influência da temperatura no revenimento do aço ... - INIC - Univap

INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA NO REVENIMENTO DO AÇO SAE 4340
Adir Rodrigues de Oliveira 1 ,Ismael Caetano de Araújo Junior 1 , Gilbert Silva 2
Curso de Graduação em Engenharia de Materiais - Universidade do Vale do Paraíba, Faculdade de
Engenharia Arquitetura e Urbanismo - Av. Shishima Hifumi, 2911 – Urbanova – São José dos Campos/SP
adir.oliveira@yahoo.com.br; ismael@winnproject.com.br; gilbert@univap.br
Resumo- Na indústria atual, a utilização do aço se faz presente de forma ostensiva, mesmo com o
surgimento de materiais alternativos. Isto se deve ao fator custo, visto que estes materiais com
características próximas ao aço geralmente possuem valor agregado mais elevado. O aço possui a grande
vantagem de ter suas características alteradas mediante tratamentos térmicos adequados a um baixo custo.
Assim sendo, este trabalho baseia-se em submeter amostras do aço SAE 4340 ao tratamento térmico de
têmpera e posteriormente revenimento, com temperaturas que variaram entre 200ºC e 650ºC. Os resultados
indicaram uma grande quantidade de fase martensítica para temperaturas inferiores no tratamento térmico
de revenimento, e menores valores de dureza para temperaturas maiores do tratamento térmico de
revenimento. Através dos valores encontrados podemos utilizar como ferramenta complementar na
especificação de itens mecânicos.
Palavras-chave: Tratamento térmico, Têmpera, Revenimento, Dureza.
Introdução
Na indústria atual, a utilização do aço se faz
presente de forma ostensiva, mesmo com o
surgimento de materiais alternativos. Isto se deve
ao fator custo, visto que estes materiais com
características próximas ao aço geralmente
possuem valor agregado mais elevado. O aço
possui a grande vantagem de ter suas
características alteradas mediante tratamentos
térmicos adequados a um baixo custo.
O aço SAE 4340 é um aço de elevada
temperabilidade e boa forjabilidade, porém sua
usinagem é relativamente pobre. Dependendo do
teor de carbono, a dureza na condição temperada
varia de 54 a 59 HRC. Devido à sua alta
temperabilidade, não é aconselhável a sua
aplicação em soldagem por métodos
convencionais, somente em processos
sofisticados.
Devido às suas características ele é aplicado
para fabricação de virabrequins para aviões,
tratores, eixos com elevada solicitação mecânica e
veículos em geral.
Na indústria aeronáutica é muito utilizado
devido sua grande resistência e tenacidade que
são fundamentais em projetos aeronáuticos para
diversas aplicações, desde peças utilizadas na
montagem da aeronave como também em
ferramentais que são utilizados para construção e
montagem das aeronaves (TORRES, 2002). Nesta
segunda aplicação é muito utilizado na fabricação
de buchas e pinos de fixação, as quais podem vir
a romper por uma estrutura inadequada ou por
fadiga. Testes de fadiga por flexão rotativa são
realizados para definir a vida útil do material
(SOUZA et. Al. 2002).
Constantemente durante o processo de
encalque das buchas e na utilização de pinos,
ocorrem quebras desses componentes que pode
estar relacionado com a microestrutura obtida
através do tratamento térmico de têmpera e
revenimento. Descartando-se a possibilidade de
dimensional das peças produzidas, através da
utilização da norma interna para ajustes de eixos e
furos, onde o mesmo se mostrou dentro dessas
especificações para um sistema de encalque pelo
método de prensagem a frio na temperatura
ambiente. A Figura 1 mostra a fratura de um pino
de aço 4340 rompido durante o processo de
encalque realizado por prensagem a frio.
Figura 1– Micrografia da fratura de um pino de
4340.
XIII Encontro Latino Americano de Iniciação Científica e
IX Encontro Latino Americano de Pós-Graduação – Universidade do Vale do Paraíba
1

Pela micrografia podemos descartar a
possibilidade deste material ter falhado pelo
fenômeno de fadiga. Este tipo de fratura é
característica de materiais que possuem diferentes
estruturas, tendo regiões onde ocorreram maiores
deformações plásticas que outras. Analisando-se
a norma interna de especificação, notou-se que a
mesma não especificava o tratamento térmico
mais adequado para obtenção da microestrutura
ideal para se obter a resistência desejada. Assim
sendo, este trabalho baseia-se em submeter
amostras do aço SAE 4340 ao tratamento térmico
de têmpera e posteriormente ao tratamento de
revenimento, com temperaturas entre 200 e
650ºC. A têmpera consiste no aquecimento do aço
visando uma austenitização total (aços
hipoeutetoides) ou parcial (aços hiper-eutetoides)
seguido de um resfriamento, tal que se consiga
evitar a transformação da austenita nos seus
produtos de decomposição a temperaturas mais
altas (ferrita ou cementita + perlita), dando lugar
preferencialmente à transformação em martensita
(FERNADES, 2006). Um dos grandes problemas
relacionados com o tratamento térmico de têmpera
está ligado com a baixa ductilidade e a baixa
tenacidade do material após o tratamento. Embora
tenhamos um significativo ganho na resistência
mecânica e na dureza, fatores primordiais quando
se quer reduzir o peso da peça ou evitar o
desgaste superficial, a ductilidade cai quase à
zero. A utilização de um aço nestas condições é
impossível, devido aos riscos de uma falha
catastrófica, este problema tem que ser corrigido,
que é conseguido através do tratamento térmico
de revenimento. O revenimento é um tratamento
térmico em que se faz o reaquecimento da peça
temperada dentro de uma faixa de temperatura,
geralmente entre 150°C e 600°C. As peças são
aquecidas e permanecem durante um intervalo de
tempo suficiente para que ocorram as
transformações necessárias à recuperação de
parte da ductilidade e tenacidade perdidas, sendo
depois resfriadas até a temperatura ambiente.
