trabalho grau B final

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<p>CURSO SUPERIOR DE ENGENHARIA MECÂNICA</p><p>BRUNO EDUARDO LUCHESE</p><p>ANÁLISE METALOGRÁFICA AÇO AISI H13</p><p>Caxias do Sul</p><p>2022</p><p>10</p><p>1 INTRODUÇÃO</p><p>O presente trabalho traz uma liga metálica com características diferentes, mas</p><p>que se adapta perfeitamente no mercado de trabalho. É um aço que é bastante</p><p>utilizado na área industrial, devido suas propriedades de alto nível, dentre as que</p><p>se destacam, pode-se mencionar a combinação de dureza e resistência a fratura.</p><p>Na engenharia é fundamental o conhecimento das propriedades dos metais</p><p>para realizar a seleção do material conforme a aplicação. Portanto, é de suma</p><p>importância conhecer o material que será utilizado e juntamente realizar testes</p><p>de qualidade, como ensaios para analisar a microestrutura, estrutura e</p><p>composição do aço para que possa atender a expectativa desejada no projeto.</p><p>2 PROBLEMATIZAÇÃO</p><p>O aço AISI H13 possui uma combinação de propriedades, principalmente na</p><p>exposição à altas temperaturas, fazendo com que o mesmo possa ser utilizado</p><p>nas mais diversas áreas da metalurgia como por exemplo: matrizes de forjamento</p><p>e moldes.</p><p>Como forma de estudo das propriedades químicas do material, o autor do</p><p>artigo com orientação do professor Vinicius de Freitas Paz, submetemos o</p><p>material AISI H13 a um ensaio metalográfico, com intuito de observar o</p><p>comportamento da microestrutura após realização dos testes, analisando</p><p>resultados obtidos.</p><p>Como podemos aproveitar todas as propriedades que o aço AISI H13</p><p>proporciona, para aplicação de seu projeto?</p><p>3 OBJETIVO GERAL</p><p>O presente trabalho tem como objetivo de abordar as características e</p><p>propriedades mecânicas do AISI H13, bem como sua classificação, composição</p><p>e aplicações no ramo da metalurgia. Além de avaliar como um tratamento térmico</p><p>possa modificar a microestrutura do material, adquirindo propriedades</p><p>11</p><p>melhoradas como a perda de características devido ao processo de tratamento</p><p>térmico.</p><p>3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS</p><p>Para alcançar o objetivo proposto incialmente do estudo, o trabalho foi</p><p>segmentado nos seguintes objetivos:</p><p>• Identificar e apresentar a importância do aço AISI H13 no mundo da</p><p>engenharia e metalurgia, bem como suas vantagens e características.</p><p>• Realizar um ensaio metalográfico a fim de analisar a microestrutura do</p><p>material, constituição e propriedades químicas e físicas.</p><p>4 JUSTIFICATIVA</p><p>O estudo proposto para este trabalho é demonstrar que existem diversos</p><p>tipos de aplicabilidade do aço AISI H13, que são de dever do engenheiro ou</p><p>projetista tomar o conhecimento desses materiais para seus projetos e</p><p>aplicações. Pois é de suma importância que o profissional que atue na área</p><p>da engenharia tenha cada vez mais conhecimento sobre os aços que são</p><p>empregados em seus projetos, para que possa ser aplicado de forma correta</p><p>minimizando possíveis erros de projetos no seu desenvolvimento.</p><p>O aço puramente bruto possui características limitadas, com o avanço da</p><p>tecnologia no ramo da metalurgia foi necessário desenvolver métodos para</p><p>modificar os materiais conforme a necessidade da indústria, por isso existem</p><p>inúmeros meios e equipamentos para realizar o processo de tratamento</p><p>térmico em aços. Alterando propriedades químicas e mecânicas para adequar</p><p>cada vez mais a necessidade do mercado, onde se procura aços de alta</p><p>resistência mecânica, tenacidade e ductibilidade.