Os Tratamentos Térmicos

Prova 3 – TRATAMENTOS Térmicos – 10,0 pontos - 12/06/2022

 1. Uma peça cilíndrica em aço com 25,4 mm (1”) de diâmetro deve ser temperada em óleo sob agitação moderada. As durezas na superfície e no centro da peça devem ser de no mínimo 55 e 50 HRC, respectivamente. Qual(is) das seguintes ligas irão satisfazer estes requisitos: 1040, 5140, 4340, 4140 e 8640? Justifique detalhadamente sua resposta (Mostre os valores obtidos nas figuras usadas). Faça uma comparação entre os aços ligados e o aço comum ao carbono.

Inicialmente, deve-se calcular, para o centro e superfície, as distâncias Jominy equivalentes. Considerando que a barra possui um diâmetro de 25,4 mm, temos:

[pic 1]

Gráfico 1: Taxa de resfriamento em função do diâmetro em posições na superfície, a três quartos do raio (3/4R), na metade do raio (1/2R), e no centro, para barras cilíndricas temperadas com óleo sob agitação moderada. As posições Jominy equivalentes estão incluídas ao longo dos eixos inferiores. As linhas amarelas indicam os valores para a barra tratada.

Da análise do Gráfico 1, obtemos que o centro apresenta uma distância Jominy equivalente de aproximadamente 8,5 mm e a superfície apresenta uma distância equivalente de aproximadamente 4 mm. A partir dessas informações, pode-se usar o Gráfico 2 para determinar quais são as ligas com durezas no centro (linha amarela) acima de 50 HRC e na superfície (linha preta) acima de 55 HRC.

[pic 2]

Gráfico 2:  Curvas de temperabilidade para cinco aços diferentes, todos contendo 0,4 %p C. As composições (em %p) aproximadas das ligas são as seguintes: ABNT/SAE/AISI 4340 — 1,85 Ni, 0,80 Cr, e 0,25 Mo; ABNT/SAE/AISI 4140 — 1,0 Cr e 0,20 Mo; ABNT/SAE/AISI 8640 — 0,55 Ni, 0,50 Cr, e 0,20 Mo; ABNT/SAE/AISI 5140 — 0,85 Cr; enquanto o ABNT/SAE/AISI 1040 não é aço-liga.  

Dessa análise, obtém-se que os aços 4340, 4140 e 8640 apresentam dureza apropriada em seu centro, no valor de, respectivamente, 57  HRC,  55 HRC e 53 HRC, e os aços 4340, 4140, 8640 e 5140 apresentam dureza apropriada em sua superfície, no valor de, respectivamente, 57 HRC, 56 HRC, 56 HRC e 55 HRC (valores aproximados). Assim, obtém-se que os aços 4340, 4140 e 8640 são os únicos que atendem aos requisitos do projeto.

Por fim, vale analisar como os elementos de liga impactaram nesta decisão. Primeiramente, vê-se que todos os aços possuem o mesmo teor de carbono, portanto, as diferenças de dureza se devem aos elementos de liga utilizados. O aço 1040, que é comum ao carbono, possui durezas bem abaixo dos demais. Já entre os aços ligados, o único que não foi selecionado é o  aço 5140, que também é o único que apresenta somente um elemento de liga além do carbono (apenas cromo). Assim, pode-se concluir que a adição de diferentes elementos de liga aos aços, como cromo, molibdênio e níquel, elevam a dureza e melhoram a temperabilidade do material.

2. Uma peça cilíndrica em aço com 75 mm (3”) de diâmetro deve ser temperada de modo a se obter uma dureza mínima de 40 HRC em toda a peça. Dentre as ligas 8660, 8640, 8630 e 8620, quais irão se qualificar se o meio de têmpera for:

Justifique detalhadamente sua resposta (Mostre os valores obtidos nas figuras usadas).

Faça uma comparação entre os diferentes aços usados.

a) Água sob agitação moderada;

O menor grau de dureza de uma peça cilíndrica temperada se encontra em seu centro, assim, deve-se assegurar apenas que a dureza do centro atenda ao mínimo exigido.

Como a peça possui um diâmetro de 75 mm, obtém-se, pelo Gráfico 3, que o valor da distância Jominy equivalente é de aproximadamente 17 mm.

[pic 3]

Gráfico 3: Taxa de resfriamento em função do diâmetro para barras cilíndricas temperadas com água sob agitação moderada. As posições Jominy equivalentes estão incluídas ao longo dos eixos inferiores. As linhas amarelas indicam os valores para a barra tratada.

Agora, pela análise do Gráfico 4, obtém-se que os dois únicos aços qualificados são o 8660 e o 8640, que possuem medidas de dureza em seu centro de, respectivamente, 59 HRC e 43 HRC (valores aproximados).

[pic 4]

Gráfico 4: Curvas de temperabilidade para quatro ligas da série ABNT/SAE/AISI 8600 contendo o teor de carbono indicado. As linhas amarelas indicam a dureza e a distância Jominy equivalente para cada um dos qualificados.

b) Óleo sob agitação moderada.

Para o diâmetro de 75 mm, obtém-se, pelo Gráfico 5, que a distância Jominy equivalente é de 25,5 mm.

[pic 5]

Gráfico 5: Taxa de resfriamento em função do diâmetro para barras cilíndricas temperadas com óleo sob agitação moderada. As posições Jominy equivalentes estão incluídas ao longo dos eixos inferiores. As linhas amarelas indicam os valores para a barra tratada.

Para a distância de 25,5 mm, tem-se que, de acordo com o Gráfico 6, somente o aço 8660 atende aos requisitos, com uma dureza mínima de aproximadamente 53 HRC.

[pic 6]

Gráfico 6: Curvas de temperabilidade para quatro ligas da série ABNT/SAE/AISI 8600 contendo o teor de carbono indicado. A linha amarela indica a dureza e a distância Jominy equivalente para cada um dos aços tratados.

De modo geral, percebe-se que, como todos os aço analisados possuem a mesma concentração de elementos de liga (com exceção do carbono), as diferenças de dureza se devem ao teor de carbono de cada um. Verifica-se que, quanto maior a concentração de carbono, maior será a dureza e a temperabilidade do aço tratado. Além disso, vê-se que a têmpera em óleo resulta em durezas menores do que a têmpera em água, o que se deve à menor velocidade de resfriamento.