Com esse estudo de tempera e posteriormente
revenimento, e os quais irão gerar dados sobre
temperatura de revenimento versus dureza, de
maneira que podemos utilizar estes dados como
ferramenta complementar na especificação de
projeto.
Procedimento experimental
O procedimento experimental originou-se da
necessidade de se estabelecer parâmetros para
especificar em projeto a dureza adequada, em
função da utilização de tratamentos térmicos de
têmpera e revenimento.
Para a análise de fratura da Figura 1, foi
utilizado um microscópio eletrônico de varredura
da marca Zeeis modelo EVO MA10. O aço SAE
4340 possui a seguinte composição química,
conforme listado na Tabela 1.
Tabela 1 - Composição química aço SAE 4340
ABNT –
SAE 4340
C 0,38-0,43%
Mn 0,60-0,80%
Fósforo 0,030%
Enxofre 0,040%
Si 0,15-0,35%
Ni 1,65-2,00%
Cr 0,70-090
Mo 0,20-0,30
Caracterização do corpo de prova
Foram utilizadas onze amostras de aço SAE
4340, onde foram seccionadas através de
usinagem convencional com as dimensões de
(∅10mmx10mm). As amostras foram identificadas
com números de (1 à 11), e separadas para
ensaio de dureza, que adotou-se HRC. Foi
utilizado um durômetro digital modelo FR-3- Tech
Corp.
A amostra (1) não sofreu tratamento térmico,
pois a finalidade era obter o valor da dureza do
material adquirido, conforme listado na Tabela 2.
Tabela 2 - Leitura das durezas do material
adquirido.
Leitura HRC Média
1º 2º 3º 4º 5º
14,1 13,7 13,7 12,8 14,0 13,66
As amostras (2 à 11), foram submetidas ao
tratamento térmico de têmpera utilizando forno
modelo EDG 1200 com elemento resistivo e
resfriado até a temperatura ambiente em óleo SAE
W40, os resultados obtidos são listados conforme
Tabela 3.
XIII Encontro Latino Americano de Iniciação Científica e
IX Encontro Latino Americano de Pós-Graduação – Universidade do Vale do Paraíba
Tabela 3 - Leitura das durezas do material após
a têmpera.
Leitura HRC das amostras após a
têmpera
2 – 3 4 – 5 6 - 7 8 - 9 10-11
51,9 52,1 52,4 52,8 52,1
52,9 52,9 51,1 52,4 52,0
Média
HRC
52,09
2

A fase seguinte ao tratamento térmico de
têmpera, realizou-se o tratamento térmico de
revenimento.As temperaturas de revenimento
estão listadas conforme Tabela 4.
Tabela 4 - Temperaturas para o revenimento.
Amostras Temperatura de
revenimento
2 200°C
3 250°C
4 300°C
5 350°C
6 400°C
7 450°C
8 500°C
9 550°C
10 600°C
11 650°C
Após o tratamento térmico de revenimento foi
realizada a metalografia das amostras. Para este
procedimento as amostras foram lixadas na
seqüência granas de 320, 400 e 600.
O polimento foi realizado com alumina, com
granulação de 1,0 e 0,3 μm, e em seguida as
amostras foram atacadas quimicamentes com
uma solução de Nital com a finalidade de revelar a
martensita. Foram selecionadas as amostras 2,6 e
10 conforme Figura 2, Figura 3 e Figura 4.
Figura 2- Metalografia após revenimento à 200°C.
Figura 3- Metalografia após revenimento à 400°C.
Figura 4- Metalografia após revenimento à 600°C.
Na Figura 2, Figura 3 e Figura 4, pode-se notar
as fases clara e fases escuras, onde a fase clara é
ferro α + cementita e a fase escura é a martensita,
Quanto maior a temperatura de revenimento mais
fases claras surgirão. Apos realizado o ensaio de
dureza das amostras e obteve-se o gráfico de
dureza x temperatura de revenimento como
mostra a Figura 5, onde notou-se que a amostra 6
com temperatura de revenimento de 400°C
apresentou uma menor variabilidade, em
comparação às demais.
