CAPÍTULO 5

O REVENIDO DOS AÇOS

Invariavelmente todos os aços que são endurecidos por Têmpera são submetidos a um tratamento térmico chamado de Revenido ou Revenimento. O Revenido melhora a tenacidade das microestruturas martensíticas diminuindo a Resistência e a dureza. Neste capítulo descreveremos as propriedades mecânicas e as mudanças microestruturais que se desenvolvem durante este tratamento. A mudança estrutural mais importante é a formação de vários tipos de carbetos de Ferro e de elementos de liga conforme a supersaturação da Martensita é aliviada e uma mistura de fases em equilíbrio é conseguida conforme aumenta-se a temperatura de Revenimento. Além disto vários tipos de fragilização podem ocorrer e por isso devem ser estudados.

Variações das Propriedades Mecânicas

A Martensita , microestrutura originária do tratamento térmico de Têmpera, é muito dura e por conseqüência muito frágil também. A fragilidade das microestruturas martensíticas é devido a um número de fatores que podem incluir : _ distorção da rede causada pelos átomos de carbono aprisionados nos sítios octaédricos da Martensita. _ Segregação de átomos de impurezas nos contornos de grão da Austenita. _ Formação de Carbetos durante a Têmpera. _ Tensões residuais produzidas pela transformação adifusional da Austenita. Então o Revenido é um tratamento térmico dos aços endurecidos que tem a redução da fragilidade, ou o acréscimo da Tenacidade, como seu maior objetivo. Qualquer temperatura até o limite crítico inferior , linha A1, pode ser usado para o Revenido, conduzindo a uma faixa bastante ampla de propriedades e microestruturas que se enquadram desde a Martensita , no estado como temperada, até uma estrutura de carbetos esferoidizados numa base ferrítica que pode ser produzida pelo Revenimento.

Desta forma o que determina as condições do Revenimento para uma dada aplicação do material é o balanço entre a Dureza ( ou Resistência ) e a Tenacidade necessária em serviço.

A figura apresentada mostra a variação da Tenacidade ao Impacto como uma função da temperatura de Revenimento para aços de baixa liga e médio teor de Carbono, endurecidos. Existem duas faixas de temperatura de Revenido que produzem uma melhora significativa na Tenacidade, a partir do estado como temperado. O Revenimento na faixa dos 150 a 200ºC produz um acréscimo modesto na Tenacidade que é adequado para aplicações que requerem alta resistência e resistência à Fadiga ( aços de médio teor de carbono ) ou aonde o carregamento é primeiramente compressivo como em rolamentos, mancais e engrenagens. Esses elementos mencionados acima requerem alta dureza associada associada a uma boa resistência ao desgaste que a Martensita de alto carbono alcança quando Revenida levemente ( no patamar de temperaturas mencionado ) O Revenido acima de 425ºC ( 800ºF ) é uma outra faixa de temperatura de Revenimento importante. A figura acima mostra que a Tenacidade melhora significativamente após um Revenimento nesta faixa de temperatura levando contudo a uma diminuição considerável na Resistência e na Ductilidade.

Isso quer dizer que o Revenido nestas faixas de temperatura se aplicam quando a principal propriedade a ser obtida é a tenacidade enquanto que a resistência e a ductilidade são importantes mas de caráter secundário. A figura também mostra que a Tenacidade dos aços de baixa liga e de médio carbono endurecidos pode, efetivamente, diminuir se os aços forem temperados numa faixa entre 260 e 370ºC ( 500 e 7000ºF ). A esse decréscimo na Tenacidade chamamos de " Fragilização da Martensita Revenida ". e será discutida mais adiante. Como resultado desta fragilização a prática comercial deste tratamento , nesta faixa de temperatura, normalmente, é evitada para esses aços. Outro tipo de Fragilização, a " Fragilização no Revenido ", pode se desenvolver em aços martensíticos revenidos acima de 425ºC e essa fragilização ocorre como resultado da manutenção ou resfriamento lento através desta faixa de temperatura de Revenimento específica, conforme se verá mais adiante. Finalmente, a figura também mostra um efeito substancial que o acréscimo do teor de carbono tem sobre a tenacidade ao impacto pela comparação dos resultados obtidos em amostras de aços revenidos com 0.4 e 0.5%C . Os aços Revenidos com 0.5%C , ou mais s, tem uma tenacidade ao impacto baixa e são usadas somente em aplicações que exijam alta dureza e resistência ao desgaste. A próxima figura mostra como a dureza diminui, desde o máximo associado com a Martensita no estado com temperado, com o acréscimo da temperatura de Revenido. O efeito do teor de Carbono também é mostrado, na qual se observa os menores valores de dureza para os aços com teores de carbono menores, tanto na condição de temperado quanto na de Revenido. Consequentemente, se uma dureza máxima é desejada, um aço de alto teor de carbono deve ser selecionado e o Revenido deve ser restrito a faixa de temperatura de 150º a 200ºC. Em geral , uma interpelação entre as características de dureza e Tenacidade é o principal elemento no tratamento térmico e suas aplicações dos aços temperados e revenidos. Entretanto, as mudanças em outras propriedades mecânicas com o acréscimo da temperatura de Revenido, também podem ser encontradas, para várias classes de aços comuns e aços ligados, sendo de grande importância na seleção dos aços e no projeto dos tratamentos térmicos para várias aplicações. Como exemplo, a curva de Revenido de um aço SAE 4340 mostra as mudanças nas propriedades mecânicas que ocorrem quando esse aço é temperado em óleo e Revenido à temperaturas acima de 200ºC.

