TRATAMENTO TÉRMICO

Direitos autorais reservados Prof. Andr Paulo Tschiptschin

TRATAMENTO TRMICO DE AOS Prof. Andr Paulo Tschiptschin EPUSP Engenharia Metalrgica e de Materiais

TRATAMENTO TRMICO pode ser definido como o aquecimento ou resfriamento controlado dos metais feito com a finalidade de alterar suas propriedades fsicas e mecnicas, sem alterar a forma do produto final.

Uma mola espiral, por exemplo, necessita ser tratada termicamente para ser utilizada no sistema de suspenso de um veculo automotor. Ao ser comprimida, na passagem do veculo por uma lombada, a mola acumula energia amortecendo o movimento da roda. Aps a passagem pela lombada a mola se estende devolvendo a energia acumulada e fazendo a roda do veculo retornar sua posio inicial. O tratamento trmico permite que a mola sofra deformao elstica sem perder sua forma e a geometria original. Para resistir a esses esforos preciso que a mola tenha dureza elevada, elasticidade e resistncia mecnica para no sofrer deformao plstica permanente.


Nem sempre os tratamentos trmicos so intencionais. Algumas vezes, peas metlicas sofrem tratamentos trmicos, durante o processo de fabricao, passando por ciclos de aquecimento ou resfriamento, que podem alterar suas propriedades de forma prejudicial. Como exemplo podemos citar a operao de soldagem de estruturas de ao, que ao serem aquecidas at temperaturas elevadas podem sofrer tmpera e fragilizao, na zona termicamente afetada (ZTA) comprometendo a tenacidade da estrutura como um todo.

Da mesma maneira, operaes de conformao plstica a frio podem introduzir tenses indesejadas, no interior do material e esgotar sua capacidade de sofrer deformao plstica adicional, tornando-os frgeis.

Os tratamentos trmicos so freqentemente associados com o aumento da resistncia do material. Entretanto, podem ser utilizados para alterar caractersticas de fabricabilidade, como usinabilidade, estampabilidade ou restaurao de dutilidade aps intenso processo de conformao a frio.

Pode-se dizer, ento, que os tratamentos trmicos so processos de fabricao que facilitam outros processos de fabricao e aumentam o desempenho dos produtos atravs do aumento da resistncia mecnica ou de outras propriedades.

O benefcio trazido pelos tratamentos trmicos aos aos muito grande pois esses materiais respondem muito bem aos diferentes ciclos de tratamento utilizados. Num mesmo ao, dependendo do tratamento trmico, pode-se obter nveis de resistncia mecnica, dureza, dutilidade e tenacidade muito variadas, permitindo, por exemplo, amolecer o material para usinagem e posteriormente endurec-lo para se obter alta resistncia. Essa uma das razes pelas quais a utilizao comercial do ao muito maior que a de outros materiais.

Uma grande variedade de tratamentos trmicos e termoqumicos pode ser utilizada em aos, podendo-se, grosso modo dividi-los em dois grupos:

1. Tratamentos de amolecimento 2. Tratamentos de endurecimento

Amolecimento

O amolecimento feito para reduzir a dureza, remover tenses residuais, melhorar a tenacidade ou quando se deseja refinar o gro do material.

Em decorrncia dos processos de fabricao, por laminao a frio ou trefilao os aos endurecem (encruamento) e necessrio restaurar sua dutilidade ou remover as tenses residuais existentes. Em estruturas soldadas, freqentemente necessrio

ZTA


fazer-se um tratamento trmico de amolecimento ps-soldagem visando diminuir a dureza de uma zona endurecida e fragilizada (denominada zona termicamente afetada) para restaurar a tenacidade do material.

Endurecimento

O endurecimento dos aos feito para aumentar a resistncia mecnica e a resistncia ao desgaste. O termo resistncia mecnica pode ser empregado para: (a) resistncia esttica - capacidade de resistir a cargas de curta durao na temperatura ambiente, (b) resistncia fadiga - capacidade de resistir a cargas cclicas ou flutuantes no tempo e (c) resistncia fluncia - capacidade de resistir a cargas em temperaturas capazes de produzir alterao progressiva das dimenses, durante o perodo de aplicao da carga. A resistncia ao desgaste resulta em menor perda de massa dos componentes metlicos em servio por atrito com outras peas.

A utilizao do tratamento trmico de tmpera e revenimento permite obter elevada dureza e aumentar a resistncia fadiga e ao desgaste de engrenagens, girabrequins, comandos de vlvula, molas, e outras partes mveis, existentes no interior de motores e sistemas de transmisso de veculos automotores.

O pr-requisito para endurecer um ao que haja carbono suficiente para se conseguir o endurecimento. Havendo carbono suficiente na pea pode-se temper-la para obter endurecimento superficial. Entretanto, para que haja penetrao de dureza no interior da pea necessria uma certa quantidade de elementos de liga, que so introduzidos no ao com a finalidade de aumentar a sua temperabilidade (profundidade de penetrao de dureza por tmpera.)

As propriedades mecnicas dos aos so dependentes de sua microestrutura e um bom entendimento das etapas de formao dos microconstituintes durante e aps tratamentos trmicos permite selecionar com maior conhecimento e propriedade, materiais e tratamentos trmicos para se obter os nveis de resistncia mecnica desejados.


