CORRELAÇÃO NUMÉRICA DA LIGA DE AÇO ABNT 1045 TREFILADO E TRATADA TERMICAMENTE

1. Resumo:

Com o aumento da qualidade das pesquisas, a velocidade de fabricação e o custo dos produtos trefilados são beneficiados além de ter a suas propriedades aprimoradas, para isto no processo de trefilação equações são desenvolvidas para aumentar a qualidade do produto sendo associado ao tratamento térmico para o aço ter as propriedades ideais para sua aplicação. A estrutura e a propriedades mecânicas, são fatores influenciados pela estrutura cristalina que por suas vez constituem as grãos, podendo ser distintos com a determinação da orientação da estrutura em estudo. Através da micrografia a estrutura é visualizada para análise. O tratamento térmico por indução é comparado através de correlação numérica e gráfica com tratamento térmico em forno, com o ensaio de dureza e ensaio de tração correlacionado com a temperatura, propriedades mecânicas, tensões residuais e distância que é realizado o experimento no corpo de prova. Como análise à estrutura não homogenia, os resultados são diferentes a cada posição que for testado o corpo de prova. Neste estudo o aço ABNT1045 é tratado termicamente abaixo da linha A1 do gráfico ferro-carbono, contudo a liga de aço contém elementos químicos residuais. Com tempo de resfriamento em função da temperatura faz-se análise da curva formada no gráfico TTT, sendo o momento da trancisção das fases. O tratamento térmico por indução dura poucos segundos portanto à possibilidade de simulação do percurso de fabricação de produtos trefilados seguidos de tratamento térmico como método automático todavia este método encontra empecilhos por o aquecimento do aço não ser uniforme por conta da distribuição de corrente no indutor causado por fenômenos eletromagnéticos.

Palavras-chave: Aço; propriedades mecânicas; microestrutura.Belo Horizonte, 2020.

2. Introdução

Com o avanço tecnológico a densidade dos materiais em proporção a sua resistência são aprimorados, assim o tratamento térmico, a microestrutura e propriedades mecânicas são fatores influenciados pela estrutura cristalina que é formada em metais por cadeias repetitivas que por sua vez constituem os grãos, podendo ser estudados determinando a orientação que as fases se encontram.

A trefilação é um processo de conformação mecânica que pode ser associado ao tratamento térmico ao se associar ao processo um dispositivo que emite ondas eletromagnéticas para aquecimento por indução, assim produzindo aço ou derivados de trefilação de forma contínua, ou seja, de forma automática utilizando controlador lógico programável, isto se torna viável por que o aquecimento por indução é rápido durando poucos segundos. A temperatura e o tempo de aquecimento e a forma de resfriamento depende das propriedades mecânicas e a microestrutura que se deseja obter.

Neste procedimento o metal passa pela fieira e tem seu comprimento aumentado e sua espessura reduzida seguindo a equação 2.4 (Dieter 2003) Soares 2012, o coeficiente de atrito pode ser descrito pela lei de Coulomb segundo a equação 2.6 Soares 2012, e a viscosidade é definida seguindo a equação 2.7 (Simões 2017), segundo o trabalho de Nunes 2008 utiliza-se menores ângulos de fieira para maximixar o processo de conformação assim a energia necessária para a trefilação do aço deve-se diminuir. Sendo possível relacionar o atrito e ângulo da fieira na equação 2.1 Sachs, (Soares 2012), o parâmetro delta se relaciona se relaciona com o ângulo formado no cone e o círculo em que o metal é processado, podendo ser descrito na equação 2.5 DIERTER (1981) (Soares 2012).

