2
Tratamentotérmicopodeserdefinidocomooaquecimentoouresfriamen-tocontroladodosmetaisfeitocomafinalidadedealterarsuaspropriedadesfísicasemecânicas,semalteraraformadoprodutofinal.
Uma mola espiral, por exemplo, necessita ser tratada termicamente para serutilizadanosistemadesuspensãodeumveículoautomotor.Aosercomprimi-da,napassagemdoveículoporumalombada,amolaacumulaenergiaamorte-cendoomovimentodaroda.Apósapassagempelalombadaamolaseestendedevolvendoaenergiaacumuladaefazendoarodadoveículoretornaràsuapo-siçãoinicial.Otratamentotérmicopermitequeamolasofradeformaçãoelásticasemperdersuaformaeageometriaoriginal.Pararesistiraessesesforçosépreci-soqueamolatenhadurezaelevada,elasticidadeeresistênciamecânicaparanãosofrerdeformaçãoplásticapermanente.
Tratamentotérmico
tem
pera
tura
em
o C
permanência(tempo de forno)
tempo em horas
resfriamento
900
700
500
300
100
1 2 3 4 5 6 7 8 9
aque
cimen
to
Módulo 2
3
Nem sempre os tratamentos térmicos são intencionais. Algumas vezes,peçasmetálicassofremtratamentostérmicos,duranteoprocessodefabricação,passandoporciclosdeaquecimentoouresfriamento,quepodemalterarsuaspro-priedadesdeformaprejudicial.Comoexemplopodemoscitaraoperaçãodesol-dagemdeestruturasdeaço,queaoseremaquecidasatétemperaturaselevadaspodemsofrertêmperaefragilização,nazonatermicamenteafetada(ZTA),com-prometendoatenacidadedaestruturacomoumtodo.
Damesmamaneira,operaçõesdeconformaçãoplásticaafriopodemin-troduzirtensõesindesejadas,nointeriordomaterialeesgotarsuacapacidadedesofrerdeformaçãoplásticaadicional,tornando-osfrágeis.Ostratamentostérmicossãofrequentementeassociadoscomoaumentodaresis-tênciadomaterial.Entretanto,podemserutilizadosparaalterarcaracterísticasdefabricabilidade,comousinabilidade,estampabilidadeourestauraçãodedutilida-de,apósintensoprocessodeconformaçãoafrio. Pode-sedizer,então,queostratamentostérmicossãoprocessosdefabri-caçãoquesãoutilizadostantoparafacilitaroutrosprocessosdefabricaçãocomo
4
paraaumentarodesempenhodosprodutosatravésdoaumentoda resistênciamecânicaoudeoutraspropriedades. Obenefíciotrazidopelostratamentostérmicosaosaçosémuitogrande,poisessesmateriais respondemmuitobemaosdiferentesciclosdetratamentoutilizados.Nummesmoaço,dependendodotratamentotérmico,podem-seobterníveis de resistênciamecânica, dureza, dutilidade e tenacidademuito variados,permitindo,porexemplo,amoleceromaterialparausinagemeposteriormenteendurecê-loparaobteraltaresistência.Essaéumadasrazõespelasquaisautiliza-çãocomercialdoaçoémuitomaiorqueadeoutrosmateriais. Umagrandevariedadedetratamentostérmicosetermoquímicospodeserutilizadaemaços,podendo-se,grossomododividi-losemdoisgrupos: 1.Tratamentosdeamolecimento 2.Tratamentosdeendurecimento
Amolecimento Oamolecimentoéfeitoparareduziradureza,removertensõesresiduais,melhoraratenacidadeouquandosedesejarefinarogrãodomaterial. Emdecorrênciadosprocessosdefabricação,porlaminaçãoafriooutrefi-laçãoosaçosendurecem(encruamento)eénecessáriorestaurarsuadutilidadeouremoverastensõesresiduaisexistentes.Emestruturassoldadas,freqüentementeénecessáriofazer-seumtratamentotérmicodeamolecimentopós-soldagemvi-sandodiminuiradurezadeumazonaendurecidaefragilizada(denominadazonatermicamenteafetada)pararestauraratenacidadedomaterial.
Endurecimento Oendurecimentodosaçoséfeitoparaaumentararesistênciamecânicaearesistênciaaodesgaste.Otermo“resistênciamecânica”podeserempregadopara:(a)resistênciaestática-capacidadederesistiracargasdecurtaduraçãonatempe-raturaambiente,(b)resistênciaàfadiga-capacidadederesistiracargascíclicasouflutuantesnotempoe(c)resistênciaàfluência-capacidadederesistiracargasemtemperaturascapazesdeproduziralteraçãoprogressivadasdimensões,duranteoperíododeaplicaçãodacarga.Aresistênciaaodesgasteresultaemmenorperdademassadoscomponentesmetálicosemserviço,poratritocomoutraspeças. Autilizaçãodotratamentotérmicodetêmperaerevenimentopermiteob-terelevadadurezaeaumentararesistênciaàfadigaeaodesgastedeengrena-gens,girabrequins,comandosdeválvula,molas,eoutraspartesmóveis,existentesnointeriordemotoresesistemasdetransmissãodeveículosautomotores. Opré-requisitoparaendurecerumaçoéquehajacarbonosuficienteparaseconseguiroendurecimento.Havendocarbonosuficientenapeçapode-setem-perá-laparaobterendurecimentosuperficial.Entretanto,paraquehajapenetra-çãodedurezanointeriordapeçaénecessáriaumacertaquantidadedeelementos
Módulo 2
5
deliga,introduzidosnoaçocomafinalidadedeaumentarasuatemperabilidade(profundidadedepenetraçãodedurezaportêmpera.) Aspropriedadesmecânicasdosaçossãodependentesdesuamicroestru-turaeumbomentendimentodasetapasdeformaçãodosmicroconstituintesdu-ranteeapóstratamentostérmicospermiteselecionarcommaiorconhecimentoepropriedade,materiaisetratamentostérmicosparaseobterosníveisderesistên-ciamecânicadesejados.
Osmetaissãoconstituídosporumaglomeradocompactodeátomos,ar-ranjadosordenadamente,denominadoestruturacristalina.Osátomoscostumamserrepresentadosporesferasrígidascomosefossembolasdebilhar.Emboraestaformaderepresentaçãosejabastantesimplificada,elaéadequadaparaexplicaraspropriedadesfísicasemecânicasdosmetais. Osaçossãoligasferro-carbonoeparaentendercomoosátomosdeferroecarbonoformamaestruturacristalinaéprecisoantesvisualizarosaglomeradosdeátomosde ferro (raioatômico140pm)eas formascristalinasqueesseele-mentopodeassumir.Emtemperaturaselevadasoaçoapresentaumaestrutura,denominadacúbicadefacecentrada–CFC,mostradanapartesuperiordafiguraabaixo.Éformadapor8átomosdeferro,situadosnosvérticesdeumacélulauni-táriacúbicaepor6átomosdeferro,situadosnasfacesdocubo.Vejaquesomente1/8decadaátomosituadonosvérticesdocubofazefetivamentepartedacélulaunitária. Damesma forma, somente 1/2 de cada átomo situado no centro dasfacesficanointeriordacélulaunitária.Emtemperaturasmaisbaixasosátomosdeferroseorganizamdeoutramaneiraformandoumaestruturacúbicadecorpocentrado-CCC,com8átomosnosvérticesdacélulaunitáriacúbicaeumúnicoátomonocentrodocubo,comomostradonaparteinferiordafiguraabaixo.
