Tratamento Térmico. Profa. Dra. Daniela Becker

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1 Tratamento Térmico Profa. Dra. Daniela Becker

2 Diagrama de equilíbrio Fe-C Fe 3 C, Fe e grafita (carbono na forma lamelar) Ligas de aços 0 a 2,11 % de C Ligas de Ferros Fundidos acima de 2,11% a 6,7% de C Ferro alfa dissolve até 0,02% C Ferro gama dissolve ate 2,11 % C

3 Diagrama de equilíbrio Fe-C Ponto S : eutetóide - Aço Ponto C: eutético ferro fundido Aço hipoeutetóide 0,008-0,77 C Aço hipereutetóide 0,77-2,11 Fe Fundido hipoeutético 2,11-4,3 Fe Fundido hipereutético > 4,3 Ferrita: ferro comercialmente puro (C < 0,008%), pouco resistente, mole e dúctil ferro alfa Fe 3 C carboneto de ferro - 6,7% C (cementita) S C

4 Diagrama de equilíbrio Fe-C Fe3C, Fe e grafita (carbono na forma lamelar) Austenita: solução sólida de C no F gama. Boa resistência e apreciável tenacidade, não magnético Cementita: Carbono na forma Fe 3 C (carboneto de ferro, 6,7% de C). Muito duro, porém frágil. Finas laminas. Ferrita: Ferro praticamente puro. Baixa dureza e resistência a tração, elevada dutilidade e resistente ao impacto (Ferro alfa).

5 Diagrama de equilíbrio Fe-C Perlita: 88% ferrita (ferro alfa) + 12% cementita (Fe 3 C). Forma lamelar. Propriedades intermediárias Depende da liga e do tempo de resfriamento Exemplo de resfriamento lento de um aço a 0,35%(hipoeutetoide) e 1,4% de C (hipereutetóde). Exemplo de um ferro fundido a 2,7% de C (hipoeutetoide)

6 Diagrama de equilíbrio Fe-C Em resumo, a austenita (Ferro gama) pode se transformar em: ferrita + perlita (ferrita +cementita) somente perlita perlita + cementita Ledeburita (glóbulos de perlita c/ fundo de cementita) Isto ocorre se houver tempo suficiente para permitir o equilíbrio Devido a isto os metais tem suas propriedades modificadas

7 Resfriamento fora do equilíbrio Ocorrências de fases ou transformações em temperaturas diferentes daquela prevista no diagrama Existência a temperatura ambiente de fases que não aparecem no diagrama

8 Transformações de fase COM DIFUSÃO Sem variação no número e composição de fases Ex: solidificação metal puro e transformação alotrópica Com variação no número e composição de fases Ex: Transformação eutética, eutetóide... SEM DIFUSÃO Ocorre com formação de fase metaestável Ex: transformação martensítica A maioria das transformações de fase no estado sólido não ocorre instantaneamente, ou seja, são dependentes do tempo

9 Tratamentos Térmicos Velocidades de aquecimento e principalmente resfriamento provoca alterações nas transformações alotrópicas (ferro gama ferro alfa) Altera propriedades mecânicas dos metais. Tratamentos térmicos é o processo que eleva-se a temperatura até a sua transformação e controla-se a velocidade de seu resfriamento para obter características desejadas. O diagrama chamada Curva TTT (tempo temperatura transformação) possibilita o controle das transformações.

10 Diagramas TTT início final

11 Curvas TTT Utilizados para o estudo dos tratamento térmicos

12 Ex 1: Curva TTT para aço eutetóide Temperatura de austenitização γ Martensita α+fe 3 C Perlita -Como a martensita não envolve difusão, a sua formação ocorre instantaneamente (independente do tempo, por isso na curva TTT a mesma corresponde a uma reta).

13 Microestrutura Bainita Perlita grossa Perlita fina Martensita

14 Ex 2: curvas TTT para aço eutetóide com as durezas especificadas das microestruturas Perlita grossa ~86-97HR B Perlita fina ~20-30HR C Bainita superior ~40-45 HR C Bainita inferior~50-60 HR C Martensita HR C

15 Ex 3: Curvas de resfriamento a temperatura constante

16 Ex 4: Algumas curvas de resfriamento contínuo A (FORNO)= Perlita grossa B (AR)= Perlita + fina (+ dura que a anterior) C(AR SOPRADO)= Perlita + fina que a anterior D (ÓLEO)= Perlita + martensita E (ÁGUA)= Martensita No resfriamento contínuo, as curvas TTT deslocam-se um pouco para a direita e para baixo

