ESTUDO COMPARATIVO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DO AÇO 4340 SUBMETIDO AO TRATAMENTO TÉRMICO POR TÊMPERA

REGISTRO DOI: 10.69849/revistaft/cs10202411081523

Juan Polidorio Celestino¹
Mariana Bazeth Silva²
João Vitor de Souza Boechat³
Jarilson de Souza Silva⁴

RESUMO: Este estudo compara as propriedades mecânicas do aço AISI 4340 após ter sido submetido ao tratamento térmico por têmpera, a uma temperatura de 950°C. Foram realizados dois ensaios de tração, um com o corpo de prova ainda sem o tratamento térmico e outro após a realização do mesmo. Também foram medidas a dureza do material antes e após o tratamento térmico. A partir dos resultados obtidos foi possível traçar o gráfico tensão-deformação onde puderam ser notadas as diferenças nos valores de tensão e deformação sofridas pelo material devido à têmpera e alteração na dureza do material como indicado nas tabelas.

Palavras-chaves: Têmpera, ensaios de tração, propriedades mecânicas.

ABSTRACT: This study compared the mechanical properties of steel AISI 4340 after being subjected to heat treatment by tempering at a temperature of 950 ° C. Pull two tests, one with the body of evidence still without heat treatment and another after performing the same were performed. They were also measured the hardness of the material before and after heat treatment. From the results, wechat stress-strain, which could be noticed differences in strain values and deformation suffered by the material due to quenching and change in hardness of the material as indicated in the tables.

Keywords: Quenching, tensile testing, mechanical properties.

1. INTRODUÇÃO

O aço é o material mais versátil das ligas metálicas, sendo produzido em grande variedade de tipos e formas, para atender eficazmente a uma ou mais aplicações. Essa variedade decorre da necessidade de ininterruptas adequações dos produtos, às exigências do mercado que pede aplicações específicas, sejam elas nas mudanças das propriedades mecânicas, na composição química, ou até mesmo na forma final do material (CENTRO BRASILEIRO DE CONSTRUÇÃO EM AÇO, 2014).

O Aço 4340, Aço carbono ao Cromo-Níquel-Molibdênio (Villares VM-40) é uma liga de aço mais resistente que o aço carbono comum. Os elementos da liga melhoram a resposta do aço ao tratamento térmico (temperado e revenido) e possibilitam maior resistência mecânica.

De acordo com a ABNT/AISI 4340, o aço 4340 é tido como um aço estrutural para construção mecânica e materiais onde se precisa de uma homogeneidade na dureza ao longo da seção transversal. Possui como característica ser um aço próprio para beneficiamento com elevada temperabilidade e resistência à fadiga. Abaixo segue a tabela de composição química para o aço 4340.

Tabela 1: Composição química para o aço AISI 4340

Fonte: ABNT/AISI 4340

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 TRATAMENTO TÉRMICO

O tratamento térmico é um processo controlado de aquecimento e resfriamento aplicado a materiais metálicos, como aços e ligas metálicas, com o objetivo de alterar suas propriedades físicas e mecânicas. Esse processo é utilizado para melhorar as características do material, como sua dureza, resistência, ductilidade e tenacidade, tornando-o mais adequado para determinadas aplicações.

De acordo com Chiaverini (2005) tais tratamentos térmicos podem ser descritos por ciclos de aquecimento e resfriamento, sob condições controladas de temperatura, tempo, atmosfera e velocidades de aquecimento e resfriamento, com o objetivo de alterar as 16 propriedades de certos materiais metálicos, conferindo-lhes características determinadas e causando modificações em suas microestruturas sem que haja mudanças na forma do produto.

Para o maior domínio sobre o processo de tratamento térmico é necessário conhecer a curva Tempo-Temperatura-Transformação (TTT) para o material. Tal curva ajuda a prever os microconstituintes do material e suas transformações de fase, sendo possível achar qual será a dureza do material após o ciclo térmico.

