Ensaios, descrição e propriedades SAE 4140, Manuais, Projetos, Pesquisas de Engenharia Militar

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UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL

CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

LABORATÓRIO DE MATERIAIS E METALOGRAFIA

PROFESSOR: GILMAR TONIETTO

AÇO SAE 4140

Alexandre G. Scodro

Rogério Cavalli

Gienelle Gomes

ÍNDICE

Página

1. OBJETIVO GERAL ................................................................................................................

2. INTRODUÇÃO ........................................................................................................................

3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ...............................................................................................

3.1 Ensaio de tração .....................................................................................................................

3.2 Ensaio de dureza ....................................................................................................................

3.2.1 Dureza Brinell .........................................................................................................

3.2.2 Dureza Rockwell .....................................................................................................

3.2.2 Dureza Vickers ........................................................................................................

3.3 Ensaio de impacto ..................................................................................................................

3.4 Microestruturas do aço .........................................................................................................

3.5 Tratamentos térmicos ............................................................................................................

3.5.1 Normalização ...........................................................................................................

3.5.2 Têmpera ...................................................................................................................

3.5.3 Revenimento ............................................................................................................

3.6 Aço SAE 4140 .........................................................................................................................

3.6.1 Composição química ...............................................................................................

3.6.2 Aços equivalentes ....................................................................................................

3.6.3 Seqüência de processamento recomendada ..........................................................

1. OBJETIVO GERAL

Este trabalho tem por objetivo a análise metalográfica e das características mecânicas do aço SAE 4140 com amostras que sofreram diferentes tratamentos térmicos através de ensaios normalizados feitos em laboratório. Foram feitos ensaios de tração, de impacto e análise metalográfica.

2. INTRODUÇÃO

Foram preparados quatro corpos de prova para ensaio de tração e quatro corpos de prova para ensaio de impacto. A figura 2.1 e 2.2 mostra os corpos de prova.

Figura 2.1 – Corpo de prova para ensaio de tração

Figura 2.2 – Corpo de prova para ensaio de impacto

Depois de prontos os corpos de prova sofreram tratamentos térmicos conforme tabela abaixo:

NÚMERO DA AMOSTRA TRATAMENTO TÉRMICO 01 Normalizado 02 Temperado a 880°C por 50 minutos 03 Temperado a 880°C por 50 minutos e revenido a 300°C por 2 horas 04 Temperado a 880°C por 50 minutos e revenido a 300°C por 5 horas Após o tratamento térmico foi cortado uma amostra do corpo de prova para o ensaio metalográfico e feito os ensaios de tração e de impacto. Os resultados obtidos foram comparados com amostras de materiais semelhantes no site www.matweb.com.

3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Características de materiais obtidas através dos ensaios são fundamentais para o dimensionamento de elementos estruturais. Pode-se definir ensaio como a observação do comportamento de um material quando submetido à ação de agentes externos como esforços e outros.

Os ensaios são executados sob condições padronizadas, em geral definidas por normas, de forma que seus resultados sejam significativos para cada material e possam ser facilmente comparados.

3.1. Ensaio de tração

No ensaio de tração, uma amostra do material (corpo de prova) é submetida a um esforço longitudinal. O corpo de prova tem dimensões padronizadas definidas por normas. As extremidades recebem garras do equipamento de medição. A figura 3.1 mostra um arranjo básico.

Um material é dito ter comportamento elástico se, uma vez removido o esforço, as dimensões retornam àquelas antes da sua aplicação, isto é, não há deformações permanentes. O trecho σ►L da figura 3.2 é a região elástica do material, ou seja, o comprimento retorna ao valor L0 se o ensaio for interrompido nessa região.

Figura 3.2 – Gráfico da região elástica do material

A tensão máxima correspondente é o limite de elasticidade σL do material. Dentro da região elástica, no trecho σ►P, a tensão é proporcional à deformação, isto é, o material obedece à lei de Hooke, onde E é o módulo de elasticidade do material (não tem relação com o ponto E da curva). Para aços, um valor típico de E é 2,06 105 MPa.

Portanto, a tensão σP é o limite de proporcionalidade do material. O ponto L marca o início da região plástica ou escoamento do material, significando a existência de deformações residuais permanentes. É usual considerar início ou limite de escoamento σE a tensão que produz uma deformação residual:

ε = 0,002 ou 0,2% (ponto E conforme Figura 3.2).