Estrutura cristalina
6
Posições atômicas
Posições atômicas
Célula unitária
Célula unitária
(d) face-cetred cubic close packing
(a) Empacotamento cúbico de corpo centrado - CCC
AestruturaCFC–denominadaaustenitaoufaseγ-éestáveldesdetemperaturasmuitoaltas,logoapósasolidificaçãodoaço,passandopelastemperaturasdela-minaçãoouforjamento(1000a1200ºC),atéatemperaturade912ºC.A912ºCocorreatransformaçãodoferroCFCparaaestruturaCCC–denominadaferritaoufaseα-estávelatéatemperaturaambiente. Aaustenita,nosaçosdebaixaliga,nãoéumafaseestávelnatemperaturaambiente1.Jáaferritaéestáveleapresentapropriedadesmecânicasdedurezaeresistênciamuitobaixas.Emcompensaçãoéumafasequeapresentaaltadutilida-deealtaconformabilidade. Praticamente todos os tratamentos térmicos realizados em aços se ba-seiamnatransformação Feγ
CFC fgFeαccc.Seessatransformaçãonãoexistissenãohaveriaapossibilidadedeendurecerosaçoseobtermateriaistãodurosetãoresistentesaodesgasteeàfadiga. Ocarbono,porsuavezéumátomomuitopequeno(raioatômico70pm),quandocomparadocomoátomodeferro,queocupaasposiçõesvaziasexistentesnoreticuladocristalinodoferro,chamadasposiçõesintersticiais,comomostradonafiguraaolado.
1Aaustenitapodeaparecercomoumafasemetaestável–austenitaretida-nosaçostempera-dos,nomeiodeplaquetasdemartensita.Suapresençaimpedeaobtençãodedurezaselevadasnosaçostemperados.
(a)Empacotamentocúbicodefacecentrada-CFC
(b)Empacotamentocúbicodecorpocentrado-CCC
Módulo 2
7
Quandooteordecarbonoémaisaltoocarbonosecombinacomoferroformandoumafasece-râmica -carbonetodeferroFe3C,denominadacementita.Aestruturacristalinadacementitaécomplexa,com16átomosporcélulaunitária,12deferroe4decarbono.Éumafasemuitodura(1050HV)efrágilesuaspropriedadesmecâni-cassãoparecidascomasdovidro.
1100
1000
900
800
700
Tem
prer
atur
a (o C)
600
Composição % (C)
727 oC
Fe3C
α + Fe3C
γ + Fe3C
α + γ
γ
γ
γ
γ
α α
PerlitaFerrita
Austenita
500
4000 1.0 2.0
b
a
x
x
Diagrama de equilíbrio Fe-C Existemdiagramasquedescrevem,paraasligasFe-C,asfaixasdetempera-turasemqueasfasesferrita,austenitaecementitasãoestáveiseastemperaturasemqueocorremastransformações.Essesdiagramassãochamadosdiagramasdeequilíbrio.Atravésdessediagramasépossívelpreverquaisfasesseformamquan-dooaçoéresfriadolentamente(noequilíbrio).NafiguraabaixoodiagramadeequilíbrioFe-Cmostraqueaferritaéumafasequeapareceisoladasomenteparateoresmuitobaixosdecarbono<0,02%C.Nosaçosemqueoteordecarbonoémaiorque0,02%C,ocorreprecipitaçãodecementita(Fe3C).Aprecipitaçãodece-mentitaocorredeformaalternadacomaferritaformandoumaestruturalamelardenominadaperlita.Pode-sedizerqueaperlitaéummaterialcompósitonatural,poiséconstituídadelamelasalternadasdeferritaecementita.
8
Quando o teor de carbono émenorque0,02%C,oaçocontémsomenteferrita,sendomuitomoleedútil.Poroutro ladoosaçoscom0,8%Capresentamnamicroestru-tura100%deperlita.Seaumentarmosoteordecarbonodosaçosentre0,1e0,8%,tere-mos um aumento da quantidade de perlitae umadiminuição da quantidadede ferrita.Assim,umaçocom0,4%Ctemaproximada-mente50%deferritae50%deperlita.
Pode-secolocarnumgráficoavariaçãodaquantidadedeferritaeperlita,emaçoscomteordecarbonoentre0e0,8%eaquantidadedecementitaeperlitanosaçoscomteordecarbonomaior0,8%.
Quandoumaçocontendo0,4%Céaquecidoacimade727ºC,dentrodazonacrítica,aperlitaexistentenamicroestruturasetransformaemaustenitaeaferritacontinuaestável.Se,entretanto,aquecermosacimadeaproximadamente830ºCtodoomaterialsetransformaemaustenita.
Microestruturadeumaçocom0,4%C.FerritaePerlita
FERRITA
0,40
50
100
0,8 1,2 1,6 2,0 % C
PERLITA
% P
ERLI
TA
FERRITA
CEMENTITA
Variaçãodaporcentagemdeperlitaemfunçãodoteordecarbononosaçosresfriadoslentamente
Estrutura dos aços resfriados lentamente
Módulo 2
9
ZONA DEAUSTENITIZAÇÃO
Resf
riam
ento
Tem
pera
tura
em
o C
PERLITA + FERRITA
0 0,4 0,8 1,2
910
A2
Acm
768
727
FERRITA E AUSTENITA
Ambiente
A1
A3
ZONA CRÍTICA
Teor de carbono em %
AUSTENITA
A1
Seagoraresfriarmosomateriallentamenteaaustenitacomeçaasetrans-formaremferrita,dentrodazonacrítica,efinalmentea727ºCtodaaustenitasetransformaemperlita.
Acementitaendureceoaçoeaferritaomantémtenaz.Adurezadaperlitaéintermediáriaentreadurezadaferritaedacementita,comosevênatabelaabaixo.
Aspropriedadesmecânicasdosaçoscarbonoresfriadoslentamentevariamcomoteordecarbono.Quantomaioréoteordecarbonomaioressãoolimitedeescoamento,olimitederesistênciaeadurezaemenoréadutilidade,comopodeservistonográficoabaixo. Essavariaçãograndedepropriedadesgerafamíliasdiferentesdemateriais.Ummaterialmuitobomparaumacertaaplicaçãopodesertotalmenteinadequa-doparaoutra.Se,porexemplo,compararmosasvigasmetálicasutilizadasnacons-truçãodeumaponte,comostrilhosdetremqueserãofixadosaosdormentesdemadeira,assentadossobreaplataformadeumaponte,vemosqueasvigasdevemterresistênciamecânicasuficienteparaaguentarascargasaplicadas(tremdecar-gapassandosobreaponte).Oprojetistasabe,entretanto,queomaterialselecio-
Microconstituinte Dureza(HV)
Ferrita(Fe-α) 90
Cementita(Fe3C) 1050
Perlita(α+Fe3C) 230
10
nadodevetertenacidadeàfraturaeresistiràformaçãoepropagaçãodetrincas.Alémdisso,aestruturadevepodersersoldada,poisesseéométodoconstrutivodemenorcustoparaestetipodeponte.OaçoselecionadoseriaumaçoC-Mn-ASTMA572grau50,contendonomáximo0,23%C,sobpenadenãoapresentarsoldabilidadesuficienteparaafinalidade.
