24- Uma peça de aço ABNT 4150 depois de usinada é submetida aos seguintes tratamentos térmicos:
%C
% Mn
% Si
% Cr
% Ni
% Mo
0,48
0,75
0,15
0,80
0,00
0,15
0,53
1,00
0,35
1,10
0,00
0,25
É reaquecida a
, resfriada a
em banho de sal em
, mantida nessa temperatura durante 100 segundos ,e, em seguida, resfriada até a temperatura ambiente em água. Em seguida, aquece a
a taxa de aquecimento de
por duas horas e, em seguida, resfria em óleo.
Pede-se dizer:
Esse aço recozido é utilizado como parafuso, no estado trefilado e esferoidizado. O que você sugeriria para se melhorar a soldabilidade desse aço? Você usaria esse aço com a composição química no limite superior para um eixo de diâmetro
" que vai ser resfriado em óleo (
) com dureza crítica no centro? Justifique a resposta?
| %C | % Mn | % Si | % Cr | % Ni | % Mo |
| 0,48 | 0,75 | 0,15 | 0,80 | 0,00 | 0,15 |
| 0,53 | 1,00 | 0,35 | 1,10 | 0,00 | 0,25 |
Pede-se dizer:
Esse aço recozido é utilizado como parafuso, no estado trefilado e esferoidizado. O que você sugeriria para se melhorar a soldabilidade desse aço? Você usaria esse aço com a composição química no limite superior para um eixo de diâmetro
Passo 1
O enunciado dá as duas composições (limite inferior e limite superior) do aço ABNT 4150 e descreve um ciclo térmico complexo. Vou listar claramente o que é pedido e as informações relevantes que temos.
Perguntas que o enunciado faz
- Sugestões para melhorar a soldabilidade deste aço (recozido, usado como parafuso, estado trefilado e esferoidizado).
- Se eu usaria esse aço com a composição no limite superior para um eixo de diâmetro
(dois polegadas) que será resfriado em óleo (com severidade de têmpera ), quando há preocupação de “dureza crítica no centro”. Justificar a resposta.
Informações relevantes dadas (vou colocá‑las em forma numérica)
- Composição (limite inferior):
, , , , , . - Composição (limite superior):
, , , , , . - Processo térmico descrito (resumido): reaquecimento a
, resfriamento rápido até em banho de sal em , mantido a , depois resfriado à temperatura ambiente em água; pós‑aquecimento a a por duas horas e resfriamento em óleo. (Esse ciclo envolve têmpera/controle de formação de martensita e um têmpera/tempering alto.) - Uso citado: aço recozido/esferoidizado para parafuso (trefilado).
- Situação do eixo: diâmetro
, resfriamento em óleo com severidade , preocupação de dureza crítica no centro (ou seja, risco de endurecimento/barreiras de fragilidade no núcleo).
Passo 2
Explicando didaticamente por que a química afeta a soldabilidade — conceito e fórmula prática.
O que é “soldabilidade” (de forma simples)
- Soldabilidade é a tendência do metal a ser unido por solda sem formar defeitos relevantes (rachas, trincas frias, fragilização por martensita, hidrogênio, etc.). Em aços, a principal causa de problemas de soldagem é a formação local de estrutura dura (martensita) e tensões residuais que levam a trincas.
Uma forma prática de avaliar soldabilidade é o “carbono equivalente” (CE) — é uma aproximação que transforma todos os elementos de liga em um equivalente em carbono que representa o efeito combinado sobre a formação de martensita e a necessidade de pré‑aquecimento e tratamentos. Uma fórmula muito usada (recomendada pela IIW) é:
onde cada símbolo representa o teor em massa em porcentagem (
).
Interpretação prática (regras grosseiras, mas úteis em prova)
-
: boa soldabilidade (pouca necessidade de pré‑aquecimento). -
: necessidade de pré‑aquecimento moderado e cuidado. -
: soldabilidade ruim; pré‑aquecimento e/ou PWHT normalmente necessários; risco alto de trinca.
Agora calculo o
para os dois limites de composição (passo a passo).