A Figura 1 mostra o efeito de deslocamento na curva TTT pela presença dos elementos de liga no aço AISI 4340, estes elementos provocam o retardo do início das 17 transformações perlíticas e bainíticas. Isto pode ser explicado de maneira simplificada pelo fato de que a difusão lenta destes elementos inicialmente dissolvidos na austenita, para permitir a nucleação das outras fases a partir da mesma, atrasa a transformação (CARVALHO, 2012).

Figura 1- Diagrama de tensão-deformação do aço 4340

Fonte: Voort (1991)

2.2 AÇOS

Os aços possuem grande aplicabilidade na indústria e suas propriedades mecânicas conferem aos componentes a capacidade de suportar as mais diversas condições de serviço, sendo de suma importância para diferentes setores da engenharia. Quando submetidos aos tratamentos térmicos, os aços permitem que suas propriedades físicas e mecânicas sejam modificadas de acordo com a necessidade de cada projeto, fazendo assim que ele se torne altamente reciclável, sendo uma escolha sustentável em termos ambientais. Ao ser fundido não perde suas propriedades mecânicas, contribuindo para a conservação de recursos naturais e a redução de resíduos.

Alguns aços são classificados de acordo com a sua concentração de carbono, quais sejam, os tipos com baixo, médio e elevado teor de carbono. Existem também subclasses dentro de cada grupo, de acordo com as concentrações de outros elementos de liga. Sendo assim, os aços comuns ao carbono contêm apenas concentrações residuais de impurezas além do carbono e de um pouco de manganês. Já no caso dos aços-liga, mais elementos de liga são adicionados intencionalmente em concentrações específicas (CALLISTER, 2002).

O aço possui a grande vantagem de ter suas características alteradas mediante tratamentos térmicos adequados combinados a um baixo custo. Para Chiaverini (2005) tais tratamentos são muito utilizados a fim de otimizar as propriedades físicas e mecânicas dos aços por operações de aquecimento e/ou resfriamento para se obter requisitos microestruturais para estágios intermediários do processo de produção, assim, como para aplicações em produtos finais.

2.2.2 AÇO 4340

O aço AISI 4340 é amplamente utilizado na indústria para a fabricação de diferentes componentes e sistemas mecânicos. Por ser considerado um aço de ultra alta resistência à tração, combina resistência e tenacidade sendo utilizado em elementos estruturais críticos que requerem grandes solicitações.

Suas aplicações vão desde a indústria automobilística, petrolífera e de construção naval até a fabricação de elementos estruturais críticos para veículos espaciais e trens de pouso de aeronaves. Utilizado em aplicação de 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 ferramentas que são utilizados para construção e montagem das aeronaves (TORRES e VOORWALD, 2002)

Devido à sua resistência à corrosão, o 4043 é frequentemente empregado na fabricação de barcos, navios e outras estruturas marítimas onde a exposição à água salgada é uma preocupação.

Tornando também uma escolha popular para a fabricação de tanques de armazenamento de produtos químicos, recipientes de transporte e outros recipientes que exigem durabilidade em ambientes corrosivos.

O aço AISI 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. Em decorrência de sua alta temperabilidade, não é aconselhável a sua aplicação em soldagem por métodos convencionais, somente em 11 processos sofisticados.

2.3 PROPRIEDADES MECÂNICAS DO AÇO 4340

Vamos abordar como as propriedades mecânicas da liga de aço 4043 desempenham diferentes trabalhos.

2.4 Usinagem

A usinagem é mais bem realizada com esta liga nas condições recozida ou normalizada e temperada. O aço 4340 pode ser usinado por todos os métodos convencionais.

Entretanto, nas condições de alta resistência de 200 ksi ou mais, a usinabilidade é de apenas 25% a 10% da liga na condição recozida.

2.5 Forjamento

O forjamento deve ser realizado na temperatura mínima de 900ºC e máxima de 1220º.

2.6 Soldagem

A soldagem do aço 4340 na condição endurecida e temperada (como normalmente fornecida) não é recomendada e deve ser evitada. Isso porque há perigo de trincas, pois as propriedades mecânicas serão alteradas na zona afetada pelo calor da solda.

Se for necessário realizar a soldagem, aqueça previamente de 200ºC a 300°C e mantenha-a durante a soldagem. Imediatamente após o esforço de soldagem, alivie de 550ºC a 650°C, antes do endurecimento e revenimento.