ESTRUTURA CRISTALINA

Os metais so constitudos por um aglomerado compacto de tomos, arranjados ordenadamente, denominado estrutura cristalina. Os tomos costumam ser representados por esferas rgidas como se fossem bolas de bilhar. Embora esta forma de representao bastante simplificada, ela adequada para explicar as propriedades fsicas e mecnicas dos metais.

Os aos so ligas de ferro-carbono e para entender como os tomos de ferro e carbono formam a estrutura cristalina preciso antes visualizar os aglomerados de tomos de ferro (raio atmico 140 pm) e as formas cristalinas que esse elemento pode assumir. Em temperaturas elevadas o ao apresenta uma estrutura, denominada cbica de face centrada CFC, mostrada na parte superior da figura abaixo. formada por 8 tomos de ferro, situados nos vrtices de uma clula unitria cbica e por 6 tomos de ferro, situados nas faces do cubo. Veja que somente 1/8 de cada tomo situado nos vrtices do cubo faz efetivamente parte da clula unitria. Da mesma forma, somente 1/2 de cada tomo situado no centro das faces fica no interior da clula unitria. Em temperaturas mais baixas os tomos de ferro se organizam de outra maneira formando uma estrutura cbica de corpo centrado - CCC, com 8 tomos nos vrtices da clula unitria cbica e um nico tomo no centro do cubo, como mostrado na parte inferior da figura abaixo.

A estrutura CFC denominada austenita ou fase - estvel desde temperaturas muito altas, logo aps a solidificao do ao, passando pelas temperaturas de laminao ou forjamento (1000 a 1200C), at a temperatura de 912C. A 912 C ocorre a transformao do ferro CFC para a estrutura CCC

denominada ferrita ou fase - estvel at a temperatura ambiente.

Posies atmicas

(a) Empacotamento cbico de face centrada - CFC

Clula unitriaPosies atmicas

(a) Empacotamento cbico de face centrada - CCC


A austenita, nos aos de baixa liga, no uma fase estvel na temperatura ambiente1. J a ferrita estvel e apresenta propriedades mecnicas de dureza e resistncia muito baixas. Em compensao uma fase que apresenta alta dutilidade e alta conformabilidade.

Praticamente todos os tratamentos trmicos realizados em aos se baseiam na

transformao FeCCC

FeCFC . Se essa transformao no existisse no haveria a

possibilidade de endurecer os aos e obter materiais to duros e to resistentes ao desgaste e fadiga.

O carbono, por sua vez um tomo muito pequeno (raio atmico 70 pm), quando comparado com o tomo de ferro, que ocupa as posies vazias existentes no reticulado cristalino do ferro, chamadas posies intersticiais, como mostrado na Figura abaixo.

Quando o teor de carbono mais alto o carbono se combina com o ferro formando um fase cermica - carboneto de ferro Fe3C, denominada cementita. A estrutura cristalina da cementita complexa, com 16 tomos por clula unitria, 12 de ferro e 6 de carbono. uma fase muito dura (1050 HV) e frgil e suas propriedades mecnicas so parecidas com as do vidro.

1 A austenita pode aparecer como uma fase metaestvel austenita retida - nos aos temperados, no meio de plaquetas de martensita. Sua presena impede a obteno de durezas elevadas nos aos temperados.


DIAGRAMA DE EQUILBRIO Fe-C

Existem diagramas que descrevem, para as ligas Fe-C, as faixas de temperaturas em que as fases ferrita, austenita e cementita so estveis e as temperaturas em que ocorrem as transformaes. Esses diagramas so chamados diagramas de equilbrio. Atravs desse diagramas possvel prever quais fases se formam quando o ao resfriado lentamente (no equilbrio). Na figura abaixo o diagrama de equilbrio Fe-C mostra que a ferrita uma fase que aparece isolada somente para teores muito baixos de carbono < 0,1% C. Nos aos em que o teor de carbono maior que 0,1%, ocorre precipitao de cementita (Fe3C). A precipitao de cementita ocorre de forma alternada com a ferrita formando uma estrutura lamelar denominada perlita. Pode-se dizer que a perlita um material compsito natural pois constituda de lamelas alternadas de ferrita e cementita.

Ferrita

Austenita

Perlita

Composio % (C)


ESTRUTURA DOS AOS RESFRIADOS LENTAMENTE

Quando o teor de carbono menor que 0,1% o ao contm somente ferrita sendo muito mole e dtil. Por outro lado os aos com 0,8% C apresentam na microestrutura 100 % de perlita. Se aumentarmos o teor de carbono dos aos entre 0,1 e 0,8%, teremos um aumento da quantidade de perlita e uma diminuio da quantidade de ferrita. Assim, um ao com 0,4% C tem aproximadamente 50% de ferrita e 50% de perlita.

Pode-se colocar num grfico a variao da quantidade de ferrita e perlita, em aos com teor de carbono entre 0 e 0,8% e a quantidade de cementita e perlita nos aos com teor de carbono maior 0,8%.

Quando um ao contendo 0,4% C aquecido acima de 727C, dentro da zona crtica, a perlita existente na microestrutura se transforma em austenita e a ferrita continua estvel. Se, entretanto, aquecermos acima de aproximadamente 830C todo o material se transforma em austenita.

Microestrutura de um ao com 0,4% C

Variao da porcentagem de perlita em funo do teor de carbono,nos aos resfriados lentamente


Se agora resfriarmos o material lentamente a austenita comea a se transformar em ferrita, dentro da zona crtica e finalmente a 727 C toda austenita se transforma em perlita.