XIII Encontro Latino Americano de Iniciação Científica e
IX Encontro Latino Americano de Pós-Graduação – Universidade do Vale do Paraíba
Dureza HRC
60
55
50
45
40
35
30
25
20
2 4 6 8 10
Origem da medição (mm)
Figura 5– Gráfico de Dureza x Temperatura de
Revenimento.
200 ο
C
250 ο C
300 ο C
350 ο
C
400 ο C
450 ο
C
500 ο C
550 ο
C
600 ο C
650 ο
C
Para análise do nosso estudo verificamos
também a porcentagem de martensita em cada
faixa de temperatura de revenimento conforme
mostra a Figura 6. O resfriamento rápido em aços
pode conduzir a formação de uma fase não
prevista no diagrama de equilíbrio, a martensita.
No aço, uma fase metaestável composta por ferro
que está supersaturada com carbono e que é
produto de uma transformação sem difusão
(atérmica) da austenita (WILLIAM D. CALISTER,
JR.).
3

Porcentagem de Martensita Retida
80.0
70.0
60.0
50.0
40.0
30.0
20.0
10.0
0.0
200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
Temperatura °C
Figura 6- Gráfico de Temperatura x Porcentagem
de Martensita.
Discussão
Como observado nas Figuras 2, Figura 3 e
Figura 4 pode-se notar uma maior quantidade de
martensita em temperaturas inferiores de
revenimento Os grãos passam a ter um formato de
agulhas, fase da martensita, enquanto as demais
regiões representam a austenita que não se
transformou durante o processo de resfriamento
rápido da têmpera.
Com o revenimento houve a formação da
martensita revenida que pode ser tão dura e
resistente quanto a martensita, porém com a
dutilidade e a tenacidade melhoradas.
Martensita Martensita revenida
(TCC, monofásica) => (fase α + Fe3C)
Desta forma a dureza e a resistência são
obtidas pela grande quantidade de contornos de
que existem entre a ferrita e a cementita.
Os valores aferidos com ensaio de dureza nas
faixas de temperaturas determinadas de
revenimento, validam os resultados conseqüentes
da alteração significativa dos grãos.
Assim, observou-se que o aço SAE 4340 reagiu
de forma positiva após a têmpera, com aumento
da dureza, comprovado pelas análises
metalográficas que mostraram o refinamento dos
grãos.
Conclusão
A norma interna de especificação de buchas e
pinos de fixação, relatava grande faixa de durezas
que variavam entre 28 à 44 HRC. Durante a
análise em campo desses pinos e buchas, a
dureza encontrada foi de aproximadamente de 55
HRC. Esta dureza apresenta uma porcentagem
elevada de martensita que ficou por volta de 72%.
Com essa quantidade de martensita, o material
possue elevada dureza, porém, muito frágil que
acarreta em falhas catastróficas. Com isso foi
sugerida uma revisão da norma interna com a
finalidade de tornar o material tenaz. A revisão
solicitada, seria para realizar o tratamento térmico
de revenimento com a faixa de temperatura de
400°C que vai fornecer uma dureza média de 44
HRC, com 61% de martensita (fase escura), ferro
α + cementita (fase clara) Figura 3, conforme
realizado no trabalho.
Com este procedimento vamos obter peças
com excelente resistência mecânica e também
uma boa dutilidade, ideal para não ocorrer
quebras no processamento desses ferramentais.
Agradecimentos
Agradecemos ao laboratório de Microscopia
Eletronica de Varredura da Universidade do Vale
do Paraiba UNIVAP – IP&D, pela realização da
microscopia das amostras deste artigo.
Referências
- TORRES, M.A.S.; VOORWALD, H.J.C.; An
evaluation of shot peening, residual stress and
estress relaxation on the fatique life of AISI 4340
steel. International Journal of Fatigue 2002; pag.
877-886; vol 24.
- Souza, C.R; NASCIMENTO, P.M.; VOORZALD,
H.J.C.; PIGATIN, W.L. Análise de fadiga, corrosão
e desgaste abrasivo do cromo duro
eletrodepositado e revestimento de carbeto de
tungstênio por HVOF no aço ABNT 4340, 2002,
Projeçoes, v.19/20, p.59-69, Jan./Dez. 2001/2002.
- CALLISTER Jr, William D. Ciência e Engenharia
de Matérias 5° Edição – Rio de Janeiro: LTC
Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 2002.
- Fernandes, Prof.Braz – Ciências do Materiais-
Material didático Fundação das Universidades
Portuguesas, disponível em
http://bfsecmet.no.sapo.pt/new-www/ , Acesso em
março de 2009.
XIII Encontro Latino Americano de Iniciação Científica e
IX Encontro Latino Americano de Pós-Graduação – Universidade do Vale do Paraíba
4