Aula 5 - Tratamento Térmico e Termoquímico Dos Metais

Disciplina:

Tecnologia Mecânica

Tratamentos Térmicos e Termoquímicos

dos metais

Tecnologia Mecânica - Tratamentos Térmicos e

Termoquímicos dos metais

Há muitos séculos atrás o homem descobriu que com

aquecimento e resfriamento podia modificar as propriedades

mecânicas de um aço, isto é, torná-los mais duro, mais mole,

mais maleável, etc.



Mais tarde, descobriu também que a rapidez com

que o aço era resfriado e a quantidade de carbono que

possuía influíam decisivamente nessas modificações.

O processo de aquecer e resfriar um aço, visando

modificar as sua propriedades, denomina-se Tratamentos

Térmicos.



Os tratamentos térmicos empregados em metais ou

ligas metálicas, são definidos como qualquer conjunto de

operações de aquecimento e resfriamento, sob condições

controladas de temperatura, tempo, atmosfera e velocidade

de resfriamento, com o objetivo de alterar suas propriedades

ou conferir-lhes características pré-determinadas.



Os principais objetivos dos tratamentos térmicos dos

aços envolvem:

• Remoção de tensões residuais decorrentes de processos

mecânicos de conformação ou térmicos ;

• Refino da microestrutura (diminuição do tamanho de grão) ;

• Aumento ou diminuição de dureza ;

• Aumento ou diminuição da resistência mecânica ;

• Aumento da ductilidade;

• Melhoria da usinabilidade;

• Aumento da resistência ao desgaste;

• Melhoria da resistência a corrosão.



Um tratamento térmico é feito em três fases distintas:

1 - Aquecimento

2 - Manutenção da temperatura

3 - Resfriamento



Aquecimento

De maneira geral os tratamentos térmicos dos aços são

realizados em temperaturas dentro do campo austenítico,

visando-se a completa austenização do aço.

As velocidades de aquecimento máximas dependem da

condutividade térmica do aço, do tamanho e da forma do

componente. Velocidades de aquecimento muito elevadas

podem causar distorções ou, até mesmo, trincas, porém, em

alguns casos, velocidades muito baixas de aquecimento pode

causar crescimento de grão (ex: aços fortemente encruados).



Manutenção da temperatura

O tempo de permanência na temperatura de

tratamento é a soma do tempo para a homogeneização da

temperatura no componente e o tempo da transformação de

fase. Períodos superiores ao descrito, provocam o

crescimento do tamanho de grão.



Resfriamento

É o fator mais importante do ciclo térmico pois

determina a microestrutura final obtida no tratamento térmico.

O meio de resfriamento é decisivo no processo, podendo ser

Água, jato de Ar, óleo, etc.



Tratamentos térmicos

Os tratamentos térmicos abordados serão:

• Alívio de tensões

• Recozimento

• Normalização

• Têmpera

• Revenimento

• Austêmpera

• Martempêra



Diagrama TTT (Tempo, Temperatura e Transformação)



ALÍVIO DE TENSÕES:

Tensões residuais internas podem se desenvolver em peças

metálicas devido a:

(1) Processos de deformação plástica, tais como usinagem

e lixamento;

(2) Resfriamento não uniforme de uma peça que foi

processada ou fabricada a uma temperatura elevada, tal

como na soldagem ou na fundição;

(3) Uma transformação de fases induzida por um

resfriamento onde as fases originais e produto

apresentam massas específicas diferentes.



Distorção e empenamento podem resultar se essas

tensões residuais não forem removidas.

Elas podem ser eliminadas por um tratamento térmico

de recozimento para o alívio de tensões, em que a peça é

aquecida até a temperatura recomendada, mantida nessa

temperatura tempo suficiente para que uma temperatura

uniforme seja atingida e finalmente resfriada ao ar até a

temperatura ambiente.



Alívio de Tensões (Recuperação/Recovery)

ALÍVIO DE TENSÕES



RECOZIMENTO

Refere-se a um tratamento térmico no qual o material é

exposto a uma temperatura elevada durante um período de

tempo prolongado e então é resfriado lentamente.

Normamente, o recozimento é realizado para:

(1) Aliviar tensões;

(2) Reduzir a dureza e aumentar a ductilidade e a tenacidade;

e/ou

(3) Produzir uma microestrutura específica.