A cementita endurece o ao e a ferrita o mantm tenaz. A dureza da perlita intermediria entre a dureza da ferrita e da cementita, como se v na tabela abaixo.

As propriedades mecnicas dos aos carbono resfriados lentamente variam com o teor de carbono. Quanto maior o teor de carbono maiores so o limite de escoamento, o limite de resistncia e a dureza e menor a dutilidade, como pode ser visto no grfico abaixo.

Essa variao grande de propriedades gera famlias diferentes de materiais. Um material muito bom para uma certa aplicao pode ser totalmente inadequado para outra. Se, por exemplo, compararmos as vigas metlicas utilizadas na construo de uma ponte, com os trilhos de trem que sero fixados aos dormentes de madeira, assentados sobre a plataforma desta ponte, veremos que as vigas devem ter resistncia mecnica suficiente para agentar as cargas aplicadas (trem de carga passando sobre a ponte). O projetista sabe, entretanto, que o material selecionado deve ter tenacidade fratura e resistir formao e propagao de trincas. Alm disso

230Perlita ( + Fe3C) 1050Cementita (Fe3C)

90Ferrita (Fe-) Dureza (HV)Microconstituinte


a estrutura deve poder ser soldada pois esse o mtodo construtivo de menor custo para este tipo de ponte. O ao selecionado seria um ao C-Mn - ASTM A572 grau 50, contendo no mximo 0,23% C, sob pena de no apresentar soldabilidade suficiente para a finalidade.


Variao das propriedades mecnicas dos aos resfriados lentamente, com o teor de carbono. [Colpaert, H.] Metalografia dos produtos siderrgicos comuns Ed. Edgar Blcher, 1970.

J o ao do trilho deve apresentar alm de elevada resistncia mecnica, elevada resistncia ao desgaste, pois as rodas do trem trabalham diretamente, sobre o trilho, e o contato metal-metal no lubrificado constitui a solicitao crtica. Os aos para trilho utilizados hoje em dia so 100% perlticos e para tanto devem conter aproximadamente 0,8 % C.

Ao ARBL - ASTM A572 grau 50, com Ao 1080, com 0,8% C, 100% perltico 0,23 %C max, utilizado para fabricar utilizado para fabricar trilhos de trem. vigas estruturais. 200X. 500X.

TMPERA DO AO

O artefato temperado mais antigo, datado de 1.100 AC, foi encontrado em runas arqueolgicas, na ilha de Chipre. Entretanto, a tmpera do ao parece ter sido desenvolvida mais amplamente pelos romanos, para endurecer e aumentar a resistncia ao desgaste de ferramentas. O processo foi descoberto casualmente. Os ferreiros aps martelarem suas ferramentas a quente esfriavam-nas em gua para que no ficassem quentes dentro da oficina. Aps a tmpera a ferramenta se tornava muito dura. Os povos antigos passaram a usar a tmpera para endurecer armas brancas, tais como espadas, facas, sabres, etc.


A tmpera consiste em aquecer o ao at uma temperatura acima da zona crtica (austenitizao), mant-lo nesta temperatura por um certo tempo e em seguida resfria-lo bruscamente.

Abaixo de uma temperatura Mi de incio de formao de martensita forma-se uma estrutura muito dura e frgil denominada martensita, com reticulado TC - tetragonal compacto.

A estrutura martenstica formada por agulhas ou placas muito finas como se v na Figura abaixo.

tempo

T (C)

Austenita (CFC) Ferrita (CCC) Mi Martensita (TC)


Somente na metade do sculo passado comeou-se a entender porque o ao endurece quando resfriado bruscamente. O reticulado TC um reticulado CCC distorcido devido ao excesso de carbono contido. A ferrita tem capacidade muito pequena de dissolver carbono no reticulado. J a austenita pode dissolver, em alta temperatura, todo o carbono contido no ao. Durante o resfriamento, no h tempo suficiente para a austenita se transformar novamente em ferrita ou cementita e o carbono em excesso fica retido na estrutura martenstica promovendo forte distoro e introduzindo tenses elevadas no reticulado. As tenses internas so tanto maiores quanto maior o teor de carbono em excesso, sendo responsveis pelo aumento de dureza do ao.


A figura acima mostra a variao da dureza dos aos temperados com o teor de carbono. Dependendo do teor de carbono do ao possvel obter durezas que vo de 20 HRC at aproximadamente 67 HRC. Nos aos de muito alto teor de carbono no se obtm durezas mais elevadas devido reteno de austenita (nem toda austenita se transforma para martensita).

CURVAS TTT

Quando os aos so resfriados com velocidades intermedirias outras microestruturas se formam. Para descrever o que ocorre durante o resfriamento dos aos submetido a tratamentos isotrmicos, utilizam-se as curvas TTT Temperatura, Tempo, Transformao. So diagramas que relacionam as temperaturas e os tempos de incio e fim de transformao. possvel localizar nas curvas as regies em que se formam ferrita, perlita, bainita e martensita.

A curva mais esquerda (azul) corresponde ao incio das transformaes e a mais direita

(cor de laranja) ao fim das transformaes. Nas duas curvas existem duas retas horizontais

1s 10 s 1 min 1h 1 dia tempo

A Zona crtica A+F Am Perlita grossa

A+F+C Perlita fina

Bainita Mi

A+M Mf Martensita

T (C)


denominadas respectivamente Mi e Mf. So as temperaturas de incio e fim de transformao martenstica.