GRÁFICO MOSTRANDO APROXIMADAMENTE A VARIAÇÃO DE ALGUMAS MECÂNICAS DOS AÇOS COMUNS, ESFRIADOS LENTAMENTE.
EM FUNÇÃO DO TEOR DE CARBONO
Teor de carbono em %
AÇOS LAMINADOS OU FORJADOS
300
100
90
80
70
60
50
40
30
0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.7
35
40
30
25
20
15
10
5
2
250
200
150
100
Alongamento
Limite
de r
esist
ência
Dure
za B
rinel
l
SERVIÇO METALOGRÁFICO DO I.P.T. S. PAULOQUADRO nº 1 - 1946
Alon
gam
ento
em
% m
edid
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0 di
amet
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S
Dureza
Lim
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ação
em
Kg
po m
m2
Variaçãodaspropriedadesmecânicasdosaçosresfriadoslentamente,comoteordecarbono.[Colpaert,H.]Metalografiadosprodutossiderúrgicoscomuns–Ed.EdgarBlücher,1970.
Módulo 2
11
Jáoaçodotrilhodeveapresentaralémdeelevadaresistênciamecânica,elevadaresistênciaaodesgaste,poisasrodasdotremtrabalhamdiretamente,so-breotrilho,eocontatometal-metalnãolubrificadoconstituiasolicitaçãocrítica.Osaçosparatrilhoutilizadoshojeemdiasão100%perlíticoseparatantodevemconteraproximadamente0,8%C.
A têmpera consiste emaqueceroaçoatéumatempera-turaacimadazonacrítica(auste-nitização),mantê-lonestatempe-raturaporumcertotempoeemseguidaresfria-lobruscamente.
AçoARBL-ASTMA572grau50,com0,23%Cmax,utilizadoparafabricar
vigasestruturais,200X.
Aço1080,com0,8%C,100%perlítico,utilizadoparafabricartrilhosde
trem.500X.
Têmpera do aço Oartefatotemperadomaisantigo,datadode1.100AC,foiencontradoemruínasarqueológicas,nailhadeChipre.Entretanto,atêmperadoaçoparecetersidodesenvolvidamaisamplamentepelosromanos,paraendurecereaumentararesistênciaaodesgastedeferramentas.Oprocessofoidescobertocasualmente.Osferreirosapósmartelaremsuasferramentasaquenteesfriavam-nasemáguaparaquenãoficassemquentesdentrodaoficina.Apósatêmperaaferramentasetornavamuitodura.Ospovosantigospassaramausaratêmperaparaendurecerarmasbrancas,taiscomoespadas,facas,sabres,etc.
12
Mi
Ferrita (CCC)
Zona Crítica
Austenita (CFC)
Martensita (TC)
Água
Tempo
T (oC)
AbaixodeumatemperaturaMideiníciodeformaçãodemartensitaforma--seumaestruturamuitoduraefrágildenominadamartensita,comreticuladoTC-tetragonalcompacto. AestruturamartensíticaéformadaporagulhasouplacasmuitofinascomosevênaFiguraabaixo.
Somentenametadedoséculopassadocomeçou-seaentenderporqueoaçoendurecequandoresfriadobruscamente.OreticuladoTCéumreticuladoCCCdistorcidodevidoaoexcessodecarbonocontido.Aferritatemcapacidademuitopequenadedissolvercarbononoreticulado.Jáaaustenitapodedissolver,emaltatemperatura,todoocarbonocontidonoaço.Duranteoresfriamento,nãohátem-
2%nital-100X 2%nital-1000X
Módulo 2
13
900
800
700
600
500
400
300
200
1000,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
68
65
60
50
40
3020100
0
Dure
za (H
V)
Dure
za (H
RC)
% Carbono
posuficienteparaaaustenitasetransformarnovamenteemferritaoucementitaeocarbonoemexcessoficaretidonaestruturamartensítica,promovendofortedistorçãoeintroduzindotensõeselevadasnoreticulado.Astensõesinternassãotantomaioresquantomaioroteordecarbonoemexcesso,sendoresponsáveispeloaumentodedurezadoaço.
Afiguraacimamostraavariaçãodadurezadosaçostemperadoscomoteordecarbono.Dependendodoteordecarbonodoaçoépossívelobterdurezasquevãode20HRCatéaproximadamente67HRC.Nosaçosdemuitoalto teordecarbononãoseobtémdurezasmaiselevadasdevidoàretençãodeaustenita(quandonemtodaaustenitasetransformaparamartensita).
Curvas TTT Quandoosaçossãoresfriadoscomvelocidadesintermediáriasoutrasmi-croestruturasseformam.Paradescreveroqueocorreduranteoresfriamentodosaçossubmetidoatratamentosisotérmicos,utilizam-seascurvasTTT–Tempera-tura,Tempo,Transformação.Sãodiagramasquerelacionamastemperaturaseostemposdeinícioefimdetransformação.Épossívellocalizarnascurvasasregiõesemqueseformamferrita,perlita,bainitaemartensita.
14
Zona Crítica Ferrita
Bainita
Perlita Fina
Perlita Grossa
1s 10s 1min
A+M
A+F+C
A+F
1h 1 dia Tempo
Martensita
Am
A
Mi
Mf
T (oC)
Curva de fim de transformação
Curva de início de transformação
T (oC)
1s 10s 1min 1h 1 dia Tempo
AcurvaTTTabaixomostraarepresentaçãodeumatransformaçãodefaseduranteumciclotérmico.Acurvamaisàesquerda(azul)correspondeaoiníciodastransformaçõeseamaisàdireita (corvermelha)aofimdas transformações.NasduascurvasexistemduasretashorizontaisdenominadasrespectivamenteMieMf.Sãoastemperaturasdeinícioefimdetransformaçãomartensítica. Quando uma curva de resfriamento cruza a curva TTT a transformaçãoocorre,naregiãoassinaladaporumserrilhado.Sabemosqualaestruturaéforma-daanalisando-seemqueregiãodacurvaTTTocorreuatransformação.
Módulo 2
15
Zona Crítica Ferrita
Perlita
Bainita
1s 10s 1min 1h 1 dia Tempo
Martensita
Am
A
Mi
Mf
T (oC)
Curvas RC Paratratamentostérmicosindustriais,emqueraramenteastemperaturassãomantidasconstanteseaspeçassãocontinuamenteresfriadasdesdeatempe-raturadeaustenitizaçãoatéatemperaturaambiente,utilizam-securvasderesfria-mentocontínuoquedescrevemastransformaçõesemresfriamentocontínuo.
Abainitaéumaestruturaacicularqueseformaemumaregiãointermediáriaen-treadeformaçãodeperlitaeademartensita.Possuielevadadurezaeboatenacidade.
No tratamento térmico indicadonacurvaRCacimahaverá formaçãodeumamisturadeferrita,perlitaebainitanamicroestruturadoaço. Nostratamentostérmicosindustriais,emqueoresfriamentodoaçoécon-tínuopodem-seformarmisturasdemicroestruturas,comomostraasériede6cur-vasderesfriamentosuperpostasàcurvaRC.OsnúmerosindicadoscorrespondemàdurezaVickersalcançadaapóscadaumdostratamentostérmicosindicados.
2%nital-500X
16
(f)DPH=481(e)DPH=415
T (oC)800
700
600
500
400
300
1 102 103 10410
200481 336
415
217
DPH
A
F
P
B
M
170 139
0
(b)DPH=170(a)DPH=139
(d)DPH=336(c)DPH=217
Módulo 2
17
Microestruturasformadasapósresfriamentocomseisdiferentesvelocida-desderesfriamentoindicadasnafiguraanterior.OsnúmerosDPHsãoasdurezasVickersdecadaestrutura.
