DeterminaçÃo da fraçÃo volumétrica de austenita retida em aços 43xx por microscopia óptica



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CARACTERIZAÇÃO DE UM AÇO AISI/SAE 4340 COM DIFERENTES CONDIÇÕES MICROESTRUTURAIS

R. A. Barros1*; A.J. Abdalla1,2 ; H.L. Rodrigues1,3 ;M.S. Pereira1



1UNESP, Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá - Av. Dr. Ariberto Pereira da Cunha, 333, 12.516-410 – Guaratinguetá – SP - Brazil

greensleeves@uol.com.br

2IEAv/DCTA, Instituto de Estudos Avançados, 12.231-970, São José dos Campos, SP, Brazil

3FATEC, Faculdade de Tecnologia de Pindamonhangaba, 12455-010,

SP, Brazil


RESUMO



Os aços 4340 são classificados como aços de ultra-alta resistência usados pela indústria aeronáutica e aeroespacial em aplicações como trens de pouso de aeronaves e em várias aplicações estruturais, normalmente na condição temperado/revenido. Nesta condição ocorre redução da tenacidade, o que torna interessante o estudo de estruturas bainíticas ou multifásicas, buscando manter a resistência sem perda acentuada de tenacidade. Neste trabalho, comparou-se a estrutura ferrítica-perlítica (do material como fornecido) com as estruturas bainítica e a martensítica, obtidas pelo convenientes tratamentos térmicos e identificadas por meio dos reagentes Nital, LePera e Metabissulfito de Sódio. Ensaios de desgaste por deslizamento do tipo pino/disco foram feitos, e os resultados relacionados à microestrutura destes materiais, bem como às suas durezas. Notou-se que estas diferentes microestruturas tiveram comportamento bastante semelhante, concluindo-se que os três pares ensaiados podem ser usados de acordo com o nível de solicitação.
Palavras-chave: AISI/SAE 4340, caracterização microestrutural, desgaste por deslizamento, pino disco.

1. INTRODUÇÃO

O aço SAE 4340 é usado comercialmente desde 1955 como um aço de alta resistência. Atualmente, esse material é empregado em aplicações estruturais críticas nas indústrias aeroespacial e de energia nuclear (1). É um material que combina profundo endurecimento (alta temperabilidade) com alta ductilidade, elevada resistência e razoável tenacidade, além de apresentar boa soldabilidade. Possui alta resistência à fadiga, e é frequentemente empregado em condições severas, sujeitas a cargas altas (2,3). Este aço ultra-resistente pode atingir valores na ordem de 1900 MPa, quando devidamente temperado e revenido.

A microestrutura resultante da transformação de fase tem um papel fundamental na obtenção das propriedades mecânicas dos aços, principalmente os de alta resistência tratados termicamente, na maior parte das vezes, por têmpera e revenimento(5,6). Os constituintes dos aços são conhecidos, como a ferrita, perlita, bainita, martensita e austenita. Na prática, a microestrutura resultante dessa transformação pode ter uma só fase, como por exemplo, martensita ou bainita, ou pode ser mista, contendo duas ou mais fases. Combinações destas estruturas são responsáveis por atribuir diferentes características ao material(7).

Na caracterização dessas microestruturas são empregadas várias técnicas de ataque químico. Neste trabalho, foi utilizada a técnica de tríplice ataque (as amostras foram submetidas aos reagentes: Nital, LePera e Metabissulfito de Sódio.

A convencional metalografia dos aços ao carbono é realizada com o reagente Nital (solução de ácido nítrico em álcool etílico), na concentração de 2 a 10%, revelando os contornos de grão da ferrita(4). Neste tipo de ataque identificam-se os tons de cinza, sendo que a tonalidade cinza clara caracteriza a presença de ferrita e de austenita retida, enquanto a cor cinza escura identifica a martensita e a bainita.

O ataque químico LePera é composto em partes iguais, por duas soluções: Metabissulfito de Sódio com concentração de 1% diluído em água e ácido pícrico em concentração de 4% diluído em álcool, aplicados em aços multifásicos de alta resistência. Tem por finalidade revelar ferrita com tonalidade castanho-amarelada, bainita preta ou marrom escura e martensita com a austenita retida, na cor branca.

Reagentes à base de Metabissulfito de Sódio são enquadrados no conceito de reagentes Tint Etchings, os quais formam um fino filme químico sobre a superfície da amostra, que revela diferentes colorações entre as fases sob a interferência da luz branca do microscópio óptico. O ataque químico com reagente Metabissulfito de Sódio 10 % tem por finalidade identificar a austenita retida presente na microestrutura(1). Nesta técnica metalográfica, o ataque químico com solução aquosa de 10% de metabissulfito é utilizado para revelar a austenita retida em tonalidade clara ou branca, enquanto as demais fases aparecem em tonalidade escura.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
Os materiais utilizados neste trabalho foram o aço SAE 4340 (disco), cuja composição química em peso é 0,39%C, 0,01%S, 0,08%P, 0,23%Si, 0,67%Mn, 0,83%Cr, 1,73%Ni e 0,26%Mo, e a liga bronze alumínio 630 (pino) com dureza 228HB e composição 9,48%Al, 69,63%Cu, 0,0037%Ag, 6,93%Fe, 4,72%Ni, 0,019%Co e 1,5%Mn.

