TRATAMENTOS TÉRMICOS TT-001 TRATAMENTOS TÉRMICOS EM AÇOS ESPECIAIS

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1 TRATAMENTOS TÉRMICOS TT-001 TRATAMENTOS TÉRMICOS EM AÇOS ESPECIAIS

2 TRATAMENTOS TÉRMICOS EM AÇOS ESPECIAIS SILVIO MACHADO DE SOUZA TRATAMENTOS TÉRMICOS TT-001 TRATAMENTOS TÉRMICOS EM AÇOS ESPECIAIS SILVIO MACHADO DE SOUZA CREA - RS REGISTRO NACIONAL CONFEA T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 2

3 TRATAMENTOS TÉRMICOS EM AÇOS ESPECIAIS SUMÁRIO Página INFORMAÇÕES GERAIS... 6 DESCRIÇÃO DO MÓDULO... 7 ETAPA 1 INTRODUÇÃO... 8 CONCEITO DE TRATAMENTOS TÉRMICOS... 8 FINALIDADES DOS TRATAMENTOS TÉRMICOS... 8 VARIÁVEIS INFLUENTES NOS TRATAMENTOS... 9 FATORES QUE INFLUENCIAM NO TRATAMENTO TÉRMICO...9 EFEITO DOS ELEMENTOS DE LIGA NOS AÇOS TRATADOS TERMICAMENTE10 PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS... Erro! Indicador não definido. REVISÃO DE CONCEITOS DE METALURGIA FÍSICA PROPRIEDADES FÍSICAS DOS METAIS...17 QUADRO GERAL DOS EQUIPAMENTOS UTILIZADOS NA GSBErro! Indicador não definido. EXERCÍCIOS ETAPA 2 RECOZIMENTOS DEFINIÇÃO OBJETIVOS DOS RECOZIMENTOS RECOZIMENTO SUBCRÍTICO RECOZIMENTO PARA ALÍVIO DE TENSÕES RECOZIMENTO ISOTÉRMICO RECOZIMENTO TOTAL OU PLENO RECOZIMENTO PARA DIFUSÃO DE H T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 3

4 TRATAMENTOS TÉRMICOS EM AÇOS ESPECIAIS DEFEITOS, PROBLEMAS E ALTERNATIVAS DE SOLUÇÃO EXERCÍCIOS ETAPA 3 - ESFEROIDIZAÇÃO DEFINIÇÃO OBJETIVOS MECANISMOS DA ESFEROIDIZAÇÃO EXERCÍCIOS ETAPA 4 NORMALIZAÇÃO DEFINIÇÃO OBJETIVOS MECANISMOS DA NORMALIZAÇÃO DEFEITOS, PROBLEMAS E ALTERNATIVAS DE SOLUÇÃO EXERCÍCIOS ETAPA 5 TÊMPERA E REVENIDO DEFINIÇÃO OBJETIVOS MECANISMOS DA TÊMPERA E REVENIDO FRAGILIDADE PELO REVENIDO TRANSFORMAÇÃO DA AUSTENITA RETIDA EXERCÍCIOS ETAPA 6 SOLUBILIZAÇÃO GABARITOS T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 4

5 TRATAMENTOS TÉRMICOS EM AÇOS ESPECIAIS REFERÊNCIAS ANEXO 1 QUADRO GERAL DOS EQUIPAMENTOS UTILIZADOS ANEXO 2 FOTOS DOS EQUIPAMENTOS GSB T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 5

6 TRATAMENTOS TÉRMICOS EM AÇOS ESPECIAIS INFORMAÇÕES GERAIS Público- alvo Supervisores, facilitadores Engenheiro de Processo Duração Teoria: 16 horas T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 6

7 TRATAMENTOS TÉRMICOS EM AÇOS ESPECIAIS Objetivo Ao final deste módulo você deverá DESCRIÇÃO DO MÓDULO 1) Compreender os fenômenos metalúrgicos que ocorrem durante os tratamentos térmicos realizados sobre aços especiais; 2) Reconhecer as microestruturas produzidas após cada um dos tratamentos analisados; 3) Conhecer as características e propriedades resultantes no material. Etapas de Aprendizagem Páginas 1 Introdução 7 a 31 2 Recozimentos 38 a 50 3 Esferoidização 51 a 63 4 Normalização 64 a 78 5 Têmpera e revenido 79a 97 6 Solubilização 98 a Anexo - Equipamentos 102 a 118 T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 7

8 ETAPA 1 INTRODUÇÃO CONCEITO DE TRATAMENTOS TÉRMICOS É a sequência de operações de aquecimento, permanência à temperatura e resfriamento a que são submetidas ligas metálicas, sob condições controladas de temperatura, tempos, atmosfera do forno e velocidade de resfriamento, com o objetivo de alterar as características do material. São ciclos controlados de aquecimento e resfriamento realizados com o objetivo de adequar as propriedades dos aços às exigências de suas inúmeras aplicações. A possibilidade de utilização do aço em diferentes aplicações decorre da ampla variação em suas propriedades mecânicas, a qual pode ser obtida através de ajustes em sua microestrutura. Assim tratamentos térmicos são realizados visando a ajustar a microestrutura do aço e desta forma obter as propriedades do aço necessárias para a aplicação final deste produto. FINALIDADES DOS TRATAMENTOS TÉRMICOS As alterações microestruturais produzidas pelos tratamentos térmicos atendem a várias finalidades, tais como: Facilitar processos de conformação mecânica que serão realizados a seguir para a obtenção do produto final; Obter diretamente propriedades exigidas para uso do produto final; Obter vantagens econômicas pela redução de custos com matérias primas e custos de transformação. Tratamentos térmicos podem ser realizados em aços comuns e em aços especiais. Neste módulo são apresentados os tratamentos mais frequentemente aplicados a aços especiais. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 8

9 VARIÁVEIS INFLUENTES NOS TRATAMENTOS Os resultados dos tratamentos térmicos dependem das seguintes variáveis do material, peça ou processo aplicado: Composição química do material; Estrutura interna, tamanho de grão austenítico, homogeneidade da austenita; Geometria da peça: forma e dimensões; Temperatura de austenitização; Ambiente de aquecimento; Condições de resfriamento. Algumas destas variáveis serão discutidas a cada processo estudado, mostrando suas respectivas influências. FATORES QUE INFLUENCIAM NO TRATAMENTO TÉRMICO -Aquecimento -Tempo de permanência à temperatura -Ambiente de aquecimento e resfriamento. Aquecimento Considerando que o objetivo fundamental do tratamento térmico é a modificação das propriedades mecânicas do material, verifica-se que isso só é possível mediante uma transformação na estrutura original, sendo deste modo necessário aquecer a uma determinada temperatura que permita que ocorra essa transformação. Essa temperatura deve ser superior a temperatura de Recristalização do material, no caso dos aços é a temperatura crítica. O resfriamento subseqüente completa as alterações estruturais e confere ao material as propriedades mecânicas desejadas. Verifica-se ainda que as diversas ligas metálicas apresentam temperaturas de recristalização (ou temperaturas criticas) diferentes, desde relativamente baixas até muito elevadas. Tempo de permanência à temperatura A influência do tempo de permanência à temperatura de aquecimento é semelhante a influencia da máxima temperatura de aquecimento, ou seja, o tempo à temperatura deve ser o suficiente para que as peças se aqueçam de modo uniforme, através de toda sua seção. Deve-se evitar manter as peças em tempo superior ao necessário, pois pode haver indesejável crescimento de grão, oxidação e descarbonetação. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 9

