Unidade Tematica11

7/17/2019 Unidade Tematica11

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Metalurgia da Soldadura II-XI-1

Aços Tratados Termomecanicamente

UNIDADE TEMÁTICA XI – AÇOS TRATADOS TERMOMECANICAMENTE

ÍNDICE TEMÁTICO

1. Princípios dos tratamentos

2. Recozimento dos produtos encruados

3. Efeito da temperatura e do grau de recristalização

4. Deformação a frio e a quente. Laminagem controlada

5. Actividades / avaliação

Objectivos Específicos

No final desta unidade temática, o formando deve estar apto a:

• Identificar os princípios dos tratamentos termomecânicos.• Definir recozimento de produtos encruados.• Explicar o efeito da temperatura.• Definir deformação a quente e a frio.





Princípios dos tratamentos

Um tratamento termomecânico de uma liga metálica consiste na aplicaçãosimultânea de calor e de um processo de deformação, com o objectivo de alterar a

forma e refinar a microestrutura.

Assim, a laminagem a quente dos metais, correntemente utilizada na indústria, é umtratamento termomecânico que desempenha um papel importante noprocessamento de muitos aços, desde os aços macios de baixo carbono até aosaços inoxidáveis fortemente ligados.

O processo tradicional de fabrico inclui o vazamento de lingotes (de dimensões entre1 ton e 50 ton), que, depois de permanecerem algum tempo nos fornos de poço atemperaturas muito altas (1200-1300oC), são laminados a quente para obtersucessivamente biletes, varões e chapas.

Isto provoca a destruição da estrutura grosseira resultante do vazamento, em virtude

da repetida recristalização do aço no estado austenítico e conduz à redução gradualdas heterogeneidades de composição provocadas por segregação durante ovazamento. Por outro lado, as inevitáveis inclusões não-metálicas (óxidos, silicatos,sulfuretos) são desagregadas, sofrendo algumas delas deformação e redistribuídasno seio do aço duma forma mais uniforme.

Recozimento dos produtos encruados

Reaquecimento de produtos encruados em materiais sem ponto de transformação.

Para recuperar as características mecânicas do material deformado é necessáriorealizar um tratamento térmico após deformação a frio ou entre reduções sucessivasse a deformação for muito acentuada. Este tratamento designado por recozimento

tem como função promover a regeneração estrutural do material, melhorando oalongamento e aliviando as tensões introduzidas durante a operação de deformação.

A temperatura máxima atingida no tratamento térmico de recozimento e o tempo depermanência a essa temperatura são variáveis importantes, uma vez quecondicionam os mecanismos de recuperação do material e determinam a forma etamanho de grão finais.

Observando ao microscópio óptico a evolução da microestrutura de um metalencruado durante um tratamento térmico de recozimento a temperaturassucessivamente crescentes, verifica-se que os grãos primitivos da estrutura,fortemente alongados, são progressivamente substituídos por novos grãos, de formaequiaxial. Esta modificação estrutural é acompanhada de uma evolução das

propriedades mecânicas e físicas.

Assim, para recozimentos a baixa temperatura ou para recozimentos em intervalos detempo curtos, observa-se um amaciamento do material sem que ocorra modificação daestrutura visível ao microscópio óptico: esta primeira fase designa-se por restauração.

A restauração corresponde a uma diminuição da densidade de deslocações criadasdurante a deformação e a um rearranjo destas de modo a formar paredes quedelimitam sub-grãos (poligonização). Esta evolução só é visível ao microscópioelectrónico. Geralmente, o desenvolvimento dos sub-grãos é lento e limitado.

A continuação de fornecimento de energia ao sistema leva ao aparecimento de novosgrãos (germinação) e ao crescimento destes. Se o encruamento for baixo então a

recuperação das características mecânicas dá-se em consequência de um arranjoestrutural que não envolve recristalização, mas somente arranjo de defeitos e

Laminagem a quentecomo tratamentotermomecânico





restauração. Se o encruamento for superior ao encruamento crítico, o recozimentoorigina o aparecimento de novos grãos não deformados (germinação) e seucrescimento. Um limite de grão separa então os novos grãos recristalizados da matrizenvolvente.

Os novos grãos desenvolvem-se a partir da matriz encruada, parcialmente restaurada,

até atingirem o contacto uns com os outros. Neste momento, a recristalização primáriaé terminada e as características mecânicas do material são praticamente idênticas àsque possuía antes da deformação.

Aumentando a temperatura de recozimento, ocorre um crescimento de grão. Nestafase os grãos desenvolvem-se à custa de grãos vizinhos já recristalizados.Frequentemente este crescimento é bloqueado pela presença de precipitados,obtendo-se então grãos de grandes dimensões e orientações por vezes diferentes daorientação média da matriz na qual se desenvolvem. Este crescimento é designado porrecristalização secundária ou crescimento descontinuo do grão.