Diversos tratamentos são possíveis; esses

tratamentos são caracterizados pelas mudanças que são

induzidas, as quais muitas vezes são microestruturais e são

responsáveis pela alteração das propriedades mecânicas.

Qualquer processo de recozimento consistem em 3 estágios:

(1) Aquecimento até a temperatura desejada;

(2) Manutenção ou “encharque” naquela temperatura;

(3) Resfriamento, geralmente até a temperatura ambiente.



Recozimento (Crescimento de Grão/ Grain Growth)

RECOZIMENTO



NORMALIZAÇÃO

Tratamento térmico de recozimento aplicado para

refinar os grãos (diminuir o tamanha médio do grão) e

produzir uma distribuição de tamanhos mais uniformes e

desejável; os aços perlíticos com grãos mais finos são mais

tenazes que os grãos mais grosseiros.



Temperatura crítica superior

Para composição < 0,76%p C

A normalização é obtida pelo aquecimento até pelo

menos 55ºC acima da temperatura crítica superior – acima de

A3 para composições menores que a eutetoide (0,76%p C) e

acima de Acm para composições maiores que a eutetoide.

Temperatura crítica superior

Para composição > 0,76%p C



Normalização (Recristalização/ Recrystallization)

NORMALIZAÇÃO



TÊMPERA

Tem como objetivo o aumento da dureza, da

resistência mecânica (limites de escoamento e resistência) e

da resistência ao desgaste. Entretanto, a ductilidade e a

tenacidade dos aços temperados é nula.

Consiste no resfriamento rápido do aço de uma

temperatura superior à sua temperatura crítica ( mais ou 50ºC

acima da linha A1 os hipereutetóides) em um meio como óleo,

água, salmoura ou mesmo ar ).A velocidade de resfriamento,

nessas condições, dependerá do tipo de aço, da forma e das

dimensões das peças.



Como na têmpera o constituinte final desejado é a

martensita, o objetivo dessa operação, sob o ponto de vista

de propriedades mecânicas, é o aumento da dureza deve

verificar-se até uma determinada profundidade.

Resultam também da têmpera redução da ductilidade

(baixos valores de alongamento e estricção), da tenacidade e

o aparecimento de apreciáveis tensões internas. Tais

inconvenientes são atenuados ou eliminados pelo revenido.



Para que a têmpera seja bem sucedida vários fatores

devem ser levados em conta.

Inicialmente, a velocidade de resfriamento deve ser tal

que impeça a transformação da austenita nas temperaturas

mais elevadas, em qualquer parte da peça que se deseja

endurecer.



TÊMPERA



REVENIMENTO

O revenido é o tratamento térmico que normalmente

sempre acompanha a têmpera, pois elimina a maioria dos

inconvenientes produzidos por esta; além de aliviar ou

remover as tensões internas, corrige as excessivas dureza e

fragilidade do material, aumentando sua ductibilidade e

resistência ao choque.



O aquecimento na martensita permite a reversão do

reticulado instável ao reticulado estável cúbico centrado, produz

reajustamento internos que aliviam as tensões e, além disso,

uma precipitação de partículas de carbonetos que cresce e se

aglomeram de acordo com a temperatura e o tempo.

As variáveis que afetam a microestrutura e propriedades

mecânicas dos aços temperados são:

• Temperatura de revenimento ;

• ƒTempo na temperatura de revenimento;

• Velocidade de resfriamento após o revenimento ;

• Composição do aço, incluindo teor de C, elementos de liga e

impurezas.



AUSTÊMPERA

Este tratamento tem substituído, em diversas

aplicações, a têmpera e o revenido. Baseia-se no

conhecimento das curvas em C e aproveita as transformações

da austenita que podem ocorrer a temperatura constante. Por

esse motivo a austenita é considerada um tratamento

isotérmico .



Objetivos:

• ƒ aumento da ductilidade

• ƒ aumento de dureza associada à tenacidade

• ƒ aumento da resistência ao impacto

• ƒ reduz a ocorrência de trincas

• ƒ melhora estabilidade dimensional



Microestrutura obtida:

• bainita superior para tratamentos a temperaturas mais altas

(dureza entre 40 a 45 HRC);

• ƒbainita inferior para tratamentos a temperaturas mais baixas

(dureza entre 50 a 60 HRC);

• Estrutura intermediária a martensita e a perlita, em termos de

propriedades mecânicas, excelente elasticidade e resistência

mecânica, utilizados em molas, cordas de instrumentos

musicais, cabos, etc.