</p><p>Como forma de evidenciar o estudo, foi aplicada a uma amostra do aço</p><p>AISI H13 nas dimensões de 20 milímetros de largura e 20 milímetros de</p><p>comprimento ao um ensaio metalográfico, que possui o intuito de avaliar após</p><p>12</p><p>todos os processos de lixamento e tempera os resultados obtidos,</p><p>comparando o material bruto com o material tratado.</p><p>Assim mostrando como os tratamentos térmicos podem modificar os aços,</p><p>agregando características que proporcionem propriedades melhoradas</p><p>ampliando a área de aplicação, como inúmeras formas de aplicação. Pois</p><p>atualmente no mundo industrializado, grande parte dos bens materiais há</p><p>aplicação de aços, como por exemplo edificações, semáforos e por fim nosso</p><p>smartphone.</p><p>5 REFERENCIAL TEÓRICO</p><p>O aço H13 é um material para trabalho a quente com uma excelente</p><p>combinação entre dureza e resistência à fratura, com a manutenção destas</p><p>propriedades até aproximadamente 600°C, é um material que possui elevada</p><p>resistência a choques térmicos e a trincas por fadiga térmica devido sua alta</p><p>tenacidade à quente (VICENTE, 2010). Os aços ferramentas em geral são</p><p>ligas Fe-C com adição de elementos de liga formadores de carbonetos, como</p><p>o vanádio, tungstênio, cromo, molibdênio e entre outros. Como o próprio nome</p><p>sugere, tais aços são aplicados na fabricação de ferramentas de corte,</p><p>dobramento, moldes, matrizes e qualquer outra ferramenta capaz de</p><p>transformar um material em uma peça de uso bem definido.</p><p>Abaixo são destacadas características de suma importância que o material</p><p>precisa apresentar:</p><p>• Dureza a temperatura ambiente: propriedade bastante importante visto</p><p>que a dureza da ferramenta ou matriz deve ser superior à dureza da peça</p><p>sobre a qual será exercida a estampagem ou qualquer outro processo de</p><p>conformação (VICENTE,2010).</p><p>• Resistência ao desgaste: se trata de um requisito muito importante em</p><p>virtude de o desgaste ocasionar falhas em muitos tipos de ferramentas, há</p><p>alguns fatores que afetam essa propriedade como: a composição do aço,</p><p>a suscetibilidade do aço em endurecer por encruamento a superfície, a</p><p>resistência mecânica do aço e outros fatores que o material também está</p><p>13</p><p>submetido como: o calor gerado no processo, tipos de operação, tipo de</p><p>lubrificante (VICENTE,2010).</p><p>• Temperabilidade: um requisito indispensável se tratando de um aço H13</p><p>justamente para se conseguir maior penetração de dureza e garantia da</p><p>uniformidade na seção. Para seções superiores a 25mm é mais difícil</p><p>garantir a uniformidade da tempera na seção principalmente em seu</p><p>núcleo, mas adicionando elementos de liga a tendência é diminuir a</p><p>diferença de dureza entre a superfície e o centro (VICENTE,2010).</p><p>• Tenacidade: característica que seja deseja obter em qualquer tipo de aço</p><p>aplicado a ferramentas e matrizes, uma vez que é necessário absorver</p><p>uma grande quantidade de energia em uma determinada operação sem</p><p>romper. Dessa forma para uma melhor performance no quesito tenacidade</p><p>é necessário que o aço passe pelo processo de revenimento em</p><p>temperaturas elevadas contribuindo para uma elevada tenacidade</p><p>(VICENTE,2010).</p><p>• Resistência Mecânica: elevada resistência mecânica é indispensável para</p><p>aços ferramentas já que os mesmos devem apresentar capacidade de</p><p>suportar esforços estáticos sem o aparecimento de falhas ou deformação</p><p>permanente, exige-se para esses materiais altos valores para os limites</p><p>elástico e de escoamento (VICENTE,2010).