Um aumento da temperatura ou do tempo de tratamento térmico pode promover umdesbloquamento destes grãos, ocorrendo um crescimento homogéneo do grão da

estrutura: recristalização terciária.Na Fig. 1 uma representação esquemática das diversas estruturas possíveis deocorrer em função da temperatura e do tempo de tratamento.

Fig. 1 Estruturas possíveis de ocorrer em função da temperatura

I. Assim, até Tr (temperatura de restauração) não ocorre alteração estrutural domaterial encruado.

II. Entre Tr e TR (tempo de recristalização primária), observa-se a formação deparedes de deslocações, a formação de sub-grãos, isto é, a poligonização daestrutura (fase da restauração).

III. Acima da temperatura de recristalização primária (TR) e até à temperatura derecristalização secundária (Ts), também designada por temperatura desobreaquecimento, ocorre a recristalização total da estrutura com destruiçãodos grãos deformados e germinação e crescimento homogéneo de novosgrãos, de orientação diferente da orientação da matriz deformada.

IV. Acima de Ts e até T's (temperatura de fim de sobreaquecimento ou derecristalização secundária) ocorre o desenvolvimento de alguns grãos nãobloqueados pela presença de precipitados, observando-se uma matriztotalmente recristalizada, na qual se desenvolvem grãos de dimensões eorientação diferentes.

V. Entre T's e TSolidus do material, ocorre o crescimento homogéneo dos grãos,resultando uma estrutura de grãos grandes cuja orientação difere da da matrizencruada, a partir da qual se formaram.





VI. Acima da temperatura solidus, ocorre a chamada “queima” do material, isto é,a fusão parcial dos limites de grão (regiões mais impuras e de menor ponto defusão).

A evolução estrutural descrita anteriormente justifica a alteração observada naspropriedades físicas e mecânicas dos metais encruados, tendo o recozimento como

objectivo a recuperação destas características.Nas Fig. 2 e Fig. 3 apresentam-se respectivamente a evolução de algumascaracterísticas e do estado de tensão residual com a temperatura de tratamentotérmico.

Fig. 2 Evolução das características mecânicas com a temperatura de

tratamento





Fig. 3 Evolução do estado de tensão residual com a temperatura de

tratamento

Influência de uma transformação alotrópica. recristalização do aço

Considere-se o Fe puro com uma transformação alotrópica e aproximadamente912ºC.

À temperatura ambiente o ferro tem uma estrutura cúbica de corpo centrado e sãoos grãos desta fase que, durante a deformação a frio, vão adquirir uma formaalongada. A Fig. 4 traduz graficamente a variação do tamanho do grão com atemperatura de tratamento térmico.

Fig. 4 Variação do tamanho de grão com a temperatura de tratamento

A fase encruada mantém a sua forma e tamanho do grão até à temperatura derecristalização desta fase. Acima desta temperatura observa-se um ligeiro aumentodo tamanho de grão que se acentua acima da temperatura de sobreaquecimento(TS) aproximadamente de 750 ºC.

À temperatura de 912ºC, ocorre a transformação da fase α (c.c.c.) → γ (c.f.c.). Estatransição de fase implica um rearranjo atómico com germinação e crescimento denovos grãos a partir dos anteriores, sem haver, contudo, relações de orientaçãoentre as duas fases. Este rearranjo estrutural devido à transformação de fase origina

uma diminuição de tamanho de grão.





Para esta nova fase definem-se também duas temperaturas: a temperatura derecristalização (TR) e a temperatura de sobreaquecimento (TS). Acima datemperatura de austenização do ferro puro (AC3), a evolução do tamanho do grão éanáloga à observada para o ferro α.

O tamanho de grão da fase austenítica condiciona o tamanho de grão final domaterial. Assim, uma fase austenítica de grão grande origina, após arrefecimento,uma fase ferrítica de grão igualmente grande.

Efeito da temperatura e do grau de recristalização

O tratamento de recristalização dá origem a novos grãos, de tal modo que a suadimensão e orientação são funções de diversos factores:• Inerentes ao material (composição química, tratamentos anteriores).• Ligados à deformação realizada (percentagem de deformação, velocidade de

deformação, temperatura).• Ligados ao recozimento (velocidade de aquecimento, temperatura máxima

atingida, tempo, etc.).

De um modo geral, existe uma relação entre o tamanho de grão de recristalização, oencruamento e a temperatura de recozimento, representada por uma superfície numdiagrama a três dimensõesFig. 5.

G – tamanho de grãoT – Temperatura de recozimentoε - Deformação realizada antes do recozimentoI – Zona não recristalizada

II – Zona de grão grosso correspondente ao encruamento críticoIII – Zona de grão grosso por crescimento não homogéneoIV – Zona de recristalização de grão fino

Fig. 5 Diagrama de tratamento de recozimento de recristalização

Neste diagrama observam-se geralmente quatro zonas típicas:1 - zona na qual não ocorre cristalização,

2 - zona de grãos grandes e baixos encruamentos (encruamento crítico),3 - zona de grão fino (encruamentos médios e elevados),





4 - zona de crescimento importante do grão, correspondendo a temperaturas derecozimento elevadas (crescimento anormal do grão).