Recozimento pleno Emconseqüênciadosprocessosdefabricação(fundição,lingotamentocon-vencional,superaquecimento,etc.)asbarrasetarugosdeaçopodemacumularten-sõeseapresentarmicroestruturasheterogêneascomexageradotamanhodegrãoedurezaelevada.Orecozimentoplenoéfeitocomoobjetivodereduziromáximoadurezadoaço.Pormeiodorecozimentoplenoépossívelaumentaradutilidadeeausinabilidadedoaçoalémdecontrolarseutamanhodegrão.Utiliza-seestetrata-mentoquandonasequênciadefabricaçãooaçodevesofrerelevadograudedefor-maçãoouapeçadeveserusinada.Orecozimentoplenogarantedutilidadeapeçasqueemoutrascircunstânciasapresentariamcomportamentofrágil.
Orecozimentoplenoconsisteemelevarlentamenteatemperaturadoaçoatéaproximadamente50ºCacimadazonacrítica(austenitizaçãototal),nocasodosaçoscomteordecarbonomenorque0,8%.Aformaçãodeaustenitaemaltatem-peraturadestróitodasasestruturasexistentesanteriormenteaoaquecimento.Noresfriamentoformam-seaferritaeaperlitagrossaquegarantemamolecimentodomaterial.Paraosaçoscomteordecarbonomaiorque0,8%(52100)orecozimentoéfeitoemtemperatura50ºCacimadolimiteinferiordazonacrítica.
TEMPE
RATU
RA
ORIGINAL DEFORMADO ESTADOPERMAN-ENTE
18
ZONA DEAUSTENITIZAÇÃO
Resf
riam
ento
Tem
pera
tura
em
o C
PERLITA + FERRITA
0 0,4 0,8 1,2
910
A2
Acm
768
727
FERRITA E AUSTENITA
Ambiente
RecozimentoplenoA1
A3
ZONA CRÍTICA
Teor de carbono em %
AUSTENITA
A1
AÇOS-CARBONOABNT (AISI)
1020 855o - 900o 111 - 149111 - 149126 - 197137 - 207137 - 207156 - 217156 - 217156 - 217167 - 229167 - 229167 - 229167 - 229
855o - 900o
840o - 885o
840o - 885o
790o - 870o
790o - 870o
790o - 870o
790o - 840o
790o - 840o
790o - 840o
790o - 830o
790o - 830o
855o
855o
840o
840o
790o
790o
790o
790o
790o
790o
790o
790o
700o
700o
650o
650o
650o
650o
650o
650o
650o
650o
650o
660o
1025
1030
1035
1040
1045
1050
1060
1070
1080
1090
1095
TEMPERATURA DE AUSTENIZAÇÃO oC
CICLO DERESFRIAMENTO* DE ATÉ
FAIXA DE DUREZA(BRINELL)
*Resfriamento a 25oC/h, no interior do forno.
Oaçoémantidonatemperaturaporumtemposuficienteparaqueaestru-turasetorneausteníticaouumamisturadeaustenita+cementitaeemseguidaéresfriadodentrodofornocomumavelocidadedeaproximadamente25ºC/h,atéaproximadamente50ºCabaixodazonacrítica.Apartirdesta temperaturaoaçopodeserresfriadoaoar.Éimportantequeapassagempelafaixadetemperaturasemqueocorreatransformaçãosejabastantelentaparaqueseformeperlitagrossa,perlitaesferoidizadaecementitaesferoidizadanaestruturadomaterial.Natabelaabaixoépossívelobterastemperaturasdeaustenitizaçãoeosciclosderesfriamentoparaaçoscomdiferentesteoresdecarbono,bemcomosuasdurezas.
Módulo 2
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Resf
riam
ento
Tem
pera
tura
em
o C
Teor de carbono em %
Perlita + Cementita
AUSTENITA
ZONA DEAUSTENITIZAÇÃO
0 0,4 0,8 1,2
910
A2
Acm
768
727
FERRITA E AUSTENITA
Ambiente
EsferoidizaçãoA1 A1
A3
ZONA CRÍTICA
Aquecimento prolongado abaixo da ZC
Resfriamento lento no forno
Zona Crítica
Tempo
T
Esferoidização Osaçosdealtocarbono%C>0,8%(p.eaçospararolamento)apresentamumaredefrágildecementitaprecipitadanoscontornosdaperlita.Estaquantidademaiordecementitapresentenestesaços torna-osdifíceisdeusinar.Paramelho-rarsuausinabilidadefaz-seumtratamentodeesferoidização.Otratamentoéassimchamadoporqueaspartículasdecementitatornam-seesféricasapóstempospro-longadosdeexposiçãoatemperaturasligeiramentesubcríticas.Otratamentopro-duzcementitaesferoidalemumamatrizdeferrita,eliminandoapresençadeperlitaearededecarbonetosfrágeisanteriormenteexistentesnamicroestrutura.
Otratamentoconsisteemaquecimentodoaçoatéumafaixadetemperatu-ras50ºCabaixodazonacrítica,manutençãoprolongada(váriashoras)nestatempe-raturaeresfriamentolentodentrodoforno.
Esta estrutura confere mínimadurezaemáximausinabilidade.
20
TEMPO
TEM
PERA
TURA
ZONA CRÍTICA
Osaçosdebaixoteordecarbonoqua-senuncasãoesferoidizadosporquesãomuitomolesedeformáveiseempastama ferramenta, provocando seu aqueci-mentoedesgasteexcessivo.
Alívio de tensões Oaquecimentodosaçosparaalíviodetensõeséfeitoparareduzirtensõesresiduaisintroduzidasporusinagempesadaouconformaçãomecânicaafrio.Muitasvezesétambémchamadoderecozimentosubcrítico.Geralmenteéfeitoemtempe-raturassubcríticaseatravésdestetratamentoconsegue-seaumentaradutilidade,melhorarausinabilidade,removertensõesresiduais,atravésdareduçãodadureza,dolimitedeescoamentoedolimitederesistênciadomaterial.
Normalização Anormalizaçãodoaçoéfeitaquandosedesejarefinarogrãodomaterial.Oaçocomgrãosgrandes tendeaapresentarmaiorheterogeneidadedeproprie-dadesemaiorfragilidade.Orefinodegrãogarantemaiorhomogeneidadedepro-priedades,emaiortenacidade.Otratamentotérmicodenormalizaçãoconsistenoaquecimentodoaçoaté60ºCacimadolimitesuperiordazonacrítica(A3ouAcm),sempregarantindoaustenitizaçãototaldomaterial.Emseguidaéretiradodofornoedeixadoresfriaraoarnatural.Aestruturaresultanteédepequenosgrãosdeferritaeperlitafina.Essetratamentoébemmaisbaratoqueoderecozimentopleno,poisofornopodeserdesligadologoapósofimdoperíododeaustenitização.
Módulo 2
21
Aprincipaldiferençaentreostratamentosderecozimentoplenoedenor-malizaçãoéqueaspeçastratadasemrecozimentoplenoapresentamdutilidadeeusinabilidadehomogêneasemtodasasregiões,jáqueapeçatodaficaexpostaaocicloderesfriamento.Jánocasodapeçanormalizadaavelocidadederesfriamentonãoéuniforme.Seçõesmaisespessasresfriammaislentamentedoqueseçõesmaisfinas.Comoavelocidadederesfriamentoéheterogênea,amicroestruturaeaspro-priedades(usinabilidadeeconformabilidade)tambémosão.Casosedesejeusinarapeçanasetapassubseqüentesdefabricaçãoémelhorfazerorecozimentopleno.