3. Referenciais teóricos

3.1. Tratamento térmico

No tratamento térmico de têmpera, a temperatura varia acima da linha A3 (gráfico ferro-carbono) sendo aproximadamente a 800º a 900ºC e resfriada forma rápida com jatos de água, polímero, óleo ou água com sal, para se usurpar de forma rápida calor do material confeccionado, assim se obtém a estrutura martensítica, contudo a estrutura não é uniforme variando do seu exterior para o interior do material. Este processo faz com que a peça adquira resistência mecânica e elevada dureza, a ductilidade é prejudicada, costuma-se após este procedimento acompanha-lo do revenido que é o aquecimento abaixo da linha A1, onde a temperatura varia entre 100 ºC a 600 ºC para se obter a martensíta revenida que mais tenaz do que a martensíta, assim o aço se torna mais dúctil e com menos tensões internas.

O recozimento é realizado com o aquecimento inferior a linha A1, variando com temperaturas entre 600 e 740 ºC, com resfriamento em ar, neste procedimento se obtém mais ductilidade e tenacidade na conformação do aço, a sua estrutura dependerá do teor de carbono, podendo variar do interior para o exterior. O procedimento térmico de normalização atinge temperaturas entre 830 a 915 ºC, a temperatura ultrapassa a linha A3, a forma de resfriamento também é em ar e visa obter uma homogeneização da microestrutura do aço. Araujo 2013 concluiu que o recozimento diminui os valores das propriedades mecânicas do aço com o aumento do tempo e temperatura do forno de envelhecimento.
Segundo Chiaverini 2012 Recozimento é o tratamento térmico realizado com fim de alcançar um ou vários dos seguintes objetivos: remover tensões devidas aos tratamentos mecânicos a frio ou a quente, diminuir a dureza para melhorar a usinabilidade do aço, alterar as propriedades mecânicas como resistência ductilidade etc., modificar as características elétricas e magnéticas, ajustar o tamanho do grão, regularizar a textura bruta de fusão, remover gases, produzir uma microestrutura definida, eliminar enfim os efeitos de quaisquer tratamentos térmicos ou mecânicos a que o aço tiver sido anteriormente submetido.

O aquecimento eletromagnético também pode ser usado para alívio de tensões, que tem temperatura inferior a linha A1, variando de 100 a 600º C, o metal pode ser resfriado em ar, a diferença para o revenido que não tem a têmpera como tratamento térmico anterior, neste tratamento resulta em um diminuição das tensões internas que são oriundas do processamento mecânico de conformação do metal, aumentado a ductilidade e tenacidade consequêntemente a qualidade do aço.

3.2. Aquecimento por indução

Devido a vários fenômenos eletromagnéticos, a distribuição de corrente dentro de um indutor e de uma peça não é uniforme. Esta não uniformidade causa um perfil de temperatura também não uniforme na peça. Uma distribuição de corrente não uniforme pode ser causada por vários fenômenos eletromagnéticos, principalmente, pelos efeitos superficiais, de proximidade de anel. (Oliveira 2002) Ferreira 2014.

A profundidade da penetração do campo magnético é relacionada seguindo a expressão 2.8, e segundo ferreira 2014 está equação pode-se descrever o efeito superficial, sendo que para aços a profundidade de penetração é 500 f¹/².

3.3. Microestrutura

Tratando o metal termicamente, a transformação da austenita em outras fases ocorre por difusão, e cisalhamento, listando esses processos, a difusão ocorre em menor tempo e resume-se na reorganização das partículas e acentua-se que lacuna de fato a microestrutura não estaciona, já o processo de cisalhamento é rápido e ocorre apenas a deformação da rede cristalina.

No estudo feito por Favalessa 2006* a liga de aço ABNT 1045 foi tratada termicamente de diferentes formas, a amostra tida como testemunha teve como microestrutura resultante perlita fina e ferrita. Semelhante a está, a amostra normatizada resfriada no ar também teve como resultante a perlita fina e ferrita. No processo de recozimento, quando a amostra foi resfriada no forno obteve-se perlita e ferrita. Quando resfriada em água e tendo passado pelo processo de têmpera obteve-se a microestrutura martensita. Sendo submetida ao revenido a 300 ºC, 450 ºC, 600 ºC a microestrutura resultante foi martensita revenida. Quando está passou pelo procedimento de revenido a 700 ºC a microestrutura resultante foi esferoidita. Este trabalho teve como consideração que os resultados obtidos são válidos apenas para as condições, amostra e equipamentos utilizados.