10 Ambiente de aquecimento Em certas ligas metálicas, a atmosfera comum do forno pode provocar alguns fenômenos prejudiciais, como o caso dos aços, onde as reações de oxidação e descarbonetação são indesejáveis. Oxidação: Formação de uma casca de carepa na superfície do material provocada pela combinação do oxigênio com o ferro formando FeO. Descarbonetação: È a perda preferencial do carbono, que se combina com o oxigênio, Dióxido de carbono e com o vapor d'água, causando uma camada mais mole na superfície da peça Esses fenômenos são evitados pelo emprego de uma atmosfera protetora no interior do forno. As atmosferas protetoras mais comuns são as obtidas pela combustão total ou parcial de carvão, óleo ou GLP, pelo emprego de hidrogênio nitrogênio, amônia dissociada e também do vácuo e banhos de sal. Meios de resfriamento Este é o fator mais importante para o tratamento térmico dos aços, modificando se a velocidade de resfriamento após a permanência adequada a temperatura de aquecimento, pode-se obter mudanças estruturais que promovem o aumento da ductilidade ou elevação da dureza e da resistência mecânica. A solução aquosa, conduz ao aparecimento de elevadas tensões internas que prejudicam a qualidade final da peça,, obrigando a seleção de um meio de resfriamento mais brando tal como óleo ou mesmo o ar, o qual pode por outro lado não representar a solução ideal, pois impede que as modificações estruturais visadas se realizem completamente. AÇOS ESPECIAIS DEFINIÇÃO Aço especial é uma liga de ferro e carbono com quantidades variáveis de elementos de liga que permitem, mediante os tratamentos termomecânicos apropriados, alcançar com garantia a forma e características necessárias para sua utilização. CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS ESPECIAIS Há vários critérios para a classificação dos aços especiais. Entre os mais usuais estão: Composição química; Propriedades mecânicas; Processo de acabamento; Microestrutura; Forma do produto acabado; Aplicação. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 10

11 Utilizando-se o critério da aplicação, na Gerdau, os aços especiais são classificados em: Aços para construção mecânica; Aços ferramenta; Aços inoxidáveis. EFEITO DOS ELEMENTOS DE LIGA NOS AÇOS TRATADOS TERMICAMENTE Nos aços de baixa liga, os seguintes elementos são incorporados: manganês, silício, níquel, cromo, molibdênio, vanádio, nióbio, boro e alumínio, principalmente. Os elementos de liga diminuem a velocidade de transformação da austenita a temperaturas subcríticas, causando, então, maior temperabilidade ALUMINIO Al Na ferrita: Endurece consideravelmente por solução solida Aumenta a temperabilidade moderadamente se dissolvida na austenita. Não forma carbonetos (grafitiza) É um eficiente desoxidante Restringe o crescimento de grão (pela formação de óxidos ou nitretos É elemento de liga nos aços para nitretação CROMO Cr Endurece a ferrita Aumenta a resistência à corrosão Na austenita: Aumenta a temperabilidade moderadamente. É maior formador de carbonetos que o Mn e menos que o W No revenido resiste à diminuição da dureza Aumenta a resistência a corrosão e oxidação. Aumenta a endurecibilidade Melhora a resistência a altas temperaturas Resiste ao desgaste associado ao alto carbono T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 11

12 COBALTO Co Endurece a ferrita por solução sólida Diminui a temperabilidade quando no estado dissolvido na austenita Formador de carbonetos igual ao ferro No revenido sustenta a dureza pela solução solida. Contribui na dureza a quente pelo endurecimento da ferrita MANGANES Mn Endurece acentuadamente e reduz a plasticidade da ferrita Na austenita aumenta a temperabilidade moderadamente Como formador de carbonetos é maior que o fe e menor que Cr Ação no revenido é muito pequena Contrabalança a fragilidade devida ao S Aumenta a endurecibilidade economicamente MOLIBDENIO Mo Na ferrita: Produz o sistema endurecível por precipitação nas ligas Fe - Mo Aumenta fortemente a temperabilidade na austenita (Mo > Cr ) É um forte formador de carbonetos (> Cr) Opõe-se a diminuição da dureza criando a dureza secundaria Eleva a temperatura de crescimento de grão Produz maior profundidade de endurecimento Reduz a fragilidade do revenido. Eleva a dureza a quente, a resistência e a fluência Melhora a resistência a corrosão dos aços inoxidáveis NIQUEL Ni Aumenta à resistência a tenacidade por solução solida na ferrita T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 12

13 Aumenta a temperabilidade ligeiramente, mas tende a reter a austenita com carbono mais elevado Não forma carbonetos ao contrario grafitiza. Aumenta a resistência de aços recozidos Aumenta a tenacidade de aços ferriticos - perliticos a baixas temperaturas Torna austeniticas ligas Fe - Cr altas com Alto Cr FOSFORO P Endurece fortemente a ferrita por solução sólida Aumenta a temperabilidade da austenita Aumenta a resistência de aço baixo carbono Aumenta à resistência a corrosão Aumenta a usinabilidade em aços de usinagem fácil SILICIO Si Endurece com perda de plasticidade na ferrita Aumenta a temperabilidade moderadamente na austenita Não forma carbonetos (grafitiza) No revenido sustenta a dureza por solução sólida Desoxidante Elemento de liga para chapas elétricas e magnéticas Aumenta à resistência a oxidação Aumenta a temperabilidade de aços com elementos não grafitizantes Aumenta a resistência de aços de baixa liga TITANIO Ti Na ferrita: Produz sistema endurecível por precipitação em ligas Ti -Fe com alto Ti Aumenta a temperabilidade na austenita no estado dissolvido, os efeitos dos carbonetos reduzem-na É o maior formador de carbonetos conhecido T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 13

14 No revenido forma carbonetos persistentes provavelmente não afetados e endurecimento secundário Reduz a dureza martensitica e a endurecibilidade em aços ao Cr de médio Cr Impede a formação da austenita em aços de Alto Cr. TUNGSTÊNIO W Na ferrita: Produz sistema endurecivel por precipitação em ligas W - Fe com alto W Aumenta fortemente a temperabilidade da austenita mesmo em baixos teores Forte formador de carbonetos No revenido: Opõe-se à diminuição de dureza por endurecimento secundário Forma partículas duras e resistentes a desgaste em aços ferramentas Promove dureza e resistência a altas temperaturas VANÁDIO V Na ferrita: Endurece moderadamente por solução solida Na austenita: Aumenta muito fortemente a temperabilidade no estado dissolvido É um formador de carbonetos muito forte Tem a máxima ação para endurecimento secundário no revenido Eleva a temperatura de crescimento de grão na austenita (promove o refino do grão) Aumenta a temperabilidade (quando dissolvido) Resiste ao revenido e causa acentuado endurecimento secundário. MELHORAM A TEMPERABILIDADE Em ordem decrescente, os elementos de liga mais usados nos aços de baixa liga que melhoram a temperabilidade são: boro, vanádio, nióbio, molibdênio, cromo, manganês, silício e níquel. Para serem mais efetivos, isto é, aumentar a temperabilidade, estes elementos devem estar dissolvidos na austenita, no aquecimento do aço, de modo que os elementos formadores de carboneto requerem mais atenção durante a austenitização. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 14

15 Eles permitem velocidades mais baixas de resfriamento para uma dada secção da peça. Dessa maneira, o uso de uma têmpera menos drástica ocasiona menores distorções e menor possibilidade de formação de trinca. FORMADORES DE CARBONETOS O cromo, o molibdênio, o tungstênio, o vanádio e o nióbio, em ordem crescente são utilizados como formadores de carbonetos, isto é, eles formam compostos com o carbono, assim como o ferro. Estes carbonetos são difíceis de dissolverem se na austenita e requer mais tempo para sua completa dissolução ou, então, maior temperatura de austenitização. Os demais elementos de liga usados dissolvem-se na austenita não ocasionando esse problema. Como os elementos de liga formadores de carbonetos contraem a região austenitica, o tratamento de têmpera só pode ser assegurado dentro de um intervalo limitado do teor de carbono, pois para a têmpera é necessário completa austenitização do aço, principalmente quando for alto o teor desses elementos No revenimento, o efeito dos elementos de liga é retardar a velocidade de amolecimento, ocasionando uma temperatura mais alta para revenir os aços - liga, a fim de obter uma determinada dureza. AÇOS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA São os aços utilizados na fabricação de máquinas e componentes para a indústria mecânica. Podem ser classificados quanto à composição química em: Aços para construção mecânica ao carbono; Aços para construção mecânica ligados. Tipos de aços para construção mecânica Aços para cementação; Aços para beneficiamento; Aços para rolamentos; Aços para molas; Aços ao boro; Aços microligados; Aços ao carbono; T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 15

