Tratamentos Térmicos

Transcrição

1 Tratamentos Térmicos Prof. José Eduardo Spinelli Técnico: Rover Belo Instável Transformação Normal + Fe 3 C TÊMPERA Transição REVENIDO

2 Programa Analítico 1) Fornos e atmosferas, medidas e controle de temperaturas (termopares) 2) Recapitulação sobre sistema Fe C, microestrutura de aços, efeitos de elementos de liga 3) Tratamento térmico de austenitização, diagramas de transformação TTT e TRC, conceitos de temperabilidade e endurecibilidade (Grossmann e Jominy), revenimento 4) Recozimento pleno, subcrítico, esferoidização, proteção da superfície, normalização, têmpera, meios de têmpera, tensões internas

3 Programa Analítico 5) Martêmpera, austêmpera, austenita retida, patenteamento, têmpera superficial 6) Cementação, nitretação, carbonitretação, tratamentos superficiais por plasma 7) Maleabilização e outros tratamentos térmicos de ferros fundidos 8)Ligasleves, diagramasde fases, endurecimento por 8) Ligas leves, diagramas de fases, endurecimento por precipitação em ligas de Al e superligas de Ni, recristalização em ligas não ferrosas

4 Programa Analítico Práticas laboratoriais (5 grupos) sobre: Têmpera e revenimento (aços 1045 e H 13) Ensaio Jominy (aço 8640), Cementação (Aços 1010 e 1025) Recristalização do latão Precipitação de ligas de alumínio

5 Recursos disponíveis: Programa Analítico Fornos de resistência elétrica, equipamento Jominy, meios de têmpera, termopares, bancos metalográficos, microscópios óticos, Durômetros Rockwell, Brinell e Vickers, equipamentos e ferramentas de corte. Amostras de metais e ligas comerciais.

6 Programa Analítico Referências: Costa e Silva, ALV; A.L.V; Mei, PR P.R. Aços e Ligas Especiais, 2. ed., São Paulo, Edgard Blücher, 2006 H. Colpaert Metalografia dos Produtos Siderurgicos Comuns. Editora Edgard Blücher Ltda. 3ª. Edição Chiaverini,V. "Tratamentos Térmicos das Ligas Metálicas", 1.edição, ABM (2008). Metals Handbook, 8. edição, vols.1 e 2, ASM (1969). Metals Handbook, 9. edição, vols.1, 2, 3 e 4, ASM (1981). Metals Handbook, vols123e vols.1,2,3 4, ASM (1991). Krauss, G. "Principles of Heat Treatment", (1981).

7 Avaliações 1 nota de avaliação do desempenho em aulas práticas (AP), Notas em listas de exercícios feitos em casa (E), 1 nota para apresentação de seminário i + relatório (S), 2 notas de desempenho em prova (P1 e P2). Nota final = 0,05(AP) 05(AP) + 0,15((E1+E2+En)/n) + 02(S) 0,2(S) + 0,3(P1)+ 0,3(P2). Prova Substitutiva Parcial para substituir a nota dep para alunos com média final abaixo de 6,0. Avaliação complementar noinício dopróximosemestre letivo para os alunos com notas finais entre 5,0 e 5,9.

8 11/ago Introdução, Fornos, atmosfera e controle de temperatura t calibração de fornos (durômetros) 18/ago Recapitulação sobre sistema Fe C (polimorfismo) e microestruturas 25/ago Diagramas TTT e TRC equação de Avrami transformação de fases no estado solido (el. Liga) 01/set Conceito de temperabilidade e endurecibilidade (Jominy e Grossmann) 08/set Revenimento 15/set Prova 1 22/set Recozimento pleno, esferoidização, normalização, têmpera 29/set Seminário parcial 06/out Martêmpera, austêmpera, patenteamento, austenita retida, têmpera superficial 13/out Tratamentos termoquimicos 20/out Ferros fundidos e Tratamentos térmicos (maleabilização) 27/out Tratamentos térmicos de não ferrosos ligas de alumínio e de niquel endurecimento por precipitação 03/nov 10/nov Tratamentos térmicos de não ferrosos ligas de titânio 17/nov Prova 2 24/nov Seminários e relatório 01/dez Seminários e relatório 08/dez Prova Substitutiva

9 Datas e dicas Caderninho e rodízio entre grupos... Data dos seminários e entrega dos relatórios: 24/11 01/12 Datas da prova1: 15/09; prova 2: 17/11 Substitutiva: 08/12