Observando a pesquisa acima, no resfriamento lento do aço, a austenita se decompõe nas fases perlita e ferrita, Segundo Silva 1953 " a perlita não é uma fase e sim uma mistura de duas fases, ferrita e cementita, que ocorrem sob forma de lamelas paralelas". Ainda segundo Silva "A ferrita forma-se por difusão e sua morfologia varia da forma equiaxial em resfriamentos lentos para Ferrita Acicular em resfriamentos bruscos". Todavia o aço resfriado de forma rápida a estrutura  martensítica é observada, lacuna de fato de que um aço bifásico se encontra mais de uma estrutura, está forma-se por cisalhamento e pode também ser encontrada em forma de ripas ou agulhas, outro fator para a formação destas é o teor de carbono assim como os demais elementos químicos. Determinadas fases são previstas no gráfico ferro-carbono assim como nos gráficos TTT.

Silva 1953, Posteriormente, Honeycombe {1} observou que o crescimento da perlita ocorria tanto por ramificações como por crescimento lateral, e que os nódulos perlíticos eram nucleados a partir da ferrita ou da cementita.

A análise metalográfica do estudo de Nunura 2009, teve os seguintes resultados: o temopar posicionado em 1,6 mm e 3,2 mm observou-se uma estrutura matensítica com morfologia em forma de ripas. Na posição 4,8 mm observa-se a estrutura baínitica com algumas colônias de perlita num fundo martensítico. Na posição 6,4 mm observa-se a formação da estrutura ferrita e perlita todavia segundo o autor estas não são as únicas constituíntes, segundo o mesmo pode haver a presença de martensita. Nas posições 9,6 mm e 12,7 mm a estrutura é predominantemente perlítica - ferritica. Assim o aço testado é formado por mais de uma fase sendo que a formação destas depende da distância próxima a superfice à extremidades do corpo de prova.

No estudo realizado por Nunura 2009 utilizou-se as curvas de temperatura, tempo e transformação e o ensaio Jominy além da metatalografia para estudar o aço  ABNT 1045. Neste estudo realizado em temperatura de 800 ºC, 850 ºC, 900 ºC e com o temopar em diferentes posições, tendo o aumento da posição do temopar observa-se a diminuição da taxa de resfriamento. Observa-se que em 3,2 mm e temperatura de 850ºC apresenta uma menor taxa  de resfriamento assim como na distância 12,7 mm apresentou uma menor taxa de resfriamento que nas respectivas temperaturas de posições do temopar. Segundo Nurura 2009, apartir de determinada posição no corpo de prova, as taxas de resfriamento tendem a praticamente de se igualarem, independete da temperatura de austenitização. Para observar a formação da estrutura utiliza-se as curvas de temperatura, tempo e transformação, também conhecidas como TTT. As curvas de resfriamento experimentais obtidas apartir do aço ABNT 1045, realizadas no estudo de Nunura 2009, tem-se como análise do gráfico que quanto menor a posição do temopar maior o joelho da curva, este representa o zona de transcição de fases.

A corrosão é a perda de massa em função do tempo através da interação eletroquímica entre o metal e o eletrolito, em metais inoxidadeveis ocorre na microestrutura, o tratamento térmico é um fator para determinante para sua taxa de oxidação, entretanto em aços carbonos comuns à forma que ele é tratado termicamente não influência a corrosão. Monnerat* Neste estudo o aço ABNT 1045 foi tratado termicamente, experimentalmente no forno murfla, os procedimentos térmicos foram de têmpera, recozimento e normatização, para corroer o aço utilizou-se o ácido H2SO4 e a base NaOH, e concluiu-se que o tratamento térmico não influência a corrosão do aço pesquisado.