Quando uma curva de resfriamento cruza a curva TTT a transformao ocorre na regio assinalada por um serrilhado. A determinao da estrutura feita analisando-se em regio da curva TTT ocorreu a transformao.

CURVAS RC

Para tratamentos trmicos industriais, em que raramente as temperaturas so mantidas constantes, e as peas so continuamente resfriadas desde a temperatura de austenitizao at a temperatura ambiente, utilizam-se curvas de resfriamento contnuo que descrevem as transformaes em resfriamento contnuo.


Curva de incio de transformao

Curva de fim de transformao

T (C)


A bainita uma estrutura acicular que se forma em uma regio intermediria entre a de formao de perlita e a de martensita. Possui elevada dureza e boa tenacidade.

2% nital 500X

No tratamento trmico indicado na figura haver uma mistura de ferrita, perlita e bainita na microestrutura do ao.

Nos tratamentos trmicos industriais, em que o resfriamento do ao contnuo podem-se formar misturas de microestruturas, como mostra a srie de 6 curvas de resfriamento superpostas curva RC. Os nmeros indicados correspondem dureza Vickers alcanada aps cada um dos tratamentos trmicos indicados.

A Zona crtica Ferrita Am Perlita

Bainita Mi

Martensita Mf


T (C)


A F P B M


Microestruturas formadas em conseqncia das seis velocidades de resfriamento indicadas na figura anterior. Os nmeros DPH so as durezas Vickers de cada estrutura.


TRATAMENTOS TRMICOS

RECOZIMENTO PLENO

Em conseqncia dos processos de fabricao as barras e tarugos de ao podem acumular tenses e apresentar microestruturas heterogneas com exagerado tamanho de gro e dureza elevada. O recozimento pleno feito com o objetivo de reduzir o mximo a dureza do ao. Por meio do recozimento pleno possvel aumentar a dutilidade e a usinabilidade do ao alm de controlar seu tamanho de gro. Utiliza-se este tratamento quando na seqncia de fabricao o ao deve sofrer elevado grau de deformao ou a pea deve ser usinada. O recozimento pleno garante dutilidade a peas que em outras circunstncias apresentariam comportamento frgil.

O recozimento pleno consiste em elevar lentamente a temperatura do ao at aproximadamente 50 acima da zona crtica (austenitizao total), no caso dos aos com teor de carbono menor que 0,8%. A formao de austenita em alta temperatura destri todas as estruturas existentes anteriormente ao aquecimento. No resfriamento formam-se a ferrita e a perlita grossa que garantem amolecimento do material. Para os aos com teor de carbono maior que 0,8% (52100) o recozimento feito em temperatura 50 C acima do limite inferior da zona crtica.


O ao mantido na temperatura por um tempo suficiente para que a estrutura se torne austentica ou de austenita + cementita e em seguida resfriado dentro do forno com uma velocidade de aproximadamente 25 C/h at aproximadamente 50 C abaixo da zona crtica. A partir desta temperatura o ao pode ser resfriado ao ar. importante que a passagem pela faixa de temperaturas em que ocorre a transformao seja bastante lenta para que se forme perlita grossa, perlita esferoidizada, e cementita esferoidizada na estrutura do material. Na tabela possvel obter as temperaturas de austenitizao e os ciclos de resfriamento para aos com diferentes teores de carbono, bem como suas durezas.

Recozimento pleno


ESFEROIDIZAO

Os aos de alto carbono %C > 0,8% (p.e aos para rolamento) apresentam uma rede frgil de cementita ao redor da perlita. Esta quantidade maior de cementita presente nestes aos torna-os difceis de usinar. Para melhorar a usinabilidade destes aos faz-se um tratamento de esferoidizao. O tratamento assim chamado porque as partculas de cementita tornam-se esfricas aps tempos prolongados de exposio a temperaturas ligeiramente subcrticas. O tratamento produz cementita esferoidal em uma matriz de ferrita, eliminando a presena de perlita e a rede de carbonetos frgeis anteriormente existentes na microestrutura.

O tratamento consiste em aquecimento do ao at uma faixa de temperaturas 50C abaixo da zona crtica, manuteno prolongada (vrias horas) nesta temperatura e resfriamento lento dentro do forno.

Esferoidizao


Esta estrutura confere mnima dureza e mxima usinabilidade.

Os aos de baixo teor de carbono quase nunca so esferoidizados porque so muito moles e deformveis e empastam a ferramenta, provocando aquecimento da ferramenta e desgaste excessivo.

ALVIO DE TENSES

O aquecimento dos aos para alvio de tenses feito para reduzir tenses residuais introduzidas por usinagem pesada ou conformao mecnica a frio. Muitas vezes tambm chamado de recozimento subcrtico. Geralmente feito em temperaturas subcrticas e atravs deste tratamento consegue-se aumentar a dutilidade, melhorar a usinabilidade, remover tenses residuais, atravs da reduo da dureza, do limite de escoamento e do limite de resistncia do material.