Além do disco construído com o aço com o mateiral fornecido, outros dois discos foram tratados termicamente, sendo o primeiro temperado/revenido e o segundo austemperado.

Para identificar as fases presentes nestas três condições, utilizou-se a técnica de tríplice ataque. O primeiro reagente, o Nital, esteve em contato por fricção com a superfície da amostra por um tempo entre 10 e 12 segundos. Já a aplicação do reagente LePera foi realizada por imersão da amostra na solução, durante um tempo de aproximadamente 20 segundos. Por fim a ação do Metabissulfito de Sódio, também por imersão, durou de 15 a 20 segundos.

A verificação do comportamento ao desgaste de deslizamento, dos pares pino de bronze com disco de aço como fornecido, bronze/bainítico e bronze/martensítico, deu-se por meio do ensaio pino/disco no tribômetro do laboratório de tribologia do Departamento de Materiais e Tecnologia da FEG/Unesp. Os parâmetros usados para estes ensaios foram: velocidade de 0,5 m/s, carga de 5 N, umidade relativa do ar próxima a 50% e diâmetro da pista de 55,5 mm.

Os materiais dos discos foram submetidos aos ensaios de dureza Rockwell C.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Nesta primeira etapa são apresentados e discutidos os resultados obtidos no trabalho experimental de metalografia, sob um aspecto qualitativo, referente à identificação das fases constituintes do material e observações morfológicas dessas estruturas, através dos ataques químicos realizados.

O ataque químico com reagente Nital revelou imagens em tons de cinza. Na Figura 1 são apresentadas fotomicrografias ópticas ilustrando a microestrutura das amostras nas três condições de tratamento térmico. A microestrutura do material como fornecido (Fig.1a) apresenta nas áreas escuras uma mistura de fases mais resistentes e enriquecidas de carbono (perlita, bainita e martensita); as áreas claras constituem a ferrita e a austenita. Na Fig. 1b, a área escura apresenta predomínio de bainita, devido ao tratamento de austêmpera e na Fig. 1c destaca-se a fase escura, a martensita.






(a)

(b)

(c)

Fig. 1 – Fotomicrografia do aço SAE 4340 revelado com Nital: (a) como fornecido, (b) bainítico e (c) Aço martensítico. (Ampliação 500 x).

O ataque com reagente LePera mostrou-se eficiente para a identificação da bainita na coloração marrom escuro e, do constituinte formado pelas fases martensita e austenita retida, observadas em tonalidade clara. Comparando as três condições, observa-se que na micrografia do aço como recebido (Fig. 2a) há a presença de bainita, em menor proporção. Na Fig. 2b há um aumento acentuado da área desta fase. Na Fig. 2c observa-se um grande aumento do consituinte M.A. (martensita/austenita), tornando a imagem generalizadamente mais clara.






(a)

(b)

(c)

Fig. 2 – Fotomicrografia do aço SAE 4340 revelado com LePera: (a) como fornecido, (b) bainítico e (c) Aço martensítico. (Ampliação 1000 x).

Na Fig. 3 estão representadas as fotomicrografias dos ataques com Metabissulfito de Sódio nas amostras. Observa-se a austenita retida com morfologia poligonal, caracterizada pelas regiões brancas. Em comparação com a Fig. 3a, é possível perceber, tanto para o material submetido ao tratamento bainítico da Fig.3b e o material que sofreu tratamento de têmpera da Fig. 3c, a diferença na morfologia da fase martensítica, apresentando-se em forma acicular, como conseqüência do efeito do cisalhamento que caracteriza essa transformação.






(a)

(b)

(c)

Fig. 3 – Fotomicrografia do aço SAE 4340 revelado com Metabissulfito de Sódio: (a) como fornecido, (b) bainítico e (c) Aço martensítico. (Ampliação 1000 x).

Sabe-seque o processo de preparação de amostras para análise metalográfica é extremamente sensível a diversas variáveis(4), Neste trabalho percebeu-se que a etapa do ataque químico é bastante suscetível à temperatura de realização do ataque, à proporção dos reagentes químicos e seu período de armazenagem, ao tempo de exposição, ao modo como a amostra foi atacada e à umidade relativa do ar.

Na Tab. 1 são apresentados os valores obtidos por meio do ensaio de dureza Rocwell C, em que se percebe um sensível aumento nos valores, tomando como referência o material como fornecido, seguido pelo material submetido ao tratamento bainítico e por fim, como resultado da transformação martensítica, maiores valores de dureza para o material que passou pelo tratamento de têmpera seguido de revenimento. Estes valores podem ser justificados pela diferença das fases presentes em cada microestrutura: a estrutura com predominância martensítica tem dureza mais elevada que a bainítica, e esta é mais dura e resistente que a estrutura ferrítica-perlítica.
Tab.1 – Valores de dureza Rockwell C (HRC) para as três condições dos discos.