16 Aços de usinagem fácil. AÇOS FERRAMENTA São os aços utilizados nas operações de corte, conformação, afiação e quaisquer outras relacionadas com a modificação de um material para um formato utilizável. Estes aços se caracterizam pelas suas elevadas dureza e resistência à abrasão, geralmente associadas à boa tenacidade e manutenção das propriedades de resistência mecânica em elevadas temperaturas. Estas características normalmente são obtidas com a adição de elevados teores de carbono e elementos de liga, tais como tungstênio, molibdênio, vanádio, manganês, cobalto e cromo. Tipos de aços ferramenta Aços temperáveis em água; Aços temperáveis em oleo; Aços temperáveis ao ar; Aços para trabalho a frio; Aços para trabalho a quente; Aços resistentes ao choque; Aços rápidos; Aços para moldes. AÇOS INOXIDÁVEIS São os aços que têm resistência à corrosão superior à dos aços carbono. Não são inertes em todos os meios, mas não são atacados por muitos deles ou são atacados de forma significativamente mais lenta do que os aços carbono. O elemento mais importante para aumentar a resistência à corrosão do aço é o cromo; o segundo mais importante é o níquel. Com ou sem a adição de outros elementos são formados tipos com uma variedade de propriedades e características. Tipos de aços inoxidáveis Austeníticos; Ferríticos; T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 16

17 Martensíticos; Duplex; Endurecíveis por precipitação. PROPRIEDADES FÍSICAS DOS METAIS 1- ELASTICIDADE E PLASTICIDADE Os metais possuem uma estrutura cristalina, ou seja, os átomos estão arranjados numa rede cristalina regular no espaço com posições definidas entre si. Quando um metal sofre um esforço dentro da zona elástica o espaço provoca um deslocamento dos átomos de suas posições primitivas no espaço, de modo que ao cessar esse esforço, os átomos voltam as suas posições originais sem deixar qualquer deformação permanente. Com aumento do esforço chega - se a um ponto que os átomos se distanciam de tal forma que não conseguem mais voltar e daí entra na zona plástica. O advento da zona plástica seria impossível de conseguir por meio de esforço fornecido pelas máquinas comuns não fossem certos defeitos encontrados no interior da rede cristalina. Tais defeitos podem ser de dois tipos: Pontuais Lineares 2 - RÍGIDEZ É a capacidade de o metal resistir à deformação quando submetido a forças ou cargas. 3 - RESISTÊNCIA MECÂNICA É a capacidade dos materiais resistirem à ruptura quando submetidos a ação de forças sem levar em conta as deformações produzidas. Essa propriedade dos metais, ou características, e determinado pelo ensaio de tração, que consiste em submeter um corpo de prova padronizado a uma tensão até a sua ruptura. O limite de resistência do metal é calculado pela carga máxima atingida no ensaio. 4 - DUTILIDADE É a propriedade pelo qual os metais sob um esforço de tração deformam - se permanentemente até pequenas dimensões (fios finos). A ductilidade depende da temperatura e da presença de impurezas (fósforo e enxofre), de eventuais tratamentos anteriores e dos trabalhos mecânicos que possam Ter provocado encruamento. 5 - LIMITE DE ESCOAMENTO É a transição heterogênea localizada entre as deformações elástica e plástica. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 17

18 Após a estabilização da carga ou de tensão, o material sofre uma deformação relativamente grande sem aumento da tensão que é o patamar de escoamento inferior do material. 6 - ALONGAMENTO E ESTRICÇÃO É a deformação total do corpo de prova no ensaio de tração até a ruptura e calculado pela fórmula. L1 - L0 X 100 = % A LO L1 = comprimento final do CP LO = comprimento inicial do CP O alongamento dá uma medida comparativa de dois metais. Quanto maior for o alongamento mais dútil será o material. Após ser atingida a carga máxima, ocorre a estricção do material, que é a diminuição da seção transversal do corpo de prova na região aonde vai se localizar a ruptura que é calculada pela fórmula: SO-S1 X 100 = % E SO SO = secção inicial S1 = secção final Quanto maior a estricção mais dútil será o material. 7 - DUREZA É muito utilizada na especificação de materiais e na comparação desses materiais. Os ensaios de dureza são aplicados nos seguintes casos: - Ramo metalúrgico resistência a deformação plástica permanente - Ramo mecânico resistência a penetração de um material duro no outro - Ramo mineral resistência ao risco que um material pode fazer no outro. 8 - FRAGILIDADE É a propriedade que alguns metais de ter elasticidade mas não ter plasticidade, ocorrendo a ruptura bruscamente após a deformação elástica. Os ensaios utilizados para determinar a fragilidade de um metal é o ensaio de impacto. Quanto menor for a energia absorvida, mais frágil será o comportamento do material àquela solicitação dinâmica. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 18

19 9 - RESILIÊNCIA É a capacidade dos metais de suportar choques sem romper ou sofrer deformações permanentes. A resistência mede, portanto a fragilidade de um material e o ensaio é o de impacto. A capacidade de resistência ao choque está ligada a capacidade de absorção de energia por parte do metal em razão de deformação total elástica e permanente TENACIDADE É a capacidade do material de possuir elasticidade elevada e visível. A ruptura ocorre depois de grande deformação elástica e plástica. A tenacidade corresponde a quantidade de energia necessária para provocar a ruptura e que depende fundamentalmente da resistência e ductilidade do material. O ensaio para medir a tenacidade de um metal e também o ensaio de impacto FLUÊNCIA É a capacidade do material de resistir a deformação plástica sob tensão constante ou quase constante em função do tempo e da temperatura. O ensaio que determina a fluência dos metais chama-se ensaio de ruptura por fluência e consiste em medir o efeito da temperatura e da tensão na possibilidade de ruptura durante a vida útil do material; e há também o ensaio de fluência em que a tensão aplicada não promova a fratura do corpo de prova e também não cause uma deformação que exceda um valor limite determinado. Com o resultado desses dois ensaios o projetista poderá selecionar as tensões de trabalho possíveis nas aplicações práticas para evitar deformações excessivas ou mesmo ruptura do material. A teoria da fluência resume-se em quatro processos de deformação: 1- O escorregamento de discordâncias (fator predominante); 2- A ascensão de discordância formando sub grãos; 3- O deslizamento de contornos de grãos; 4- A difusão de lacunas (vazios) FADIGA É o fenômeno que ocasiona a ruptura dos metais por ação repetitiva das cargas alternadas. A ruptura não ocorre sem deformação permanente; a superfície da fratura apresenta um aspecto característico e se distingue nela uma zona lisa, ás vezes oxidada, é uma zona aparentemente granulada e cristalina, mais ou menos grossa, ou ás vezes fibrosa. Essa ruptura particular se manifesta exatamente em unidades submetidas a solicitações variáveis e, são denominadas rupturas por fadiga. Isso vale para qualquer que seja a natureza das solicitações variáveis, ou seja, tração, compressão, cisalhamento, flexão e torção. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 19

20 A resistência a fadiga é ainda fortemente influenciada pelo estado e pela forma da superfície externa do material; ligações bruscas, entalhes, caneletas, trabalhos grosseiros, superfícies brutas de elaboração ou fusão abaixam a resistência a fadiga ENCRUAMENTO Modificação das propriedades mecânicas que sofrem os metais, quando submetidos a uma deformação permanente num intervalo de temperatura na qual o retículo cristalino não tenha tendência de regenerar-se. A modificação nas propriedades é tanto maior, quanto mais profunda é a deformação. Geralmente o encruamento de um metal produz: aumento da dureza, aumento da resistência a tração, reduz o alongamento. Para eliminar as alterações provocadas nas propriedades mecânicas dos metais provocadas pelo encruamento é necessário realizar um tratamento térmico de alívio de tensões ou um recozimento de recristalização. REVISÃO DE CONCEITOS DE METALURGIA FÍSICA TRANSFORMAÇÕES ALOTRÓPICAS NO Fe PURO O que torna as ligas Fe-C materiais tão versáteis é o fato que o ferro puro apresenta uma transformação alotrópica e que o carbono forma uma solução sólida intersticial com o ferro. Isto leva a uma série de possibilidades de transformações, cada uma com suas microestruturas típicas, resultando em uma grande diversidade de propriedades. No aquecimento, o ferro puro experimenta duas mudanças de estrutura cristalina antes da fusão. Na temperatura ambiente, a forma estável do ferro recebe o nome de ferrita ou ferro α, que tem uma estrutura cristalina cúbica de corpo centrado. A ferrita experimenta uma transformação para uma fase cúbica de faces centradas, conhecida como austenita ou ferro γ, a 912 o C. A austenita persiste até 1394 o C, onde esta reverte para uma fase CCC conhecida como ferrita-δ, que finalmente funde a 1538 o C. Todas estas transformações estão representadas esquematicamente na Fig. 1. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 20

21 Fig. 1 Temperaturas de transformação de fase no ferro puro DIAGRAMA Fe-C A adição de carbono ao ferro modifica as temperaturas de transformação de fase e produz soluções sólidas intersticiais, como mostra o diagrama de fases ferrocarbono da Fig. 2. 0,8 Fig. 1 Diagrama de fases Fe-C T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 21

