 - Amostras do aço 2344 ............................................................................ 60
Figura 23 - Desenho do corpo-de-prova de impacto em mm. ................................... 61Figura 24 - Desenho do corpo-de-prova de tração em mm. ..................................... 61
Figura 25 - Microestrutura obtida em MEV do aço 2340 água com 500X ................ 67
Figura 26 – Microestrutura obtida em MEV do aço 2340 ar com 500X .................... 67
Figura 27 - Microestrutura obtida em microscópio óptico do aço 2344 água com500X ......................................................................................................................... 68
Figura 28 - Microestrutura obtida em MEV do aço 2344 ar com 500X ..................... 68
Figura 29 - Microestrutura obtida em MEV do aço 2367 ar com 500X ..................... 69
Figura 30 - Microestrutura obtida em microscópio óptico do aço 2367 água com500X ......................................................................................................................... 69
Figura 31 - Esquema de microestrutura de aço ferramenta H13 com aumento de500X segundo norma NADCA #207 2006 ................................................................ 70
Figura 32 - Gráfico tensão x deformação para os aços resfriados em água............. 73
Figura 33 - Gráfico tensão x deformação para os aços resfriados ao ar .................. 75
Figura 34 - Imagem da inclusão no 2367 água ......................................................... 77
Figura 35 – Diagrama referente ao EDS de inclusão no aço 2367 resfriado em água .................................................................................................................................. 77
Figura 36 - Resultados de impacto sem entalhe e com entalhe em V. (Mesquita &Barbosa, 2007) ......................................................................................................... 79
Figura 37 - Região da fratura do 2344 água o qual foi realizado EDS ...................... 79
Figura 38 - Diagrama referente ao EDS da região 1 no aço 2344 resfriado em água .................................................................................................................................. 80
Figura 39 - Diagrama referente ao EDS da região 2 no aço 2344 resfriado em água .................................................................................................................................. 80
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LISTA DE TABELA
Tabela I - Sistema SAE e AISI de classificação dos aços (Silva & Della Coletta,
1989) ......................................................................................................................... 28
Tabela II - Efeito do tamanho de grão austenítico sobre algumas características dosaços (Chiaverini, 1996) ............................................................................................ 30
Tabela III - Solubilidade de elementos de liga no ferro alfa à temp. ambiente(Pedraza, Coutinho, & Silva, 1989) ........................................................................... 37
Tabela IV - Habilidade dos elementos de liga em aços ferramentas (Costa e Silva &Mei, 2006) ................................................................................................................. 37
Tabela V - Classificação AISI dos aços ferramentas (Costa e Silva & Mei, 2006) .... 38
Tabela VI - Composição química conforme norma NADCA #207 2006 .................... 39
Tabela VII - Aços para trabalho a quente, composição química e aplicações(Chiaverini, 1996) ...................................................................................................... 42
Tabela VIII - Elementos de liga e suas formas dissolvidos na ferrita (Chiaverini, 1996) .................................................................................................................................. 47
Tabela IX - Composição química dos aços estudados .............................................. 65
Tabela X - Resultado das microdurezas obtidas para os aços 2367, 2340 e 2344. .. 70
Tabela XI - Resultados das microdurezas obtidos para os aços 2367, 2340 e 2344após tratamentos térmicos. ....................................................................................... 71
Tabela XII - Diâmetro interno da seção transversal dos corpos-de-prova de tração . 72
Tabela XIII - Cálculo da área seção transversal do corpo-de-prova de tração .......... 72
Tabela XIV - Tensão de escoamento e tensão de resistência para 2367 resfriados
em água e ar ............................................................................................................. 73
Tabela XV - Média e desvio padrão dos corpos-de-prova temperados a água ......... 74
TTabela XVI - Cálculo da área seção transversal do corpo-de-prova de tração ....... 74
Tabela XVII - Tensão de escoamento e tensão de resistência para 2367 resfriadosao ar .......................................................................................................................... 75
Tabela XVIII - Média e desvio padrão dos corpos-de-prova temperados ao ar ........ 76
Tabela XIX - Elementos encontrados nos pontos 1 .................................................. 77
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Tabela XX - Resultados da energia de Impacto ....................................................... 78
Tabela XXI - Elementos encontrados nos pontos 1 e 2 ............................................ 80
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LISTA DE SIGLAS
AISI American Iron and Steel Institute
SAE Society of Automotive Engineers
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
NADCA North American Die Casting Association
DIN Instituto Alemão de Normalização
TTT Temperatura-Tempo-Transformação
CFC Cúbica de face centrada
CCC Cúbica de corpo centrado
TCC Tetragonal de corpo centrado
ASTM American Society for Testing and Materials
MEV Microscopia eletrônica de varredura
EDS Espectroscopia de energia dispersiva
MO Microscopia óptica
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LISTA DE SÍMBOLOS
σ Tensão
°C Celsius
HV Dureza vickers
HC Dureza rockwell
J Joule
gf Grama-força
ε Deformação
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SUMÁRIO
1 Introdução .............................................................................................................. 21
2 Revisão da Literatura ............................................................................................. 26
2.1 Aços .................................................................................................................... 26
2.1.1 Classificação .............................................................................................. 27
2.1.2 Propriedade Mecânica dos Aços ............................................................... 29
2.2 Aços – Ligas..................................................................................................... 30
2.2.1 Elementos de Liga ..................................................................................... 31
2.2.2 Efeito dos elementos de liga sobre a ferrita ............................................... 33
2.2.3 Efeito dos elementos de liga na formação da austenita e na suatransformação ..................................................................................................... 34
2.3 Soluções Sólidas .............................................................................................. 36
2.4 Aços Ferramenta .............................................................................................. 37
2.5 Aços para trabalho a quente ............................................................................ 40
2.6 Processamento dos aços para trabalho à quente ............................................ 43
2.6.1 Têmpera .................................................................................................... 43
2.6.2 Revenimento .............................................................................................. 44
2.7 Tratamentos Térmicos ..................................................................................... 44
2.7.1 Diagrama TTT (Transformação-Tempo-Temperatura) .............................. 44
2.8 Transformação de fase durante aquecimento e resfriamento .......................... 512.8.1 Transformação do Aço ............................................................................... 51
2.8.2 Revenimento .............................................................................................. 56
3 Materiais e Métodos ............................................................................................... 59
3.1 Materiais .......................................................................................................... 59
3.2 Confecção dos corpos-de-prova ...................................................................... 61
3.3 Composições Químicas ................................................................................... 62
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3.4 Tratamentos Térmicos ..................................................................................... 62
3.5 Caracterizações Mecânicas ............................................................................. 62
3.5.1 Ensaio Charpy ........................................................................................... 623.5.2 Microdureza ............................................................................................... 63
3.5.3 Ensaio de Tração ...................................................................................... 63
3.6 Caracterização Metalográfica .......................................................................... 63
3.6.1 Microscopia eletrônica de varredura e EDS (Espectroscopia de energiadispersiva) .......................................................................................................... 63
3.6.2 Microscopia Óptica .................................................................................... 64
4 Resultados e Discussão ........................................................................................ 65
4.1 Composição Química ...................................................................................... 65
4.2 Tratamento Térmico ........................................................................................ 65
4.3 Caracterização Metalográfica ...................................................................... 67
4.4 Microdureza ................................................................................................. 70
4.5 Propriedades obtidas no ensaio de tração .................................................. 72
4.5.1 2367, 2344 e 2340 temperado em água ............................................... 72
4.5.2 2367, 2344 e 2340 temperado ao ar ..................................................... 74
4.6 Ensaios de Impacto ..................................................................................... 78
5 Conclusão .......................................................................................................... 81
6 Referencias ........................................................................................................ 82
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1 Introdução
Aço é uma liga metálica formada essencialmente por ferro e carbono, comporcentagens entre 0,008 e 2,11%. Distingue-se do ferro fundido, que também é
uma liga de ferro e carbono, pelo teor de carbono entre 2,11% e 6,67%.
