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 800^{\circ} \mathrm{C}, resfriada a 300^{\circ} \mathrm{C} em banho de sal em 0,5 \mathrm{~s}, mantida nessa temperatura durante 100 segundos ,e, em seguida, resfriada até a temperatura ambiente em água. Em seguida, aquece a 600^{\circ} \mathrm{C} a taxa de aquecimento de 20^{\circ} \mathrm{C} / \mathrm{s} 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 \varnothing=2 " que vai ser resfriado em óleo ( \mathrm{H}=0,80 ) com dureza crítica no centro? Justifique a resposta?

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 \varnothing=2'' (dois polegadas) que será resfriado em óleo (com severidade de têmpera H=0{,}80), quando há preocupação de “dureza crítica no centro”. Justificar a resposta.
Informações relevantes dadas (vou colocá‑las em forma numérica)
  • Composição (limite inferior): \mathrm{C}=0{,}48\%, \mathrm{Mn}=0{,}75\%, \mathrm{Si}=0{,}15\%, \mathrm{Cr}=0{,}80\%, \mathrm{Ni}=0{,}00\%, \mathrm{Mo}=0{,}15\%.
  • Composição (limite superior): \mathrm{C}=0{,}53\%, \mathrm{Mn}=1{,}00\%, \mathrm{Si}=0{,}35\%, \mathrm{Cr}=1{,}10\%, \mathrm{Ni}=0{,}00\%, \mathrm{Mo}=0{,}25\%.
  • Processo térmico descrito (resumido): reaquecimento a 800^\circ\mathrm{C}, resfriamento rápido até 300^\circ\mathrm{C} em banho de sal em 0{,}5\\ \mathrm{s}, mantido 100\\ \mathrm{s} a 300^\circ\mathrm{C}, depois resfriado à temperatura ambiente em água; pós‑aquecimento a 600^\circ\mathrm{C} a 20^\circ\mathrm{C}/\mathrm{s} 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 \varnothing=2'', resfriamento em óleo com severidade H=0{,}80, 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:
\mathrm{CE} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr + Mo + V}{5} + \frac{Ni + Cu}{15}
onde cada símbolo representa o teor em massa em porcentagem ( \%).
Interpretação prática (regras grosseiras, mas úteis em prova)
  • \mathrm{CE} \lesssim 0{,}40: boa soldabilidade (pouca necessidade de pré‑aquecimento).
  • 0{,}40 \lesssim \mathrm{CE} \lesssim 0{,}60: necessidade de pré‑aquecimento moderado e cuidado.
  • \mathrm{CE} \gtrsim 0{,}60: soldabilidade ruim; pré‑aquecimento e/ou PWHT normalmente necessários; risco alto de trinca.
Agora calculo o \mathrm{CE} para os dois limites de composição (passo a passo).
Cálculo para o limite inferior (usar valores em % como dados):
\mathrm{CE}_{\text{min}} = 0{,}48 + \frac{0{,}75}{6} + \frac{0{,}80 + 0{,}15 + 0}{5} + \frac{0 + 0}{15}
\frac{0{,}75}{6}=0{,}125,\qquad 0{,}80+0{,}15=0{,}95,\qquad \frac{0{,}95}{5}=0{,}19
\mathrm{CE}_{\text{min}} = 0{,}48 + 0{,}125 + 0{,}19 = 0{,}795 \\ (\text{aprox. }0{,}80)
Cálculo para o limite superior:
\mathrm{CE}_{\text{max}} = 0{,}53 + \frac{1{,}00}{6} + \frac{1{,}10 + 0{,}25 + 0}{5} + \frac{0 + 0}{15}
\frac{1{,}00}{6}\approx 0{,}1667,\qquad 1{,}10+0{,}25=1{,}35,\qquad \frac{1{,}35}{5}=0{,}27
\mathrm{CE}_{\text{max}} \approx 0{,}53 + 0{,}1667 + 0{,}27 = 0{,}9667\\ (\text{aprox. }0{,}97)
Interpretação numérica imediata
  • Mesmo no limite inferior ( \mathrm{CE}\approx0{,}80) o aço tem CE alto; no limite superior ( \mathrm{CE}\approx0{,}97) 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):
  1. 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 \mathrm{C}=0{,}48\% ou mesmo um aço com menor carbono) — menor carbono reduz diretamente \mathrm{CE} e melhora muito a soldabilidade.
    • Justificativa: CE cai proporcionalmente a C e alta C + elementos formadores de martensita (Cr, Mo) aumentam a tendência à trinca.
  2. Pré‑aquecimento antes da solda:
    • Pré‑aquecimento típico necessário para CE alto: valores práticos de 150^\circ\mathrm{C} até 300^\circ\mathrm{C} ou mais dependendo do CE e da geometria. Para CE \sim0{,}8\!-\!1{,}0 são comuns pré‑aquecimentos na faixa 200\!-\!300^\circ\mathrm{C}.
    • Função: reduzir a taxa de resfriamento da ZAC, permitindo transformação para estruturas menos frágeis (ferrita + perlita/bainita) e reduzindo tensões térmicas.
  3. 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.
  4. Post‑Weld Heat Treatment (PWHT):
    • Alívio de tensões e tempera da martensita nas ZAC; tipicamente PWHT entre 550^\circ\mathrm{C} e 650^\circ\mathrm{C} dependendo da microestrutura desejada.
    • Quando crítico, PWHT é altamente recomendável para CE alto.
  5. Controle de restrição e seqüência de soldagem:
    • Minimizar distorções e tensões residuais com passadas intercaladas, fixações, soldagem simétrica.
  6. 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 H, e por que isso importa para o eixo de \varnothing=2''.
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 \mathrm{Cr}, \mathrm{Mo}, \mathrm{Mn} aumentam a hardenability — ou seja, favorecem formação de martensita a profundidades maiores.
O que significa H=0{,}80 (explicação prática)
  • H é um parâmetro de severidade do meio de têmpera (ver Grossman/Jominy): valores próximos a 1{,}0 são meios muito severos (água), valores menores são menos severos (ar, óleo tem valor intermediário). Aqui H=0{,}80 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 \varnothing=2'' (~ 50{,}8\\ \mathrm{mm}) e um CE alto, existe risco real de martensita no centro ao resfriar em óleo com H=0{,}80.