</p><p>• Dureza a quente: característica altamente importante em certos tipos de</p><p>aços e matrizes, principalmente quando utilizados em processos de</p><p>conformação a quente como forjamento e laminação, essa propriedade</p><p>ajuda o material a garantir sua dureza quando submetidos a trabalhos em</p><p>elevadas temperaturas evitando seu desgaste prematuro e garantindo sua</p><p>forma e dimensões. A composição química é um dos elementos</p><p>importantes para assegurar a dureza a quente destes aços</p><p>(VICENTE,2010).</p><p>Nos últimos anos, o desenvolvimento dos aços ferramentas foi direcionado</p><p>principalmente para a melhoria na produtividade dos processos e para o</p><p>surgimento de novas vias de produção (GABARDO, 2008; SOARES JUNIOR,</p><p>2006).</p><p>14</p><p>5.1 TÊMPERA EM AÇOS FERRAMENTA</p><p>O tratamento térmico de têmpera consiste em arrefecer controladamente</p><p>um aço desde o seu estado austenítico, de tal modo que se consiga evitar a</p><p>transformação da austenita em ferrita ou cementita mais perlita, dando lugar</p><p>preferencialmente</p><p>à transformação em martensita. A temperabilidade é um</p><p>conceito importante a reter na medida em que pode ser definida como a</p><p>previsão da profundidade de endurecimento numa dada peça, estabelecendo</p><p>uma relação entre o aço com o qual foi produzida e as condições do</p><p>tratamento térmico. Uma microestrutura diz-se temperada quando apresenta</p><p>50% ou mais de martensita (MIGUEL FARIA 2006).</p><p>A severidade de têmpera varia significativamente quando se muda o meio</p><p>de arrefecimento, se no mesmo meio mudarmos a temperatura e a agitação</p><p>por exemplo, as severidades muito elevadas originam distorções, tensões</p><p>residuais e até mesmo fratura, em alguns casos. O tratamento térmico é capaz</p><p>de afetar a maioria dos metais, principalmente no quesito das ligas ferrosas e</p><p>aços de liga, onde seu principal objetivo é alcançar um contínuo</p><p>desenvolvimento e aperfeiçoamento das características do material em si.</p><p>5.2 MEIOS DE RESFRIAMENTO AÇOS FERRAMENTA TEMPERADOS</p><p>Existem vários tipos de óleos para tratamento térmico: convencionais, de</p><p>arrefecimento acelerado e de têmpera em banho quente. A natureza do óleo,</p><p>a temperatura e a agitação a que ele opera dependem da operação que se</p><p>requer. O óleo utilizado no decorrer do trabalho experimental foi do tipo</p><p>convencional. É o tipo de óleo mais simples e económico. As leis de</p><p>arrefecimento que óleos deste tipo proporcionam não são muito rápidas.</p><p>5.3 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS</p><p>No laboratório de ciência dos materiais, realizou-se a primeira etapa,</p><p>começamos o processo cortando 2 pedaços de amostra menores do bloco de</p><p>aço H13 que trouxemos para a aula prática. O processo foi realizado na</p><p>15</p><p>cortadora metalográfica. Após o corte das amostras, foi levado à oficina, para</p><p>realizar a têmpera de uma das nossas amostras. O processo foi realizado com</p><p>a ajuda de um maçarico, da morsa, de um pedaço de retalho o tubo de</p><p>“ensaio” foi fixado com a ajuda de uma morsa na bancada para realizar o</p><p>processo. Depois da peça ser aquecida em torno de 15 minutos, atingindo</p><p>aproximadamente 900°C, de acordo com a tabela de cores, onde atingiu a</p><p>tonalidade laranja.</p><p>Depois de realizado a têmpera na segunda amostra, retornamos ao</p><p>laboratório, onde realizamos a análise metalográfica na amostra bruta,</p><p>conforme iremos demonstrar na análise de resultados. Então pegou-se a</p><p>amostra temperada, e embutimos na embutidora metalográfica junto com o</p><p>material de Baquelite, para obtermos a amostra embutida. Objetivo do</p><p>processo era aquecer a amostra com baquelite na embutidora metalográfica</p><p>até atingir 180°C e então reduzir até 50°C para liberação da amostra, todo</p><p>esse processo foi controlado manualmente à uma pressão que variava de 100</p><p>a 150 Kg.f/cm. Após obtermos a amostra embutida, fomos para a lixadeira</p><p>metalográfica manual de 4 pistas, onde realizamos o processo de lixamento</p><p>da superfície, onde foi utilizado 6 lixas diferentes, começando com as mais</p><p>grossas e indo então para as mais refinadas, a sequência utilizada foi: P80,</p><p>P220, P320, P400, P600 e P1200.