O aço pode ser classificado quanto ao teor de carbono, composição química,
quanto à constituição microestrutural e quanto à sua aplicação. A classificação mais
comum é de acordo com a composição química. Dentre os sistemas de classificação
química, o SAE é o mais utilizado e adota a notação ABXX, em que AB se refere a
elementos de liga adicionados intencionalmente, e XX ao percentual em peso de
carbono multiplicado por cem. Muitos aços ligas são igualmente especificados pela
sua endurecibilidade, quando esta característica é exigida. Nesse caso, emprega-se
o sufixo “H” (hardenability) para distingui-los dos tipos correspondentes que não
apresentam exigências de endurecibilidade (Chiaverini, 1996), e são denominados
“aços ferramenta para trabalho a quente”.
Além dos componentes principais indicados, o aço incorpora outros
elementos químicos, alguns prejudiciais, provenientes da sucata, do mineral ou do
combustível empregados no processo de fabricação, como o enxofre e o fósforo.
Outros são adicionados intencionalmente para melhorar algumas características
como a sua resistência à tração, ductilidade dureza.
O aço atualmente é a mais importante liga metálica, sendo empregado de
forma intensiva em numerosas aplicações tais como máquinas, ferramentas, em
construção, etc. Entretanto, a sua utilização está condicionada a determinadas
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Dos elementos que se consideram em definitivo como formadores de
carbonetos, o manganês é o mais fraco. A tendência geral nesse sentido se
manifesta mais ou menos na seguinte ordem de intensidade crescente: Mn, Cr, Mo,
W, Ta, V, Nb e Ti. Os que apresentam menor tendência do que o ferro para
combinar-se com o carbono são: Si, Al, Cu, Ni, Co e talvez o Zr (Chiaverini, 1996).
Há muitos séculos descobriu-se que com as operações de aquecimento e
resfriamento poderia-se modificar as propriedades mecânicas de um aço.
Mais tarde, descobriu-se também que a taxa de resfriamento e a quantidade
de carbono influíam decisivamente nessas modificações.
O processo de aquecer e resfriar um aço, visando modificar as sua
propriedades, denomina-se tratamento térmico.
Existem duas classes de tratamentos térmicos:
1 - Os tratamentos que por simples aquecimento e resfriamento, modificam as
propriedades de toda a massa do aço, tais como: têmpera, revenimento e
recozimento.
2 - Os tratamentos que modificam as propriedades somente numa fina
camada superficial da peça. Esses tratamentos térmicos nos quais a peça é
aquecida juntamente com produtos químicos e posteriormente resfriada são por
exemplo: cementação e nitretação e a nitrocarbonetação (Silva & Della Coletta,1989).
Para se obter eficiência nos tratamentos térmicos é preciso partir de uma fase
austenítica homogênea. Nos aços ocorre a formação de carbonetos, que podem ser
simples ou complexos, dependendo dos elementos de adição. Muitos carbonetos
são cementitas com elementos de liga dissolvidos, quando os elementos de liga
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aumentam muito em solução na cementita, ocorre a formação de carbonetos
complexos. A cementita dissolve rapidamente, mas os carbonetos especiais
requerem muito tempo ou uma temperatura efetivamente alta. Com a dissolução dos
carbonetos, o carbono volta a se solubilizar na austenita, favorecendo assim após
têmpera uma estrutura mais resistente. A dissolução de carbonetos vai depender do
tempo e da temperatura escolhida para a austenitização. Para um dado tempo,
quanto mais elevada a temperatura mais homogênea será a austenita resultante.
Nos aços comerciais e especialmente nos aços ligados, é necessário um tempo
longo a temperaturas convencionais para se obter uma austenita homogênea.
A têmpera de um aço compreende o aquecimento a uma temperatura em que
a sua estrutura se torne austenítica, seguindo-se um resfriamento a uma velocidade
tal que não permita a ocorrência da reação austenita para ferrita e cementita,
transformando-se a austenita em uma fase metaestável, a martensita (Leandro,
1998).
Com base nessas informações, neste trabalho será realizado um estudo da
influência da taxa de resfriamento nas propriedades mecânicas dos aços H13 e “H13
modificado“ aplicado em matrizes de extrusão de alumínio.
O carbono do aço “H13 modificado” é mais baixo que do aço H13 normal e o
percentual de elementos de liga é maior, resultando em um balanço de composiçãoquímica melhor. A diminuição do carbono melhora a tenacidade e o aumento dos
elementos de liga ajuda na melhor resistência ao desgaste.
Aços ferramenta para trabalho a quente destinam-se a fabricação de
ferramentas utilizadas no trabalho a quente de aços, ligas não ferrosas, entre outras.
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As suas principais características envolvem elevada resistência mecânica à
quente, boa tenacidade, grande resistência à abrasão em temperaturas elevadas,
boa condutividade térmica e elevada resistência à fadiga.
Essas características conferem às ferramentas a capacidade de resistir às
solicitações mecânicas a que estão sujeitas, apesar de serem aquecidas pelo
material que está a ser processado. Os elementos Cr, Mo, V e W ligam-se ao
carbono, que nesses aços está entre 0,30 e 0,60%, formando carbonetos que
contribuem para a obtenção das propriedades requeridas nos aços. Com
tratamentos térmicos adequados essas qualidades podem ser melhoradas
(Universidade de Coimbra).
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2 Revisão da Literatura
2.1 Aços
Os aços são ligas à base de ferro-carbono com teor de soluto entre 0.008 a 2%
e podem conter concentrações apreciáveis de outros elementos de liga e impurezas.
Consideram-se usualmente dois tipos fundamentais de aços:
→ Os aços carbono, caracterizados como ligas ferro-carbono contendo até 2%
em peso de carbono, além de certos elementos residuais, resultantes dos processos
de fabricação;
→ Os aços ligados caracterizados como ligas ferro-carbono contendo outros
elementos adicionais intencionalmente ou apresentando os elementos residuais em
teores acima dos que são considerados normais.
A maioria dos aços carbono de maior aplicação contém de 0.1 a 1.5%C. As
principais impurezas encontradas são: fósforo, enxofre, manganês e o silício,
podendo-se observar ainda a presença de outros elementos como nitrogênio,
oxigênio, estanho e alumínio. Os teores máximos para cada impureza dependem da
aplicação do aço. O fósforo e o enxofre são provenientes da matéria-prima e o
manganês e o silício são utilizados no processo de fabricação e caracterizam-se
como desoxidantes (Pedraza, Coutinho, & Silva, 1989).
É usual reunir os aços em três grupos principais, segundo o teor de carbono:
→ Aços doces, contendo até cerca de 0.25%C, não respondem a tratamentos
térmicos com objetivo de formar martensita e o aumento da resistência é dado com
trabalho a frio. As microestruturas consistem em ferrita e perlita e apresentam baixa
resistência mecânica porém com ductilidade e tenacidade excepcionais.
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→ Aços meio duros, com teor de carbono entre 0.25 e 0.50%, podem ser
tratados termicamente por austenitização, têmpera e depois revenimento para
melhorar as suas propriedades mecânicas. São freqüentemente utilizados na
condição revenida com a microestrutura característica e denominada de martensita
revenida. Possuem baixa endurecibilidade, no entanto, a adição de cromo, níquel e
molibdênio melhoram a capacidade de serem tratadas termicamente dando origem a
uma variedade de combinações resistência-ductilidade.