Passo 5

Aplicando as ideias ao caso concreto: risco de “dureza crítica no centro” com a composição no limite superior.
Dados relevantes já calculados
  • \mathrm{CE}_{\text{max}}\approx0{,}97 (muito alto). Isso indica altíssima tendência ao endurecimento profundo (alta hardenability).
Consequência prática para eixo \varnothing=2'' com têmpera em óleo H=0{,}80
  • Com CE tão alto e óleo relativamente severo ( H=0{,}80), 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:
    1. Dureza excessiva → fragilidade e risco de trinca sob solicitação dinâmica.
    2. 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)
  1. Quench & Temper (recomendado): após têmpera em óleo, fazer um tratamento de têmpera suficiente (por exemplo tempera a \sim 550\!-\!650^\circ\mathrm{C} 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 600^\circ\mathrm{C} 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.
  2. Usar a composição no limite inferior (preferível): escolher a faixa inferior do espaço de composição (reduzendo \mathrm{C}, \mathrm{Mn}, etc.) para baixar \mathrm{CE} e reduzir hardenability.
  3. 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.
  4. Normalizar antes de têmpera para refinar grão e reduzir risco de trincas.
  5. 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 2'' temperado em óleo H=0{,}80 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 \mathrm{CE} (calculei \mathrm{CE}_{\text{max}}\approx0{,}97), o que indica soldabilidade ruim e alta hardenability.
  • Para soldagem: priorizar redução de \mathrm{CE} ou empregar pré‑aquecimento, eletrodos de baixo hidrogênio e PWHT.
  • Para o eixo de \varnothing=2'' com óleo H=0{,}80: 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 200\!-\!300^\circ\mathrm{C} para CE alto), eletrodos de baixo hidrogênio, controle de interpass e PWHT (alívio de tensões em 550\!-\!650^\circ\mathrm{C}); alternativamente usar filler austenítico ou escolher grau com menor CE.
Usaria esse aço no limite superior para o eixo \varnothing=2'' resfriado em óleo H=0{,}80? Não, não recomendaria sem medidas adicionais: o \mathrm{CE}_{\text{max}}\approx0{,}97 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 ~ 600^\circ\mathrm{C} por tempo adequado) ou se for usado o limite inferior da composição.

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