1. Introdução
Materiais idênticos podem apresentar diferentes propriedades mecânicas (resistência, dureza, plasticidade e tenacidade), e materiais diferentes podem apresentar propriedades mecânicas semelhantes. Tudo isso está intimamente relacionado ao tratamento térmico do aço.
As peças de aço obtêm uma determinada estrutura através do tratamento térmico para atingir as características de desempenho exigidas. O tratamento térmico é um meio, alcançar o desempenho é o objetivo, e a estrutura constitui a base e a garantia dessas propriedades.
Usando o aço 45# como exemplo, esta seção compartilhará a relação entre recozimento, normalização, a estrutura do aço 45# e suas propriedades associadas.
2. Análise de Caso
Caso 1
- Nome do material: aço 45
- Status de processamento: matéria-prima (status de fornecimento, laminado a quente)
- Agente Corrosivo: Solução de Álcool Ácido Nítrico a 4%
- Descrição microestrutural: A microestrutura de uma seção transversal de um material de barra de φ13,2 mm é mostrada na Figura 1. A ferrita branca na figura aparece em bloco, em forma de rede e em forma de agulha, enquanto a perlita está em finas camadas lamelares. A dureza está em torno de 18 HRC, que é comparável ao valor da dureza após a normalização.
A matéria-prima no estado fornecido foi laminada a quente e resfriada ao ar, equivalente à normalização, por isso é mais dura que o aço recozido.
No entanto, devido à alta temperatura, alguma ferrita precipita ao longo dos limites do grão em forma de agulha e se estende para dentro do grão, formando uma estrutura de Widmanstätten.
A aparência da estrutura Widmanstätten reduz significativamente a resistência ao impacto do aço e torna-o quebradiço. Aço com granulometria grande é especialmente propenso a formar estruturas Widmanstätten.
Para eliminar a estrutura de Widmanstätten e os grãos grandes, é necessário realizar um tratamento de normalização antes da têmpera para refinar o grão e melhorar a estrutura.
Caso 2
- Nome do material: aço 45
- Estado de Processamento: Matéria Prima (Estado Fornecido, Corte)
- Condicionante: solução de álcool com ácido nítrico a 4%
Nota sobre microestrutura: Depois de cortar o material da haste redonda de φ13,2 mm em uma máquina de corte normal, a microestrutura da seção transversal da zona afetada pelo calor, conforme mostrado na Figura 2, foi formada devido à falta de resfriamento oportuno da água.
A metade esquerda da imagem representa a microestrutura original, enquanto a metade direita representa a microestrutura da zona afetada pelo calor. A variação da dureza na zona termicamente afetada é bastante significativa, variando entre 25-40 HRC.
A Figura 3 demonstra a microestrutura ampliada de cada zona. A Figura 3a representa a estrutura da Zona 1 na Figura 2.
A metade esquerda da figura mostra a estrutura original do material, caracterizada por ferrita branca em forma de rede e finos flocos de perlita. A metade direita mostra a estrutura da zona afetada pelo calor durante o corte, consistindo de ferrita poligonal branca, flocos de perlita, martensita branco-acinzentada e austenita residual.
A Figura 3b ilustra a estrutura da Zona 2 na Figura 2, apresentando ferrita branca não dissolvida nos limites dos grãos, martensita branco-acinzentada, austenita residual e flocos finos de perlita. Os flocos finos e escuros de perlita dentro dos grãos representam uma microestrutura de zona de transição recém-formada durante o processo de resfriamento de corte.
A Figura 3c apresenta a estrutura da Zona 3 na Figura 2, semelhante a uma estrutura de têmpera subaquecida. Os limites dos grãos mostram ferrita não dissolvida poligonal branca, juntamente com martensita branco-acinzentada e austenita residual. Os limites da ferrite estão claramente definidos.
Durante o processo de corte da amostra, velocidades de corte e taxas de avanço variadas, juntamente com resfriamento inadequado, resultaram em regiões distintas de uma camada de oxidação azul-joia na superfície da amostra, conforme ilustrado na Figura 4.
Como pode ser inferido a partir da figura, existem zonas afectadas pelo calor durante as fases posteriores do corte. Quanto mais duro o material, mais desafiador é o corte e maior se torna a zona afetada pelo calor.