22 É importante observar o efeito do carbono sobre o campo de estabilidade das fases do ferro (expansão), principalmente sobre a austenita. Quando se atinge o limite de solubilidade de carbono, tanto na ferrita quanto na austenita, uma nova fase é formada, ou seja, o carboneto de ferro conhecido como cementita (Fe 3 C). Na prática, o diagrama de fases Fe-C só tem importância até 6,67% em peso de C, que é justamente o conteúdo de C na cementita. Adicionalmente, as ligas comerciais não são constituídas apenas por ferro e carbono, contando com a presença de outros elementos químicos em sua composição, além de pequenas quantidades de impurezas que são inerentes ao processo de obtenção do aço. Pequenas quantidades de outros elementos químicos não produzem grandes alterações no diagrama, mas para aços com teores de liga mais elevados ocorrem modificações consideráveis. FASES E TRANSFORMAÇÕES NO DIAGRAMA Fe-C O carbono é uma impureza intersticial no ferro e forma soluções sólida com cada uma de suas fases, isto é, com a ferrita, austenita e ferrita-δ. Na ferrita ou ferro α, de estrutura cristalina CCC, somente uma pequena quantidade de carbono pode ser dissolvida, sendo a máxima solubilidade de 0,025% em peso a 727ºC. A solubilidade limitada é explicada pela forma e tamanho das posições intersticiais na estrutura CCC, que torna difícil acomodar os átomos de carbono. Mesmo presente em concentrações relativamente baixas, o carbono influencia significativamente nas propriedades mecânicas da ferrita. A ferrita é relativamente macia, é magnética abaixo de 768ºC e tem densidade de 7,88 g/cm 3. A austenita ou fase γ, quando ligada apenas com carbono, não é estável abaixo de 727ºC. A máxima solubilidade de carbono na austenita, que é de 2,11% em peso, ocorre a 1147ºC. Esta solubilidade é, aproximadamente, 100 vezes maior do que a máxima para a ferrita. Isto acontece porque as posições intersticiais na estrutura CFC são maiores, de forma que as deformações impostas nos átomos de ferro vizinhos são muito menores. A austenita não é magnética. A Fig. 3 mostra fotomicrografias da ferrita e da austenita. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 22

23 Fig. 2 Fotomicrografias da (a) ferrita e (b) austenita A ferrita-δ é virtualmente igual à ferrita (fase α), exceto pela faixa de temperatura de estabilidade. Visto que a ferrita-δ só é estável a temperaturas relativamente altas, esta não tem grande importância tecnológica e não será mais discutida neste texto. A cementita (Fe 3 C), de estrutura cristalina ortorrômbica, se forma quando o limite de solubilidade de carbono na ferrita é excedido abaixo de 727ºC. A cementita também se formará quando o limite de solubilidade de carbono na austenita for ultrapassado na faixa de temperaturas de 727 a 1147ºC. Mecanicamente, a cementita é muito dura e frágil. Por outro lado, é esta fase que garante dureza e resistência mecânica aos aços. A Fe 3 C, ao contrário da ferrita e austenita, não é uma solução sólida, mas sim um composto intermetálico, metaestável, com composição química definida. O sistema Fe-C apresenta um eutético, a 4,3% em peso de C e 1147ºC. Na reação eutética, o líquido solidifica para formar as fases austenita e cementita. O resfriamento subsequente até a temperatura ambiente causará mudanças de fase adicionais. Além do eutético, o diagrama Fe-C também apresenta outro ponto invariante, conhecido como eutetóide, com 0,77% em peso de C a uma temperatura de 727ºC. Neste ponto, ocorre a reação eutetóide, em que a fase sólida γ se transforma em ferro α e cementita. A reação eutetóide é fundamental para o tratamento térmico dos aços: : T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 23

24 Se outros elementos químicos forem adicionados aos aços em quantidades importantes, estes podem afetar substancialmente as linhas do diagrama de fases Fe-C, bem como formar fases diferentes daquelas já descritas. Duas categorias de elementos de liga podem ser adicionadas aos aços, isto é, os estabilizadores da ferrita, como o Cr, Mo, W, e aqueles que estabilizam a austenita, como o Ni, Mn, C, etc. Os elementos estabilizadores da ferrita e austenita expandem os respectivos campos. Um exemplo disso é o efeito do Cr sobre o campo de estabilidade da austenita. De fato, quanto maior é a quantidade de cromo na liga Fe- Cr-C, menor é a lupa austenítica. MICROESTRUTURAS DOS AÇOS A seguir são apresentadas as microestruturas que se desenvolvem nos aços sob condições de resfriamento lento, nas quais as condições de equilíbrio são mantidas. A influência dos tratamentos térmicos na microestrutura e, consequentemente, nas propriedades mecânicas dos aços, será analisada em etapas posteriores. Aço eutetóide O aço eutetóide é um aço que tem um teor de carbono de 0,77% em peso. Esta é uma composição particular, encontrada no diagrama Fe-C, em que existe a transformação de austenita para ferrita e cementita reação eutetóide. Esta reação se processa lentamente, porque depende de uma considerável movimentação (difusão) de átomos de carbono para que os produtos desta reação (as fases ferrita e cementita) sejam formados. A microestrutura deste aço eutetóide consiste de camadas ou lamelas intercaladas de ferrita e cementita, que se formam simultaneamente durante a transformação. Esta microestrutura é conhecida como perlita. A Fig. 4 é uma foto micrografia de um aço eutetóide que mostra a perlita. A perlita existe na forma de grãos, frequentemente chamados de colônias. Dentro de cada colônia, as lamelas estão orientadas essencialmente na mesma direção, que muda de uma colônia para outra. As lamelas de maior largura e de cor clara são de ferrita, enquanto que aquelas mais finas e escuras são de cementita. A perlita apresenta propriedades mecânicas intermediárias entre a dúctil ferrita e a dura e frágil cementita. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 24

25 Fig. 3 Micrografia de um aço eutetóide mostrando a perlita Finalmente, o subsequente resfriamento da perlita do ponto eutetóide até a temperatura ambiente produzirá mudanças microestruturais relativamente insignificantes. Aços hipoeutetóides Os aços hipoeutetóides são aqueles que contêm menos do que 0,77% em peso de C. São os aços mais importantes, porque justamente são aqueles produzidos e consumidos em maior quantidade. A Fig. 5 mostra uma fotomicrografia de um aço com 0,38% em peso de carbono. As regiões claras correspondem à ferrita pró-eutetóide, enquanto que as regiões escuras são de perlita. Para este último microconstituinte, o espaçamento entre as lamelas de α e Fe 3 C varia de grão para grão. Algumas colônias de perlita aparecem mais escuras, porque muitas das lamelas pouco espaçadas ficam sem resolução na magnificação da fotomicrografia. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 25

26 Fig. 4 Fotomicrografia de um aço com 0,38%C, com uma microestrutura de perlita e ferrita pró-eutetóide Com o aumento do teor de carbono do aço, dentro da faixa de 0,025 a 0,77%, gradativamente, ocorre um aumento na quantidade de perlita, até que se atinja a composição eutetóide, quando o aço terá 100% de perlita. Aços hipereutetóides Os aços hipereutetóides são aqueles que contêm entre 0,77 e 2,11% em peso de C. Com o resfriamento lento a partir do campo austenítico resulta uma microestrutura que consiste de perlita e cementita pró-eutetóide, como mostra a fotomicrografia de um aço com 1,4% em peso de C (ver Fig. 6). Note que a cementita pró-eutetóide aparece clara. Visto que esta tem uma aparência muito similar à ferrita pró-eutetóide, pode-se encontrar certa dificuldade em se distinguir entre os aços hipoeutetóides e hipereutetóides, com base simplesmente na microestrutura. Fig. 5 Fotomicrografia de um aço com 1,4%C com uma microestrutura de perlita e cementita pró-eutetóide Finalmente, a Fig. 7 apresenta todas as microestruturas que podem se desenvolver nos aços, com o resfriamento lento a partir do campo austenítico. Partindo-se de uma microestrutura completamente ferrítica, o aumento do teor de carbono do aço produz quantidades maiores de perlita, até que se atinja o ponto eutetóide, onde o aço apresenta uma condição microestrutural de 100% de perlita. A partir deste ponto, cementita livre ou pró-eutetóide começa a se formar em quantidades crescentes, à medida que o aço fica ainda mais rico em carbono. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 26