Depois do limite de escoamento há uma significativa redução da área da seção transversal e a tensão real segue algo como a curva tracejada da figura 3.3. Mas a convenção é usar tensão aparente, em relação à área inicial. Em B da figura 3.3 ocorre a tensão máxima e, em R, a ruptura do corpo de prova. A tensão σB é denominada resistência à tração do material.

Figura 3.3 – Gráfico da região de tensão máxima e de ruptura

3.2. Ensaio de dureza

Pode-se definir dureza como a resistência que um material oferece à penetração de outro em sua superfície. Ao contrário do anterior (tração), o ensaio de dureza pode ser feito em peças acabadas, deixando apenas uma pequena marca, às vezes quase imperceptível. Essa característica faz dele um importante meio de controle da qualidade do produto.

3.2.1 Dureza Brinell

Seja um material, representado na parte inferior da figura 3.4, que é submetido à ação de uma esfera de material duro.

D: diâmetro da esfera.

F: força aplicada.

d: diâmetro da cavidade no material.

Existe uma proporcionalidade entre a força aplicada e a área e, portanto, o resultado não

depende da força, o que é muito conveniente para medições em chapas finas, camadas finas

(cementadas, por exemplo).

3.3 Ensaio de dureza A tenacidade de um material, avaliada a partir do ensaio de tração, pode dar uma idéia da sua resistência ao impacto, mas a relação não é necessariamente conclusiva. Esse fato tornou-se relevante durante a segunda guerra mundial, quando navios passaram a usar chapas soldadas no lugar da tradicional construção rebitada.

Sob impacto, trincas iniciadas em regiões de solda podiam propagar-se pelas chapas, que não apresentavam perda de tenacidade ou ductilidade em ensaios de tração.

Foram desenvolvidos então ensaios específicos para impactos, considerando que a resistência a eles é grandemente afetada pela existência de trincas ou entalhes e pela velocidade de aplicação da carga, condições que não podem ser facilmente implementadas em um ensaio comum de tração. A temperatura também exerce significativa influência.

O ensaio de impacto é simples conforme pode ser visto pelo esquema da figura 3.5: um corpo de prova padronizado com um entalhe é rompido pela ação de um martelo em forma de pêndulo. O princípio de operação pode ser analisado pela vista lateral (b) da mesma figura.

Figura 3.5 – Ensaio de impacto

Supõe-se que o pêndulo seja levado até uma posição tal que o seu centro de gravidade fique a uma altura h0 em relação a uma referência qualquer. Desprezando a resistência doar e o atrito no pivô, uma vez liberado e na ausência do corpo de prova, o pêndulo deverá atingir mesma altura do outro lado pelo princípio da conservação da energia.

Se o corpo de prova é inserido e rompido pelo impacto do pêndulo, a energia absorvida nessa operação faz o pêndulo atingir, no outro lado, uma altura máxima h1 menor que h0. Ou seja, a resistência ao impacto do material é dada pela diferenças entre as energiaspotenciais em h0 e em h1.

Na prática, o instrumento tem uma escala graduada, com indicador de valor máximo, para leitura direta da diferença de energias. Por ser energia, a resistência ao impacto deve ser dada em Joules (J), de acordo com o Sistema Internacional.

Em equipamentos mais antigos, podem ser consideradas unidades como quilograma-força metro (kgf/m) ou libra-força pé (lbf/ft). Há dois padrões comuns para o ensaio: Charpy e Izod. O primeiro é usual nos Estados Unidos e o segundo, na Europa.

No ensaio Charpy, o corpo de prova tem um entalhe central e é apoiado em ambas as extremidades. O impacto se dá no centro conforme figura 3.6. O entalhe comum é tipo "V", mas há também padrão em forma de "U" ou fenda terminada em furo (dimensões para V: comprimento 55 mm, seção 10 x 10 mm, entalhe a 45º profundidade 2 mm).

Há padrões especiais (sem entalhe) para materiais como ferro fundido.

No padrão Izod, o corpo é engastado em um lado e recebe o impacto na outra extremidade conforme figura 3.6.

Figura 3.5 – Ensaio de impacto Charpy e Izod.