ZONA DEAUSTENITIZAÇÃO
Resf
riam
ento
Tem
pera
tura
em
o C
Teor de carbono em %
PERLITA + FERRITA
AUSTENITA
0 0,4 0,8 1,2
910
A2
Acm
768
727
FERRITA E AUSTENITA
Ambiente
Normalização
A1 A1
A3
ZONA CRÍTICA
Zona Crítica Ferrita
Perlita
Bainita
1s 10s 1min 1h 1 dia Tempo
Martensita
Am
A
Mi
Mf
T (oC)
22
Tratamentos para endurecimento do aço Ostratamentosdeendurecimentovisamaumentararesistênciamecânicadosaços.
Têmpera Otratamentoconsisteemaquecimentoatéumatemperatura50ºCacimadatemperaturacrítica(amesmafaixautilizadaapararecozimentopleno)eemse-guidaresfria-lobruscamenteemágua,óleoouemmeiosdetêmperadecomposiçãoquímicaespecial.
ZONA DEAUSTENITIZAÇÃO
Resf
riam
ento
Tem
pera
tura
em
o C
PERLITA + FERRITA
0 0,4 0,8 1,2
910
A2
Acm
768
727
FERRITA E AUSTENITA
Ambiente
Austernizaçãopara Têmpera
A1
A3
ZONA CRÍTICA
Teor de carbono em %
AUSTENITA
A1
Módulo 2
23
Oobjetivodo tratamentode têmperaéobtermartensitanaestruturadoaço,microconstituintemuitoduroefrágil.Paratanto,aspeçasdevemserresfriadasrapidamente,paraevitaraformaçãodeferrita,perlita,bainita,microconstituintesmaismolesqueamartensita.
Quandosefazoresfriamentobruscodoaço,duranteatêmpera,ocorrecho-quetérmicodevidoàpassagemdapeçadetemperaturasde850a900ºCparaatemperaturaambiente,empoucossegundos. O resfriamento brusco pode causar distorções e até mesmo trincas napeça,denominadastrincasdetêmpera.Entretanto,oresfriamentodeveserrápi-doosuficienteparagarantirqueseformemartensitanasuperfíciedomaterial.OtempodisponívelpararesfriamentoédadopeladistânciadocotovelodacurvaRCaoeixodastemperaturas.QuantomaisdeslocadaparaadireitaacurvaRC,maisfácilétemperaroaço.
Zona Crítica Ferrita
Perlita
Bainita
1s 10s 1min 1h 1 dia Tempo
Martensita
Am
A
Mi
Mf
T (oC)
24
Quandoavelocidadederesfriamentoéalta,estabelecem-segrandesdife-rençasdetemperaturaentraasuperfícieeocentrodapeça,poisasuperfícieemcontatodireto comomeio refrigerante resfria rápido, enquantoo núcleo resfriamaislentamente.
Assim,quandosefaztratamentostérmicosdepeçasmédiasegrandesdeve--sesemprelevaremconsideraçãoqueonúcleoeasuperfície,submetidosadiferen-tesvelocidadesderesfriamento,podemapresentarmicroestruturasepropriedadesmecânicasmuitodiferentes.
Cor
Branco
Amarelo Claro
Amarelo
Laranja Claro
Laranja
Vermelho Claro
Cereja Claro
Cereja
Cereja Escuro
Sangue Claro
Sangue Escuro
oC
1200
1100
1050
980
930
870
810
760
700
650
600
Módulo 2
25
Pode-seobservarqueatransformaçãodoaçonasuperfícieocorreemape-nas3segundosenquantononúcleoiniciaapós8segundosesomenteterminaapósaproximadamente30segundos. Emprincípioépossívelobteromesmovalordedurezaemaçostemperadoscomdiferentesteoresdecarbono.Épossívelobterdurezade50HRCcom99,9%demartensitae0,25%Coucom95%demartensitae0,35%C,oucom90%demarten-sitae0,4%C,oucom80%demartensitae0,45%Couaindacom50%demartensitae0,6%C.NaFiguraabaixoobserva-sequequantomaioréoteordecarbonodoaço,maioréadurezadamartensitaobtida.
IssopodeservistonaCurvaRCabaixo,emqueasuperfíciedapeçaapresen-tamartensitaeonúcleoumamisturadeferrita,perlita,bainitaemartensita.
70
60
50
40
30
20
Hard
anes
s HRC
0 0,20 0,40 0,60 0,80Carbon, %
50% martensite80%
martensite
90% martensite
95% martensite99,9%
martensite
70
60
50
40
30
20
Hard
anes
s HRC
70
60
50
40
30
20
Hard
anes
s HRC
70
60
50
40
30
20
Hard
anes
s HRC
70
60
50
40
30
20
Hard
anes
s HRC
0 0,20 0,40 0,60 0,80Carbon, %
0 0,20 0,40 0,60 0,80Carbon, %
0 0,20 0,40 0,60 0,80Carbon, %
0 0,20 0,40 0,60 0,80Carbon, %
Zona Crítica Ferrita
Perlita
Bainita
1s 10s 1min 1h 1 dia Tempo
Martensita
Am
A
Mi
Mf
T (oC)
26
100 80 60 40 20
% Martensíta
700
560
600
550
500
450
400
Lim
ite d
e fa
diga
(MPa
)
36 HRC
134040424340514080B40
Éprecisoteremmentequequantomaioréoteordecarbonomaisfrágiléoaço.Damesmaforma,quantomaisheterogêneaéaestruturadoaço(misturademartensita,bainita,perlitaeferrita)menoréasuaresistênciaàfadiga.Destaformaaseleçãodomaterialdevesempreserfeitaadotando-seomenorteordecarbonocompatívelcomadurezadesejada.
Martêmpera Muitasvezeséconvenientesubmeteroaçoaumtratamentodemartêmpe-ra,quepermiteeliminaradiferençadetemperaturasetemposdetransformaçãoentreasuperfícieeonúcleodoaço.AmartêmperaconsistenaaustenitizaçãodoaçonastemperaturasusuaisseguidadetêmperaemóleoaquecidoouembanhodesaisemumatemperaturalogoacimadatemperaturaMi.Otempodemanutençãonestatemperaturadevesersuficienteparaequalizaratemperaturaemtodaapeça,sem,entretanto,deixarqueocorraatransformaçãobainítica.Estetratamentoéfei-tocomoobjetivodeminimizarasdistorçõeseastensõesresiduaisdecorrentesdasdiferençasdetemperaturanasuperfícieenointeriordapeça.
Módulo 2
27
Revenimento Otratamentodetêmperatornaaspeçasmuitoduras,porémmuitofrágeis.Salvorarasexceçõesaspeçastemperadassãosemprerevenidas,visandobaixaradurezaeaumentaratenacidade.Duranteorevenido,amartensitacomestruturaTCperdeoexcessodecarbonoemsoluçãoeseureticuladocristalinovaisetornandomaispróximododaferrita,semdistorçãoesemacúmulodetensõesmecânicas.Quantomaisaltaatemperaturaderevenido,menorédistorçãodoreticulado,me-noréadurezaemaioréatenacidadedoaço.Nosaçosparaconstruçãomecânica,debaixaligaealtaresistência,adurezacaicontinuamentecomatemperaturaderevenido,comomostraafiguranapáginaseguinte.