3.4. Propriedades Mecânicas

Quando uma carga é aplicada em determinado material tende a deforma-lo no sentido em é aplicado, se este retornou ao estado de origem ele passou pelo comportamento elástico, neste processo a deformação e a tensão são proporcionais, está deformação é macroscópica assim ocorrem pequenas alterações no espaçamento interatômico. A rigidez do material é medida através do módulo de elasticidade, sendo o patamar elástico maior quando o valor deste módulo diminuir, podendo ser definido como a força de interação entre os átomos assim este módulo é relacionado aos elementos químicos e estrutura cristalina. Está propriedade é inversamente proporcional à temperatura assim quanto maior for à temperatura menos rígida é o material

Todavia se o aço deformado não retorna ao estado de origem este passa pelo comportamento plástico. Comparado o aço tratado termicamente, no ensaio de tração as propriedades mecânicas podem ser quantificadas, a quantidade máxima de tensão que uma peça pode absorver antes da sua fratura define sua tenacidade. A ductilidade de dois metais é comparada através da zona plástica sendo que o metal dúctil tem este patamar maior assim poderá se deformar mais antes de sua ruptura. Segundo Hibbler* "o módulo de tenacidade é calculado através da área inteira do gráfico tensão vs deformação", o alongamento percentual é medido tendo como parâmetro a deformação da amostra. Segundo Souza 2009 "dureza é a resistência à deformação plástica", assim o metal com maior dureza é aquele que se deforma menos plasticamente. O comportamento de um metal quando é exposta a determinada carga pode evidenciar sobre suas propriedades mecânico sendo o aumento da deformação e o aumento na quantidade de tensão absorvida é um indicativo que a ductilidade e tenacidade da liga de aço foram aprimoradas.

Com adição de elementos de liga no aço este tem seu arranjo estrutural modificado como consequência suas propriedades, assim com a adição de carbono na liga tem-se melhoria nas propriedades mecânicas, todavia o carbono em excesso ou não dissolvido na estrutura do material faz com que ocorra a fragilização do aço. Por conta dessas características os aços são classificados em grupos, os com baixo teor de carbono que são os aços com C inferior a 0,2%, aços com médio teor de carbono com C entre 0,2 e 0,5%, e aços com alto teor de carbono com C acima de 0,5%. Podem-se citar também os ferros fundidos que tem teor de carbono superior a 2,11 %.

No estudo de Santos* o aço SAE 1045 foi comparado com SAE 1020 em um ensaio de tração e teve como resultado a influência do teor de carbono altera a microestrutura e propriedades mecânicas do aço, facilitando a formação de estrutura perlítica, fazendo com que o aço SAE 1045 absorva mais tensões antes de se deformar em comparação ao aço SAE 1020.

No estudo de Nunura 2009 A medida que a posição do temopar aumenta os valores de dureza são diminuidos isto na temperatura de austenitização de 800 ºC e 850 ºC, na temperatura 900 ºC ocorreu semelhante entretanto na posição de 3,2 mm houve um aumento de dureza ao invés de uma redução. Neste estudo, houve uma diminuição da taxa de resfriamento a medida que o temopar aumenta a distância de posicionamento, entre as temperaturas pesquisadas, isto acarreta um acrescimo na dureza do material a medida que o temopar se aproxima da extremidade do material.

No estudo feito por Gallo foi realizado a caracterização microestrutural, ensaio de tração e impacto para pesquisar a influência do tratamento térmico sobre a tenacidade do aço AISI 1045 e uma das conclusões foi de que a interação entre ferrita e martensíta possui influência na tenacidade do material assim como a concentração de carbono.