</p><p>Após processo de lixamento concluído, limpamos nossa amostra com</p><p>água corrente, e então levamos a “Capela”, um espaço com exaustão onde</p><p>fomos realizar o ataque químico. O ataque químico foi realizado com a</p><p>solução de Nitral 3%, 97% álcool.</p><p>O processo do ataque químico foi basicamente o mergulho da amostra na</p><p>solução por aproximadamente 2 minutos, porém o ataque não foi eficaz,</p><p>conforme será informado nos resultados.</p><p>6 CONCLUSÃO</p><p>Para apresentação e análise dos resultados, vamos mostrar os valores</p><p>encontrados via análise metalográfica e a análise microscópica, feita em um</p><p>aumento de visão de 50x e de 100x.</p><p>16</p><p>A medição de dureza foi realizada no equipamento chamado de Durômetro,</p><p>em que a peça era posicionada na base e a ponteira deslocava conforme local</p><p>da peça em que estava sendo analisada.</p><p>Uma pressão então era aplicada via alavanca na lateral da máquina e os</p><p>valores eram consultados na tela, conforme mostram os anexos a seguir (Figura</p><p>11).</p><p>Figura 11: Medição de dureza realizada nas amostras de aço H13.</p><p>FONTE: Os Autores.</p><p>A metalografia foi realizada em 2 amostras, sendo uma delas em seu estado</p><p>bruto e a outra temperada, visto que a bruta foi medida em escala Brinell (HRB),</p><p>analisada com uma esfera de aço 1/16”, enquanto a amostra temperada foi</p><p>medida em escala Rockwell (HRC), analisada com uma ponteira de diamante à</p><p>120°. A tabela 1 mostra os resultados de dureza encontrados:</p><p>17</p><p>Análise do Durômetro</p><p>Obs.: 1° medição foi descartada nos testes.</p><p>AMOSTRA BRUTA (HRB) TEMPERADA (HRC)</p><p>1° PONTO 56,5 60</p><p>2° PONTO 58 56</p><p>3° PONTO 57 58</p><p>4° PONTO 57 59</p><p>MÉDIA DUREZA 57,13 58,25</p><p>Tabela 1: Valores de dureza encontradas na medição de alguns pontos da amostra</p><p>FONTE: Os Autores.</p><p>Diante desses resultados pode-se concluir que o aço escolhido é de ótima</p><p>qualidade quando analisado o quesito dureza, pois segundo recomendação do</p><p>fabricante (Figura 12) a dureza esperada para este aço é 54 HRC sendo que no</p><p>experimento obteve-se uma dureza média de 58 HRC superando o especificado</p><p>pelo fabricante.</p><p>Figura 12: Especificações para tratamento térmico do aço da</p><p>amostra.</p><p>FONTE: Ficha técnica material EM ANEXO.</p><p>Esses resultados ficam mais claros quando se analisa a curva de</p><p>revenimento onde observa-se um pico de dureza entre 57 e 58 HRC deste</p><p>material (Figura 13). Na aula prática não realizamos esse processo, mas</p><p>independentemente disso se obteve um ótimo resultado de dureza, levando em</p><p>conta que não se pode controlar a temperatura de têmpera com precisão durante</p><p>a aula prática.</p><p>18</p><p>Figura 13: Curva de Revenimento para aço H13.</p><p>FONTE: Ficha técnica material EM ANEXO.</p><p>Ao observar o gráfico 1, percebe-se que a média de dureza permaneceu</p><p>em aproximadamente 58 HRC nesse aço, sendo possível atribuir uma excelente</p><p>dureza para trabalhos a quente deste material, como por exemplo em um</p><p>forjamento onde é submetido a grandes esforços durante a estampagem e outros</p><p>processos de conformação.</p><p>19</p><p>Gráfico 01: Médias de dureza encontradas em uma amostra de aço H13</p><p>FONTE: Os autores.</p><p>Antes de mostrar os resultados obtidos no microscópio, levantamos junto</p><p>ao professor que o ataque químico não surgiu o efeito esperado no material, por</p><p>se tratar de um aço H13, a solução utilizada deveria ser outra mais forte.