→ Aços duros, com teores superiores a 0.5%C, são resistentes e menos dúcteis
entre os aços carbonos. São usados na condição endurecida e revenida, tendo
como propriedade a resistência ao desgaste e a abrasão e, são usados para
ferramentas e matrizes contendo cromo, vanádio, tungstênio e molibdênio. Esses
elementos de liga combinam-se com o carbono dando origem a compostos à base
de carbono.
2.1.1 ClassificaçãoDada a grande variedade de tipos de aços, os aços também podem ser
classificados em grupos:
a. Com base na sua composição, como aços-carbono e aços-liga;
b. Processo de acabamento, como os aços laminados a quente ou aços
laminados a frio;
c. Forma do produto acabado, como barras, chapas grossas, chapas
finas, tiras, tubos ou perfis estruturais.
Há divisões desses grupos, como aço carbono de baixo, médio e alto carbono.
Os aços ligas são classificados de acordo com o principal ou os principais elementos
de liga.
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Dos sistemas de classificação dos aços os mais aceitos são: “American Iron
and Steel Institute -AISI” e da “Society of Automotive Engineers - SAE” (Chiaverini,
1996). Nesses sistemas, a classificação é designada por quatro algarismos, dos
quais os dois últimos correspondem ao teor de carbono, conforme Tabela I abaixo:
I AE AII ( & D C, 1989)
DesignaçãoTipos de Aço
SAE AISI10XX C 10XX Aços-carbono comuns11XX C 11XX Aços de usinagem (ou corte) fácil, com alto S13XX 13XX Aços manganês com 1,75% de Mn23XX 23XX Aços-níquel com 3,5% de Ni25XX 25XX Aços-níquel com 5% de Ni31XX 31XX Aços-níquel-cromo com 1,25% de Ni e 0,65% de Cr33XX E 33XX Aços-níquel-cromo com 3,5% de Ni e 1,57% de Cr303XX - Aços resistentes à corrosão e ao calor ao Ni-Cr40XX 40XX Aços-molibdênio com 0,25% de de Mo41XX 41XX Aços-cromo-molibdênio com 0,5% ou 0,95% Cr e 0,12%, 02% ou 0,25%
de Mo43XX 43XX Aços-níquel-cromo-molibdênio com 1,82% de Ni, 0,5% ou 0,8% de Cr e
0,25% de Mo46XX 46XX Aços-níquel -molibdênio com 1,57% ou 1,82%de Ni, 0,2% ou 0,25 de Mo47XX 47XX Aços-níquel-cromo-molibdênio com 1,05% de Ni, 0,45% de Cr e 0,20% de
Mo
48XX 48XX Aços-níquel -molibdênio com 3,5% de Ni, e 0,25% de Mo50XX 50XX Aços-cromo com 0,27%, 0,4% ou 0,5% de Cr51XX 51XX Aços-cromo com 0,8-1,05% de Cr501XX - Aços de baixo cromo para rolamentos, com 0,5% de Cr511XX E511XX Aços de médio cromo para rolamentos, com 1,02% de Cr521XX E521XX Aços de alto cromo para rolamentos, com 1,45% de Cr514XX - Aços resistentes à corrosão e ao calor ao Cr515XX - Aços resistentes à corrosão e ao calor ao Cr61XX 61XX Aços-cromo-vanádio com 0,8% ou 0,95% de Cr e 0,1% ou 0,15% de V
(mín)86XX 86XX Aços-níquel-cromo-molibdênio com 0,55% de Ni, 0,5% ou 0,65% de Cr e
0,2% de Mo87XX 87XX Aços-níquel-cromo-molibdênio com 0,55% de Ni, 0,5% de Cr e 0,25% de
Mo92XX 92XX Aços-silício-manganês com 0,65%, 0,82%, 0,85% ou 0,87% de Mn, 1,40
ou 2% de Si e 0%, 0,17%, 0,32% ou 0,65% de Cr93XX 93XX Aços-níquel-cromo-molibdênio com 3,25% de Ni, 1,2% de Cr e 0,12% de
Mo98XX 98XX Aços-níquel-cromo-molibdênio com 1,0% de Ni, 0,8% de Cr e 0,25% de
Mo950 - Aços de baixo teor de em liga e alta resistência
XXBXX XXBXX Aços-boro com 0,0005% de B mínXXLXX CXXLXX Aços-chumbo com 0,15-0,35% de Pb
Por outro lado, os dois primeiros algarismos diferenciam os vários tipos de aços
entre si, pela presença ou somente de carbono como principal elemento de liga,
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além das impurezas e outros elementos de liga. Assim, quando os dois primeiros
números são:
→ 10: aços simplesmente ao carbono;
→ 11: aços de fácil usinagem com alto teor de enxofre;
→ 40: aços ao molibdênio;
→ etc.
A norma DIN 17100 classifica os “aços para construção em geral”, por
exemplo, em função do limite de resistência a tração. Entretanto a norma DIN 17200
classifica de acordo com a composição química.
2.1.2 Propriedade Mecânica dos Aços
As propriedades mecânicas dos aços ao carbono são afetadas por:
a. Composição Química:
Em aços que o elemento predominante é o carbono, o aumento do teor deste
elemento melhora as propriedades relativas à resistência mecânica (limite de
escoamento, limite da resistência a tração e dureza) e reduz a ductilidade e a
tenacidade (alongamento, estriccção e resistência ao choque).
b. Microestrutura:
É afetada pelo estado ou condição de fabricação do aço, tamanho de grão
austenítico (Tabela II), velocidade de resfriamento e inicialmente pela composição
química. Os constituintes presentes são ferrita e perlita, perlita e cementita ou
somente perlita (Chiaverini, 1996).
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II E (C, 1996)
Propriedade
Tendência nos aços temperados
Aços de Austenita
Grosseira (n°5 e acima)
Aços de Austenita Fina
(mais fina do que n°5; de5 a 8)
EndurecibilidadeEndurecimento EndurecimentoMais profundo Menos profundo
Tenacidade à mesma dureza Menos Tenazes Mais TenazesEmpenamento Maior Menor
Fissuras de têmpera Mais frequentes Geralmente AusentesFissuras de retificação Mais susceptíveis Menos Susceptíveis
Tensões residuais Maiores MenoresAustenita retida Mais Menos
NOS AÇOS RECOZIDOS E NORMALIZADOSUsinabilidade (Desbaste) melhor (Desbaste) inferior
Usinabilidade (casos
especiais)
(Acabamento fino) (Acabamento fino)
Inferior Melhor
Trabalhabilidade (casosespeciais) Superior Inferior
2.2 Aços – Ligas
A introdução de elementos de liga nos aços é feita quando se deseja um ou
diversos dos seguintes efeitos:
a) Aumentar a dureza e a resistência mecânica;
b) Conferir resistência uniforme em toda a peça;
c) Resistência a Corrosão;
d) Resistência ao calor;
e) Resistência ao desgaste;
f) Aumentar a capacidade de corte;
g) Melhorar as propriedades elétricas e magnéticas.
Os dois primeiros itens são alcançados porque os elementos de liga aumentam
a resistência da ferrita e formam ainda outros carbonetos, além da cementita,
contribuindo para a melhora da resistência do aço.
Geralmente esse aumento da resistência é conseguido pela adição de um ouvários elementos de liga em teores respectivamente baixos, não ultrapassando o
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valor de 5%. Nessas condições, os princípios fundamentais dos tratamentos
térmicos permanecem porque, ainda que a presença de novos elementos de liga
obrigue a um ajuste nas temperaturas dos tratamentos, a transformação da
austenita e as estruturas resultantes são as mesmas que ocorrem nos aços-
carbono.
A obtenção de características referentes aos itens c a g requer a introdução de
elementos em teores mais elevados, produzindo alterações mais profundas na
ferrita, além de resultarem carbonetos mais complexos. Neste caso, os tratamentos
térmicos devem ser modificados, para facilitar muitas vezes a formação de
carbonetos especiais.