Os resultados mostraram que a interação entre ferrita e martensita, gerada na condição bifásica, possui forte influência nos resultados referentes à tenacidade, assim como a temperatura que o material foi ensaiado. Comparando-se três estruturas, comprova-se que a estrutura bifásica possui resistência mecânica e tenacidade mais elevadas que os aços temperados e revenidos, e tenacidade próxima a do aço com médio teor de carbono, sem tratamento térmico. (Gallo)

No estudo realizado por Stein 2005*, O tratamento térmico na liga de aço SAE 1045, teve como resultado em um aumento do alongamento e diminuição da dureza com o aumento do tempo de revenido, que ocorreu posterior a austenitização, assim o tempo de revenido é um dos resultantes na modificação da estrutura do grão e suas propriedades mecânicas.

Assim podemos discutir que a temperatura e a concentração de carbono são responsáveis pela fragilização do aço, assim a não somente a martensíta é uma das causadoras da excessiva dureza do aço. Relativo a temperatura tem-se que quando está aumenta tende à uma estabilização da tenacidade do material, e também que o aço com mais de uma fase é mais tenaz que o martensítico para em diferentes temperaturas. Outro resultado obtido por este mesmo autor é que o aço bifásico tem uma resistência mecânica melhor que em comparação com um aço com maior fração volumétrica de uma única fase observando uma maior tensão de escoamento e força de tração

4. Sugestão para experiência

Após o recebimento dos corpos de prova trefilados, uma parte destes devem ser tratados termicamente abaixo da linha A1 sendo o processo de alivio de tensões e recozimento, a comparação dos resultados do procedimento em forno com o tratamento térmico por emissão de ondas eletromagnéticas.

Os experimentos realizados sugeridos são, ensaio de tração nos corpos de prova. Ensaio de dureza do corpo de prova em regiões que vão em direção as extremidades do eixo transversal, Ensaio micrográfico em regiões próximo a superfície ao interior corpo de prova no eixo transversal. Análise das tensões residuais. Simulação através de sowftare verificando a possibilidade de trefilação seguida de tratamento térmico por indução de forma automática.

Objetivos:

Fazer uma analise das propriedades mecânicas, as quais são de dureza, alongamento, tenacidade, tensão de escoamento e tensão de ruptura. Verificar as tensões residuais do aço após o tratamento térmico. Analise da microestrutura

Fazer uma relação gráfica entre as propriedades obtidas com a forma que o aço foi tratado termicamente, comparando os resultados experimentais. Formar o gráfico do tempo de resfriamento e função da temperatura, para visualizar a transformação das fases. Com os resultados indicar graficamente a forma que o aço tratado termicamente obterá melhor resultado para sua aplicação. Comparação dos procedimentos térmicos em forno com o tratamento térmico por emissão de ondas eletromagnéticas graficamente e numericamente.

5. Sugestões para trabalhos futuros

Investigação do método de aquecimento por indução com o objetivo de produzir aço trefilado a quente de forma automática.

6. Referências Bibliográficas:

Aços Avançados de Alta Resistência: Microestrutura e Propriedades Mecânicas; Gorni, Antonio Augusto; 2009.

Aços e Ferros Fundidos; Vincente Chiaverini; 2012

Análise das tensões residuais no processo de trefilação considerando o processo de anisotropia; Soares, Carla Adriana Theis; 2012.

Análise de tensões residuais no processo de trefilação combinada do aço AISI 1048 Visando minimizar as tensões pós-processamento; Nunes, Rafael Mendes; 2008.

Análise do comportamento elasto-plástico de um aço AISI 1045 em baixas deformações; Dagnese, Juliana; 2012.

Araújo, Verônica Sousa de; Simulação numérica do empeno em barras trefiladas; 2015.

Avaliação da influência das condições de superenvelhecimento na microestrutura e propriedades mecânicas de um aço bifásico produzido por recozimento contínuo

Correlação numérico-experimental da microestrutura, taxa de resfriamento e caracteríticas mecânicas do aço ABNT 1045. Nurara César Rolando Nunura

Correlações numéricas entre taxa de resfriamento, microestrutura e propriedades mecânicas para o tratamento térmico do aço AISI/SAE 4140; Rebechi, João guilherme; 2011.