17 Microestruturas resultantes do resfriamento rápido MARTENSITA A martensita se forma quando o resfriamento for rápido o suficiente de forma a evitar a difusão do carbono, ficando o mesmo retido em solução. Como a martensita não envolve difusão, a sua formação ocorre instantaneamente (independente do tempo). Conseqüências: Geração de tensões residuais. Risco de empenamentos. Risco de trincas de têmpera (sempre intergranulares). AUSTENITA TRANSFORMAÇÃO ALOTRÓPICA COM AUMENTO DE VOLUME, que leva à concentração de tensões MARTENSITA

18 Microestruturas resultantes do resfriamento rápido MARTENSITA É uma solução sólida supersaturada de carbono (não se forma por difusão) Microestrutura em forma de agulhas É dura e frágil (dureza: Rc) Tem estrutura tetragonal cúbica (é uma fase metaestável, por isso não aparece no diagrama) REVENIDO Reaquecimento por tempos maiores MARTENSITA REVENIDA É obtida pelo reaquecimento da martensita (fase alfa + cementita) Os carbonetos precipitam Forma de agulhas escuras A dureza cai Maior ductibilidade

19 Transformações AUSTENITA Resf. lento Perlita ( + Fe3C) + a fase próeutetóide Resf. moderado Bainita ( + Fe3C) Resf. Rápido (Têmpera) Martensita (fase tetragonal) reaquecimento Ferrita ou cementita Martensita Revenida ( + Fe3C)

20 Tratamentos Térmicos Tratamento Térmico é um ciclo de aquecimento e resfriamento realizado nos metais com o objetivo de alterar as suas propriedades físicas e mecânicas, sem mudar a forma do produto. O tratamento térmico é normalmente associado com o aumento da resistência do material, mas também pode ser usado para melhorar a usinabilidade, a conformabilidade e restaurar a ductilidade depois de uma operação a frio. Logo, o tratamento térmico é uma operação que pode auxiliar outros processos de manufatura e/ou melhorar o desempenho de produtos, aumentando sua resistência ou alterando outras características desejáveis.

21 Tratamentos Térmicos Os aços são tratados para uma das finalidades abaixo: Amolecimento - (softening) O amolecimento é feito para redução da dureza, remoção de tensões residuais, melhoria da tenacidade, restauração da ductilidade, redução do tamanho do grão ou alteração das propriedades eletromagnéticas do aço. As principais formas de amolecimento do aço são: recozimento de recristalização, recozimento pleno, recozimento de esferoidização e normalização. Endurecimento (hardening) O endurecimento dos aços é feito para aumentar a resistência mecânica, a resistência ao desgaste e a resistência à fadiga. O endurecimento é fortemente dependente do teor de carbono do aço. A presença de elementos de liga possibilita o endurecimento de peças de grandes dimensões, o que não seria possível quando do uso de aços comuns ao carbono. Os tratamentos de endurecimento são: têmpera, austêmpera, e martêmpera. Para aumentar a resistência ao desgaste é suficiente a realização de um endurecimento superficial (que também leva ao aumento da resistência a fadiga). Pode-se assim proceder a uma têmpera superficial ou a um tratamento termoquímico, que consiste na alteração da composição química da superfície pela difusão de elementos como carbono, nitrogênio e boro.

22 Têmpera Resfriamento rápido objetivando o aumento da dureza (martensita), da resistência ao desgaste, da resistência a tração e diminuição da ductilidade

23 Têmpera Como mencionado antes, a martensita é muito frágil. Se um material tivesse estrutura 100% martensítica, seria frágil como o vidro. Então os passos a serem seguidos no tratamento térmico, para obtenção de propriedades mecânicas adequadas num aço são: obter um material inteiramente martensítico por resfriamento rápido reduzir a fragilidade por aquecimento até uma temperatura onde a transformação de equilíbrio para as fases a e Fe3C seja possível reaquecer por um curto espaço de tempo a temperatura moderada, para obtenção de um produto de alta resistência e baixa ductilidade ou reaquecer por um longo espaço de tempo a temperatura moderada para obtenção de um produto de maior ductilidade

24 Revenimento Revenimento é um processo feito após o endurecimento por têmpera. Peças que sofreram têmpera tendem a ser muito quebradiças. A fragilidade é causada pela presença da martensita. A fragilidade pode ser removida pelo revenimento.