2.7 Trabalho a frio

Esse aço também pode ser trabalhado a frio, na condição recozida, por métodos e ferramentas convencionais. Apresenta boa ductilidade (maleabilidade).

3- TÊMPERA

A têmpera é um tratamento térmico aplicado ao aço para aumentar sua dureza e resistência, tornando-o mais adequado para aplicações onde são exigidas propriedades mecânicas superiores. Este processo envolve o aquecimento do aço a uma temperatura elevada, seguido por um resfriamento rápido para “travar” a estrutura cristalina do material em uma forma metaestável, conhecida como martensita. A martensita é uma fase extremamente dura e resistente, resultante do resfriamento rápido, mas também pode ser bastante frágil.

A têmpera é amplamente utilizada na indústria para produzir peças de aço com alta resistência e dureza, como ferramentas de corte, engrenagens, eixos, molas e componentes de máquinas. É um processo fundamental para garantir a qualidade e o desempenho das peças sujeitas a cargas e condições de trabalho severas.

A têmpera, como os outros tratamentos térmicos, é constituída por três fases: o aquecimento, o estágio à temperatura de têmpera e o resfriamento. O aquecimento do aço visa uma austenitização total (aços hipoeutetoides) ou parcial (aços hipereutetoides) 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 (FERNANDES, 2020).

Para que tenhamos uma têmpera bem-sucedida deveremos levar em conta vários fatores. Primeiramente, a velocidade de resfriamento deve ser o suficiente para impedir a transformação da austenita nas temperaturas mais elevadas, em qualquer parte da peça que se deseja endurecer. Sendo assim, as dimensões das peças a serem temperadas constituem um fator importante pois podem determinar diferenças de esfriamento entre a superfície e o centro. Vale ressaltar que em peças pequenas ou de pequena espessura a diferença é desprezível. O mesmo, no entanto, não ocorre com peças de grandes dimensões, no centro das quais a velocidade de esfriamento é menor do que na superfície, resultando em estruturas de transformação mistas (CHIAVERINI, 2005).

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, portanto, para a correção de tal problema é realizado o tratamento térmico de revenimento (FERNANDES, 2020).

A temperatura de austenitização do aço AISI 4140 e AISI 4340 é em torno de 843°C (VOORT, 1991). Respeitando-se a geometria dos corpos de prova desenvolvidos e visando uma distribuição uniforme de temperatura, deve-se utilizar um tempo de patamar de 1 hora para cada 25mm de espessura do componente. Cabe ressaltar que as temperaturas acima de 950°C resultam no aumento do tamanho de grão austenítico causando perda de tenacidade do aço (RASMA, 2015).

4- DUREZA

A dureza de um material é uma medida de sua resistência à deformação plástica, ou seja, à capacidade de resistir a riscos, indentações, abrasão e outros tipos de deformação permanente. É uma propriedade mecânica fundamental que pode variar significativamente de um material para outro e é influenciada por fatores como composição química, estrutura cristalina, processamento e tratamento térmico.

Apesar das diversas definições, um material com grande resistência à deformação plástica permanente também terá alta resistência ao desgaste, alta resistência ao corte e será difícil de ser riscado, ou seja, será duro em qualquer uma dessas situações (CHANG et al., 1976; LAI; LIM, 1991).

5- ENSAIO DE TRAÇÃO

O ensaio de tração é um dos testes mais comuns e fundamentais realizados para avaliar as propriedades mecânicas dos materiais. Ele é amplamente utilizado na indústria para determinar como um material se comporta quando submetido a forças de tração uniaxial, ou seja, quando é puxado em direções opostas ao longo de seu eixo longitudinal. Esse tipo de teste fornece informações importantes sobre a resistência e a deformabilidade do material, bem como sua capacidade de suportar cargas antes da ruptura.

A tensão é calculada de forma aproximada (tensão de engenharia) pela divisão da carga aplicada pela área inicial da seção útil do corpo de prova. A tensão verdadeira se difere da tensão de engenharia para os materiais metálicos, em virtude do empescoçamento do corpo de prova, que causa um aumento na resistência a partir do encruamento.