3.4 Microestruturas do aço

As ligas ferro-carbono, antes de serem utilizadas na forma de peças são, principalmente quando aplicadas na construção mecânica, submetidas a tratamentos térmicos. Os tratamentos térmicos usados em nossa análise formam os de normalização (normalmente feito pelo fornecedor do aço), têmpera e revenimento.

3.5.1 Normalização A normalização é o tratamento térmico, através do qual determinados aços após a austenitização são resfriados ao ar. A principal finalidade da normalização é conseguir a melhoria das condições de usinabilidade do aço. Ela funciona como agente que homogeniza a estrutura cristalina, eliminando os pontos críticos resultantes de trabalhos anteriores. A normalização também prepara o material para outros tipos de tratamentos térmicos. Não se deve analisar apenas a dureza do material para saber se a normalização dará usinagem eficiente. A estrutura do material após normalização é que na verdade possibilita a idéia exata das condições da peça para as operações seguintes. Nos aços normalmente usados, essa estrutura é constituída de perlita e ferrita, que devem estar bem distribuídas, homogeneamente repetidas e com grãos de tamanho uniforme. A normalização ainda é utilizada como tratamento preliminar à têmpera porque, sendo a estrutura mais homogênea que a de uma aço laminado, por exemplo, reduz-se a tendência ao empenamento e facilita-se a solução de carbonetos e elementos de liga, principalmente quando o aço é ligado.

3.5.2 Têmpera O objetivo fundamental da têmpera é obter uma estrutura martensítica, o que exige resfriamento rápido, de modo a evitar-se a transformação da austenita em seus produtos normais.

Em resumo: na têmpera aquece-se o aço acima da zona crítica durante o tempo necessário, em função da seção das peças, seguido de resfriamento rápido em um meio como o óleo, água, salmoura ou mesmo ar dependendo da curva em C do aço no diagrama TTT.

No resfriamento que se segue, a estrutura será constituída de martensita que, possuindo dureza elevada, aumenta em muito a dureza do aço.

O estado em altas tensões junto com a elevada dureza e fragilidade da martensita constituem inconvenientes que devem ser atenuados ou corrigidos. Para isso submete-se o aço temperado à operação de revenimento.

3.5.3 Revenimento O revenido é um tratamento posterior à têmpera, que consiste em elevar a temperatura até certo nível e manter por algum tempo. O resultado é um alívio das tensões internas e redução da dureza, tanto maior quanto maiores a temperatura e o tempo de revenido. Pode-se dizer, portanto, que a operação de revenido ajusta a dureza desejada da peça. Se a dureza diminui, a ductilidade aumenta e, por conseqüência, a resistência ao impacto.

3.6 Aço SAE 4140 Os aços da família AISI/SAE 41XX são usados em aplicações de engenharia na condição “temperados e revenido” ou “normalizado, temperado e revenido”, este último quando é necessário assegurar elevados níveis de tenacidade. Os aços baixa-liga dessa família, especialmente o 4130 e o 4140.

O aço SAE 4140 é um aço ligado ao cromo e molibdênio que apresenta alta resistência mecânica e tenacidade após o beneficiamento. Adequado a aplicações severas de fadiga, abrasão e impacto. Possui como características:

• Média a alta temperabilidade (54 a 59 HRC).
• Média a alta resistência mecânica.
• Baixa soldabilidade.
• Média usinabilidade.
• Média a alta tenacidade.

É aplicado na fabricação de eixos, virabrequins, bielas, cabeçotes, rolos de laminação,

eixo pra turbinas, eixos para geradores hidráulicos, nas indústrias agrícolas, automobilísticas e de

máquinas e equipamentos. Aplicado em eixos de média a alta solicitação mecânica.

3.6.1 Composição química C (%) Mn (%) P Máximo (%) S máximo (%) Si Cr Mo 0,38-0,43 0,75-1,00 0,03 0,04 0,15-0,35 0,80-1,10 0,15-0,

3.6.2 Aços equivalentes

A tabela abaixo indica a equivalência ao aço SAE 4140 de acordo com diferentes normas e fornecedores de aço.