27 Fig. 6 Microestruturas que se desenvolvem nos aços com resfriamento lento a partir de uma microestrutura 100% austenítica. DIAGRAMAS DE TRANSFORMAÇÃO Os diagramas de fase ou de equilíbrio, como o diagrama Fe-C, descrevem as transformações de fase que ocorrem lentamente, isto é, em condições de equilíbrio. Contudo, em muitas situações reais, estas transformações ocorrem em condições de resfriamento mais acelerado, produzindo, inclusive, microestruturas não previstas pelos diagramas de equilíbrio. Portanto, o tempo de transformação passa a ser uma importante variável de controle, já que tem um efeito direto na microestrutura produzida e, consequentemente, nas propriedades mecânicas finais do material. Para se prever a microestrutura formada, em função do tempo total de transformação da austenita, dispõe-se dos diagramas de transformação Isotérmica e de resfriamento contínuo. Diagramas de transformação Isotérmica Perlita Considere novamente a reação eutetóide (γ α + Fe 3 C), que é fundamental para o desenvolvimento das microestruturas observadas nos aços. A perlita é o produto T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 27

28 microestrutural desta transformação. A temperatura desempenha um papel importante na taxa de transformação da austenita em perlita. Uma maneira conveniente de representar a dependência dessa transformação, tanto em relação ao tempo como em relação à temperatura, está apresentada na parte inferior da Fig. 8. Nessa figura, os eixos vertical e horizontal representam, respectivamente, a temperatura e o logaritmo do tempo. Duas curvas contínuas estão plotadas; uma representa o tempo necessário a cada temperatura para o início da transformação; a outra curva representa o final da transformação. A curva tracejada corresponde a um estado com 50% da transformação concluída. Essas curvas foram geradas a partir de uma série de gráficos com a porcentagem da transformação em função do logaritmo do tempo, tomados ao longo de uma faixa de temperaturas. A curva em forma de S para 675ºC, na parte superior da Fig. 8, ilustra como é feita a transferência de dados. Fig. 8 Construção do diagrama de transformação isotérmica (parte inferior) a partir de medições da porcentagem de transformação em função do logaritmo do tempo (parte superior). O gráfico da Fig. 8 vale somente para o aço de composição eutetóide e os dados apresentados somente serão válidos para o caso de transformações a temperaturas constantes. Estes gráficos são chamados de diagramas de transformação isotérmica ou TTT (tempo-temperatura-transformação). A Fig. 9 mostra uma curva real de um tratamento térmico isotérmico (ABCD) que está superposta ao diagrama de transformação isotérmica para uma liga Fe-C com composição eutetóide. Um resfriamento muito rápido da austenita até uma dada temperatura está indicado pela curva AB, que é praticamente vertical, enquanto o T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 28

29 tratamento isotérmico nesta temperatura está representado pelo segmento horizontal BCD. A transformação da austenita em perlita inicia na interseção, ponto C (após aproximadamente 3,5 s), e termina após um tempo total de 15 s (ponto D). Fig. 9 Tratamento térmico isotérmico (ABCD) superposto em parte do diagrama TTT de um aço eutetóide. Para ligas Fe-C com outras composições, uma fase pró-eutetóide (ferrita ou cementita) coexistirá com a perlita. Assim, também devem ser incluídas no diagrama isotérmico as curvas adicionais que correspondem a uma transformação próeutetóide. Uma parte destes diagramas, para uma liga com 1,13% em peso de C, está apresentada na Fig. 10. Fig. 7 Parte do diagrama de transformação isotérmica de uma liga Fe-C com 1,13% em peso de C: A (austenita); C (cementita); P (perlita). T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 29

30 Bainita A bainita também é uma mistura das fases ferrita e cementita, porém presentes em arranjos não lamelares, cujas características são dependentes da composição da liga e da temperatura de transformação. Existem duas morfologias ou formas principais de bainita, isto é, a bainita superior (ripas) que se forma a temperaturas logo abaixo daquela para a formação da perlita (540ºC) e a bainita inferior (placas), que se forma a menores temperaturas (215ºC), como mostra a Fig. 11. Fig. 8 Parte do diagrama de transformação isotérmica para uma liga Fe-C de composição eutetóide, incluindo as transformações da austenita em perlita (A-P) e da austenita em bainita (A-B). Martensita Ainda um outro microconstituinte ou fase, conhecido por martensita, é formado quando ligas Fe-C, austenitizadas, são resfriadas rapidamente (ou temperadas) até uma temperatura relativamente baixa (na vizinhança da temperatura ambiente). A transformação martensítica não envolve difusão, de forma que a martensita tem exatamente a mesma composição da fase parente austenita, isto é, até 2,11% em peso de carbono, dependendo da composição da liga. Visto que a difusão é suprimida, usualmente por rápido resfriamento, os átomos de carbono não se distribuem entre a cementita e a ferrita. Ao invés disso, estes ficam presos nos T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 30

31 interstícios octaédricos de uma estrutura cúbica de corpo centrado, produzindo assim uma nova fase, a martensita. A solubilidade do carbono nesta estrutura, então, é grandemente excedida quando a martensita se forma, produzindo distorção e criando uma nova estrutura, isto é, tetragonal de corpo centrado (ver Fig. 12). Fig. 9 Representação esquemática da transformação martensítica. A martensita é uma fase única que se forma em aços. Esta tem a sua própria estrutura cristalina e composição, mas é metaestável, presente somente porque a difusão foi suprimida. Se a martensita for aquecida para uma temperatura onde os átomos de carbono tenham mobilidade, estes irão difundir a partir dos interstícios octaédricos para formar carbonetos. Como resultado, a tetragonalidade é aliviada, sendo a martensita substituída por uma mistura de ferrita e cementita, ficando assim de acordo com o diagrama Fe-C. A decomposição da martensita para outras estruturas no aquecimento é chamada de revenido, assunto que será abordado em etapas posteriores. Duas principais morfologias de martensita, isto é, ripa e placa, são produzidas em aços ao carbono tratáveis termicamente. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 31

32 A Fig. 13 apresenta o diagrama isotérmico completo de um aço de composição eutetóide com 4 rotas de resfriamento a partir do campo austenítico. Fig. 13 Diagrama de transformação isotérmica completo de um aço eutetóide. Quatro rotas distintas de resfriamento a partir do campo austenítico estão superpostas. Uma importante conclusão que pode ser traçada a partir do diagrama de transformação isotérmica da Fig. 13 é que, para um mesmo material, pode-se obter diferentes microestruturas e propriedades mecânicas em função do modo de resfriamento. A presença de outros elementos de liga fora o carbono (Cr, Ni, Mo e W), pode causar mudanças importantes nas posições e formas das curvas nos diagramas de transformação isotérmica. Estas mudanças incluem (1) a troca para tempos mais longos do nariz da transformação de austenita para perlita (e também o nariz da fase pró-eutetóide, se for o caso), e (2) a formação de um nariz independente para a transformação bainítica. Estas alterações podem ser observadas na Fig. 14. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 32

33 Fig. 14 Diagramas de transformação isotérmica dos aços (a) ao carbono de composição eutetóide e (b) baixa liga SAE F: ferrita; A: austenita; P: perlita; B: bainita; M: martensita. Diagramas de Resfriamento Contínuo Embora os tratamentos isotérmicos encontrem algumas aplicações práticas, a maior parte dos tratamentos térmicos envolve o resfriamento contínuo do aço até a temperatura ambiente. Um diagrama de transformação isotérmica é válido somente para condições de temperatura constante, de forma que este precisa ser modificado para as situações em que as transformações ocorrem ao longo de uma queda contínua da temperatura. Em uma condição de resfriamento contínuo, as transformações são retardadas, o que faz com que as curvas isotérmicas sejam deslocadas para tempos mais longos e menores temperaturas (ver Fig. 15.a). Um gráfico que contém as curvas de início e final de transformação modificadas é chamado de diagrama de resfriamento contínuo. Duas curvas que correspondem a taxas de resfriamento lento e moderado estão superpostas ao diagrama de resfriamento contínuo de um aço de composição eutetóide na Fig. 15.b. A transformação começa e termina após um período de tempo que corresponde à interseção da curva de resfriamento com a curva que marca o início e fim de transformação da austenita, respectivamente. Os produtos de transformação para as condições de resfriamento lento e moderado são perlita grossa e fina, respectivamente. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 33