As três primeiras amostras na Figura 4 são de aço com alto teor de carbono e alta liga, enquanto as cinco últimas são de aço 45#.
Antes do tratamento térmico, as superfícies das amostras não eram totalmente polidas, levando à observação de microestruturas variadas na matéria-prima durante o exame.
Durante o corte da amostra, se o resfriamento não for realizado prontamente, o atrito entre a amostra e o rebolo faz com que a temperatura da amostra suba rapidamente para entre Ac1 e Ac3 à medida que a velocidade de corte aumenta gradualmente.
Após o resfriamento com água, forma-se uma estrutura semelhante à têmpera subaquecida. Como a temperatura da superfície varia nas diferentes regiões da amostra, as microestruturas nessas regiões também diferem.
Caso 3
- Nome do material: aço 45
- Status de processamento: isolamento a 830°C por 15 minutos seguido de resfriamento do forno (recozimento)
- Condicionante: solução de álcool nítrico a 4%
- Descrição da microestrutura: Conforme representado na Figura 5, a microestrutura normal do aço 45 recozido é exibida; consiste em ferrita poligonal irregular em perlita lamelar branca e escura. As lamelas de perlita são claramente visíveis, com valores de dureza variando de 8 a 11 HRC.
O recozimento do aço 45 envolve o aquecimento do aço acima de Ac3 em 30-50°C, seguido pelo resfriamento do forno para permitir a aclimatação do aço. Este processo de resfriamento relativamente mais lento resulta em uma microestrutura quase equilibrada, com a perlita ocupando aproximadamente 55% de toda a área do campo visual.
Caso 4
- Nome do material: aço 45
- Status do tratamento: Resfriado a ar após ser mantido a 830°C por 15 minutos (normalizando)
- Condicionante: solução de álcool com ácido nítrico a 4%
- Descrição Estrutural: Conforme mostrado na Figura 6, a estrutura normal do aço 45 normalizado; composto por bloco branco e ferrita em rede e perlita em flocos escuros. A perlita ocupa cerca de 70% da área do campo visual, com dureza entre 15-20 HRC.
O aço 45 normalizado envolve aquecer o aço acima de sua temperatura Ac3 em 30-50°C e, em seguida, permitir que ele esfrie naturalmente ao ar. A principal diferença entre este e um processo de recozimento completo é a velocidade de resfriamento mais rápida e o maior grau de super-resfriamento.
Isto resulta em uma estrutura lamelar perlita mais fina em comparação ao aço recozido, com um aumento significativo na quantidade de perlita e tamanho de grão relativamente menor. Portanto, a dureza do aço normalizado é superior à do aço recozido.
A normalização do aço 45 pode melhorar sua estrutura após a fundição ou forjamento, refinando os grãos de austenita e formando ferrita e perlita finas e uniformes, aumentando assim a resistência, dureza e tenacidade do aço.
O aço 45, com sua alta resistência e boa plasticidade, pode ser utilizado na fabricação de diversos componentes importantes, como compressores, bombas químicas e peças móveis (virabrequins, bielas, bielas). Também pode ser usado para fazer pás de turbinas. Geralmente, componentes de grande porte são usados em um estado normalizado, enquanto componentes de pequeno porte podem ser temperados para formar um sorbite temperado.
O aço 45 também é o aço temperado e revenido mais comumente usado. Antes da têmpera e do revenido em alta temperatura, deve ser submetido a um processo de normalização para obter uma organização uniforme e finamente estruturada, preparando o aço para a têmpera.
3. Conclusão
Este artigo compartilha as características microestruturais do aço 45 em diferentes estados. Podemos apreciar o mistério e o encanto do tratamento térmico, pois diferentes métodos de tratamento podem alterar de forma inteligente a estrutura e as propriedades do material.
O aço 45 é um aço temperado comumente usado. Este artigo analisa esse material em diferentes estados, proporcionando uma abordagem metódica, da qual acreditamos que todos possam obter alguns insights.
No trabalho diário, ao desenvolver amostras para outros materiais, seria ideal se pudéssemos aplicar o que aprendemos de um exemplo a outros.