Dos elementos que se consideram em definitivo como formadores de
carbonetos, o manganês é o mais fraco. A tendência geral nesse sentido se
manifesta mais ou menos na seguinte ordem de intensidade crescente: Mn, Cr, Mo,
W, Ta, V, Nb e Ti. Os que apresentam menor tendência do que o ferro para
combinar-se com o carbono são: Si, Al, Cu, Ni, Co e o Zr (Chiaverini, 1996).
2.2.1 Elementos de Liga
Os elementos de liga modificam as propriedades do aço através das mudanças
induzidas na microestrutura. Cada elemento de liga se apresenta de uma maneira,
seja em solução sólida com o ferro ou se dissolver na cementita, formar um
composto intermetálico com o ferro, ou ainda apresentar na composição de óxidos
ou inclusões. Em geral, cada elemento mostra uma preferência por um constituinte
determinado e o problema que se coloca é prever as tendências de cada um dos
elementos utilizados.
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A Figura 1 mostra a tendência geral de distribuição dos elementos dos aços.
Figura 1 - Tendência geral de distribuição dos elementos nos aços (Pedraza, Coutinho, & Silva, 1989)
Observa-se que certos elementos, como o níquel, o silício, alumínio, cobre, são
freqüentemente encontrados em solução sólida. Outros, como cromo, molibdênio,
tungstênio se apresentam como carbonetos e em menor grau em solução sólida.
Alguns elementos como, Mn, Si, Al, Ti e N contribuem na formação de inclusões
não-metálicas (MnO, MnS, SiO2, Al2O3, TiO2, Fe4N) (Pedraza, Coutinho, & Silva,
1989).
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2.2.2 Efeito dos elementos de liga sobre a ferrita
A Figura 2 apresenta o efeito sobre os valores de dureza para diferentes
elementos de liga dissolvidos na ferrita. O aumento de dureza varia com o teor do
elemento adicionado. Em geral, esse aumento de resistência não influi na queda da
ductilidade, a exemplo do aumento de resistência devido a outras mudanças
estruturais.
F 2 E (C, 1996)
Um dos constituintes básicos dos aços esfriados lentamente é o carboneto. A
influência nas propriedades é dada pela quantidade, forma e dispersão.
Dos elementos formadores de carbonetos, somente uma pequena quantidade
é aceita pela cementita.
Inclusões não metálicas de grande dimensão são indesejáveis. No entanto,
dispersões muito finas podem ser benéficas ou maléficas. O maior interesse nas
inclusões não metálicas é de melhorar a usinabilidade dos aços recozidos, através
da presença do sulfato de manganês na forma de tiras alongadas e pequenas. Estas
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inclusões podem se tornar esféricas dependendo do teor de oxigênio dos aços. Em
geral, são homogêneas ao longo do diâmetro, principalmente, em aços ao chumbo
ressulfurados para melhor o rendimento durante a laminação a quente. Inclusões de
sulfeto alongadas podem dividir a barra ao meio durante a laminação a quente
prejudicando o rendimento (Chiaverini, 1996).
2.2.3 Efeito dos elementos de liga na formação da austenita e na sua transformação
O aquecimento do aço até a temperatura de austenitização mantém em
solução os elementos de liga que estavam solubilizados na ferrita, alterando as
propriedades da austenita tornando-a mais dura e resistente à deformação.
Inclusões não metálicas, que não dissolvem na austenita como nitreto de
alumínio, evitam o crescimento de grão, porém os elementos de liga que estão
dissolvidos aumentam a temperatura de crescimento de grão.
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Figura 3 - Elementos de l iga e o efeito no campo austenítico (Chiaverini, 1996)
A Figura 3 mostra a ação dos elementos manganês, cromo, molibdênio e silício
sobre o campo austenítico.
Verifica-se que o manganês, em teores crescentes, abaixa a temperatura do
eutetóide, além de diminuir o seu teor de carbono; um teor adequado de manganês
poderá produzir uma estrutura inteiramente perlítica somente com cerca de 0,3% de
carbono. O cromo, molibdênio e silício comportam-se de modo contrário ao
manganês no que se refere à influência sobre a temperatura do eutetóide; quanto à
influência sobre o teor de carbono do eutetóide, a tendência é idêntica ao do
manganês. Todos eles, como se vê, com exceção do manganês, contraem o campo
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austenítico, tendendo a tornar o aço quase que inteiramente ferritico. Essa
propriedade de certos elementos de liga, como Mn, o Cr, o Mo, o Si, o Ni, o Ti, etc.
de produzirem uma estrutura eutetóide apresentando um baixo teor de carbono é
muito importante. A liga eutetóide é de grande resistência mecânica; como a dureza
e a fragilidade crescem com a porcentagem de Fe3C, é evidente que se puder obter
uma estrutura resistente, inteiramente perlítica, mediante introdução de elementos
de liga num aço com menor teor de carbono, essa estrutura será também mais mole
e menos frágil, ou seja, mais tenaz do que a estrutura semelhante num aço-carbono
comum (Chiaverini, 1996).
2.3 Soluções Sólidas
Em uma solução sólida, o átomo de soluto pode se localizar intersticialmente ou
substitucionalmente na rede do solvente.Devido ao tamanho dos sítios disponíveis, apenas os solutos de pequeno raio
atômico podem se dissolver intersticialmente como: H, O, N, C e S.
As soluções sólidas do ferro com os demais elementos são do tipo
substitucional, onde átomos do soluto ocupam o lugar de átomos de ferro na
estrutura cristalina. Valores elevados de solubilidade podem ser encontrados, como
no caso de ligas com metais de transição vizinhos ao ferro (Ni, Co, Mn, Cr, V),
enquanto em outros casos a solubilidade pode ser restrita (Ti, Cu, P, S). As
solubilidades de um dado elemento são diferentes em cada uma das estruturas
alotrópicas do ferro e, além disso, dependem do teor de cada um dos elementos
presentes. A Tabela III mostra a solubilidade máxima de alguns elementos no ferro-
α, à temperatura ambiente, no caso das principais ligas binárias de ferro (Pedraza,
Coutinho, & Silva, 1989).
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É importante dividir as numerosas composições de aços ferramentas em um
número restrito de grupos ou famílias, visando a facilitar sua comparação e seleção.
Classificá-los por meio de composição química, como no caso da classificação
SAE/ABNT para aços destinados à construção mecânica não é viável, uma vez que
as variações de composição química são extremamente amplas. Em princípio, uma
classificação que combine composição química, características de emprego e tipo
de tratamento térmico pode parecer pouco lógica. Entretanto, essa classificação não
foi imposta, decorreu do consenso entre produtores e usuários de ferramentas. Além
dos aços especificados segundo a AISI (conforme Tabela V), há obviamente outras
diversas especificações: DIN (Alemanha), BS (Inglaterra) e EN (União Européia)
(Costa e Silva & Mei, 2006).
C AII (C & , 2006)
W – Aços temperáveis em águaS – Aços resistentes ao choque
Aços para Fins Especiais:L – Tipo baixa ligaF – Tipo carbono-tungstênioP – Aços pra moldesAços para Trabalho a Frio:O – Aços temperáveis em óleoA – Aços média liga, temperáveis em arD – Aço alto carbono, alto cromoAços para Trabalho a Quente:H1 – H19 - Ao cromoH20 – H39 – Ao tungstênioH40 – H59 – Ao molibdênioAços Rápidos:
T – Ao tungstênioM – Ao molibdênio
Neste trabalho, será utilizada o NADCA #207 2006 que trata de um acordo com
firmas membros do NADCA que são os maiores fornecedores e/ou empresas de
tratamento térmico para indústrias de fabricação de matrizes. Um critério de
aceitação, uma restrita especificação e um plano de certificação está sendo
desenvolvido tanto para a qualidade do material como para a qualidade dos
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do aço e parâmetros de tratamento térmico. Finalmente, a dureza deve ser
selecionada baseada no tipo de aço, tamanho e forma.