Resfriamento: banho de sal fundido mantido em temperatura

controlada. A temperatura do sal determina a microestrutura e,

consequentemente, a dureza da bainita.



MARTÊMPERA

É esse tratamento usado principalmente para diminuir a

distorção ou empenamento que produz durante o resfriamento

rápido de peças de aço.

Objetivo:

• aumento de dureza por meio da microestrutura martensítica

• menor nível de tensões internas em relação à têmpera

convencional, e conseqüentemente, maior estabilidade

dimensional sobre os lotes e menor perda de peças por

trincas e/ou distorções dimensionais .

• custo mais elevado que a têmpera convencional, devido ao

emprego de fornos do tipo banho de sal.



Microestrutura obtida:

• Martensita (idêntica à obtida na têmpera convencional)

• Após operação de revenimento: Martensita revenida.

Obviamente com o aumento da temperatura de

revenimento, a martensita revenida tem sua dureza

diminuída e sua tenacidade aumentada.



Compreende a seguinte sequência de operações:

a) aquecimento a uma temperatura dentro da faixa de

austenização;

b) resfriamento em óleo quente ou sal fundido mantido a uma

temperatura correspondente parte superior (ou ligeiramente

acima) da faixa martensítica;

c) manutenção no meio de resfriamento até que a temperatura

através de toda a seção do aço se torne uniforme;

d) resfriamento ( geralmente no ar ) a velocidade moderada, de

modo a prevenir qualquer grande diferença de temperatura

entre a parte externa e a parte interna da seção.



Tratamentos termoquímicos

Os tratamentos termoquímicos abordados serão:

•Cementação;

•Nitretação.



CEMENTAÇÃO

Tratamento termoquímico que Consiste na introdução

de carbono na superfície do aço tal que após têmpera a peça

tratada apresenta superfície dura.

Consiste no aquecimento e manutenção do material a

altas temperaturas, em atmosfera rica em carbono (meio

sólido, líquido ou gasoso), ocorrendo a difusão do carbono da

superfície para o centro da peça



Materiais para cementação:

• Aços com teor de carbono até 0,2%, podendo o material

possuir na sua composição Mn, Al, V, Si, Ni e Cr (esses

últimos com a finalidade de facilitar a têmpera)

• Nos aços ligados os elementos comuns são: Ni(0,5 - 3,5%),

Cr(0,4 - 1,4%), Mo(0,1 – 0,3%). Aços contendo (0,1 - 0,3%

S) MnS elevada usinabilidade.

• Temperatura de tratamento– Entre 850°C e 1000°C

• Aplicações: engrenagens, buchas, eixos e peças que como

estas necessitem de elevada resistência ao desgaste e

tenacidade. Peças com superfície dura e resistente ao

desgaste com núcleo dúctil de elevada tenacidade são

obtidas.



Profundidade de cementação varia com a temperatura

de tratamento e o tempo de permanência a essa temperatura

entre 0,01 até no máximo 3,0mm.

O controle da profundidade é em geral realizado com

corpos de prova colocados junto às peças (de mesmo

material das mesmas), que são retirados de tempos em

tempos para confirmação.



NITRETAÇÃO

• Objetiva o endurecimento superficial de aços por absorção

de nitrogênio (formação de Nitretos )

• É realizado em fornos com atmosfera controlada, rica em

Nitrogênio (em geral NH3))

• Realizado abaixo da temperatura austenítica



Vantagens

• A temperatura de tratamento é inferior à da cementação

• As peças apresentam-se nas dimensões e acabamento

finais

• Resistência à corrosão

• Alta dureza

Desvantagens

• O tempo de permanência é grande

• A espessura da camada Nitretada é muito pequena



NITRETAÇÃO



Aços para nitretação

• São utilizados aços com teores de carbono entre 0,13 e

0,40%, podendo ter adições de alumínio, cromo, silício,

tungstênio e vanádio.

Controle da camada Nitretada

• Semelhante ao controle de camada cementada

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