No caso de produtos laminados e recozidos, a deformação realizada é geralmentemuito superior à correspondente ao encruamento crítico, de modo que a dimensão dosgrãos é pequeno e depende pouco da deformação. A dimensão destes é condicionada

essencialmente pela presença de fases precipitadas. Assim, quando a densidade dosprecipitados é grande, a densidade dos gérmens de cristalização aumenta e diminui otamanho dos grãos recristalizados.

A pureza do metal tem então uma influência muito grande sobre a temperatura derecristalização é de 400 ºC enquanto para o Al 94,9% é de 300ºC.

A dimensão dos grãos de recristalização é difícil de controlar; no entanto, procura-segeralmente um tamanho de grão pequeno, uma vez que este permite tensões limite deelasticidade maiores, melhores alongamentos e um bom aspecto da superfície apósdeformação.

DEFORMAÇÃO A FRIO E A QUENTE. LAMINAGEM CONTROLADA

Na prática, a expressão "deformação a frio" significa que a deformação é feita àtemperatura ambiente, isto é, o material não é aquecido voluntariamente nem antes,nem durante a operação de deformação.

Do ponto de vista físico, considera-se que existem duas grandes classes demecanismos (ao nível microscópico), que intervêm na deformação plástica dos metais:• Mecanismos atérmicos, que não fazem intervir a agitação térmica dos átomos; são

em geral predominantes, para temperaturas inferiores ou iguais a 0,2 a 0,3 T f (emque Tf a temperatura de fusão do material).

• Mecanismos termicamente activados que exigem a intervenção da agitaçãotérmica. São sobretudo eficazes para temperaturas da ordem de 0,5 T f .

A predominância dos mecanismos atérmicos caracteriza a deformação a frio. Emparticular, a difusão é desprezável, o que exclui a ocorrência de fenómenos derecristalização ou precipitação durante a deformação.

Também por este facto e por não ser possível a recristalização, a deformação a frioencontra-se limitada, sob o ponto de vista de quantidade de deformação possível derealizar, ocorrendo encruamento do material.

A deformação a quente está a associada às operações de deformação plásticaefectuadas a uma temperatura superior a 0.5 Tf do material, intervindo entãomecanismos termicamente activados, como seja o movimento de deslocações.

A laminagem a quente tem vindo a evoluir em anos recentes e é actualmente umprocesso de elevada precisão e rigoroso controlo. É aplicada cada vez mais aos açosfracamente ligados, com composições cuidadosamente escolhidas, que permitemoptimizar as propriedades mecânicas finais resultantes da deformação a quente.

Na prática, a noção de deformação a quente corresponde à utilização de temperaturaselevadas: 1000 a 1200ºC para a laminagem dos aços; 800ºC para as ligas de cobre;500ºC para as ligas de Al, etc.

A deformação a quente ocupa um lugar muito importante nos ciclos industriais defabricação; quase todas as peças metálicas começam por ser submetidas a umadeformação a quente. É o caso das chapas grossas, perfis, carris de caminho de ferro,etc., e é, portanto, a deformação a quente que determina a estrutura e as propriedades

do material; no entanto, a maior parte são em seguida transformados a frio e, nestecaso, as modificações estruturais resultantes da transformação a quente podemmodificar as condições desta segunda transformação e subsistir mesmo ao nível do





produto acabado.

Este processo de fabrico, em que a redução de espessura em cada passe delaminagem é pré-determinada e a temperatura final é definida com grande precisão,designa-se por laminagem controlada (ou laminagem de arrefecimento controlado), eé actualmente de maior importância na obtenção de propriedades mecânicas

"garantidas" em aços para condutas, pontes e muitas outras aplicações de engenharia.No outro extremo, isto é, no caso dos aços mais fortemente ligados, é correntesubmeter os aços a grandes deformações no estado austenítico metastável, antes datransformação para martensite. Este processo, designado por ausforming (enformação austenítica), permite obter elevados níveis de resistência, associados auma boa tenacidade e ductilidade.

Do ponto de vista físico, os mecanismos termicamente activados são predominantes,conduzindo a restauração e a recristalização dinâmicas.

A deformação controlada associa os dois processos, com o objectivo de conseguirpara o produto final boas características estruturais e mecânicas.

Na laminagem controlada, por exemplo, considera-se a seguinte sequência deoperações:

1 - laminagem à temperatura elevada (a quente),2 - diminuição da temperatura sem deformação,3 - laminagem a temperatura controlada para obtenção de um tamanho de grãomenor.

Conseguem-se, com esta sequência, taxas de deformação mais elevadas e estruturasresultantes mais finas e homogéneas.

Laminagem controladagarante bons valoresde resistência

mecânica





ACTIVIDADES / AVALIAÇÃO

Exercício 1:

Em que consiste um tratamento termomecânico de uma liga metálica? ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________

Exercício 2:

Em que consiste o processo de laminagem controlada? ______________________________________________________________

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