10 Introdução Aquecimento+resfriamento modificar df estrutura interna e propriedades Uso de temperaturas extremas: desde tratamento subzero (<0 C) até quase 1300 C para aços rápidos (campo austenitico) Variação de taxas de resfriamento de acordo com o que se objetiva conseguir

11 Introdução Objetivos: Remoção de tensões internas Aumento ou diminuição da dureza Aumento da resistência mecânica Melhora da ductilidade Melhora da usinabilidade Melhora da resistência ao desgaste Mlh Melhorada resistência itê i à corrosão Melhora da resistência ao calor Melhoradas propriedades elétricas e magnéticas

12 Introdução MATERIAL + TRATAMENTO TÉRMICO O TRATAMENTO TÉRMICO ESTÁ ASSOCIADO DIRETAMENTE COM O TIPO DE MATERIAL. PORTANTO, DEVE SER ESCOLHIDO DESDE INÍCIO DO PROJETO

13 Introdução Fatores de Influência nos Tratamentos Térmicos: Temperatura Tempo Velocidade de resfriamento Atmosfera* * para evitar a oxidação ou perda de algum elemento para evitar a oxidação ou perda de algum elemento químico (ex: descarbonetação dos aços)

14 Introdução Fatores de Influência nos Tratamentos Térmicos: Tempo: O tempo de tratamento depende muito das dimensões da peça e da microestrutura desejada. - Quanto maior o tempo: > maior a segurança da completa dissolução das fases para posterior transformação > maior será o tamanho de grão Tempos longos facilitam a oxidação

15 Introdução Fatores de Influência nos Tratamentos Térmicos: Temperatura: - depende do tipo de material e da transformação de fase depende do tipo de material e da transformação de fase ou microestrutura desejada

16 Introdução Fatores de Influência nos Tratamentos Térmicos: Velocidade de Resfriamento: - Depende do tipo de material e da transformação de fase ou microestrutura desejada - Éomais importante porque é ele que efetivamente determinará a microestrutura, além da composição química do material

17 Introdução Principais meios de resfriamento: Ambiente do forno (+ brando) Ar Banho de sais ou metal fundido (+ comum é o de Pb) Óleo Água Soluções aquosas de NaOH, Na 2 CO 3 ou NaCl (+ severos)

18 Introdução Como escolher o meio de resfriamento? É um compromisso entre: - Obtenção das características finais desejadas (microestruturas t e propriedades), d -Sem o aparecimento de fissuras e empenamento na peça, - Sem a geração de grande concentração de tensões

19 Introdução Tratamentos Térmicos Recozimento Solubilização e envelhecimento Normalização Esferoidização ou Coalescimento Alívio de tensões Recristalização Homogeneização Total Ttlou Pleno Isotérmico Tempera e Revenido

20 Introdução

21 Diagrama de fases Fe Fe 3 C Introdução

22 Fornos e instrumentos de medição Equipamentos de aquecimento Estufa: trata se de um modelo de aquecimento elétrico para temperaturas de até 300 C > Revenimento!! Fornos de câmara com circulação de ar: aquecimento elétrico, para temperaturas de até 1300 C. Usos diversos Estrutura com chapas de aço carbono Isolamento com lã de rocha ou com cerâmico refratário (baixa perda térmica)

23 Fornos e instrumentos de medição Fornos de laboratório Os fornos mais simples, limpos e mais convenientes são Os o os a ss pes, pos e a sco e e tes são os de resistência elétrica

24 Fornos e instrumentos de medição Fornos de laboratório

25 Fornos e instrumentos de medição Pirometria A medição e o controle de temperatura são primordiais para o sucesso do processamento térmico de metais. Definições: Temperatura > grandeza física que indica o estado de agitação das partículas de um corpo e seu nível térmico. Quanto mais quente maior a agitação. Calor > energia térmica que flui entre dois corpos com diferentes temperaturas.

26 Fornos e instrumentos de medição Pirômetria É uma espécie de termômetro para temperaturas elevadas. Termoelétrico ou termopar

27 Fornos e instrumentos de medição Termopar Efeito Seebeck: dois fios metálicos soldados entre si pelas extremidades d quando aquecidos geram uma DDP. Este conjunto é chamado de par termoelétrico Devem ser empregados filamentos de metais que proporcionem grandes DDP s afim de facilitar a conversão destes dados em temperatura.