NORMALIZAO

A normalizao do ao feita quando se deseja refinar o gro do material. O ao com gros grandes tende a apresentar maior heterogeneidade de propriedades e maior fragilidade. O refino de gro garante maior homogeneidade de propriedades, e maior tenacidade. O tratamento trmico de normalizao consiste no aquecimento do ao at 60C acima do limite superior da zona crtica (A3 ou Acm), sempre garantindo austenitizao total do material. Em seguida retirado do forno e deixado resfriar ao ar natural. A estrutura resultante de pequenos gros de ferrita e perlita fina. Esse tratamento bem mais barato que o de recozimento pleno pois o forno pode ser desligado logo aps o fim do perodo de austenitizao.

Normalizao


A principal diferena entre os tratamentos de recozimento pleno e de normalizao que as peas tratadas em recozimento pleno apresentam dutilidade e usinabilidade homogneas em todas as regies, j que a pea toda fica exposta ao ciclo de resfriamento. J no caso da pea normalizada a velocidade de resfriamento no uniforme. Sees mais espessas resfriam mais lentamente do que sees mais finas. Como a velocidade de resfriamento heterognea, a microestrutura e as propriedades (usinabilidade e conformabilidade) tambm o so. Caso se deseje usinar a pea nas etapas subseqentes de fabricao melhor fazer o recozimento pleno.


TRATAMENTOS PARA ENDURECIMENTO DO AO

Os tratamentos de endurecimento visam aumentar a resistncia mecnica dos aos. So feitos aps a pea ter passado por operaes de conformao plstica, usinagem. normalizao ou alvio de tenses.

TMPERA

O tratamento consiste em aquecimento at uma temperatura 50 acima da temperatura crtica (a mesma faixa utilizada apara recozimento pleno) e em seguida resfria-lo bruscamente em gua, leo ou em meios de tmpera de composio qumica especial.

Austenitizao Para Tmpera


O objetivo do tratamento de tmpera obter martensita na estrutura do ao, microconstituinte muito duro e frgil. Para tanto, as peas devem ser resfriadas rapidamente, para evitar a formao de ferrita, perlita, bainita, microconstituintes mais moles que a martensita.

Quando se faz o resfriamento brusco do ao, durante a tmpera, ocorre choque trmico devido passagem da pea de temperaturas de 850 a 900 C para a temperatura ambiente, em poucos segundos.

O resfriamento brusco pode causar distores e at mesmo trincas na pea, denominadas trincas de tmpera. Entretanto, o resfriamento deve ser rpido o suficiente para garantir que se forme martensita na superfcie do material. O tempo disponvel para resfriamento dado pela


distncia do cotovelo da curva RC ao eixo das temperaturas. Quanto mais deslocada para a direita a curva RC, mais fcil temperar o ao.

Quando a velocidade de resfriamento alta, estabelecem-se grandes diferenas de temperatura entra a superfcie e o centro da pea, pois a superfcie em contato direto com o meio refrigerante resfria rpido, enquanto o ncleo resfria mais lentamente.

Assim, quando se faz tratamentos trmicos de peas mdias e grandes deve-se sempre levar em considerao que o ncleo e a superfcie, submetidos a diferentes velocidades de resfriamento, podem apresentar microestruturas e propriedades mecnicas muito diferentes.

Isso pode ser visto na Figura, em que a superfcie da pea apresenta martensita e o ncleo uma mistura de ferrita, perlita, bainita e martensita.


Pode-se observar que a transformao do ao na superfcie ocorre em apenas 3 segundos enquanto no ncleo inicia aps 8 segundos e somente termina aps aproximadamente 30 segundos.

Em princpio possvel obter valores de dureza em Qaunto maior o teor d ecarbono do ao , maior a dureza da martensita obtida. Por outro lado quanto maior observa-se uqe possvel obter dureza de 50 HRC com 99,9% de martensita e 0,25% C ou com 95% de martensita e 0,35% C, ou com 90% de martensita e 0,4%C, ou com 80% de martensita e 0,45% C ou ainda com 50% de martensita e 0,6%C.

Superfcie Centro


preciso ter em mente que quanto maior o teor de carbono mais frgil o ao. Da mesma forma, quanto mais heterognea a estrutura do ao (mistura de martensita, bainita, perlita e ferrita) menor a sua resistncia fadiga. Desta forma a seleo do material deve sempre ser feita adotando-se o menor teor de carbono compatvel com a dureza desejada.


MARTMPERA

Muitas vezes conveniente submeter o ao a um tratamento de martmpera, que permite eliminar a diferena de temperaturas e tempos de transformao entre a superfcie e o ncleo do ao. A martmpera consiste na austenitizao do ao nas temperaturas usuais seguida de tmpera em leo aquecido ou em banho de sais em uma temperatura logo acima da temperatura Mi. O tempo de manuteno nesta temperatura deve ser suficiente para equalizar a temperatura em toda a pea, sem entretanto, deixar que ocorra a transformao baintica. Este tratamento feito com o objetivo de minimizar as distores e as tenses residuais decorrentes das diferenas de temperatura na superfcie e no interior da pea.

A microestrutura final martenstica, de alta dureza e baixa tenacidade. Da mesma forma que na tmpera convencional esse tratamento deve ser seguido de revenimento para aumentar a tenacidade.