Efeito da rápida austenitização sobre as propriedades mecânicas de um aço SAE 1045; Stein, Cristiano Ramos; 2005.

Efeito do processamento criogênico na microestrutura e propriedades mecânicas do aço SAE M2 temperado e revenido; Eboni, Guilherme Angelo, 2010.

Ensaio de tração mecânica e análise metalográfica do aço SAE 1045; Santos, Paulo Barbosa dos; 2017.

Ensaio Mecânico de Materiais Metálicos: Fundamentos teóricos e práticos; Souza, Sérgio Augusto de; 2009.

Estudo da influência das temperaturas de austenitização na dureza dos aços AISI D6 e SAE 1045.

Estudo de distorção de barras cilíndricas de aço ABNT 1045 em uma rota de fabricação envolvendo trefilação combinada e têmpera por indução. Nunes; Rafael Menezes; 2012.

Estudo e avaliação do tempo de permanência a temperatura no tratamento térmico de têmpera do aço SAE 1045. Resultado.

Estudo e Avaliação do Tempo de permanência a temperatura no tratamento térmico de têmpera do aço SAE 1045; Trindade, Denisson R. 2017

Ferreira, Carlos Roberto; Tratamento Térmico por Indução Eletromagnética de Hastes de Aço SAE 1045 Para Sondagem Geológica; 2004.

Fundamentos da Ciência e Engenharia de Materiais; Jr, William D. Callister; 2014.

Influência da seção da peça na dureza do aço ABNT 1045 tratado termicamente por têmpera.

Influência de tratamento térmicos na microestrutura e propriedades mecânicas do aço SAE 4140; Carlos triveño rios; 2016.

Influência do tratamento térmico sobre a tenacidade de um aço AISI SAE 1045 com médio teor de carbono, avaliada por ensaio de impacto; Gallo, Giulliano batelochi; 2006.

Influência dos parâmetros de laminação a quente e tratamentos térmicos sobre a formação de estrutura perlítica heterogênea em aço ABNT 1045 para hastes de amortecedores; Botelho, Corrêa Ricardo; 2004.

Influência dos procedimentos de corte sobre as distribuições de tensões residuais em barras redondas trefiladas de aço ABNT 1045. Dias, Vinicius Wacher; 2013.

Lottermann, João Pedro Taborda; Análise Numérica e Experimental do Processo de Trefilação de Fios Aplicados a Cabos Condutores; 2017.

Microestrutura e propriedades do aço SAE 1045 tratado termicamente; Ferreira, Thiago; 2015.

O efeito da velocidade de deformação no ensaio de tração de um aço SAE 4340; Strohaecker, Telmo Roberto; 2013.

Pinto, Daniel Fraga; Velocidade de Trefilação e seu Efeito no Encruamento e no Acabamento Superficial de um aço SAE 1008;2016

Resistência dos Materiais/ Hibbeler; Russell Charles ; 2010.

Rodrigues, Alessandro Rogerio de Moraes; Melhoria no processo de trefilação de cobre;2013.

Silevira, Leonardo;Um breve histórico de Automação Industrial e Redes para Automação Industrial;2003

Silva, André Luiz V. da Costa e, 1953 Aços e ligas especiais; São Paulo: Edgard Blucher, 2006.

Simões, Roberto Mac Intyer; Fênomenos de trânsporte; 2017.

Simulação computacional para análise e minimização das tensões residuais no processo de trefilação; Souza, Tomaz Fantin de; 2011.

Soares, Carla Adriana Theis; Análise das Tensões Residuais no Processo de Trefilação Considerando a os Efeitos da Anisotropia; 2012.

Tratamento Superficial a Laser dos Aços AISI 1045 e AISI 4340: Transformações Microestruturais e Propriedades.

Tratamento térmico e de superfície; Machado, Izabel F.; 2002.

Tratamento térmico: Efeito da velocidade de resfriamento sobre as microestruturas dos aços ABNT 1045; Sagratzki, Norberto Lima;2006.