28 Fornos e instrumentos de medição Termopar

29 Fornos e instrumentos de medição Termopar

30 Fornos e instrumentos de medição Termopar

31 Fornos e instrumentos de medição Controle de temperatura de fornos 1) Uso de dispositivos liga desliga (potenciômetro/relé) flutuações de até 10 C. 2) Uso de termopar controlador (elemento de aquecimento) e termopar medidor (amostra) 1 C

32 Fornos e instrumentos de medição Controle de temperatura de fornos

33 Determinação de dureza Propriedade indicativa da resistência à deformação permamente. Muito utilizado para avaliar os efeitos dos tratamentos térmicos Tipos principais: Brinell Rockwell Vickers

34 Dureza por Penetração: BRINELL (HB): proposto em 1900 ( 1 o industrialmente ) D P Esfera de Aço (HBs) ou Carbeto de Tungstênio (HBw) (D = 10 mm) D esfera de aço temperado ou carboneto de tungstênio dureza = P / S (expressa em termos ) Correlaciona a área de impressão Tabelas técnicas de dureza ou fórmula d Lateral d Impressão Valor numérico seguido do símbolo HB Esfera de aço HBs HB 0,102.D. D 2.P 2 D 2 d ; P [ N ] Esfera de carboneto de tungstênio HBw Tempo de aplicação da carga 10 a 15 s Geralmente utiliza-se esfera D = 10 mm Tb esferas de D = 5, 2.5, 2, 1 mm Cargas e diâmetros : relação P / D 2 = cte Pelos menos 2 leituras (90 o ) Maioria dos materiais : carga 29,42 kn (3000 kgf) dureza até 450 HB Materiais mais moles : carga 14,70 kn (1500 kgf) carga de 4,9 kn (500 kgf) Materiais mais duros : Materiais mais duros : carga de 2,452 kn (250 kgf) dureza 450 e 650 HB

35 CORPO DE PROVA: Distância entre centros de impressão 4d da calota para ferrosos; p 10 p 6d da calota para outros materiais Distância da borda 2,5 d 4 d 2,5 d 2,5d da calota Espessura mínima 10x a profundidade da calota Para materiais com alto grau de encruamento, ocorre amassamento das bordas d < d Para materiais com pequeno encruamento, ocorre aderência d > d INFORMAÇÕES ADICIONAIS: - Norma NBR 6394 (ABNT) ou ASTM E Pode ser considerado destrutivo - Penetrador polido e isento de defeitos d, d real, d d real - CP limpo, plano e bem fixado a máquina de dureza - Indicado para microestrutura não uniforme (tamanho da impressão) - Não recomendado para peças que sofreram cementação

36 Correlação entre HB e limite de resistência à tração u.h B [MPa] Aço carbono 3,60 Aço Cr, Aço Mn, Aço Cr Mn 3,50 Aço Ni, Aço Cr Ni, Aço Cr Mo 3,40 Aço carbono tratado termicamente 3,40 Aço liga tratado 3,30 Latão encruado 3,45 Cobre recozido 520 5,20 Alumínio e suas ligas 4,00 Não recomendado para materiais com tratamento superficiais

37 APLICAÇÃO TÉCNICA Para os materiais polifásicos, como o aço, é possível fazer uma estimativa da dureza Brinell global, observando a dureza e a quantidade relativa de cada microconstituinte (fases) do sistema: Microconstituintes Dureza Brinell - HB Ferrita 80 Perlita grosseira 240 Perlita fina 380 Martensita 595 Microestrutura t de um aço SAE 1040, o qual possui 50% de Ferrita + 50% de Perlita Dureza Brinell aproximada do aço SAE1040: HB 0,50 x ,50 x 240 = 160 HB

38 Regra da alavanca para estimar as frações de fases SAE x ataque Nital

39 ROCKWELL (HR): Indústria Rockwell 1922 ( mais utilizado ) Penetrador diamante cônico 120 o esfera de aço endurecido Aplicação de pré-carga e carga Utiliza a profundidade, e não a área Número seguido HR mais categoria Dividida em comum ou superficial Cargas de 10, 60, 100 e 150 kgf comum Cargas de 3, 15, 30 e 45 kgf superficial Dividida de acordo com as cargas e penetradores Rockwell (A, C, D) P (60 kgf, 150 kgf, 100 kgf) Rockwell (B, F, G) P (100 kgf, 60 kgf, 150 kgf) P Cone de Diamante P Esfera de aço D=1/16-1/8 t 120 o t Lateral Impressão Lateral Impressão