AISI/SAE W NRº. DIN UNI JIS BS AFNOR GERDAU VILLARES BOEHLE 4140 1. 7223 42 Cr Mo 4 42 Cr Mo 4 SCM 440 708 A 40 40 42 CD 4 TS 4140 VL 40 V 320

3.6.3 Seqüência de processamento recomendada A figura 3.6 mostra a seqüência de processamento recomendada do aço SAE 4140.

Figura 3.7 – Gráfico temperatura de revenimento x dureza

3.6.5 Diagrama TTT .........................................................................................................

A figura 3.8 mostra o diagrama tempo-temperatura-transformação (TTT) do aço SAE 4140.

Figura 3.8 – Gráfico TTT

4. NORMAS ADOTADAS. .........................................................................................................

Foram adotadas as seguintes normas:

• Ensaio de Dureza Rockwell: norma NBR NM 146-1:1999.
• Conversão de Unidades de Dureza: norma ASTM E140.
• Ensaio de Tração: norma NBR ISO 6892/02.
• Ensaio de Impacto (Charpy): norma ASTM E23/1980.
• Análise das Inclusões: norma ASTM E45 (100x).
• Análise da Microestrutura: norma ASTM E112 (100x).
• Ataque com reativos metalográficos em ligas ferrosas: NBR 8108.
• Preparação de corpos de prova para análises metalográficas: NBR 13284.
• Determinação do nível de micro inclusões (aço): NBR9208.
• (^) Determinação de tamanho de grãos austeníticos: ASTM E 112.

Figura 6.1 – Forno para tratamento térmico.

Com exceção da primeira amostra que foi comprada normalizada, as demais sofreram tratamento térmico de têmpera e revenimento conforme tabela abaixo:

IDENTIFICAÇÃO TRATAMENTO TÉRMICO 01 Normalizado 02 Temperado a 880°C por 50 minutos 03 Temperado a 880°C por 50 minutos e revenido a 300°C por 2 horas 04 Temperado a 880°C por 50 minutos e revenido a 300°C por 5 horas

6.2 Ensaio de dureza ....................................................................................................................

Após o tratamento térmico nos corpos de prova foi verificada a dureza dos mesmos com um durômetro como o mostrado na figura 6.2, sendo que cada corpo de prova foi medido cinco e vezes e feito uma média das medições.

Figura 6.2 – Durômetro.

As tabelas abaixo mostram a dureza obtida nas amostras.

AMOSTRAS PARA ENSAIO DE TRAÇÃO IDENTIFICAÇÃO LEITURAS OBTIDAS MÉDIA UNIDADE DE DUREZA 1 2 3 4 5 01 94 96,5 100 97 101 97,7 *HRB 02 61 58 59 59 60 59,4 HRC

03 56 57 53,5 52 54 54,5 HRC

04 42 43,5 46 44 42 43,5 HRC

AMOSTRAS PARA ENSAIO DE IMPACTO IDENTIFICAÇÃO LEITURAS OBTIDAS MÉDIA UNIDADE DE 1 2 3 4 5 DUREZA 01 107 108,5 107,5 107,5 107,5 107,6 *HRB 02 59,5 58,5 56,5 58,5 58,5 58,3 HRC 03 50 48 45 49,5 52 48,9 HRC 04 39 38 42 42 41 40,4 HRC É importante frisar que a primeira amostra teve sua dureza medida em HRB, visto que ela possuir uma baixa dureza por não ter sofrido têmpera, enquanto as demais amostras tiveram sua medida de dureza em HRC.

A partir da dureza média calculada de cada corpo de prova será procurado no site www.matweb.com um aço SAE 4140 de dureza equivalente, sobre o qual os resultados serão comparados.

6.3 Ensaio de tração .....................................................................................................................

Os corpos de prova para ensaio de tração foram medidos com um paquímetro digital, de onde obtivemos o diâmetro e o comprimento das peças. Para as medidas de comprimento final o corpo de prova foi pintado com tinta de marcação e feita marcas a cada 5mm pela máquina de escalonar. A figura 6.3 mostra o corpo de prova com as marcações.

Figura 6.3 – Corpo de prova com as marcações.

Após foram submetidos ao ensaio na máquina para ensaios de tração mostrada na figura 6.4. Após o ensaio os corpos de prova tiveram o comprimento e diâmetro final medidos. O comprimento final foi obtido a partir da medição das marcações.