34 Fig. 15 (a) Superposição dos diagramas de transformação isotérmica e resfriamento contínuo para uma liga Fe-C de composição eutetóide. (b) Curvas de resfriamento lento e moderado superpostas no diagrama de resfriamento contínuo de uma liga Fe- C de composição eutetóide. Para o resfriamento contínuo de um aço, existe uma taxa de resfriamento crítica, que representa a taxa mínima de têmpera (resfriamento) que produz uma estrutura completamente martensítica. Esta taxa crítica de resfriamento, quando incluída no diagrama de resfriamento contínuo, passará um pouco à esquerda do nariz da curva que marca o início de transformação perlítica, como mostra a Fig. 16. Fig. 16 Diagrama de resfriamento contínuo de uma liga Fe-C de composição eutetóide T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 34

35 O carbono e outros elementos de liga deslocam os narizes de formação da perlita (bem como da fase pró-eutetóide) e bainita para tempos mais longos, diminuindo assim a taxa crítica de resfriamento. De fato, uma das razões que justifica o uso de elementos de liga é a facilidade de formação de martensita em aços ligados, o que permite se obter estruturas totalmente martensíticas em seções relativamente espessas. A Fig. 17 mostra o diagrama de resfriamento contínuo do mesmo aço, para o qual a Fig. 14.b apresentou o diagrama de transformação isotérmica. A presença do nariz de formação da bainita indica a possibilidade de formação deste microconstituinte para condições de resfriamento contínuo, o que não acontecia para os aços ao carbono. Fig. 17 Diagrama de resfriamento contínuo para o aço SAE 4340 e várias curvas de resfriamento superpostas. M: martensita; B: bainita; F: ferrita; P: perlita. Em síntese, os diagramas de transformação isotérmica e resfriamento contínuo são, de certa forma, diagramas de fase em que o parâmetro tempo foi introduzido. Cada um destes diagramas é determinado experimentalmente para uma liga de composição particular, podendo ser empregados para a determinação da microestrutura final de um aço, resfriado a partir do campo austenítico, sob certas condições específicas. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 35

36 Finalmente, a Fig. 18 sumariza os caminhos de transformação que produzem as várias microestruturas. Nesta figura, assume-se que a perlita, bainita e martensita são produzidas sob condições de resfriamento contínuo. Além disso, é importante lembrar que a formação de bainita é somente possível para aços ligados. Fig. 18 Transformações possíveis envolvendo a decomposição da austenita. Linha contínua para transformações envolvendo difusão. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 36

37 EXERCÍCIOS 1) Marque com um X a alternativa correta. Os tratamentos térmicos têm como principal objetivo: a) ( ) aquecer, manter à temperatura e resfriar o material; b) ( ) ajustar a microestrutura do aço de forma a obter as propriedades desejadas no material; c) ( ) aumentar a resistência mecânica e reduzir o empenamento do material; d) ( ) homogeneizar a composição química em toda a seção transversal do material. 2) Marque com um X a alternativa correta. Com o resfriamento lento de um aço com 0,8 %C, a partir do campo austenítico até a temperatura ambiente, são obtidas as seguintes fases: a) ( ) ferrita pró-eutetóide e perlita; b) ( ) martensita e perlita; c) ( ) perlita lamelar; d) ( ) bainita e perlita fina. 3) Marque com um X a alternativa correta. Os aços para construção mecânica a) ( ) são caracterizados por sua elevada dureza e resistência à abrasão; b) ( ) alcançam suas propriedades finais durante o processo de conformação mecânica; c) ( ) são utilizados na fabricação de máquinas e componentes para a indústria mecânica; d) ( ) possuem elevada resistência à oxidação. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 37

38 4) Marque com um X a alternativa correta. Os diagramas de resfriamento contínuo a) ( ) não são modificados pelo teor de C, somente pelos elementos de liga; b) ( ) são iguais aos diagramas de transformação isotérmica (diagramas TTT); c) ( ) incluem a influência da variável tempo na microestrutura final após o tratamento; d) ( ) identificam a taxa de resfriamento crítica como aquela que produz uma estrutura completamente perlítica. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 38

39 RECOZIMENTOS ETAPA 2 RECOZIMENTOS DEFINIÇÃO São tratamentos térmicos caracterizados pelo resfriamento em velocidade inferior à velocidade crítica, a partir de temperaturas acima ou abaixo da zona crítica, dependendo do tipo de recozimento. Entre os vários tratamentos que recebem este nome, serão discutidos os seguintes: Recozimento subcrítico; Recozimento para alívio de tensões; Recozimento isotérmico; Recozimento total ou pleno; Recozimento para difusão do hidrogênio. OBJETIVOS DOS RECOZIMENTOS Remover tensões resultantes dos processos de fundição e conformação mecânicas, a quente e a frio; Diminuir a dureza para melhorar a ductilidade; Ajustar o tamanho de grão; Regularizar a textura bruta de fusão; Produzir uma estrutura definida para melhorar a usinabilidade. MECANISMOS DOS RECOZIMENTOS Quando o metal é deformado plasticamente a frio, ou sofre ação de encruamento, ocorre uma deformação cristalina, a qual cresce com a intensidade da deformação T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 39

40 RECOZIMENTOS plástica. O resultado é um aumento da resistência mecânica, da dureza e uma queda da ductilidade. O encruamento exerce uma ação intensa sobre as imperfeições cristalinas (lacunas e discordâncias). A energia armazenada durante o encruamento, ou deformação plástica, atua como força capaz de provocar uma volta do sistema às condições normais, com estrutura não deformada, desde que se criem condições cinéticas capazes de inverter o processo. A barreira energética que impede essa volta à condição não deformada é ultrapassada pelo aquecimento do metal, a uma certa temperatura, durante um determinado tempo. O recozimento compreende três estágios principais, que variam em função da temperatura utilizada e dos resultados buscados, tanto na estrutura cristalina como nas propriedades do material encruado. São eles: Recuperação; Recristalização; Crescimento de grão. RECUPERAÇÃO O primeiro estágio do recozimento é verificado a temperaturas baixas. Nele ocorre um rearranjo das discordâncias, de modo a adquirir configurações mais estáveis, sem haver mudanças na quantidade de defeitos; também não há sensíveis modificações estruturais no material. O que efetivamente ocorre é uma redução das tensões (Recozimento para alívio de tensões). RECRISTALIZAÇÃO No estágio imediatamente após a recuperação, que ocorre a uma temperatura mais elevada, verifica-se grande alteração da microestrutura do metal com simultânea variação nas propriedades mecânicas. A recristalização consiste no surgimento de novos e diminutos cristais, de composição e estrutura idênticas aos grãos originais não deformados. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 40

41 RECOZIMENTOS A recristalização é um fenômeno de nucleação e acontece quando o material permanece na temperatura por um determinado tempo, definido como tempo de recristalização. CRESCIMENTO DE GRÃO À temperatura mais elevada os grãos recristalizados tendem a crescer, mediante um mecanismo que consiste na absorção de alguns grãos circunvizinhos. A força propulsora do crescimento de grãos é a energia superficial dos contornos de grão dos grãos recristalizados. Como os contornos de grão representam descontinuidades que impedem o deslizamento ou o movimento de discordâncias, quanto menor o número de contornos de grãos, menor a resistência a este movimento, ou seja, granulação fina favorece a resistência mecânica e dureza. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 41

42 RECOZIMENTOS A Fig. 19 mostra a influência da temperatura de recozimento nas propriedades mecânicas do material e identifica os 3 estágios do processo. Fig. 19 Influência da temperatura de recozimento nas propriedades mecânicas T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 42

43 RECOZIMENTOS RECOZIMENTO SUBCRÍTICO DEFINIÇÃO Neste tratamento térmico não é necessário atingir-se a faixa de temperaturas correspondente à recristalização (zona critica); este tratamento ocorre abaixo de 723 C, com posterior resfriamento lento ou ao ar calmo. Seu principal objetivo é reduzir a dureza e dar uma maior homogeneidade à estrutura, principalmente nas estruturas encruadas. Há uma alteração na microestrutura chamada comumente de estrutura em transformação. A Fig. 20 mostra o ciclo térmico do processo. Recozimento subcrítico Fig. 20 Ciclo térmico do recozimento subcrítico RECOZIMENTO PARA ALÍVIO DE TENSÕES DEFINIÇÃO O tratamento térmico de alívio de tensões é realizado a temperaturas na faixa de 500 a 680 C com posterior resfriamento ao ar. Tem por objetivo eliminar as tensões originárias dos processos mecânicos e térmicos que podem causas graves defeitos tais como empenamentos e trincas. Nos tratamentos térmicos as tensões residuais podem aparecer durante o resfriamento de grandes secções após a austenitização, porque mesmo no resfriamento ao ar a superfície de uma secção de grandes dimensões pode se T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 43