Zona Crítica Ferrita
Bainita
Perlita Fina
Perlita Grossa
1s 10s 1min
A+M
A+F+C
A+F
1h 1 dia Tempo
Martensita
Am
A
Mi
Mf
T (oC)
Amicroestruturafinalémartensítica,dealtadurezaebaixatenacidade.Damesmaformaquenatêmperaconvencional,essetratamentodeveserseguidoderevenimentoparaaumentaratenacidade.
28
0 100 200 300 400 500 600 700 800 Temperatura (oC)
0,026% C
0,057% C
0,097% C
0,18% C
0,39% C800
700
600
500
400
300
200
100
0
Dure
za (H
VN)
Ener
gia
abso
rvid
a no
ens
aio
de im
pact
o (ib
*pé)
Temperatura oC
Temperatura oF
250
#4130
#4140
#4150
60
216o
221o
227o
232o
238o
243o
249o
254o
260o
266o
271o
277o
282o
288o
293o
299o
310o
321o
332o
338o
343o
50
40
30
20
10
0
300 350 400
100 200 300 400 500 600 700
Color Celsius
Existeumafaixadetemperaturasemqueorevenidodeveserevitadopois,atenacidadeébastanteprejudicada.Estefenômenochama-sefragilidadeazuloufragilidadedos500ºF(260ºC).Onomefragilidadeazuldeve-seaofatodequenafaixadetemperaturasemqueessafragilidadeocorre,forma-seumapelículadeóxi-doazulada,conformesevênatabelaabaixo,quemostraascoresdorevenidodeaçosaocarbono.Afiguraabaixomostraaquedadeenergiaabsorvidanoensaiodeimpacto,nafaixadetemperaturasentre260e375°C(500a700°F).
Módulo 2
29
Austêmpera Aaustêmperaétambém,umtratamentotérmicoparaendurecimentodeaços.Naaustêmpera,apósaustenitizaçãofeitademaneirasemelhanteàquelare-alizadaparatêmperaconvencional,oaçoémergulhadoemumbanhoconstituídodeumamisturadesaisfundidos,mantidoatemperaturaconstante,entre250e450ºC.Oresfriamentofeitoembanhodesaisvisaevitaraformaçãodeferritaeperlitaeinduziraformaçãodebainitanaspeças. A bainita é uma estrutura que tem dureza semelhante à damartensitarevenida,porém,maiortenacidade.Secompararmosduasbarrasdeummesmoaço,umatemperadaemóleoerevenidaa200ºCeoutraaustemperadaa325ºC,ambascomamesmadurezade54HRC,abarratemperadaapresentamenorvalordeenergiaabsorvidanoensaiodeimpactoqueabarraaustemperada,portantomenorresistênciaaoimpacto.
Zona CríticaFerrita
Bainita
Perlita Fina
Perlita Grossa
1s 10s 1min
A+M
A+F+C
A+F
1h 1 dia Tempo
Martensita
Am
A
Mi
Mf
T (oC)
NaFiguraabaixosevêumapeçasendointroduzidaembanhodesaisfundidosparatratamentodeaustêmpera
30
Têmpera por indução Atêmperaporinduçãoéumatécnicadeendurecimentosuperficialbastanteutilizadaemaços.Oaquecimentodapeçaéfeitosuperficialmenteporindução.Umaoumaisbobinas,alimentadasporfontesdepotência induzemcorrenteselétricasnasuperfíciedoaçoasertratado.Ascorrentesaquecemoaçoporefeitoresistivo.Atingidaatemperaturadeaustenitizaçãooaçoéresfriadoporjatosdeáguaoudegás(nitrogênio)demodoagarantiraformaçãodemartensitaemsuasuperfície. Otratamentopodeserfeitoemfornosesistemasderesfriamentocontí-nuos,comoomostradonoesquemaabaixo,referenteaumainstalaçãodetêm-peradetubosmecânicos.
Linha híbrida de têmpera e revenimentoEnsaio de impacto
(opcional) Esteira de saída
Esteira de saídaEsteira de alimentação
Alimentação de tubos
Reservatório de água
Aquecimento indutivo de têmpera por jato de gás
Forno derevenido
Mesa de operações
Fontes de potência
Bobinas de aquecimento Têmpera
Descarga
Módulo 2
31
Temperabilidade Quandofazemosa têmperadepeçasdeaço,principalmentedepeçasdemédiasougrandesdimensões,resultamdiferençasdedurezaentreasuperfícieeonúcleo,emconseqüênciadasdiferençasdevelocidadesderesfriamento. Umamaneiradeavaliardiferençasdedurezaexistentesempeçasdedife-rentesdimensõeséfazeroensaiodecurvasemUemquecilindrosdediferentesdi-âmetros,fabricadosapartirdeummesmoaço,sãotemperadosnomesmomeiodetêmpera.Apósatêmperaoscilindrossãocortadostransversalmenteesubmetidosamediçõesdedurezaaolongodeseudiâmetro.Asuperfícietemperadaapresentamaiordurezaenquantoonúcleo,submetidoavelocidadesderesfriamentomenoresficamaismole.Atransiçãoentrearegião100%temperada(100%demartensita)paraonúcleonãotemperadoégradualeacurvaemUmostraessavariação.Paraci-lindrosmuitoespessosasvelocidadesderesfriamentosuperficiaissãomuitolentasnãosendopossívelatingiradurezamáximamesmonasuperfíciedoaçoutilizado.
TEMPERADO EM ÁGUA TEMPERADO EM ÁGUA
DURE
ZA R
OCK
WEL
L - C
DURE
ZA R
OCK
WEL
L - C
DURE
ZA B
RIN
ELL
(APR
OX.)
DURE
ZA B
RIN
ELL
(APR
OX.)
60
50
40
30
20
10
60
50
40
30
20
10
600
500
400
300
200
DURE
ZA R
OCK
WEL
L - C
DURE
ZA B
RIN
ELL
(APR
OX.)
60
50
40
30
20
10
600
500
400
300
200
600
500
400
300
200
AÇO SAE 1040 AÇO SAE 3340
TEMPERADO EM ÓLEO
DURE
ZA R
OCK
WEL
L - C
DURE
ZA B
RIN
ELL
(APR
OX.)