REVENIMENTO

O tratamento de tmpera torna as peas muito duras porm muito frgeis. Salvo raras excees as peas temperadas so sempre revenidas, visando baixar a dureza e aumentar a tenacidade. Durante o revenido a martensita com estrutura TC perde o excesso de carbono em soluo e seu reticulado cristalino vai se tornando mais prximo do da ferrita, sem distoro e sem acmulo de tenses mecnicas. Quanto mais alta a temperatura de revenido, menor distoro do reticulado, menor a dureza e maior a tenacidade do ao. Nos aos para construo mecnica, de baixa liga e alta resistncia, a dureza cai continuamente com a temperatura de revenido, como mostra a figura abaixo.

Existe uma faixa de temperaturas em que o revenido deve ser evitado pois, a tenacidade

bastante prejudicada. Este fenmeno chama-se fragilidade azul ou fragilidade dos 500 F (260C). O nome fragilidade azul deve-se ao fato de que na faixa de temperaturas em que essa fragilidade ocorre, forma-se uma pelcula de xido azulada, conforme se v na tabela abaixo, que mostra as cores do revenido de aos ao carbono. A figura abaixo mostra a queda de energia absorvida no ensaio de impacto, na faixa de temperaturas entre 260 e 375 C (500 a 700 F).


AUSTMPERA

A austmpera tambm, um tratamento trmico para endurecimento de aos. Na austmpera, aps austenitizao feita de maneira semelhante quela realizada para tmpera convencional, o ao mergulhado em um banho constitudo de uma mistura de sais fundidos, mantido a temperatura constante, entre 250 e 450 C. O resfriamento feito em banho de sais visa evitar a formao de ferrita e perlita e induzir a formao de bainita nas peas.

A bainita uma estrutura que tem dureza semelhante da martensita revenida, porm, maior tenacidade. Se compararmos duas barras de um mesmo ao, uma temperada em leo e revenida a 200C e outra austemperada a 325C, ambas com a mesma dureza de 54 HRC, a barra temperada apresenta menor valor de energia absorvida no ensaio de impacto que a barra austemperada.


TMPERA POR INDUO.

A tmpera por induo uma tcnica de endurecimento superficial bastante utilizada em aos. O aquecimento da pea feito superficialmente por induo. Uma ou mais bobinas, alimentadas por fontes de potncia induzem correntes eltricas na superfcie do ao a ser tratado. As correntes aquecem o ao por efeito resistivo. Atingida a temperatura de austenitizao o ao resfriado por jatos de gua ou de gs (nitrognio) de modo a garantir a formao de martensita em sua superfcie.

O tratamento pode ser feito em fornos e sistemas de resfriamento contnuos, como o mostrado no esquema abaixo, referente a uma instalao de tmpera de tubos mecnicos.


TEMPERABILIDADE

Quando fazemos a tmpera de peas de ao, principalmente de peas de mdias ou grandes dimenses, resultam diferenas de dureza entre a superfcie e o ncleo, em conseqncia das diferenas de velocidades de resfriamento.

Uma maneira de avaliar diferenas de dureza existentes em peas de diferentes dimenses fazer o ensaio de curvas em U em que cilindros de diferentes dimetros, fabricados a partir de um mesmo ao, so temperados no mesmo meio de tmpera. Aps a tmpera os cilindros so cortados transversalmente e submetidos a medies de dureza ao longo de seu dimetro. A superfcie temperada apresenta maior dureza enquanto o ncleo, submetido a velocidades de resfriamento menores fica mais mole. A transio entre a regio 100% temperada (100% de martensita) para o ncleo no temperado gradual e a curva em U mostra essa variao. Para cilindros muito espessos as velocidades de resfriamento superficiais so muito lentas no sendo possvel atingir a dureza mxima para o ao utilizado.

Na figura acima possvel observar as curvas em U de dois aos contendo 0,4% C (1040 e 3340) temperados em gua e em leo. A dureza mxima conseguida para os dois aos de 59 a 60 HRC, para cilindros de pequeno dimetro. Apesar de o ao 3340 ter quantidades apreciveis de elementos de liga a dureza mxima atingida na tmpera praticamente a mesma que a do ao


carbono. De uma maneira geral pode-se afirmar que a dureza mxima que se pode atingir em um ao temperado depende somente do teor de carbono

Observa-se na figura, tambm, que a penetrao de dureza no interior do cilindro do ao ligado muito maior que a do ao 1040. Os elementos de liga, presentes no ao, aumentam a profundidade de endurecimento por tmpera, chamada de temperabilidade. A temperabilidade a capacidade de um ao endurecer por tmpera at uma certa profundidade.

A temperabilidade uma propriedade associada profundidade atingida por endurecimento na tmpera. A temperabilidade no pode ser associada mxima dureza do ao. A principal razo pela qual se adicionam elementos de liga aos aos aumentar a temperabilidade, ou seja, a profundidade capaz de endurecer por tmpera.

A ttulo de exemplo podemos analisar o caso de um eixo de ponte rolante de grande porte, com dimetro 180 mm. Se fabricarmos o eixo com ao 5140, contendo 0,4% C e 1% Cr, ao se fazer a tmpera em leo obtm-se, antes de revenir, no mximo 30 HRC de dureza na superfcie e 20 HRC a menos de 30 mm da superfcie. O mesmo eixo pode ser fabricado em ao 4340. Neste caso a dureza mxima de 50 HRC na superfcie e cai para 45 HRC no ncleo da pea. A microestrutura, nesse caso 100% baintica.