44 RECOZIMENTOS transformar em ferrita e cementita muito antes que o seu centro. Quando a região central começa a se transformar, a expansão volumétrica, que ocorre devido à formação de ferrita, fica reprimida pela superfície mais fria, já transformada. Resulta assim uma peça com o centro sob compressão e a superfície sob tensão. Outras origens das tensões residuais são: usinagem, trabalho a frio, soldagem e têmpera. Como as temperaturas empregadas no tratamento situam-se abaixo da zona crítica, não se verificam mudanças estruturais, nem modificações nas suas propriedades mecânicas; há somente uma redução da dureza superficial em aços trefilados. Em aços que sofreram anteriormente tratamentos térmicos de têmpera e revenido, deve-se ter o cuidado de assegurar que a temperatura do alívio de tensões seja de no mínimo 55 C abaixo da temperatura utilizada no revenido. Em peças que sofreram usinagem profunda, o aquecimento para a temperatura de alívio de tensões deve ser realizado lentamente. A Fig. 21 mostra, em um diagrama Fe-C, a região onde ocorre o processo. Alívio de tensões Fig. 21 Temperaturas no recozimento para alívio de tensões T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 44

45 RECOZIMENTOS RECOZIMENTO ISOTÉRMICO DEFINIÇÃO O processo consiste em aquecer o material até a temperatura de austenitização com permanência nessa temperatura até a completa homogeneização, com posterior resfriamento rápido até a segunda temperatura (ou segundo patamar), determinado conforme a estrutura e propriedades mecânicas que se deseja obter. Substitui o recozimento pleno, em peças de pequenas dimensões. Este processo diminui o tempo de tratamento e produz uma estrutura mais uniforme, contudo não é aconselhável para peças de grandes dimensões, pois a velocidade de resfriamento no centro dessas peças pode ser tão baixa a ponto de tornar impossível o seu rápido resfriamento até a temperatura de transformação. A Fig. 22 mostra o ciclo térmico do recozimento isotérmico. Fig. 22 Ciclo térmico do recozimento isotérmico O tempo de permanência nessa segunda temperatura deve ser o suficiente para que ocorra a total transformação, como mostra a Fig. 23. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 45

46 RECOZIMENTOS Fig. 23 Recozimento isotérmico RECOZIMENTO TOTAL OU PLENO DEFINIÇÃO O material é aquecido a uma temperatura acima da temperatura de recristalização (austenitização) seguido de resfriamento lento ao longo da zona crítica, usualmente no próprio forno. O tratamento aplica-se a todas as ligas Fe-C. Nos aços hipoeutetóides a temperatura de aquecimento atinge a faixa de austenitização completa (acima de AC3). Em aços hipereutetóides a temperatura deve ser de 50 C acima de A1, nunca alcançando a linha ACm, o que causaria a precipitação de carbonetos em contorno de grão no resfriamento lento posterior. A Fig. 24 mostra a faixa de temperaturas adequadas para o recozimento total. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 46

47 RECOZIMENTOS Recozimento Fig. 24 Faixa de temperaturas no recozimento pleno RECOZIMENTO PARA DIFUSÃO DE H 2 DEFINIÇÃO Durante a fabricação do aço os átomos de hidrogênio, por serem muito pequenos são facilmente incorporados na estrutura do aço, o qual é fragilizado. A fragilização pelo hidrogênio é um processo de deterioração caracterizado pela nucleação e propagação de trincas nos materiais e pode ser classificado como um dos mais perigosos, pois o comprometimento da integridade estrutural pode se dar de forma repentina e de difícil percepção, podendo resultar em fraturas catastróficas. A rota de produção na aciaria contempla a utilização da desgaseificação a vácuo do aço líquido, com o objetivo de reduzir o teor de hidrogênio como forma de minimizar o seu efeito na ductilidade e tenacidade do aço. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 47

48 RECOZIMENTOS No entanto, a utilização da desgaseificação a vácuo, além de aumentar o custo de produção tem limitações. Em alguns casos não é possível eliminar completamente o problema de hidrogênio no aço. A solução então passa pelo tratamento térmico de difusão. Este tratamento consiste em aquecer a peça a temperaturas até a faixa de 650 a 680 C, mantendo neste patamar por um tempo que varia de acordo com o diâmetro das peças e quantidade de hidrogênio. A Fig. 25 ilustra como a remoção de hidrogênio aumenta a resistência à fadiga em um aço. O aumento do tempo de recozimento a uma temperatura de 150ºC, de 0,5 para 24h, reduz fortemente o efeito fragilizante do hidrogênio através da diminuição do seu teor no aço. Fig. 25 Influência do tempo de recozimento nas propriedades do aço testado. Cada curva corresponde a um determinado tempo de recozimento a 150ºC. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 48

49 RECOZIMENTOS DEFEITOS, PROBLEMAS E ALTERNATIVAS DE SOLUÇÃO FRATURA POR HIDROGÊNIO O aço com uma quantidade significativa de hidrogênio se torna fragilizado, podendo aparecer trincas depois de um certo tempo de uso para finalmente chegar à ruptura. Este fenomeno é muito típico em aços de alta resistência e é conhecido como fratura retardada por hidrogênio (Hidrogen-induced delayed failure). A Fig. 26 ilustra o problema. Fig. 26 Fratura retardada por hidrogênio Devem ser tomados cuidados extremos para reduzir o teor de hidrogênio do aço, desde a Aciaria até o tratamento térmico posterior de recozimento para difusão do H 2. Existe um ensaio para determinar a suscetibilidade do material a este tipo de ruptura, conhecido como ensaio de fragilidade por hidrogênio. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 49

50 RECOZIMENTOS EXERCÍCIOS 1) Marque com um X a alternativa correta. Entre os objetivos dos recozimentos estão: 1) aumentar a dureza do material; 2) homogeneizar a estrutura; 3) aumentar a resistência mecânica; 4) melhorar a ductilidade. a) ( ) 1 e 3 b) ( ) 2 e 3 c) ( ) 1 e 4 d) ( ) 2 e 4 2) Marque com um X a alternativa correta. A temperatura de recozimento 1) é a mesma para os vários tipos de recozimento, dependendo da composição química do material; 2) é de 650 c a 680 C para o tratamento térmico de recozimento para difusão de hidrogênio. 3) é mais baixa no recozimento para alívio de tensões; 4) ultrapassa a da zona crítica no recozimento subcrítico. a) ( ) 1 e 3 b) ( ) 2 e 3 c) ( ) 1 e 4 d) ( ) 2 e 4 T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 50

51 RECOZIMENTOS 3) Marque com um X a alternativa correta. No recozimento isotérmico, 1) o material é aquecido até a temperatura de austenitização e logo em seguida é resfriado rapidamente até a temperatura ambiente; 2) ocorre um rápido resfriamento do material até a temperatura de transformação; 3) durante a transformação a temperatura de toda a seção transversal é mantida constante; 4) ocorre um aumento no tempo total de tratamento. a) ( ) 1 e 3 b) ( ) 2 e 3 c) ( ) 1 e 4 d) ( ) 2 e 4 4) Marque com um X a alternativa correta. No recozimento total ou pleno 1) o resfriamento é lento ao longo da zona crítica, usualmente realizado no próprio forno; 2) para qualquer tipo de aço deve ser alcançada inicialmente a zona de austenitização completa; 3) os grandes objetivos são o aumento da ductilidade, redução da dureza e obtenção de estrutura lamelar; 4) a velocidade de resfriamento deve ser mantida baixa até a temperatura ambiente para assegurar os resultados do tratamento. a) ( ) 1 e 3 b) ( ) 2 e 3 c) ( ) 1 e 4 d) ( ) 2 e 4 T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 51