Cálculo para o limite inferior (usar valores em % como dados):
Cálculo para o limite superior:
Interpretação numérica imediata
- Mesmo no limite inferior (
) o aço tem CE alto; no limite superior ( ) é pior ainda. Esses valores indicam soldabilidade ruim: formação de martensita dura na Zona Afetada pelo Calor (ZAC) e necessidade de medidas de controle (pré‑aquecimento, eletrodos de baixo hidrogênio, PWHT, etc.).
Passo 3
Sugestões práticas e justificadas para melhorar a soldabilidade (a parte de “o que você sugeriria”).
Objetivo: reduzir risco de trinca e fragilização na solda.
Medidas diretas (em ordem de eficácia/praticidade):
Medidas diretas (em ordem de eficácia/praticidade):
-
Reduzir o carbono e/ou o carbono equivalente da liga (solução de projeto):
- Se possível especificar a faixa inferior de composição (usar o limite inferior
ou mesmo um aço com menor carbono) — menor carbono reduz diretamente e melhora muito a soldabilidade. - Justificativa: CE cai proporcionalmente a
e alta + elementos formadores de martensita (Cr, Mo) aumentam a tendência à trinca.
- Se possível especificar a faixa inferior de composição (usar o limite inferior
-
Pré‑aquecimento antes da solda:
- Pré‑aquecimento típico necessário para CE alto: valores práticos de
até ou mais dependendo do CE e da geometria. Para CE são comuns pré‑aquecimentos na faixa . - Função: reduzir a taxa de resfriamento da ZAC, permitindo transformação para estruturas menos frágeis (ferrita + perlita/bainita) e reduzindo tensões térmicas.
- Pré‑aquecimento típico necessário para CE alto: valores práticos de
-
Uso de eletrodos/reservatórios e consumíveis adequados:
- Eletrodos de baixo hidrogênio (classificação “LH”); controle de umidade das eletrodos.
- Se aceitável, usar filler metálico austenítico para “tamponar” a ZAC (isso reduz dureza local) — só usar se o projeto permitir diferença de propriedades.
-
Post‑Weld Heat Treatment (PWHT):
- Alívio de tensões e tempera da martensita nas ZAC; tipicamente PWHT entre
e dependendo da microestrutura desejada. - Quando crítico, PWHT é altamente recomendável para CE alto.
- Alívio de tensões e tempera da martensita nas ZAC; tipicamente PWHT entre
-
Controle de restrição e seqüência de soldagem:
- Minimizar distorções e tensões residuais com passadas intercaladas, fixações, soldagem simétrica.
-
Outras medidas:
- Usar técnicas de soldagem de baixa entrada térmica (MIG com parâmetros otimizados, pulsed MIG, etc.), controle de interpass temperature.
- Se possível, escolher outro grau de aço com menor CE se a soldagem for frequente.
Resumo prático (frase curta para prova): reduzir carbono/CE é a medida mais eficaz; em segunda instância usar pré‑aquecimento, eletrodos de baixo hidrogênio e PWHT.
Passo 4
Entendendo “hardenability”, severidade de têmpera
, e por que isso importa para o eixo de
.
O que é hartenability (didascália curta)
- Hardenability é a capacidade do aço de transformar-se em martensita sob um dado resfriamento. Não é a “dureza final” por si só, mas quão profundo (até que diâmetro) a martensita ocorre com um resfriamento específico.
- Elementos como
, , aumentam a hardenability — ou seja, favorecem formação de martensita a profundidades maiores.
O que significa
(explicação prática)
-
é um parâmetro de severidade do meio de têmpera (ver Grossman/Jominy): valores próximos a são meios muito severos (água), valores menores são menos severos (ar, óleo tem valor intermediário). Aqui indica um meio de têmpera relativamente severo — o óleo proposto tem grande capacidade de formar martensita em seções moderadas.
Efeito combinado com diâmetro
- Quanto maior o diâmetro, mais lento o resfriamento no centro; mas com alta hardenability (muitos elementos de liga) o material pode ainda formar martensita no centro mesmo em diâmetros grandes.