A Presença de elementos de liga Além do acréscimo da endurecibilidade, certos elementos de liga ajudam a retardar a taxa de "amolecimento" durante o Revenido. Sob este ponto de vista, os elementos mais efetivos neste aspecto são aqueles elementos que tem grande afinidade pelo Carbono tal como o Cromo, Molibidênio e o Vanádio. Sem a presença destes elementos as ligas Fe-C e os aços de baixa liga amolecem mais rapidamente com o acréscimo de temperatura de Revenimento. Pode ser observado, na figura abaixo, que o amolecimento é uma função do percentual de carbono e da temperatura de Revenido, sendo esse efeito devido a um rápido engrossamento de Cementita com o acréscimo da temperatura de Revenimento, isto é, um processo dependente da difusão do carbono e do Ferro.

Entretanto, se elementos formadores de carbetos estiverem presentes no aço em quantidades suficientes, não somente retardarão o amolecimento mas também formarão carbetos finos, formados com os elementos de liga, que produzem um acréscimo na dureza em temperaturas de Revenimento mais altas. A esse fenômeno dá-se o nome de "Endurecimento Secundário".

O pico de Endurecimento secundário se desenvolve somente em altas temperaturas de Revenimento porque a formação dos carbetos de elementos de liga depende da difusão destes elementos , isto é um processo mais lento do que aquele de difusão do carbono e do Ferro. O resultado final deste processo é a dispersão muito fina de partículas de carbetos produzidas que uma vez formadas são muito resistentes ao engrossamento. Essa dispersão mais fina das partículas de carbetos é usada como vantagem nos aços-ferramenta uma vez que tais aços não devem amolecer quando em trabalho, ainda que a altas temperaturas ( Explo : Ferramentas para trabalho à quente, usinagem de alta velocidade etc ) .

Mudanças Microestruturais A estrutura de um aço temperado para formar Martensita é altamente instável. Razões para a instabilidade incluem : _ A supersaturação de átomos de Carbono na rede T.C.C da Martensita. _ A energia de deformação associadas com redes finas de discordâncias ou estruturas de maclas da Martensita. _ A energia interfacial associada com a alta densidade de contornos das agulhas ou placas de Martensita. _ A Austenita retida que está invariavelmente presente, mesmo nos aços de Baixo Carbono. Ações do Tratamento de Revenido 1) A supersaturação de átomos de Carbono - O Revenido fornece a energia

para a formação dos carbetos. 2) A alta energia de deformação - O Revenido é a força motriz para o processo

de "recuperação" da rede de discordâncias 3) A alta energia interfacial - O Revenido é a força motriz para o crescimento

do grão ( ou o engrossamento da matriz ferrítica ) 4) Austenita retida - O Revenido é a força motriz para a transformação desta

Austenita em misturas de Ferrita e Cementita. Pode-se dizer que o Revenido se dá em três estágios distintos e que se identificam por : Estágio 1 : a formação de um carbeto de transição , carbeto e, com posterior

diminuição do teor de carbono da matriz de Martensita para 0.25% C. Estágio 2 : A transformação da Austenita Retida em Ferrita e Cementita. Estágio 3 : A substituição dos carbetos de transição e da Martensita de baixo Carbono por Cementita e Ferrita. As faixas de temperaturas para os três estágios se sobrepõem , dependendo do tempo de Revenimento usado, porém as faixas de temperaturas de 100º a 250ºC, de 200º a 300º C e 250º a 350ºC são, geralmente, aceitas para o primeiro, segundo e o começo do terceiro estágio, respectivamente. Vale ressaltar que a formação dos carbetos de elementos de liga responsáveis pelo endurecimento secundário é algumas vezes chamado de quarto estágio do Revenido. A transformação da Austenita Retida durante o Revenimento ocorre somente após os carbetos de transição estarem bem estabelecidos,