Comparando as curvas RC dos dois aos observa-se que a principal diferena est na distncia das curvas ao eixo das ordenadas. Selecionar aos com maior teor de elementos de liga equivale a trabalhar com curvas RC deslocadas para a direita. Os aos de maior temperabilidade podem se temperados para valores elevados de dureza utilizando meios de resfriamento mais brandos, minimizando desta forma as distores e as tenses residuais.

5140

4340


ENSAIO JOMINY

Um ensaio de execuo bem mais simples e que permite avaliar a temperabilidade dos aos o ensaio Jominy. Um corpo de prova cilndrico com aproximadamente 10 cm de comprimento e 2,5 cm de dimetro submetido tmpera em sua ponta. Da ponta temperada at a outra extremidade estabelece-se um gradiente de velocidades de resfriamento, representativas das velocidades de resfriamento encontradas em sesses espessas de peas temperadas.

O pino austenitizado, retirado do forno e imediatamente colocado em um suporte. Neste momento abre-se um registro que faz com que um jato de gua incida na ponta do pino temperando-o. O pino permanece resfriando no dispositivo at a temperatura ambiente. Aps retifica de duas faces paralelas, fazem-se medidas de dureza em intervalos regularmente espaados de 1/16 avos de polegada, determinando-se a curva de variao de dureza em funo da distncia Jominy.

Pinos de aos carbono e outros aos de baixa temperabilidade apresentam curvas Jominy com variao acentuada de dureza prximo da extremidade temperada (1). Pinos de aos ligados de


alta temperabilidade apresentam variao muito pequena de dureza ao longo da distncia extremidade temperada (2).

Ao 1 5140 Ao 2 4340

Quando se deseja obter camadas temperadas espessas, homogeneamente constitudas de 100% de martensita ou peas que contenham 100% de martensita ao longo de toda a seo transversal necessrio utilizar aos de alta temperabilidade.

EFEITO DOS ELEMENTOS DE LIGA NA TEMPERABILIDADE DOS AOS

Os elementos de liga C, Mo, Mn, Cr, Si e Ni tm efeito acentuado sobre a temperabilidade dos aos, como se v no grfico abaixo, em que D o aumento do dimetro tempervel. O carbono o elemento qumico que tem o maior poder de aumentar a temperabilidade dos aos. E , tambm, o mais barato. Infelizmente o aumento do teor de carbono implica em uma diminuio acentuada de tenacidade. Aos de mais alto teor de carbono temperados so muito duros, porm, muito frgeis. O elemento de liga mais efetivo para aumentar a temperabilidade dos aos o Mo. Esse elemento, entretanto, muito caro chegando a ser cotado a US$ 200,00 por quilo . Nos ltimos anos seu uso tem sido considerado proibitivo. O elemento qumico, que apresenta a melhor relao custo/benefcio no aumento da temperabilidade dos aos o Mn.


Aumentar a temperabilidade de um ao equivale a deslocar a curva TTT ou RC dos aos para a direita, permitindo que sejam resfriados com menores velocidades, diminuindo as distores e propenso dos mesmos a trincar durante a tmpera.

UTILIZAO DE CURVAS RC PARA SELECIONAR AOS E TRATAMENTOS TRMICOS

Existem programas computacionais que permitem construir as curvas RC para uma grande variedade de aos para construo mecnica e simular tratamentos trmicos em peas simples com seo circular (cilindros) ou retangular (chapas, placas, tarugos) de diferentes dimenses. Sobre as curvas RC so superpostas as curvas de variao de temperatura com o tempo, correspondentes ao resfriamento da superfcie e do ncleo, em diferentes meios de tmpera. Nesses programas h tambm um mdulo que prev as microestruturas formadas aps tratamento trmico desde a superfcie at o centro da pea, bem como as durezas correspondentes, como mostram as figuras abaixo. uma ferramenta muito til para especificao de tratamentos trmicos e seleo de materiais.


Na figura vamos avaliar o que ocorre quando temperamos uma barra de ao 1050 com 30 mm de dimetro, austenitizado a 843C por 100 min em leo a 49C sem agitao. O tamanho de gro do ao nesse caso ASTM 7.

Nas curvas RC possvel obter as temperaturas Ac3, Ac1 de transformao do ao, que delimitam a zona crtica, alm de Mi (em ingls Ms) e Mf. A curva azul a curva de resfriamento da superfcie do cilindro e a curva vermelha a curva de resfriamento do ncleo. As duas curvas azuis de transformao correspondem formao de perlita e de bainita. Observando a figura sabemos que a pea dever apresentar perlita e bainita alm de martensita na microestrutura.


O programa permite avaliar quantitativamente quanto de cada um destes constituintes h no interior do material. No caso analisado temos 45% de perlita, 25% de bainita e 30% de martensita na superfcie e 60% de perlita, 15% de bainita e 25% de martensita no ncleo.

As microestruturas formadas resultam em valores de dureza que podem ser observados na figura abaixo. Na superfcie a barra cilndrica ter 42 HRC aps a tmpera e cerca de 37 HRC aps revenido a 177 por 1 hora.


CEMENTAO

A cementao um tratamento termoqumico feito para enriquecer a superfcie da pea em carbono. Um ao cementado um ao de baixo carbono (no mximo 0,2% C), contendo ou no elementos de liga, tratado termoquimicamente de forma a se obter teor de carbono prximo de 0,8% na superfcie. A espessura de camada pode variar de 0,5 a 2,0 mm. Engrenagens de caixas de cmbio e sistemas de transmisso so geralmente cementadas.