40 Escala Penetrador Carga (Kgf) Leitura Aplicações B Esfera 1,58 mm 100 Vermelha FoFo e aços não temperados C Diamante (cone) 150 Preta Aço temperado ou cementado A Diamante (cone) 60 Preta Metal duro, aço fundido/temperado/rápido D Diamante (cone) 100 Preta Aço fundido com reduzida espessura E Esfera 3,175 mm 100 Vermelha FoFo, ligas de alumínio e magnésio, metal duro F Esfera 1,588 mm 60 Vermelha Metais moles, ligas de cobre G Esfera 1,588 mm 150 Vermelha Bronze, fósforo, f ligas de berílio, FoFo F maleável l H Esfera 3,175 mm 60 Vermelha Alumínio, Zinco, chumbo, abrasivos K Esfera 3,175 mm 150 Vermelha Metal duro e metais de baixa dureza L Esfera 6,350 mm 60 Vermelha Mesma Rockwell K, borracha e plásticos M Esfera 6,350 mm 100 Vermelha Mesma Rockwell K e L, madeira e plásticos P Esfera 6,350 mm 150 Vermelha Mesma Rockwell K, L e M, plásticos R Esfera 12,700 mm 60 Vermelha Mesma Rockwell K, L e M, plásticos S Esfera 12,700 mm 100 Vermelha Mesma Rockwell K, L e M, plásticos V Esfera 12,700 mm 150 Vermelha Mesma Rockwell K, L, M, P e R ou S

41 Carga Aplicada (kgf) Escala N Diamante Escala T Esfera 1,588 mm Escala W Esfera 3,175 mm Escala X Esfera 6,350 mm Escala Y Esfera 12,700 mm 15 15N 15T 15W 15X 15Y 30 30N 30T 30W 30X 30Y 45 45N 45T 45W 45X 45Y

42 INFORMAÇÕES ADICIONAIS: Norma NBR 6671 (ABNT) ou ASTM E Pode ser considerado destrutivo Penetrador polido e isento de defeitos Pré-carga de 3 s Carga total de 1 a 8 s C.P. limpo, plano e bem fixado a máquina de dureza Distância entre centros de 3x p e 2,5x p das bordas Espessura do C.P. 10 x maior que a profundidade da impressão Não deve ocorrer impacto no momento da medida Deve-se realizar o ensaio em materiais i desconhecidos: partindo de escalas mais altas para evitar danos no penetrador, seguido posteriormente, de escalas mais baixas Vantagens: rapidez, exatidão, materiais duros, pequena impressão

43 Vantagens do método Rockwell em relação ao Brinell: Rapidez de execução; Maior exatidão e isenção de erros pessoais, já que não exige leitura do tamanho da impressão; Possibilidade de maior utilização para materiais duros; Pequeno tamanho da impressão (os componentes podem ser testados sem danos).

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45 VICKERS (HV): Industria Vickers-Armstrong 1925 (similar Brinell) 136 o Penetrador pirâmide diamante com ângulo de 136 o P d 1 d 1 (similar ao ângulo da Brinell) Correlaciona carga com a área da impressão Lateral Pirâmide de Diamante Base quadrada P HV 0, d1 ; P Impressão [N] Aplicáveis em todos os materiais Número seguido HV Tabelas para conversão em função das diagonais Dividida em comum ou superficial P = carga [N]; d = comprimento da diagonal [mm] cargas de 5 a 100 kgf (49 a 980 N) comum = 136. cargas de 2 a 5 kgf (1,96 a 49 N) superficial cargas de 0,001 a 2 kgf (0,0098 a 1,92 N) microdureza Também conhecida como dureza de pirâmide de diamante Aplicável em materiais muito finos, pequenos e irregulares Brinell versus Vickers

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47 INFORMAÇÕES ADICIONAIS: Relação entre dureza Vickers e p Materiais Duros 2 a 3 p Materiais Metálicos 3 a 4 p Material Vickers Limite de Proporcionalidade [MPa] Diamante Alumina Carboneto de Tungstênio Berílio Aço Cobre Recozido Alumínio Recozido Chumbo 60 16

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