25 Revenimento O resultado do revenimento é uma combinação desejável de dureza, ductilidade, tenacidade, resistência e estabilidade estrutural. As propriedades resultantes do revenimento dependem do aço e da temperatura do revenimento. A martensita é uma estrutura metaestável. Quando aquecida, tende a estabilidade, ou seja, a transformar-se nas fases ferrita e cementita. A martensita é uma estrutura tetragonal de corpo centrado (a ferrita é cúbica de corpo centrado) supersaturada de carbono (a ferrita contém carbono em até seu limite de solubilidade no ferro). Apresenta a morfologia de finas agulhas. O aquecimento leva a difusão do carbono (em excesso na estrutura) e sua conseqüente precipitação em forma de carboneto de ferro. A saída do excesso de carbono possibilita que a estrutura tetragonal torne-se cúbica, ou seja, torne-se ferrítica.

26 Revenimento O aumento da temperatura leva assim ao crescimento das agulhas de ferrita e a coalescência dos precipitados. Logo tem-se que o aumento da temperatura de revenimento leva à redução da dureza e ao aumento da ductilidade. A temperatura de revenimento deve ser aquela na qual são obtidas as propriedades desejadas. O aquecimento para revenimento é mais eficiente quando as partes são imersas em óleo, para revenimentos até 3500 C. A partir desta temperatura o óleo contendo as partes é aquecido até a temperatura apropriada. O aquecimento em banho permite que a temperatura seja constante em toda a peça, proporcinando um revenimento uniforme. Para temperaturas acima de 3500 C é mais indicado usar um banho de sais de nitratos. Os banhos salinos podem ser aquecidos até 6250 C. Independentemente do tipo de banho, o aquecimento gradual é fundamental para evitar fissuras no aço. Depois de alcançada a temperatura desejada, as partes são mantidas nesta temperatura por aproximadamente duas horas. São então removidas do banho e resfriadas em ar sem convecção.

27 Recozimento Objetiva remover tensões (devidas aos processos de fundição e conformação mecânica a quente ou a frio), diminuir a dureza, melhorar a ductilidade e ajustar o tamanho de grãos. As peças são aquecidas, e mantidas nesta temperatura por uma hora ou mais. A seguir são resfriadas por ar.

28 Recozimento Para entender os passos do processo quatro conceitos devem ser conhecidos : trabalho a frio, recuperação, recristalização e crescimento de grão

29 Recozimento Trabalho a frio Significa deformar um metal a temperaturas relativamente baixas. Exemplos são a laminação a frio de barras e chapas e a trefilação. A microestrutura trabalhada a frio mostra grãos altamente distorcidos, que são instáveis. Através do aquecimento pode-se promover a mobilidade dos átomos e tornar o material mais 'mole' com a formação da nova microestrutura.

30 Recozimento Recuperação É o estágio mais sutil do recozimento. Não ocorre alteração significativa da microestrutura. Entretanto a mobilidade atômica permite a redução de defeitos pontuais e a movimentação das discordâncias para posições de menor energia. O resultado é uma discreta redução da dureza e um aumento considerável da condutividade elétrica.

31 Recozimento Recristalização A temperatura onde a mobilidade permite alteração significativa das propriedades mecânicas situa-se entre 1/3 e ½ da temperatura de fusão Tf. O metal exposto a estas temperaturas sofre uma transformação microestrutural denominada recristalização. A redução de dureza no processo de recristalização é substancial.

32 Recozimento Crescimento de Grão A microestrutura desenvolvida na recristalização forma-se espontaneamente. Ela é estável, se comparada com a estrutura original trabalhada a frio. Entretanto a microestrutura recristalizada contém uma grande quantidade de contornos de grão. A redução destas interfaces de alta energia pode ampliar ainda mais a estabilidade.

33 Recozimento Etapas: Recuperação Recristalização (alívio de tensões) Aumento do tamanho do grão

34 Normalização é o processo de elevação de temperatura dentro do campo austenítico, O material é deixado nesta temperatura até que toda a microestrutura esteja homogeneizada. Após é removido do forno e resfriado em temperatura ambiente sob convecção natural.

35 Normalização A microestrutura resultante é formada por finos grãos de perlita com ferrita e cementita dispostas em finas lamelas. Esta microestrutura é de baixa dureza. O grau de ductilidade depende das condições do ambiente de resfriamento. Este processo é substancialmente mais barato do que o recozimento pleno, pois não existe o custo adicional de resfriamento no forno. A diferença principal entre peças recozidas e normalizadas é que as peças recozidas tem propriedades (ductilidade e usinabilidade) uniformes através de todo o seu volume enquanto que as peças normalizadas poderão ter propriedades não uniformes. Isto se dá porque no recozimento pleno, toda a peça fica exposta ao ambiente controlado do forno durante o resfriamento. No caso de peças normalizadas, dependendo da geometria da peça, o resfriamento não será uniforme, resultando em propriedades não uniformes do material.