TRATAMENTO T‰RMICO

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  • 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.

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    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

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    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.

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    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

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    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.

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    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)