2.5 Aços para trabalho a quente
Podem-se utilizar aços de baixa liga para matrizes de forjamento a quente. Em
geral, as propriedades mais importantes são:
a. Resistência à deformação na temperatura de uso;
b. Resistência ao impacto;
c. Resistência a erosão;
d. Resistência a deformação no tratamento térmico;
e. Usinabilidade;
f. Resistência a trincas a quente.
Série H – Aços para trabalho a quente
Da série H, os mais usados e comerciais são os aços H11, H12, H13. As
aplicações típicas são:
° Moldes para fundição sob pressão de metais não ferrosos (AL, Zn, Mg);
° Matrizes e punções para trabalho a quente (forjamento, extrusão de alumínio
a quente etc);° Facas para corte a quente;
° Moldes para plásticos;
° Peças estruturais de Ultra-Alta Resistência.
Para este trabalho a aplicação são matrizes de extrusão de alumínio, conforme
Figura 4 e Figura 5. Tais matrizes suportam altas pressões, sendo a principal
característica a alta tenacidade.
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F 4 F
F 5 F
Entre os aços da norma DIN equivalentes à série H, estão os W.Nr. 1.2365,
1.2362, 1.2344. O W.Nr. 1.2365 é semelhante ao H10, porém com teores de
molibdênio e Vanádio mais altos. Os Aços da norma DIN (W.Nr. 1.2714 e 1.2721),ligados ao níquel, são particularmente indicados para matrizes de martelos de queda
e aplicações em que gravações profundas são necessárias (Costa e Silva & Mei,
2006).
Segue a Tabela VII com aços para trabalho a quente, respectivas composições
químicas e aplicações.
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II A , (C, 1996)
Composição Química Aplicações% C % Cr % Mo % V Outros
AISI H10W.Nr.1.2365
0.35 3.00 2.80 0.55 -Matrizes para trabalho até 550°C.Ferramentas para prensas de extrusão detubos e tarugos
AISI H11 0.40 5.25 1.30 0.40 -
Punções e matrizes para prensas deextrusão e forjamento a quente, moldespara fundição sob pressão de ligas leves.Componentes estruturais para mísseis euso aeronáutico.
AISI H12 0.40 5.30 1.45 0.25 W=1.30
Buchas, pistões e camisas para prensasde extrusão, matrizes de prensas paraforjamento e estampagem a quentes efacas para trabalho a quente
AISI H13 0.40 5.25 1.4 0.90 -
Buchas, pistões e camisas para prensas
de extrusão, matrizes de prensas paraforjamento e estampagem a quentes efacas para trabalho a quente. Moldespara fundição sob pressão de nãoferrosos.
AISI H20 0.30 2.65 - 0.35 W=8.50
Matrizes, fixadores de rebites a quente,componentes para prensas de extrusão aquente de não-metálicos. Mandris parafabricação de Molas.
W.Nr.1.2714
0.55 1.10 0.50 0.10 Ni=1.65Especialmente indicado para matrizespara forjamento de martelos e matrizescom gravações profundas.
W.Nr.1.2721
0.52 1.05 0.30 - Ni=3.25
Matrizes de forjamento de gravuras rasas,matrizes e punções para furação dechapas, bigornas para martelos deforjamento.
A característica notável dos aços H11 e H13 é a tenacidade. Apesar de sua
elevada dureza à quente ser algo inferior dos aços mais ligados da família H, sua
ótima resistência ao choque torna estes aços preferíveis em grande parte das
aplicações, especialmente quando for necessário resfriar as matrizes durante o uso.
Uma das aplicações mais importantes dos aços para trabalho à quente é em
matrizes para forjamento. As ferramentas empregadas nestas operações são
expostas a grade variações de temperatura (no forjamento de peças de aço, ficam
em contato com partes a 1000°C sendo resfriadas ime diatamente e lubrificadas).
Além do desgaste, fadiga e fadiga térmica são importantes mecanismos de falha
destas ferramentas.
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2.6.2 Revenimento
Os aços da série H são geralmente revenidos para 44-50HC, porém para
condições extremas de choque é reduzido para 40-44HC.
Revenimentos múltiplos são recomendados para garantir a tenacidade e
estabilidade da estrutura.
O comportamento desses aços na têmpera e revenimento dependerão da
quantidade de carbonetos dissolvidos, tamanhos de grãos, etc. Essas características
são influenciadas pela temperatura e tempo de austenitização, portanto, variações
no ciclo de têmpera podem alterar a distribuição da dureza no estado revenido.
O fabricante do aço é responsável pela produção e obtenção de peças de aço
com a composição química, homogeneidade e limpeza interna requerida, mas não
tem controle sobre o tratamento térmico, etapa essencial para a obtenção de
melhores propriedades. Os aços ferramenta são possivelmente os aços detratamento térmico mais crítico, variações pequenas de parâmetros podem resultar
em microestruturas diferentes e em desempenho inadequado. Tratamento térmico
incorreto é a mais importante causa individual de falha precoce de ferramentas
(Costa e Silva & Mei, 2006).
2.7 Tratamentos Térmicos
2.7.1 Diagrama TTT (Transformação-Tempo-Temperatura)
Os fenômenos que ocorrem quando o aço é esfriado a diferentes velocidades
de esfriamento são melhor compreendidos pelo estudo da transformação isotérmica
da austenita em perlita, em diversas temperaturas abaixo de 727°C, ou seja, pelo
esfriamento rápido de um aço eutetóide até uma temperatura abaixo de 727°C,
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mantendo-se essa temperatura constante até que toda a transformação da austenita
se processe.
Uma maneira mais conveniente de representar a dependência dessa
transformação, tanto em relação ao tempo como em relação à temperatura está
apresentada na Figura 6. Os eixos verticais e horizontais representam
respectivamente a temperatura e o logaritmo do tempo. Duas curvas contínuas são
plotadas, uma representa o tempo necessário para o inicio da transformação e a
outra a conclusão. Uma curva tracejada representa um estado de 50% de
transformação da austenita (Chiaverini, 1996).
F 6
. (C, 1996)
O exame dessas curvas, para o aço eutetóide revela o seguinte:
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a. A linha horizontal, na parte superior do diagrama, representa a linha à
temperatura de 727°C;
b. A linha em forma de C marcada I define o tempo necessário para que a
transformação da austenita em perlita se inicie.
c. A linha também em forma de C marcada F define o tempo necessário
para que a transformação da austenita se conclua.
Os aços que não são eutetóides apresentam curvas em C diferentes; nota-se
nelas, em primeiro lugar, mais uma linha horizontal – A, a qual representa a
temperatura crítica inferior. A Figura 7 é a curva para um aço hipoeutetóide e nela
pode ser verificado também o aparecimento de outra linha indicada por Fi. Essa
linha indica a separação inicial da ferrita quando o aço entra, durante o esfriamento
lento, na zona crítica (Chiaverini, 1996).
F 7 D (C, 1996)
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Quanto menor o teor de carbono, tanto mais difícil de se obter por esfriamento
a estrutura unicamente martensítica, ainda que muito rápido. Isso pode ser notado
na Figura 6 acima pelo deslocamento da curva TTT para a esquerda.