Já a deformação de engenharia, pode ser determinada a partir da medição do aumento no comprimento total do corpo de prova, enquanto a deformação real é medida instantaneamente com o uso de um extensômetro.

Para os materiais dúcteis, como algumas ligas metálicas e a maior parte dos polímeros, o corpo de prova apresenta elevada deformação plástica e estricção, enquanto para os materiais frágeis, principalmente representados pelas cerâmicas, a deformação plástica é quase nula, ocasionando na fratura frágil do corpo de prova.

O Ensaio de Tração tem como objetivo a determinação das propriedades de limite de resistência à tração, módulo de elasticidade (Young), tensão e deformação de escoamento e tensão e deformação de ruptura, entre outras. Essas propriedades são obtidas a partir do gráfico tensão de formação do material.

6- ENSAIO DE DUREZA

Para Garcia, Spim e Santos (2012), o ensaio de dureza se enquadra como ensaio destrutivo, que é aquele que provoca a inutilização parcial ou total da peça.

Ele é um tipo de teste mecânico utilizado para determinar a resistência de um material à deformação plástica ou à penetração de um penetrador específico. Esse teste é comumente realizado em metais, mas também pode ser aplicado a outros materiais, como plásticos e cerâmicas.

A definição de dureza usada na indústria, pode ser definida como a capacidade de um material resistir à penetração ou deformação permanente quando em contato com um penetrador sob carga. Geralmente, um teste de dureza consiste em pressionar um penetrador de geometria e propriedades mecânicas conhecidas no material de teste. A dureza do material é quantificada usando uma de uma variedade de escalas que indicam direta ou indiretamente a pressão de contato envolvida na deformação da superfície de teste. Como o penetrador é pressionado no material durante o teste, a dureza também é vista como a capacidade de um material resistir a cargas de compressão (ASM HANDBOOK, 2000).

O ensaio de dureza é amplamente utilizado em todos os segmentos da indústria. Ele pode ser utilizado para contemplar uma série de objetivos, dentre eles: Controle de qualidade, seleção de materiais, análise de tratamento térmicos, que é o nosso caso, prevenção de falhas, entre outros.

O ensaio de dureza é um dos métodos de inspeção mais simples e amplamente utilizados. O ensaio de dureza Rockwell é indicado para peças usinadas e acabadas, onde aplica-se sobre a peça ensaiada um penetrador com forma, carga e dimensões determinadas (CAMPBELL, 2013)

7- MATERIAIS E MÉTODOS

Neste trabalho foi proposta uma metodologia para fazer um estudo COMPARATIVO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DO AÇO 4340 SUBMETIDO AO TRATAMENTO TÉRMICO POR TÊMPERA

O fluxograma da Figura 2 apresenta os procedimentos que foram executados nesta pesquisa:

Figura 2: Fluxograma dos procedimentos realizados na pesquisa.

Corpo de prova:

Para a realização do ensaio de tração foram utilizados dois corpos de prova de Aço AISI 4340 confeccionados conforme a norma ASTM com comprimento da área útil de 37 mm, diâmetro da seção transversal de 6,2 mm e área útil de 30,19071 mm².

Figura 3: Corpos de prova de Aço AISI 4340.

Máquina de ensaio de tração:

Fabricante Kratos; v1.0; Série: K; Capacidade Máxima: 100 KN de força na tração.

Figura 4: Máquina de tração Kratos.

Forno:

Forno Mufla Digital Microprocessado com 1 rampa e 1 patamar; Dimensões 30x15x15cm; Modelo SP-1200DM/F; 220 volts.

Figura 5: Forno elétrico Mufla.

Durômetro de Bancada:

Fabricante Digimess; Pré-carga de 3 ou 10Kgf; Cargas de 15 – 30 – 45 – 60 – 100 – 150

31,25 – 62,5 – 187,5Kgf; Padrão de dureza HRC (na faixa de 60-65HRC).