Como o teor de carbono no homogneo, ao longo da seo transversal da pea, a anlise do que ocorre no tratamento trmico um pouco mais complicada.


Cada regio no interior do material tem teor de carbono diferente e sofre diferentes transformaes. A temperatura de austenitizao para cada uma das regies do material diferente. Alm disso, o carbono desloca a curva RC para direita e ao mesmo tempo abaixa a temperatura Mi.

Conseqentemente as estruturas resultantes da tmpera so bastante diferentes.

i i i


C

C

C

C


Pode-se utilizar o programa de construo de curvas RC para estimar as caractersticas de transformao do ao cementado conforme exemplo ilustrado abaixo.

Um barra de ao ao 8620, contendo 0,5% Cr, 0,5%Ni e 0,20 %Mo, com 30 mm de dimetro, cementado para 0,8%C na superfcie, austenitizado na temperatura de 843C, por 100 min, aps tmpera em leo sem agitao a 49C, apresenta curvas RC e de resfriamento como mostra a figura seguinte.


Repare que a temperatura Mf do ao na superfcie de -34C. Ao temperarmos o ao em leo aquecido a transformao martenstica no termina. Uma certa quantidade de austenita retida no se transforma, impedindo alcanar dureza mxima na superfcie. Quanto mais alto o teor de carbono na superfcie do ao maior ser o teor de austenita retida e menor ser a . A microestrutura resultante deste tratamento constituda por 90% de martensita e 10% de austenita retida na superfcie e 20% de ferrita, 75% de bainita e somente 5% de martensita no ncleo.

A dureza aps a tmpera atinge 62 HRC na superfcie, 64 HRC um pouco mais para dentro e depois comea a cair chegando a 32 HRC no ncleo.


TRATAMENTOS SUB-ZERO

Existem tratamentos trmicos sub-zero feitos com o objetivo de promover a transformao da austenita retida para martensita e aumentar a dureza superficial do ao. O tratamento consiste em resfriar a pea j temperada em nitrognio lquido (-197C) ou misturas de lquidos em temperaturas negativas, para que a temperatura Mf do ao seja cruzada, permitindo que ocorra 100% de transformao.

um tratamento trmico freqentemente aplicado aos aos de alto carbono, principalmente o ao ferramenta. A resistncia ao desgaste aumenta muito aps tratamento sub-zero como pode ser visto no grfico abaixo. Um ao para rolamento pode aumentar de 2 at 5 vezes sua resistncia ao desgaste quando tratado sub-zero para eliminao de austenita retida.


TRATAMENTO CRIOGNICO

Um tratamento trmico recentemente desenvolvido o tratamento criognico. Consiste em resfriar peas (mesmo que no tenham austenita retida em sua estrutura) at temperaturas sub-zero e mant-las nesta temperatura por vrias horas. Em seguida as peas so aquecidas at a temperatura ambiente em tempos prolongados de 8 a 20 horas. Posteriormente so revenidas entre 150 e 600C para baixar a dureza e aumentar a tenacidade.

So tratamentos demorados que trazem benefcios acentuados s propriedades mecnicas do material. Sabe-se que o jateamento com granalha um tratamento de superfcie muito importante para aumentar a resistncia fadiga de molas carregadas dinamicamente. H relatos de que a realizao de tratamentos criognicos podem melhorar ainda mais a vida em fadiga destes componentes. P.e. molas de vlvula de carros de corrida podem perder at 10% de sua fora no incio de sua vida (perodo de amaciamento). Por esta razo molas de vlvulas de motores de competio sofrem duplo jateamento por granalha, primeiro com uma granalha mais grossa e depois com granalha mais fina. O objetivo criar tenses residuais de compresso na superfcie que aumentam a vida em fadiga do material. Quando as vlvulas sofrem tratamento criognico aps o jateamento observa-se um aumento na vida em fadiga de 5 a 7 vezes em relao ao material simplesmente jateado. Alem disso a perda de fora no perodo de amaciamento reduzida para 3%.

P.e. molas de vlvula de carros de corrida podem perder at 10% de sua fora no incio de sua vida (perodo de amaciamento). Por esta razo molas de vlvulas de motores de competio sofrem duplo jateamento por granalha, primeiro com uma granalha mais grossa e depois com granalha mais fina. O objetivo criar tenses residuais de compresso na superfcie que aumentam a vida em fadiga do material. Quando as vlvulas sofrem tratamento criognico aps o jateamento observa-se um aumento na vida em fadiga de 5 a 7 vezes em relao ao material simplesmente jateado. Alem disso a perda de fora no perodo de amaciamento reduzida para 3%.


RESUMO DE TRATAMENTOS TRMICOS

Os benficos que podem ser conseguidos atravs da utilizao de tratamentos trmicos em peas e perfis de ao so inmeros. Vimos no decorrer que h tratamentos para amolecimento e para endurecimento de aos, alm de tratamentos que promovem o refino de gro.

Os tratamentos podem tambm ser classificados em tratamentos que alteram a estrutura e as propriedades da pea toda ou em tratamentos superficiais que condicionam propriedades somente na superfcie.

O quadro abaixo resume os possveis tratamentos trmicos e termoqumicos aplicados aos aos de construo mecnica.

Documents

TRATAMENTO TÉRMICO