Porém, além do carbono, os elementos de liga nos aços afetam grandemente a
posição das curvas isotérmicas. Todos os elementos de liga que são adicionados
aos aços, com exceção do cobalto, deslocam as curvas de início e de fim de
transformação para a direita, ou sejam, retardam a transformação. Isso ocorre
porque praticamente todos os elementos de ligas dissolvem na austenita, isto é,
quando o aço se encontra a temperaturas em que é constituído unicamente de
austenita, os seus elementos de liga se encontram inteiramente dissolvidos no ferro
gama. O que ocorre também é que alguns elementos tendem a ficar dissolvidos no
ferro sob a forma alotrópica alfa e há outros elementos que tendem a formar
carbonetos da mesma maneira que o ferro, conforme Tabela VIII.
III E (C, 1996)
Os que apresentam tendência mais forte de formação de carbonetos são o
titânio, o nióbio e o vanádio O cromo tem tendência moderada para formar
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carbonetos e o manganês apresenta tendência fraca, a maior parte dissolve na
ferrita.
A conseqüência mais importante do descolamento da curva TTT para a direita
é o retardamento nas transformações, consiste na maior facilidade de obter a
estrutura martensítica. Dependendo dos elementos de liga presentes, pode-se obter
quase que somente martensita, mesmo com esfriamento lento.
As Figuras 8 e 9 permitem observar os efeitos do manganês, do carbono, do
cromo e do carbono sobre a temperatura Mi de inicio de formação da martensita.
Evidenciam-se mais uma vez a ação que os elementos de liga podem exercer sobre
as temperaturas de reação martensítica, abaixando-as consideravelmente, a ponto
de evitar sua formação total.
F 8 E (C, 1996)
F 9 E (C, 1996)
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F 11 D 2340 (, 2009)
F 12 D 2344 (, 2009)
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2.8 Transformação de fase durante aquecimento e resfriamento
2.8.1 Transformação do Aço
Quando o aço é lentamente resfriado, ele sofre uma alteração na estrutura
cristalina, uma vez que se transforma de uma estrutura austenita (cúbica de face
centrada, ou CFC) para a cúbica de corpo centrado (CCC), a estrutura de ferrita. Em
taxas de resfriamento rápido, a formação de ferrita é suprimida, e a martensita, com
estrutura tetragonal de corpo centrado (TCC), é formada. Ilustrações destas
estruturas cristalinas são fornecidas na Figura 13. Isso resulta em uma expansão
volumétrica na temperatura de inicio da formação da martensita MS. Como mostrado
na Figura 14 (Totten, Narazaki, Blackwood, & Jarvis, 2002).
F 13 E ) , ) , ) (, , B, & ,
2002)
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F 14 E (, , B, & ,
2002)
A estrutura que permite desenvolver uma combinação entre resistência e
tenacidade é a martensita revenida.
A têmpera consiste em resfriar o aço, após austenitização, a uma velocidade
suficientemente rápida para evitar as transformações perlíticas e bainíticas, assim
obtendo uma estrutura metaestável martensítica (Totten, Narazaki, Blackwood, &
Jarvis, 2002).
Deve-se ainda observar que aumentando o teor de carbono do aço, diminui-se
a temperatura de inicio e fim da formação da martensita (Figura 15) e também a
dureza martensítica aumenta com o teor de carbono (Figura 16). Em vista disso, os
aços carbono para têmpera apresentam um teor de carbono maior que 0,3%, pois
abaixo disso o efeito endurecedor provocado pela têmpera seria muito pequeno.
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sais pode suprir esse estágio. Este estágio não é observado quando o meio de
resfriamento é não volátil como um banho de sal fundido.
b. O filme de vapor rompe e a taxa de resfriamento aumenta com
nucleação de bolhas de vapor sobre a superfície da peça. É importante nesse
estágio um meio de agitação para evitar que bolhas fiquem presas num mesmo local
causando pontos de resfriamento heterogêneos.
c. A temperatura da peça fica abaixo do ponto de ebulição do meio de
têmpera, interrompendo a formação de bolhas de vapor. O resfriamento ocorre por
condução e convecção. O controle é feito pela capacidade calorífera do meio, pelas
condições interfaciais peça, meio e agitação. Se todos os fatores se mantiverem
constantes, a taxa de resfriamento diminuirá com o aumento de viscosidade do meio
(Costa e Silva & Mei, 2006).
F 17 (C & , 2006)
A severidade com que ocorre o resfriamento da peça na têmpera faz surgir
gradientes acentuados entre o centro e a superfície da peça. A presença dessesgradientes de temperatura faz surgir tensões internas associadas à:
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° Contração do aço durante o resfriamento;
° Expansão associada com a transformação martensítica;
° Mudanças bruscas de secção e outros concentradores de tensão.
Dependendo da magnitude dessas tensões podem ocorrer empeno da peça,
trincas e tensões residuais.
O estágio mais importante de têmpera em relação às tensões é o terceiro, pois
é nele que ocorrerá a transformação martensítica, acentuando as tensões na peça,
conforme Figura 18 abaixo:
F 18 I (C & , 2006)
Para aumentar a temperabilidade do aço, deve-se retardar a formação de
perlita, ferrita, bainita e cementita, deslocando-se a curva TTT para a direita, ou seja,
para tempos mais longos. Isto é conseguido com:
° Elementos de liga dissolvidos na austenita;
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° Granulação grosseira na austenita para diminuir área de nucleação dos
compostos difusionais (perlita, ferrita, bainita e cementita);
° Homogeneidade da austenita, com ausência de inclusões e precipitados, para
diminuir área de nucleação dos compostos difusionais (perlita, ferrita, bainita e
cementita) (Costa e Silva & Mei, 2006).
2.8.2 Revenimento
A martensita como temperada é extremamente frágil e dura, peças nesse alto
tensionamento interno podem trincar, exceto quando apresentam extremamente
baixo teor de carbono, e não apresentam emprego prático.
Para atingir valores adequados de resistência mecânica e tenacidade, deve-se
logo após a têmpera, proceder com o revenimento.
Este tratamento consiste em aquecer a peça uniformemente até uma
temperatura abaixo da temperatura de austenitização, mantendo o aço nessa
temperatura por um tempo suficiente para homogeneização da temperatura e
obtenção das propriedades desejadas, conforme Figura 19.
-
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F 19 C (C & , 2006)
As mudanças nas propriedades dos aços dependem do tempo e da
temperatura de revenimento. Nos primeiros minutos a queda da dureza é acentuada,
porém, depois de duas horas de revenimento a perda da dureza não é mais
expressiva.
Sendo a martensita uma estrutura metaestável, o aquecimento facilita a difusão
dos átomos de carbono que se encontrava nos interstícios precipitando-se como
carbonetos, essa precipitação diminui dureza. O revenimento atua como alivio de
tensão da têmpera.
Aços de alta têmperabilidade, como os aços-ferramentas, são, em geral,
revenidos duas vezes. O primeiro revenimento deve se iniciar com a peça aindamorna (60 a 90°C). Durante este revenimento ocorrem : alivio de tensões,
revenimento de martensita e precipitação de carbonetos na austenita retida
(austenita não transformada durante a têmpera, que em certos aços pode chegar a
30% da estrutura temperada). O abaixamento do teor de carbono dissolvido na
austenita retida (pela precipitação de carbonetos) aumenta sua temperatura Mi e ela
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tempera durante o resfriamento do primeiro revenimento, formando mais martensita.
O segundo revenimento tem a função de revenir esta nova martensita. Este
tratamento de duplo revenimento é muito eficiente na estabilização dimensional de
ferramentas, calibres, etc., que podem ser revenidos até mais de duas vezes (Costa
e Silva & Mei, 2006).
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Materiais e Métodos
3.1 Materiais
Os materiais utilizados nesse trabalho foram adquiridos da empresa Schmolz-
Bickenbach. As amostras dos aços ferramentas 2340, 2367 e 2344, são mostradas
nas Figuras 20 a 22 na forma de barras cilíndricas de diâmetro 18,0 e 20,50 mm e
comprimento de 700,00 e 500,00 mm e barras retangulares de 500,00 mm de
comprimento e 625 mm2 de seção transversal.