Figura 6: Durômetro de bancada Digimess. (1)

Inicialmente foi realizado o ensaio de tração e dureza no corpo de prova de aço SAE 4340, ainda sem o tratamento térmico. Posteriormente prosseguiu-se o tratamento por têmpera no segundo corpo de prova para a realização de novos ensaios de tração e dureza. O corpo de prova foi submetido a um aquecimento a 950ºC durante 90 minutos e resfriado imediatamente após a saída do forno em uma solução de água, sal e gelo. A partir do tratamento térmico, um novo ensaio de tração foi realizado obtendo-se novos resultados para o material, prosseguiu-se também um novo ensaio de dureza.

RESULTADOS

A partir dos dados obtidos nos ensaios de tração e da utilização das equações (1) e (2), foi possível traçar um gráfico comparativo de tensão-deformação entre a condição inicial do aço AISI 4340 e após o tratamento por têmpera.

Figura 7: Gráfico comparativo de tensão-deformação entre o Aço AISI 4340 na condição inicial e o Aço AISI 4340 temperado.

Os dados fornecidos diretamente pelo software da máquina de ensaio de tração foram agrupados em forma de tabela.

Tabela 2: Dados fornecidos pelo software da máquina de ensaio de tração Kratos para o Aço AISI 4340 na condição inicial e para o Aço AISI 4340 temperado.

Com os dados obtidos na realização dos ensaios de dureza foi elaborada uma tabela comparativa com os valores encontrados.

Tabela 3: Tabela comparativa entre o Aço AISI 4340 na condição inicial e o Aço AISI 4340 temperado.

A partir dos dados obtidos no ensaio de tração (Tabela 2) pode-se calcular outros parâmetros como mostrado abaixo:

∙ Resiliência, utilizando-se a equação (3):

∙ Tenacidade, utilizando-se a equação (4):

Tabela 4: Agrupamento de resultados

CONCLUSÃO

O Aço AISI 4340 pode ser considerado um aço com elevada temperabilidade por conter entre 0,37% e 0,43% de carbono em sua composição. Foi possível observar essa característica ao ser realizado a comparação entre a dureza do material em sua condição inicial e após o tratamento térmico por têmpera onde o material apresentou a dureza inicial no valor médio de 21 HRC e após o tratamento o valor médio de dureza subiu para 55,67 HRC, representando um valor aproximadamente 165,1% maior quando comparado ao inicial.

REFERÊNCIAS

BEER, F. P. Resistência dos Materiais. 3ªed. São Paulo: McGraw Hill, 2006.

CALLISTER Jr., W. D. Ciência e Engenharia dos Materiais, uma Introdução. 7ª Edição. Rio de Janeiro: Guanabara, 2008.

ASTM A370, Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products, ASTM International, 2007.

Bertene, L. (2024) Propriedades do Aço SAE AISI 4340, Tratamento Térmico, equivalente, GR, COMPRACO. Acesso: https://compraco.com.br/blogs/especificacoes-do aco/propriedades-do-aco-sae-aisi-4340-tratamento-termico-equivalente-grafico-de-dureza densidade-usinabilidade (Acesso em: 15 de junho de 2024).

LUZ, Gelson. Aço SAE 4340 Propriedades Mecânicas. Blog Materiais, [s. l], 2017. Disponível em: https://www.materiais.gelsonluz.com/2017/10/aco-sae-4340-propriedades mecanicas.html (Acesso em: 10 de junho de 2024).

Bruck, A. (2023a) Ensaio de tração: Como É Feito e quais Suas Funções, c2Lab. Acesso: https://c2lab.com.br/blog-ensaio-de-tracao/ (Acesso em: 21 de junho de 2024).

¹Universidade Redentor, Graduando em Eng. Mecânica, Itaperuna-RJ, juancelestino.eng@gmail.com – UniRedentor
²Universidade Redentor, Graduanda em Eng. Mecânica, Itaperuna-RJ, marianabazethsilva10@gmail.com –UniRedentor
³Universidade Redentor, Esp., Professor de Eng. Mecânica, Itaperuna-Rj, joao.boechat@uniredentor.edu.br. Professor Orientador – UniRedentor
⁴Universidade Redentor, Professor de Engenharia Mecânica, Itaperuna-RJ, jarilson.silva@uniredentor.edu.br. Professor Coorientador – UniRedentor