60
50
40
30
20
10
600
500
400
300
200
TEMPERADO EM ÓLEOTEMPERADO EM ÓLEO
32
NafiguraacimaépossívelobservarascurvasemUdedoisaçoscontendo0,4%C(1040e3340)temperadosemáguaeemóleo.Adurezamáximaconsegui-daparaosdoisaçoséde59a60HRC,paracilindrosdepequenodiâmetro.Apesardeoaço3340terquantidadesapreciáveisdeelementosdeligaadurezamáximaatingidanatêmperaépraticamenteamesmaqueadoaçocarbono.Deumama-neirageralpode-seafirmarqueadurezamáximaquesepodeatingiremumaçotemperadodependesomentedoteordecarbono Observa-senafigura,também,queapenetraçãodedurezanointeriordocilindrodoaço ligadoémuitomaiorqueadoaço1040.Oselementosde liga,presentesnoaço,aumentamaprofundidadedeendurecimentoportêmpera,cha-madadetemperabilidade.Atemperabilidadeéacapacidadedeumaçoendurecerportêmperaatéumacertaprofundidade. Atemperabilidadeéumapropriedadeassociadaàprofundidadeatingidaporendurecimentonatêmpera.Atemperabilidadenãopodeserassociadaàmá-ximadurezadoaço.Aprincipalrazãopelaqualseadicionamelementosdeligaaosaçoséaumentaratemperabilidade,ouseja,aprofundidadecapazdeendurecerportêmpera. Atítulodeexemplopodemosanalisarocasodeumeixodeponterolantedegrandeporte,comdiâmetro180mm.Sefabricarmosoeixocomaço5140,con-tendo0,4%Ce1%Cr,aosefazeratêmperaemóleoobtém-se,antesderevenir,nomáximo30HRCdedurezanasuperfíciee20HRCamenosde30mmdasuper-fície.Omesmoeixopodeserfabricadoemaço4340.Nestecasoadurezamáximaéde50HRCnasuperfícieecaipara45HRCnonúcleodapeça.Amicroestrutura,nessecasoé100%bainítica.
Ferrita
Perlita
Bainita
1s 10s 1min 1h 1 dia Tempo
Martensita
Am
A
Mi
Mf
T (oC)
Zona Crítica
Módulo 2
33
ComparandoascurvasRCdosdoisaçosobserva-sequeaprincipaldiferen-çaestánadistânciadascurvasaoeixodasordenadas.Selecionaraçoscommaiorteor de elementos de liga equivale a trabalhar com curvas RC deslocadas paraadireita.Osaçosdemaiortemperabilidadepodemsetemperadosparavaloreselevadosdedurezautilizandomeiosderesfriamentomaisbrandos,minimizandodestaformaasdistorçõeseastensõesresiduais.
Ensaio jominy Umensaiodeexecuçãobemmaissimplesequepermiteavaliaratempe-rabilidadedosaçoséoensaioJominy.Umcorpodeprovacilíndricocomaproxi-madamente10cmdecomprimentoe2,5cmdediâmetroésubmetidoàtêmperaem suaponta.Daponta temperada até aoutra extremidadeestabelece-seumgradientedevelocidadesderesfriamento,representativasdasvelocidadesderes-friamentoencontradasemsessõesespessasdepeçastemperadas.
Opinoéaustenitizado,retiradodofornoe imediatamentecolocadoemumsuporte.Nestemomentoabre-seumre-gistroque fazcomqueum jatodeáguaincidanapontadopinotemperando-o.Opinopermaneceresfriandonodispositivoatéatemperaturaambiente.Apósretificade duas faces paralelas, fazem-semedi-dasdedurezaemintervalosregularmen-teespaçadosde1/16”avosdepolegada,determinando-sea curvadevariaçãodedurezaemfunçãodadistânciaJominy.
Ferrita
Perlita
1s 10s 1min 1h 1 dia Tempo
Martensita
Am
A
Mi
Mf
Zona Crítica
Bainita
Amostra
Jato de água
34
60
45 30 17 10 7 5.5 4.5600190
Pino Jominy
Água
10074
50
40
30
200
Dure
za H
RC
Distância à ponta temperada (pol)
Velocidade de resfriamento oF/s
ENSAIO JOMINY
Pino Jominy
Medidas de dureza
Ponta temperada
416
816
12 1616
2016
24 2816
3216
361616
4016
4416 16
4 pol 1 pol
2 pol
pol12
Dure
za R
C
Distância Jominy (mm)
1000
800
600
400
200
20 30 40 50 60 70100
4340
4140
Pinosdeaços ligadosdealta temperabilidadeapresentamvariaçãomuitopequenadedurezaaolongodadistânciaàextremidadetemperada(1).PinosdeaçoscarbonoeoutrosaçosdebaixatemperabilidadeapresentamcurvasJominycomva-riaçãoacentuadadedurezapróximodaextremidadetemperada(2).
Quandosedesejaobtercamadastemperadasespessas,homogeneamenteconstitu-ídasde100%demartensitaoupeçasquecontenham100%demartensitaaolongodetodaaseçãotransversalénecessárioutilizaraçosdealtatemperabilidade.
Módulo 2
35
% (EM PESO)
Mn
CuNi
Si
Cr
C
Mo
mm
D
16
12
8
4
0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.00.40.20
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
Aumentar a temperabi-lidadedeumaçoequi-vale a deslocar a curvaTTTouRCdosaçosparaa direita, permitindoque sejam resfriadoscom menores veloci-dades, diminuindo asdistorções e propensãodos mesmos a trincar duranteatêmpera.
Efeito dos elementos de liga natemperabilidade dos aços
OselementosdeligaC,Mo,Mn,Cr,SieNitêmefeitoacentuadosobreatempe-rabilidadedosaços,comosevênográficoabaixo,emqueΔDéoaumentododiâmetrotemperável.Ocarbonoéoelementoquímicoquetemomaiorpoderdeaumentaratemperabilidadedosaços.Eé,também,omaisbarato.Infelizmenteoaumentodoteordecarbonocausaumadiminuiçãoacentuadadetenacidade.Açosdemaisaltoteordecarbonotemperadossãomuitoduros,porém,muitofrágeis.OelementodeligamaisefetivoparaaumentaratemperabilidadedosaçoséoMo.Esseelemento,entretanto,émuitocarosendocotadoem2011aUS$40,00porquilo.Nosúltimosanosseuusotemsidoconsideradoproibitivo.Oelementoquímico,queapresentaamelhorrelaçãocusto/benefícionoaumentodatemperabilidadedosaçoséoMn.
Utilização de curvas RC para selecionar aços e tratamentos térmicos
ExistemprogramascomputacionaisquepermitemconstruirascurvasRCparaumagrandevariedadedeaçosparaconstruçãomecânicaesimulartratamentostérmi-cosempeçassimplescomseçãocircular(cilindros)ouretangular(chapas,placas,taru-gos)dediferentesdimensões.SobreascurvasRCsãosuperpostasascurvasdevariaçãodetemperaturacomotempo,correspondentesaoresfriamentodasuperfícieedonú-cleo,emdiferentesmeiosdetêmpera.Nessesprogramashátambémummóduloqueprevêasmicroestruturas formadasapóstratamentotérmicodesdeasuperfícieatéocentrodapeça,bemcomoasdurezascorrespondentes,comomostramasfigurasabai-xo.Éumaferramentamuitoútilparaespecificaçãodetratamentostérmicoseseleçãodemateriais.
36
Nafigura vamos avaliar o queocorre quando temperamosumabarra de aço1050com30mmdediâmetro,austenitizadoa843ºCpor100minemóleoa49ºCsemagitação.OtamanhodegrãodoaçonessecasoéASTM7.
NascurvasRCépossívelobterastemperaturasAc3,Ac1detransformaçãodoaço,quedelimitamazonacrítica,alémdeMi(eminglêsMs)eMf.Acurvaazuléacurvaderesfriamentodasuperfíciedocilindroeacurvavermelhaacurvaderesfriamentodonúcleo.Asduascurvasazuisdetransformaçãocorrespondemàformaçãodeperlitaedebainita.Observandoafigurasabemosqueapeçadeveráapresentarperlitaebainitaalémdemartensitanamicroestrutura.
Módulo 2
37
Oprogramapermiteavaliarquantitativamentequantodecadaumdestesconstituinteshánointeriordomaterial.Nocasoanalisadotemos45%deperlita,25%debainitae30%demartensitanasuperfíciee60%deperlita,15%debainitae25%demartensitanonúcleo.