normalmente em cerca de 300ºC, dando origem a uma microestrutura de Ferrita e Cementita, onde a Cementita torna-se uma parte importante desta microestrutura após o Revenimento nesta temperatura e acima. O terceiro estágio do Revenido consiste da formação da Ferrita e da Cementita conforme estabelecido pelo diagrama Fe-C. Duas morfologias de carbetos estão presentes neste estágio : 1) aquele que se nucleou e cresceu dentro das placas de Martensita , e que são mais grosseiros e se esferoidizam em temperaturas de Revenimento superiores e ; b) aqueles carbetos longos e planares que se formam ao longo das interfaces das placas de Martensita, talvez como um resultado da Austenita retida no segundo estágio do Revenimento.

O Fenômeno da Fragilização Os aços de alta resistência, Temperados e Revenidos, são susceptíveis a uma variedade de diferentes tipos de fragilização. Alguns destes mecanismos de fragilização são devidos a mudanças estruturais introduzidas durante o processo de tratamento térmico. Neste caso pode-se apresentar como exemplos ; a fragilização da Martensita Revenida, a fragilização do Revenido e a fragilização devido a presença de Nitreto de Alumínio. As características do fenômeno da Fragilização da Martensita Revenida - (TME) e da Fragilização no Revenido ( TE ) são bem conhecidos atualmente, mas suas causas continuam sendo estudadas. A TME ocorre após o Revenido entre 260º e 370ºC e é também chamado de fragilização à 350ºC. Já a TE ocorre após ao Revenido ou durante o resfriamento através da faixa de temperatura de 375º até 575º C. A Fragilização da Martensita Revenida pode ou não estar associada com a "segregação de átomos de impurezas" nos contornos de grão da Austenita Prévia. O fator comum para todas as suas manifestações, no mínimo nos aços de médio teor de carbono endurecíveis, parece ser a formação de Cementita durante o Revenido. Nos aços com baixo teor de impurezas e/ou aqueles que tem esse efeito minimizado pela ação da reação com os elementos de liga , p.ex a interação do Molibidênio com o fósforo, a fonte de Cementita que conduz a uma Fratura Transgranular frágil é a decomposição da Austenita Retida no segundo estágio do Revenido. A Fragilização no Revenido é um problema metalúrgico antigo cuja a causa está começando a ser compreendida atualmente devido a novas suposições teóricas provenientes da utilização de técnicas experimentais que utilizam equipamentos de análises de superfícies capazes de detectar segregações nos contornos de grãos em escala atômica.

Entretanto é fato conhecido que as condições de Revenimento e fatores composicionais afetam a TE, e que os aços susceptíveis a esse fenômeno devem ser aquecidos ( mantidos ) ou submetidos ao resfriamento na faixa de temperaturas criticas de 375º a 575º C , no sentido de desenvolverem tal fenômeno de fragilização. Em termos de fatores composicionais para um aço ser susceptível a TE é necessário que em sua composição impurezas específicas tal como o Antimônio, o Estanho, o Fósforo e o Arsênico, que são os mais detrimentais e se apresentam em quantidades tão pequenas quanto 100ppm ( 0.01% ) ou menos. O Silício e o Manganês em grandes quantidades também são prejudiciais. Os aços carbono comuns não são considerados serem susceptíveis a TE desde que mantido o teor de Manganês abaixo de 0.5%. Os aços ligados são mais susceptíveis , especialmente os aços Cormo-Niquel. A causa da TE tem sido difícil de identificar porque não existem elementos microestruturais realmente razoáveis que se identifiquem com as características de Fratura Intergranular encontrada nem peças fragilizadas. A única evidencia metalográfica desta fragilização tem sido a capacidade de certos reagentes revelarem os contornos de grão da Austenita prévia contendo Fósforo segregado. Um outro tipo de Fragilização intergranular algumas vezes encontrado em aços endurecidos é aquela que está associada à precipitação de Nitretos de Alumínio nos contornos de grão da Austenita prévia ( aços acalmados ). Considerando que uma fina dispersão de partículas de Nitreto de alumínio é desejável para controlar o crescimento de grãos nos aços , esse Nitreto de alumínio precipitado na forma de placas finas durante o resfriamento a partir da solidificação , ou reprecipitado no resfriamento após solubilização à altas temperaturas de austenitização , podem reduzir significantemente a Tenacidade.