Medidas


1

2

3

4

5

Média

Desvio Padrão

como fornecido

34,0

36,0

36,0

35,0

36,0

35,4

0,9

Bainítico

40,0

41,0

38,0

40,0

41,0

40,0

1,3

Martensítico

49,0

49,0

49,0

49,0

49,0

49,0

0,0

Os resultados do desgaste por deslizamento dos pares pino/disco, apresentados na Fig. 4 e representados pelos valores relativos aos pinos evidenciam uma semelhança de comportamento para as três condições dos discos. Devido comportamento é possível inferir que cada um dos três pares ensaiados pode ser usado de acordo com o nível de solicitação, ou seja, quando da necessidade de alta resistência mecânica, indica-se o material na condição martensítica, para uma maior ductilidade, o ferrítico/perlítico e no caso de solicitações intermediárias, onde busca-se aliar resistência e tenacidade, a microestrutura bainítica.






Fig. 4 – Curvas relativas aos desgastes dos pinos contra os discos de aço SAE-4340 como recebido (ferritíca/perlitica), bainítico e martensítico.



4. CONCLUSÕES

Com relação à caracterização microestrutural via microscopia óptica do aço SAE 4340, seja para a condição do material fornecido como para o material submetido aos tratamentos térmicos, observa-se que as técnicas de ataque químico com o reagente Nital permitem identificar as fases duras (martensita, bainita ou perlita) com tonalidade escura e a ferrita e austenita retida com tonalidade clara. O reagente LePera mostrou-se eficiente para a identificação da fase bainita (marrom mais escuro) e do constituinte M.A. (tons claros), formado pelas fases martensita e austenita retida.

O reagente Metabissulfito de Sódio possibilitou a identificação da austenita retida de forma isolada, aparecendo nas imagens com tonalidade branca.

Confirmando as expectativas quanto aos efeitos dos tratamentos térmicos, os ensaios de dureza Rockwell C apresentaram valores mais elevados para a estrutura com predomínio da fase martensítica, valores intermediários para a estrutura predomínio bainítico e valores menores para a estrutura onde há a presença de ferrita (como fornecido).

Da semelhança de comportamento ao desgaste por deslizamento para as três condições dos discos, conclui-se que cada um destes pares pode ser usado de acordo com o nível de solicitação.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao CNPq, ao CTA/IEAv, à FATEC de Pindamonhangaba e ao Departamento de Materiais e Tecnologia da FEG/UNESP.

REFERÊNCIAS

1. ABDALLA, A. J. ; ANAZAWA, R. M. ; PEREIRA, M. S. ; HASHIMOTO, T. M. Efeitos dos Tratamentos Intercríticos e Isotérmicos sobre as Propriedades Mecânicas e a Microestrutura do aço 300M. 2006, p. 93-97, Bauru – SP. Revista Brasileira de Aplicações de Vácuo.

2. SOUZA, R. C. Estudo do comportamento em fadiga do aço ABNT 4340 revestido com carbeto de tungstênio pelo sistema HVOF/HP. 1998, 158p, Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá, FEG/UNESP, Guaratinguetá,

3. PRADO, J. S. A., Tratamento térmico e tenacidade de aços 300M e Maraging 300. 1990, Dissertação (Mestrado em Engenharia Aeronáutica e Mecânica) – Instituto Tecnológico de Aeronáutica, ITA/CTA, São José dos Campos,

4. SOUZA, G. A. Caracterização microestrutural de um aço médio carbono e baixa liga (com estrutura bainítica/martensítica) via microscopia óptica. 2008, 161p, Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá, FEG/UNESP, Guaratinguetá,

5. CABALLERO, I.G., BHADESHIA, H.K.D.H., Design of novel high strength bainite steel. Materials Science Forum. Switzenland, v.426, p.1337-1342, 2003.

6. CRETTEUR, L., KONUK, A.I. Heat treatments to improve weldability of new multiphase high strength steels. Materials Science Forum, v.426, p.1225-1230, 2003.

7. MONDAL, D.K., DEY, R.M. Effect of grain size on the microstructure and mechanical properties of C-Mn-V dual-phase steel. Material Science and Engineering, A, nº149, p.173-181, 1992.


CHARACTERIZATION OF A AISI/SAE 4340 STEEL IN DIFFERENT MICROSTRUCTURAL CONDITIONS

ABSTRACT

The 4340 are classified as ultra-high strength steels used by the aviation industry and aerospace applications such as aircraft landing gear and several structural applications, usually in quenched and tempered condition. In this situation occurs reduction of toughness, which encourages the study of multiphasic and bainític structures, in order to maintain strength without loss of toughness. In this study, ferritic-pearlitic structure was compared to bainitic and martensitic structure, identified by the reagents Nital, LePera and Sodium Metabisulfite. Sliding wear tests of the type pin-on-disk were realized and the results related to the microstructure of these materials and also to their hardnesses. It is noted that these different microstructures had very similar behavior, concluding that all three tested pairs can be used according to the request level.


Keywords: AISI/SAE 4340, microstructural characterization, sliding wear, pin-on- disk.

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