Asmicroestruturas formadas resultamemvaloresdedurezaquepodemserobservadosnafiguraabaixo.Nasuperfícieabarracilíndricaterá42HRCapósatêmperaecercade37HRCapósrevenidoa177ºCpor1hora.
38
Comooteordecarbononãoéhomogêneo,ao longo da seção transversal da peça, a análisedoqueocorrenotratamentotérmicoéumpoucomaiscomplicada.
Cementação Acementaçãoéumtratamentotermoquímicofeitoparaenriquecerasuperfí-ciedapeçaemcarbono.Umaçocementadoéumaçodebaixocarbono(nomáximo0,2%C),contendoounãoelementosdeliga,tratadotermoquimicamentedeformaaseobterteordecarbonopróximode0,8%nasuperfície.Aespessuradecamadapodevariarde0,5a2,0mm.Engrenagensdecaixasdecâmbioesistemasdetransmissãosãogeralmentecementadas.
0 0,5
600
500
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
γ + L
+ L
γ + Fe3C
α + Fe3C
1493o
723o
A3
L
4,3
?
Acm
A2A1
1147o
1534o
1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5% C (em peso)
910o
0,800,02
α + γ
α
δ
δ
Módulo 2
39
Pode-seutilizaroprogramadeconstruçãodecurvasRCparaestimarascaracterísticasdetransformaçãodoaçocementadoconformeexemploilustradonapáginaseguinte.
TEM
PERA
TURA
TEMPO
AÇO COM0,1 % C
AÇO COM0,4 % C
AÇO COM0,8 % C
TEMPO TEMPO
FF
Mi
MiMi
B B B
P PP
Cadaregiãonointeriordomaterialtemteordecarbonodiferenteesofrediferentestransformações.Atemperaturadeaustenitizaçãoparacadaumadasre-giõesdomaterialédiferente.Alémdisso,ocarbonodeslocaacurvaRCparadireitaeaomesmotempoabaixaatemperaturaMi.
Consequentementeasestruturasresultantesdatêmperasãobastantediferentes.
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Umbarradeaço8620,contendo0,5%Cr,0,5%Nie0,2%Mo,com30mmdediâmetro,cementadopara0,8%Cnasuperfície,austenitizadonatemperaturade843ºC,por100min,apóstêmperaemóleosemagitaçãoa49ºC,apresentacurvasRCederesfriamentocomomostraafiguraseguinte.
ReparequeatemperaturaMfdoaçonasuperfícieéde-34ºC.Aotempe-rarmosoaçoemóleoaquecidoatransformaçãomartensíticanãotermina.Umacertaquantidadedeaustenitaretidanãosetransforma,impedindoalcançardu-
Módulo 2
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Adurezaapósatêmperaatinge62HRCnasuperfície,64HRCumpoucomaisparaden-troedepoiscomeçaacairchegandoa32HRCnonúcleo.
rezamáximanasuperfície.Quantomaisaltoéoteordecarbononasuperfíciedoaçomaiorseráoteordeaustenitaretidaemenorseráadureza.Amicroestruturaresultantedestetratamentoéconstituídapor90%demartensitae10%deaustenitaretidanasu-perfíciee20%deferrita,75%debainitaesomente5%demartensitanonúcleo.
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Tratamentos sub-zero Existemtratamentostérmicossub-zerofeitoscomoobjetivodepromoveratrans-formaçãodaaustenitaretidaparamartensitaeaumentaradurezasuperficialdoaço.Otratamentoconsisteemresfriarapeçajátemperadaemnitrogêniolíquido(-197ºC)oumisturasdelíquidosemtemperaturasabaixodezerograus,paraqueatemperaturaMfdoaçosejacruzada,permitindoqueocorra100%detransformação.
Éumtratamentotérmicofreqüentementeaplicadoaosaçosdealtocarbono,principalmenteoaçoferramenta.Aresistênciaaodesgasteaumentamuitoapóstrata-mentosub-zero,comopodeservistonográficoabaixo.Umaçopararolamentopodeaumentarde2até5vezessuaresistênciaaodesgastequandotratadosub-zeroparaeliminaçãodeaustenitaretida.
Rela
ção
entr
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-85oC
-195oC
D252100
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1
0A2 M2 01
Módulo 2
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Tratamento criogênico Umtratamentotérmicorecentementedesenvolvidoéotratamentocriogênico.Consisteemresfriarpeças(mesmoquenãotenhamaustenitaretidaemsuaestrutura)atétemperaturassub-zeroemantê-lasnestatemperaturaporváriashoras.Emseguidaaspeçassãoaquecidasatéatemperaturaambienteemtemposprolongadosde8a20horas.Posteriormentesãorevenidasentre150e600ºCparabaixaradurezaeaumentaratenacidade.São tratamentos demorados que trazembenefícios acentuados às propriedadesme-cânicasdomaterial.Sabe-sequeojateamentocomgranalhaéumtratamentodesu-perfíciemuito importante para aumentar a resistência à fadiga demolas carregadasdinamicamente.Hárelatosdequearealizaçãodetratamentoscriogênicospodeme-lhoraraindamaisavidaemfadigadestescomponentes.Porexemplo,molasdeválvuladecarrosdecorridapodemperderaté10%desuaforçanoiníciodesuavida(períododeamaciamento).Porestarazãomolasdeválvulasdemotoresdecompetiçãosofremduplojateamentoporgranalha,primeirocomumagranalhamaisgrossaedepoiscomgranalhamaisfina.Oobjetivoécriartensõesresiduaisdecompressãonasuperfíciequeaumentamavidaemfadigadomaterial.Quandoasválvulassofremtratamentocriogê-nicoapósojateamentoobserva-seumaumentonavidaemfadigade5a7vezesemrelaçãoaomaterialsimplesmentejateado.Alemdissoaperdadeforçanoperíododeamaciamentoéreduzidapara3%.
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Resumo de tratamentos térmicos Osbenefícosquepodemserconseguidosatravésdautilizaçãodetratamentostérmicosempeçaseperfisdeaçosãoinúmeros.Existemtratamentosparaamolecimen-toeparaendurecimentodeaços,alémdetratamentosquepromovemorefinodegrão.Ostratamentospodemtambémserclassificadosemtratamentosquealteramaestru-turaeaspropriedadesdapeçatodaouemtratamentossuperficiaisquecondicionampropriedadessomentenasuperfície.Oquadroabaixoresumeospossíveistratamentostérmicosetermoquímicosaplicadosaosaçosdeconstruçãomecânica.
RECOZIMENTO NORMALIZAÇÃO TÊMPERA EREVENIMENTO
ENDURECIMENTOSUPERFICIAL
RECOZIMENTOPLENO
ALÍVIO DE TENSÕES
ESFEROIDIZAÇÃO
AUSTÊMPERA
TÊMPERA E REVENIMENTO
CONVENCIONAIS
MARTÊMPERA
TÊMPERA SUB-ZERO
TRATAMENTOCRIOGÊNIO
CEMENTAÇÃOCIANETAÇÃONITRETAÇÃO
CARBONITRETAÇÃO
TÊMPERAPOR CHAMA
TÊMPERA POR INDUÇÃO
ENDURECIMENTOPOR FEIXE DE LASER
ENDURECIMENTOPOR FEIXE
DE ELÉTRONS