Com base no efeito do tratamento térmico na microestrutura e nas propriedades do aço 45# – fornecendo soluções de tubulação

O tratamento térmico é um processo de processamento de metal muito importante que pode explorar plenamente as propriedades importantes dos materiais metálicos. O principal objetivo do tratamento térmico é alterar as propriedades do aço. O processo de tratamento térmico do aço consiste em aquecer o aço a uma determinada temperatura após um determinado tempo de retenção e, em seguida, resfriá-lo a uma determinada velocidade ou modo de resfriamento, de modo que a microestrutura e as propriedades do aço sejam alteradas.

0. Introdução

Material e condições da amostra: Foi selecionada uma barra redonda de aço 45# com diâmetro de 20 mm e altura de 20 mm, e a estrutura original foi laminada a quente. O sistema de aquecimento é um forno de alta temperatura em forma de caixa. É aquecido a 860°C durante 15 minutos, depois arrefecido directamente em água fria até à temperatura ambiente e depois temperado a 400°C durante uma hora.

1. Seleção do processo de tratamento da amostra

A têmpera envolve aquecer o aço a 30-50°C via Ac3 ou Ac1 e depois colocá-lo em vários meios de resfriamento após a retenção para obter uma estrutura de martensita. A microestrutura de Aço carbono após a têmpera, consiste em martensita e austenita retida. Para temperar adequadamente o aço, os seguintes três fatores importantes devem ser levados em consideração no experimento: a temperatura do aquecedor de têmpera, o tempo de retenção, a taxa de resfriamento e a temperatura de revenido.
(1) Temperatura de têmpera. Selecionar a temperatura de aquecimento correta é uma parte importante para garantir a qualidade da têmpera. A temperatura específica de aquecimento durante a têmpera depende principalmente do teor de carbono do aço, que pode ser determinado usando o diagrama metalográfico ferro-carbono da Fig. Para aço hipoeutetóide, a temperatura de aquecimento é Ac3 + 30–50 °C. Se a temperatura de aquecimento não for suficiente, será produzida uma pequena quantidade de ferrita, o que reduzirá a resistência e a dureza. Para aço hipereutetóide, a temperatura de aquecimento é Ac1 + 30–50 °C. Após a têmpera, martensita fina e cementita granular podem ser obtidas, e a dureza e a resistência ao desgaste do aço podem ser melhoradas.

Figura 1 Diagrama de fases de uma liga ferro-carbono
(2) Determinação do tempo de espera. O tempo de aquecimento da têmpera é a soma do tempo necessário para aquecer a amostra e o tempo de retenção. O tempo de aquecimento depende da composição do aço, da forma e tamanho da peça, do meio de aquecimento necessário e do método de aquecimento. Em geral, pode ser estimado pela fórmula. O cálculo do tempo de aquecimento do aço carbono no forno elétrico é apresentado na Tabela 1.
Tabela 1 Determinação do tempo de permanência do aço carbono no forno câmara

(3) Influência da taxa de resfriamento. O resfriamento é a chave para a têmpera porque afeta diretamente a microestrutura e as propriedades do aço após a têmpera. Durante o resfriamento, a taxa de resfriamento deve ser superior à taxa crítica de resfriamento para garantir a estrutura martensítica. Porém, nesta condição, é necessário evitar ao máximo o resfriamento lento para reduzir as tensões internas do aço e evitar deformações e trincas. Portanto, de acordo com o diagrama da curva C mostrado na Figura 2, o trabalho de resfriamento pode ser realizado a 650-550 °C para resfriar rapidamente a austenita super-resfriada, enquanto a taxa de resfriamento em temperaturas mais baixas (300-100 °C) é tão o mais lento possível. Para obter um efeito de têmpera, escolha o método de resfriamento apropriado. Diferentes meios têm diferentes taxas de resfriamento em diferentes faixas de temperatura. As propriedades de vários meios de resfriamento estão listadas na Tabela 2.

Fig. 2 Curva C de uma liga ferro-carbono
De acordo com o método acima, a temperatura de têmpera do aço 45# é de 860°C e o meio de resfriamento é a água (a temperatura é de cerca de 20°C).
(4) Seleção da temperatura de revenido. A martensita obtida por têmpera é dura e quebradiça, e existe uma grande tensão interna no aço. Se o processo de retificação for realizado diretamente, aparecerão rachaduras. Portanto, o aço temperado deve ser revenido. As características das diferentes temperaturas de revenido estão listadas na Tabela 3.
Tabela 2 Capacidade de resfriamento de vários meios de têmpera comuns

A Tabela 3 mostra a microestrutura e propriedades do aço 45# após têmpera e revenido em diversas temperaturas

2. Resultados e análises de amostras

(1) Observe o arranjo conforme mostrado na Figura 3. Agente corrosivo: álcool nítrico 4%; Tratamento: têmpera após aquecimento a 860 °C; Microestrutura: estrutura martensítica; ampliação óptica: 400x.
A Figura 4 mostra o revenido em temperatura média. Agente corrosivo: álcool nítrico 4%; Tratamento: têmpera a 860°C e revenido a 400°C; Estrutura: troostita temperada; ampliação óptica: 400x.

Fig.3 A estrutura de têmpera a 860 °C

Fig.4 Revenimento a 400 °C
(2) Análise do problema: No processo de têmpera, a microestrutura apresenta uma estrutura de ferrita em forma de bloco após a têmpera. As fotos metalográficas desta estrutura são mostradas na Figura 5.
Após repetidos testes, foram excluídas razões como temperatura de aquecimento insuficiente e tempo de retenção insuficiente. Esta situação pode ser causada por uma taxa de resfriamento insuficiente. Os motivos podem ser:

• (1) A amostra retirada do forno é colocada lentamente na água e a temperatura da amostra cai à medida que ela entra na água.
• (2) A temperatura da água de resfriamento é mais alta, o desempenho de resfriamento é significativamente reduzido (ver Tabela 2).
• (3) A amostra não foi agitada durante o resfriamento em água.

Fig. 5: Diagrama para análise da estrutura metalográfica
(3) Dureza. De acordo com a tabela acima, a dureza é de cerca de 41 HRC, conforme mostrado na Figura 6.

Fig. 6 Valor de dureza do aço 45# após tratamento térmico

3. Conclusão