O aço 2340 com nome comercial de Thyrotherm E 38 K, apresenta alta
resistência à alta temperatura, boa tenacidade e boa condutividade térmica. É um
aço para uso geral, particularmente para aplicações sujeitas à altas tensões, tais
como ferramentas de extrusão e moldes de injeção para processamento de metais
leves. (Schmolz-Bickenbach, 2009)
F 20 A 2340
O aço 2367 de nome comercial de Thyrotherm 2367, é próprio para
trabalho a quente e similar ao H11 porém, com um teor mais alto de Mo
(molibdênio), o que proporciona uma melhor manutenção da dureza a quente além
de uma alta temperabilidade comparada aos aços H11 e H13 comuns. As aplicações
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típicas incluem ferramental para extrusão, matrizes para forjamento a quente,
laminas para corte a quente, punções e mandris, pinças para trefilação e ferramental
para fundição de cobre e bronze. (Schmolz-Bickenbach, 2009)
F 21 A 2367
O aço 2344 de nome comercial de Thyrotherm 2344 (AISI H13), aço
tradicional para trabalho a quente com uma boa combinação de resistência ao
desgaste e alta tenacidade, resistência mecânica à quente e à fadiga térmica. Tem
boa condutividade térmica e pode ser usado também em aplicações a frio onde se
requeira alta tenacidade. As aplicações típicas são insertos, núcleos e cavidadespara moldes, matrizes de forjamento a quente, moldes para extrusão, cavidades
para moldes de plásticos e componentes que requeiram alta tenacidade com
excelente polibilidade. (Schmolz-Bickenbach, 2009)
F 22 A 2344
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3.2 Confecção dos corpos-de-prova
Seguindo norma NADCA #207-2006, foram usinadas no laboratório do
Departamento de Materiais da EEL-USP em 30 corpos-de-prova de impacto, sendo
10 corpos-de-prova de cada tipo de aço para dois tipos de tratamento térmico e 18
corpos-de-prova para testes de tração, sendo 6 corpos de prova de cada tipo de aço
para dois tipos de tratamento térmico. Todos os corpos de prova foram retirados no
mesmo sentido da laminação e do centro das barras para garantir confiabilidade na
comparação dos resultados. Abaixo, as Figuras 23 e 24 mostram as dimensões asquais os corpos de prova foram usinados:
F 23 D .
F 24 D .
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3.3 Composições Químicas
Uma amostra de cada material foi recolhida para análise da composição química
na Gerdau Pindamonhangaba utilizando o equipamento marca thermo elétron
modelo modelo ARL-9800 XP.
3.4 Tratamentos Térmicos
Depois de usinadas, os corpos-de-prova foram identificados e separados paradois tipos de resfriamento diferentes, ou seja, 5 corpos de prova de impacto e 3 de
tração foram separados para resfriamento ao ar e 5 corpos de prova de impacto e 3
de tração de cada aço foram separados para resfriamento a água.
Os corpos-de-prova foram encaminhados para a empresa TecTTerm situada
em Pindamonhangaba-SP para a realização dos tratamentos térmicos de têmpera e
revenimento, segundo norma NADCA #207-2006, para atingir uma dureza entre 42-
52 HRC.
3.5 Caracterizações Mecânicas
3.5.1 Ensaio Charpy
Depois de temperados e revenidos as amostras para os testes de impacto
foram encaminhados para a ETEC – João Gomes de Araujo em Pindamonhangaba
– SP para a realização do entalhe em V de 45°de ab ertura e 2 mm de profundidade
conforme ASTM A 370-05. Posteriormente foram enviado para a Confab Tubos em
Pindamonhangaba - SP para a realização dos ensaios de impacto. A realização do
ensaio foi no equipamento marca Wolpert modelo D6700.
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3.5.2 Microdureza
O ensaio de microdureza foi realizado nas amostras antes e depois do
tratamento térmico na USP-EEL em Lorena - SP em um equipamento Micromet
2004 Buehler modelo 1600-4988. As condições para a realização dos ensaios foram
de 300 gf e tempo 30 s.
Para a verificação conforme a norma NADCA #207 2006 foi utilizado uma
tabela de conversão de dureza para a obtenção da dureza rockwell.
3.5.3 Ensaio de Tração
Os ensaios de tração a temperatura ambiente foram realizadas com objetivo de
se estimar as propriedades mecânicas tais como: limite de escoamento, limite de
ruptura e deformação na ruptura. Os ensaios foram conduzidos na máquina servo-
hidraulica MTS modelo 810.23M de 250 kN. Utilizou-se o extensômetro 634.12-F21(faixa de calibração de 50%) e velocidade de ensaio de 0,5 mm/min.
3.6 Caracterização Metalográfica
3.6.1 Microscopia eletrônica de varredura e EDS (Espectroscopia de energia
dispersiva)
Para uma melhor análise da microestrutura dos aços foi realizada a
caracterização microestrutural por microscopia eletrônica de varredura.
As amostras foram lixadas com lixas 220, 320, 400 e 600 e atacadas com
Nital 5% conforme NADCA #207-2006.
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Foram obtidas imagens de 500x de aumento fornecidas pela Confab Tubos
de Pindamonhangaba, no equipamento marca JEOL modelo JSM 6360 com um
detector de espectroscopia de energia dispersiva - EDS acoplado.
3.6.2 Microscopia Óptica
Foi realizada a microscopia óptica no equipamento Leitz Epivert na Confab
Tubos de Pindamonhangaba nas amostras dos aços 2367 e 2344 resfriadas em
água.
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→ Para o aço 2344:
1°- Têmpera na faixa de 1030°C e resfriamento ao a r ou água;
2°- 1°revenimento a 560°C por 1 hora;
3°- 2°revenimento a 595°C por 1 hora.
→ Para o aço 2367:
1°- Têmpera na faixa de 1030°C e resfriamento ao a r ou água;
2°- 1°revenimento a 560°C por 1 hora;
3°- 2°revenimento a 595°C; por 1 hora;
4°- 3°revenimento a 610°C; por 1 hora;
5°- 4°revenimento a 630°C; por 1 hora.
-
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4.3 Caracterização Metalográfica
As Figuras 25 e 26 apresentam as micrografias referentes ao aço 2340 após
resfriamento em água e ao ar. Observa-se, nas microestruturas, a martensita
revenida fina.
F 25 E 2340 500
F 26 E 2340 500
-
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68
As Figuras 27 e 28 apresentam as micrografias referentes ao aço 2344 após
resfriamento em água e ao ar. Observa-se, também, nas microestruturas martensita
revenida fina.
F 27 2344 500
F 28 E 2344 500
-
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As Figuras 29 e 30 apresentam as micrografias referentes ao aço 2367 após
resfriamento em água e ao ar. Observa-se nas microestruturas martensita revenida
fina.
F 29 E 2367 500
F 30 2367 500
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A microdureza, após tratamento térmico, apresentou os seguintes resultados
conforme Tabela XI:
I 2367, 2340 2344 .
Material Resfriamento Dureza [HV] Dureza [HRC]
2367Água 504±15 48
Ar 523±14 49
2340Água 500±17 48
Ar 509±24 49
2344Água 494±16 48
Ar 527±18 49
Observa-se que o resfriamento ao ar proporcionou uma maior dureza para
todos os aços em função das microestruturas observadas nas Figuras 25 a 30.
Após têmpera, os aços 2344 e 2367 apresentaram maior dureza após
resfriamento ao ar. Os valores de dureza tiveram aumento de 2,29 vezes e 1,58
vezes, respectivamente, com relação ao material recebido. Isto se deve ao maior
teor de silício e vanádio no aço 2344 que são respectivamente um desoxidante e um
formador de carboneto, e ao maior teor de molibdênio no aço 2367 o que aumenta a
sua temperabilidade. Estes valores estão adequados para as aplicações conforme a
norma NADCA #207 2006.