- Para
(~ ) e um CE alto, existe risco real de martensita no centro ao resfriar em óleo com .
Passo 5
Aplicando as ideias ao caso concreto: risco de “dureza crítica no centro” com a composição no limite superior.
Dados relevantes já calculados
-
(muito alto). Isso indica altíssima tendência ao endurecimento profundo (alta hardenability).
Consequência prática para eixo
com têmpera em óleo
- Com CE tão alto e óleo relativamente severo (
), é muito provável que se forme martensita no centro do eixo após têmpera (martensita é a fase dura e frágil que causa “dureza crítica”). - Martensita no centro gera duas preocupações principais:
- Dureza excessiva → fragilidade e risco de trinca sob solicitação dinâmica.
- Tensões internas elevadas → necessidade de tempera controlada para aliviar tensões; sem tempera adequada, o componente pode trincar.
Portanto, usar a composição no limite superior sem medidas adicionais é arriscado se o objetivo for evitar dureza crítica no centro.
Passo 6
Medidas possíveis caso queira usar o aço (opções de projeto e processo) — escolha prática e justificativa.
Opções para mitigar o problema (se for obrigatório usar o limite superior)
- Quench & Temper (recomendado): após têmpera em óleo, fazer um tratamento de têmpera suficiente (por exemplo tempera a
por tempo adequado) para reduzir a dureza e transformar martensita mais dura em uma matriz temperada menos frágil. No enunciado já há um aquecimento a por 2 h — isto é um tempera alto que reduz dureza; portanto, se esse tempera for aplicado corretamente, parte do problema pode ser resolvido. Mas atenção: a microestrutura inicial e a distribuição de martensita importam para o resultado final. - Usar a composição no limite inferior (preferível): escolher a faixa inferior do espaço de composição (reduzendo
, , etc.) para baixar e reduzir hardenability. - Reduzir a severidade do resfriamento (usar óleo com menor severidade ou ar forçado) — isso reduz a tendência ao endurecimento no centro, mas pode comprometer propriedades superficiais/da superfície.
- Normalizar antes de têmpera para refinar grão e reduzir risco de trincas.
- Controlar tratamento térmico final: têmpera+tempera subsequente dimensionada para a dureza alvo no centro, medindo (essa é a solução prática mais comum).
Minha recomendação prática (resumida): se o requisito é evitar dureza crítica no centro, eu NÃO usaria a composição no limite superior sem tomar medidas específicas como tempera pós‑têmpera e/ou escolher o limite inferior da composição. Em outras palavras, o limite superior torna o material muito hardenable para um eixo de
temperado em óleo
sem tratamento posterior adequado.
Passo 7
Argumentação final, curta e direta — uma resposta de prova com justificativa técnica (pontos que você pode usar na hora da prova).
- O alto teor de carbono junto com Cr e Mo eleva bastante o
(calculei ), o que indica soldabilidade ruim e alta hardenability. - Para soldagem: priorizar redução de
ou empregar pré‑aquecimento, eletrodos de baixo hidrogênio e PWHT. - Para o eixo de
com óleo : o limite superior da composição aumenta muito a probabilidade de martensita no centro (dureza crítica) — portanto não é recomendado sem tempera pós‑têmpera apropriada ou sem usar composição mais baixa.
Resposta
Sugestões para melhorar a soldabilidade: reduzir o carbono/CE quando possível; usar pré‑aquecimento (tipicamente
para CE alto), eletrodos de baixo hidrogênio, controle de interpass e PWHT (alívio de tensões em
); alternativamente usar filler austenítico ou escolher grau com menor CE.
Usaria esse aço no limite superior para o eixo resfriado em óleo
? Não, não recomendaria sem medidas adicionais: o
indica alta hardenability e há grande probabilidade de formação de martensita e dureza crítica no centro; só seria aceitável se se planejar tempera pós‑têmpera controlada (por exemplo têmpera a ~
por tempo adequado) ou se for usado o limite inferior da composição.
Usaria esse aço no limite superior para o eixo