</p><p>Outro ponto que atrapalhou a análise dos grãos do material, foi o processo</p><p>de corte das amostras, em que não se foi respeitado o sentido transversal, sendo</p><p>a mesma cortada no sentido longitudinal.</p><p>As imagens foram realizadas no Microscópio, e os resultados seguem</p><p>abaixo (Figuras 14, 15 e 16):</p><p>, 5 5</p><p>6</p><p>5</p><p>8</p><p>5</p><p>7</p><p>5</p><p>7</p><p>1</p><p>3</p><p>, 5</p><p>7</p><p>6</p><p>0</p><p>5</p><p>6</p><p>5</p><p>8</p><p>5</p><p>9 2</p><p>5</p><p>, 5</p><p>8</p><p>, 5 5</p><p>5</p><p>5</p><p>6</p><p>5</p><p>6</p><p>, 5</p><p>5</p><p>7</p><p>5 , 5</p><p>7</p><p>5</p><p>8</p><p>5 , 5</p><p>8</p><p>5</p><p>9</p><p>, 5</p><p>9</p><p>5</p><p>6</p><p>0</p><p>, 6</p><p>0</p><p>5</p><p>0 1 2 3 4 5 6</p><p>PONTOS DA AMOSTRA</p><p>DUREZA AMOSTRA H13</p><p>20</p><p>Figura 14: Amostra bruta, aumento de 50x.</p><p>FONTE: Os autores.</p><p>Figura 15: Amostra bruta, aumento de 100x.</p><p>FONTE: Os autores.</p><p>21</p><p>Figura 16: Amostra temperada, aumento de 100x.</p><p>FONTE: Os autores.</p><p>Como podemos observar nas imagens acima, da amostra bruta para a</p><p>amostra temperada, houve diferenças na estrutura cristalina do material.</p><p>Podemos também observar um átomo de carbono na imagem da amostra</p><p>temperada, em seu aumento de 100x.</p><p>7. CONSIDERAÇÕES FINAIS</p><p>O aço AISI H13 é um material muito utilizado na indústria para fabricação de</p><p>ferramentas de injeção e estampo a quente por sua resistência e durabilidade e</p><p>foi muito interessante conhecer um pouco suas características principais.</p><p>No presente trabalho foram utilizados conhecimentos vistos durante o</p><p>semestre na disciplina de Materiais e Tratamentos Térmicos. Foi possível utilizar</p><p>as técnicas de análise metalográfica desde o embutimento até a visualização da</p><p>microestrutura das amostras no microscópio.</p><p>Foi possível conhecer a técnica de tratamento térmico, mesmo que, de forma</p><p>bem improvisada, pois não possuímos no nosso laboratório um forno adequado</p><p>para controlar o tempo e a temperatura do processo.</p><p>22</p><p>Mesmo aplicando todas as etapas de lixamento e polimento, ao atacar as</p><p>amostras com o Nitral, não conseguimos visualizar com clareza os grãos da</p><p>estrutura. Provavelmente o produto químico não seja o adequado para utilizar</p><p>com o aço AISI H13. Também não foi possível ter precisão na dureza alcançada</p><p>pós-tratamento térmico, pois o equipamento não permitia uma conversão</p><p>confiável da escala HRB para a HRC.</p><p>Para futuros ensaios será necessário maior tempo de preparação das</p><p>amostras e insumos apropriados para análises de aços nobres, porém, para fim</p><p>de aprendizado inicial foram muito relevantes os resultados obtidos.</p><p>8 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS</p><p>1 - PACIORNIK, Sidinei. Fundamentos de Engenharia de Materiais.</p><p>Departamento de Engenharia de Materiais.</p><p>2 - CHIAVERINI, Vicente. Tecnologia Mecânica. 2. Ed. Volume III. São Paulo,</p><p>Makron Books do Brasil Editora Ltda.</p><p>3 - GABARDO, J. F. Estudo da tenacidade do aço ferramenta H13. 2008. 71f.</p><p>Dissertação do Mestrado (Engenharia Mecânica) Curitiba: Universidade</p><p>Federal do Paraná, 2008.</p><p>4 - SOARES JUNIOR, E. Efeito do tratamento térmico na microestrutura e nas</p><p>propriedades mecânicas de aços-ferramentas para trabalho a frio. 2006. 100f.</p><p>Dissertação de mestrado (Tecnologia Nuclear - Materiais) São Paulo: Instituto</p><p>de Pesquisas Energéticas e Nucleares, 2006.</p><p>5 - VALES, S. Dos Santos. Estudo da influência do tratamento criogênico no aço</p><p>AISI H13. 2010. 107f. Dissertação do mestrado (Engenharia de materiais). São</p><p>Paulo: Universidade de São Paulo, 2010.</p>