-
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4.5 Propriedades obtidas no ensaio de tração
Antes da realização dos ensaios de tração foram medidas os diâmetros
internos de cada corpo-de-prova. A Tabela XII apresenta as medidas encontradas e
os respectivos valores médios utilizados para o cálculo de limites de escoamento e
resistência.
II D
MATERIAL DIÂMETRO(mm)MÉDIA(mm) MATERIAL
DIÂMETRO(mm)
MÉDIA(mm)
2367_AGUA_01 6,06 5,95 6,02 6,01 2367_AR_01 6,05 5,99 6,04 6,032367_AGUA_02 6,05 5,96 6,03 6,01 2367_AR_02 6,05 5,97 6,06 6,032367_AGUA_03 5,98 5,90 5,95 5,94 2367_AR_03 6,05 5,98 6,05 6,03
2344_AGUA_01 6,08 5,97 6,07 6,04 2344_AR_01 5,98 5,94 6,01 5,982344_AGUA_01 5,98 5,90 5,96 5,95 2344_AR_02 5,97 5,92 6,00 5,962344_AGUA_01 5,99 5,89 5,99 5,96 2344_AR_03 6,00 5,91 6,00 5,97
2340_AGUA_01 6,02 5,95 6,03 6,00 2340_AR_01 5,96 5,88 5,97 5,942340_AGUA_02 6,0 5,94 6,01 5,98 2340_AR_02 6,02 5,95 6,02 5,992340_AGUA_03 5,96 5,90 5,98 5,95 2340_AR_03 5,98 5,92 5,97 5,96
4.5.1 2367, 2344 e 2340 temperado em água
A Tabela XIII apresenta o cálculo das médias dos diâmetros dos corpos-de-
prova e a área conforme a fórmula: Área=πr2, sendo r o raio inicial da amostra.
III C
MATERIAL MÉDIA(mm)
Área(mm2)
2367_AGUA_01 6,01 28,372367_AGUA_02 6,01 28,372367_AGUA_03 5,94 27,712344_AGUA_01 5,98 28,092344_AGUA_02 5,96 27,892344_AGUA_03 5,97 27,992340_AGUA_01 6,00 28,272340_AGUA_02 5,98 28,092340_AGUA_03 5,95 27,81
A tensão exercida durante o ensaio é calculada pela expressão:
A
F =σ Sendo, F a força e A a área da seção transversal. O limite de escoamento é
calculado usando o critério de 0,2% ou ε=0,002.
-
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MaterialMédia
(MPa)
Média
(MPa)
Média daRedução em
Área (%)2367 AGUA 1513±4 1624±0,28 23±1 2344 AGUA 144814 15471 4310 2340 AGUA 148027 16104 462
O corpo de prova 1 do aço 2367 resfriado em água teve uma redução em
área de 0,66% e foi desconsiderado para a comparação com os aços 2344 e 2340.
4.5.2 2367, 2344 e 2340 temperado ao ar
A Tabela XVI apresenta o cálculo das médias dos diâmetros dos corpos de
prova e a área conforme a fórmula: Área=πr2, sendo r o raio inicial da amostra.
I C
Material MÉDIA(mm)
Área(mm2)
2367_AR_01 6,03 28,562367_AR_02 6,03 28,562367_AR_03 6,03 28,562344_AR_01 5,98 28,092344_AR_02 5,96 27,892344_AR_03 5,97 27,992340_AR_01 5,94 27,712340_AR_02 5,99 28,182340_AR_03 5,96 27,89
A tensão exercida durante o ensaio é calculada pela expressão:
A
F =σ Sendo, F a força e A a área da seção transversal. O limite de escoamento é
calculado usando o critério de 0,2% ou ε=0,002.
. O limite de resistência foi determinado com base na força máxima atingidadurante o ensaio.
(1)
(2)
-
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75
As Figuras 33 apresentam a curva tensão x deformação para os aços 2367,
2344 e 2340 resfriados ao ar.
F 33 G
A Tabela XVII mostra as respectivas tensões de escoamento, resistência e
redução em área para cada corpo de prova dos aços 2367, 2344 e 2340 resfriados
ao ar e a Tabela XVIII apresenta as médias e os desvios padrão.
II 2367
Corpo de Prova (MPa) (MPa) Redução emÁrea (%)2367_AR_01 1576,52 1678,19 26,792367_AR_02 1579,46 1665,81 29,302367_AR_03 1567,67 1672,89 32,352344_AR_01 1569,36 1688,47 37,70
2344_AR_02 1510,44 1633,30 31.012344_AR_03 1528,95 1624,64 38,262340_AR_01 1640,15 1729,83 41,072340_AR_02 1624,24 1735,46 34,422340_AR_03 1640,15 1731,39 38,83
-
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76
O valor médio e o desvio padrão foram determinados pelas expressões (1) e(2).
III
MaterialMédia
(MPa)
Média
(MPa)
Média daRedução
em Área (%)2367 AR 1575±6 1672±6 29±32344 AR 153630 164935 380,4 2340 AR 16359 17323 383
Com base nos resultados obtidos das Tabelas XV e XVIII, observa-se que o
resfriamento em água oferece uma redução no limite de escoamento e no limite de
resistência, e maior redução em área. Para resfriamentos mais bruscos, em água,
existe a possibilidade da nucleação de trincas internas em função de tensões
residuais oriundas da têmpera.
O aço 2367 apresentou maior valor de limite de escoamento e limite de
resistência após resfriamento em água. Porém, o aço 2340 resfriado ao ar
apresentou valores de limite de escoamento e limite de resistência superiores ao
2367.
Com objetivo de compreender a redução da deformação total no corpo-de-
prova 1 do aço 2367 resfriado em água, foi realizado uma análise via EDS no
material. As Figuras 34 e 35 e a Tabela XIX apresentam uma inclusão metálica
(ponto 1) e o resultado da análise por EDS, respectivamente.
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4.6 Ensaios de Impacto
Os resultados obtidos nos ensaios de impacto são apresentados na Tabela
XX:
I
Material CP1 (J) CP2 (J) CP3 (J) CP4 (J) CP5 (J) Média (J)
2340 ar 15 10 5 8 12 10±3,002340 água 14 16 14 16 15 15±0,96
2344 ar 20 12 19 16 12 16±3,402344 água 2 3 2 2 2 2,2±0,45
2367 ar 16 16 16 18 18 17±1,15
2367 água 20 14 22 18 19 19±3,30
Com base nos resultados da Tabela XXI e para efeito comparativo entre os
aços, observou-se que independentemente do aço, as amostras resfriadas em água
apresentaram uma maior absorção de energia charpy. Os maiores valores de
tenacidade estão relacionados com o aço 2367 resfriado em água (19J) e ao ar
(17J). Este fato pode estar associado ao menor teor do elemento vanádio (0,52%) eao maior percentual em peso de Mn (0,64%) presentes na composição química
deste aço.
Os resultados estão compatíveis com a aplicação requerida, conforme Figura
36, referente aos estudos de Mesquita e Barbosa. (Mesquita & Barbosa, 2007)
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F 36 . ( & B, 2007)
Para uma melhor analise e verificação do resultado de impacto do aço 2344,
o qual absorveu 2,2±0,45J, tratado em água foi realizada uma análise por EDS,
devido ao surgimento de uma mancha negra na região fraturada próxima à região do
entalhe. As Figuras 37, 38, 39 e a Tabela XXI apresentam a superfície de fratura, os
diagramas e os elementos obtidos pela técnica de EDS.
F 37 2344 ED