52 ESFEROIDIZAÇÃO ETAPA 3 ESFEROIDIZAÇÃO DEFINIÇÃO Este tratamento térmico de recozimento é utilizado para atingir o máximo de ductilidade em aços ou em qualquer metal contendo duas fases. Pode ser realizado de várias formas, sendo que o recozimento deve ser estendido por um período de tempo suficiente para permitir a aglomeração dos carbonetos em partículas esféricas maiores. Se a cementita da perlita deve ser coalescida, então o período de tempo necessário é considerável. Geralmente necessita-se de 12 a 15 horas, em temperaturas próximas ao eutetóide. Por outro lado, a martensita revenida necessita de apenas uma ou duas horas para coalescer; estes tratamentos são em sua última fase resfriados lentamente até a temperatura de 600 C. OBJETIVOS Aplicável em aços com médio e alto carbono, com o objetivo de melhorar a sua usinabilidade pela obtenção de uma estrutura de carbonetos esferoidizados. Também é aplicável a aços com baixo carbono para aplicações especiais que exijam alta deformação. Reduzir a dureza; Reduzir a resistência à tração; Aumentar a ductilidade; Aumentar o alongamento; Melhorar a usinabilidade; Melhorar a estampabilidade. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 52

53 ESFEROIDIZAÇÃO MECANISMOS DA ESFEROIDIZAÇÃO O tratamento térmico de esferoidização é um processo de recozimento de grande importância industrial, por produzir uma estrutura macia e de maior usinabilidade, e também por propiciar uma maior deformabilidade a frio em aços ligados. Entre as peças que recebem este tratamento estão: engrenagens, rolamentos e cubos de roda. A Fig. 27 mostra os ciclos térmicos de 3 tipos de esferoidização: com aquecimento subcrítico, com austenitização incompleta e pendular ou cíclica. SUBCRÍTICO AUSTEN.INCOMPLETA PENDULAR Fig. 27 Ciclos térmicos de esferoidização Normalmente a esferoidização é obtida por um aquecimento subcrítico, abaixo da linha A1. A esferoidização da cementita (Fe 3 C) ocorre mais rapidamente acima de 600 C e logo abaixo da temperatura eutetóide (723 C). A Fig. 28 mostra a faixa de temperaturas do processo. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 53

54 ESFEROIDIZAÇÃO Esferoidização Fig. 28 Faixa de temperaturas na esferoidização Pode-se dividir o processo de esferoidização em duas etapas: A primeira etapa corresponde a um aumento de componentes isolados de cementita (quebra das lamelas, esboroamento). A segunda etapa é denominada de coalescimento e consiste em uma diminuição do número de componentes isolados de cementita e no gradual arredondamento ou esferoidização destes componentes. Esta fase ocorre normalmente durante o resfriamento lento (10 C/h) até a temperatura de 600 C. A esferoidização agrega valor ao produto, porém também aumenta o custo de produção. Para a redução destes custos envolvidos é necessário diminuir o tempo e o consumo de energia, o que é possível, pois a esferoidização pode ser realizada através de diferentes alternativas de ciclos de tratamento térmicos. Assim, por exemplo, a esferoidização da cementita também é obtida pelo aquecimento e resfriamento alternados entre temperaturas logo acima e logo abaixo de A1, denominado de esferoidização pendular ou cíclica, onde ocorre uma austenitização parcial do aço Fig. 29. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 54

55 ESFEROIDIZAÇÃO Esferoidização pendular Fig. 29 Faixa de temperaturas na esferoidização pendular ou cíclica A microestrutura do material esferoidizado é caracterizada por carbonetos em formato esférico distribuídos em uma matriz ferrítica. Essa transformação ocorre por difusão de carbono sem qualquer alteração nas composições ou quantidades relativas de fases ferrita e cementita. A quantidade e distribuição dos carbonetos presentes no aço afetam a tensão de escoamento durante a conformação do material influenciando diretamente na sua conformabilidade. A conformabilidade dependerá da forma dos carbonetos: se estarão na forma de lamelas na perlita ou na forma globular. A resistência da matriz ferrítica depende do tamanho de grão e da taxa de resfriamento. A condição de maior ductilidade e menor dureza de um aço está associada com microestruturas que consistem de partículas esféricas de carbonetos uniformemente distribuídas em uma matriz ferrítica. Os fatores que influenciam o tratamento térmico são: aquecimento, tempo de permanência à temperatura e resfriamento. Como alguma austenita ainda está presente a temperaturas acima de A1, o tipo de resfriamento é um fator crucial para se conseguir a microestrutura e propriedades. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 55

56 ESFEROIDIZAÇÃO A microestrutura esferoidizada é a mais estável e se formará sempre que o material for aquecido a uma temperatura elevada e permanecer nessa temperatura por tempo suficiente para que ocorra a difusão, nucleação e crescimento das partículas esféricas. A força motriz termodinâmica para a esferoidização é a redução da energia superficial entre a ferrita e os carbonetos, pois partículas esféricas possuem uma menor razão entre área superficial e volume. Quanto menor o número de partículas e maior o seu tamanho, menor será a energia associada com a microestrutura. Entre os fatores que influenciam a esferoidização estão: microestrutura prévia, trabalho mecânico, ciclo de tratamento térmico, concentração de vacâncias e composição química. Efeito da Microestrutura Prévia A microestrutura prévia do material influencia a sua resposta ao tratamento térmico. Quanto mais finos e distribuídos os carbonetos estiverem na microestrutura prévia, maior a taxa de formação e homogeneização da austenita acima da temperatura A1. O pré-aquecimento a uma temperatura abaixo de A1 para esferoidização é aplicável a aços hipoeutetóides e também a hipereutetóides de baixa liga. Quando se deseja esferoidizar o material, um aquecimento a temperaturas abaixo de A1 pode ser utilizado para aglomerar os carbonetos já existentes e aumentar a sua resistência à dissolução na austenita durante o aquecimento subsequente. Os carbonetos não dissolvidos ou gradientes de concentração na austenita favorecem a formação de uma estrutura esférica no lugar de uma lamelar durante a transformação da austenita. Para a maioria dos aços, a laminação a quente e o resfriamento controlado resultam em uma microestrutura composta de ferrita e perlita fina. Esta microestrutura apresenta uma alta fração volumétrica de ferrita com rápida cinética de esferoidização se comparada à microestrutura grosseira obtida com resfriamento lento. Com uma maior taxa de resfriamento, ocorre o decréscimo da distância entre as lamelas e o acréscimo do número de lamelas que intensifica a difusão, resultando na aceleração do processo de esferoidização. A aceleração da esferoidização também pode ocorrer quando se parte de uma microestrutura prévia metaestável como bainita e/ou martensita. Nesse caso, as finas partículas de carbonetos dispersas na estrutura serviriam de sítios para o seu coalescimento, e a elevada concentração de discordâncias da martensita facilita a difusão do átomo de carbono/ferro, aumentando a taxa de esferoidização. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 56

57 ESFEROIDIZAÇÃO No caso da perlita, uma perlita fina esferoidiza em menor tempo em relação à grosseira, pois a distância a ser percorrida por difusão entre as lamelas é menor. Isso pode ser visto na Fig. 30, que mostra a relação entre o grau de esferoidização obtido e o tempo de tratamento térmico para diferentes microestruturas perlíticas de partida, onde uma microestrutura mais fina resulta num maior grau de esferoidização em um menor tempo. Fig. 30 Relação entre o tempo e o grau de esferoidização obtido para diferentes microestruturas perlíticas de partida As Fig. 31 e 32 apresentam exemplos de estruturas esferoidizadas. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 57

58 ESFEROIDIZAÇÃO Fig. 31 Aço SAE 1095 com carbonetos esferoidizados (aumento 200 X) Fig. 32 Aço 0,66% C 1% Mn com estrutura esferoidizada (aumento 1000 X) T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 58

59 ESFEROIDIZAÇÃO A Fig. 33 mostra um comparativo entre duas estruturas produzidas com processos distintos para um mesmo aço. A B Fig. 33 Aço 100 Cr 6 A estrutura perlítica após recozimento subcrítico; B estrutura com esferoidização pendular (aumento 1000 X) T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 59

60 ESFEROIDIZAÇÃO A Fig. 34 mostra o efeito da presença de elementos de liga. Fig. 34 Comparação das estruturas para aços: (a) 0,8% C; (b) 1% Si; (c) 1% Mn. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 60

61 ESFEROIDIZAÇÃO DEFEITOS, PROBLEMAS E ALTERNATIVAS DE SOLUÇÃO DESCARBONETAÇÃO Durante a esferoidização, dependendo do grau de proteção da atmosfera do forno, pode ocorrer a oxidação do carbono intersticial com a consequente formação de óxidos sobre a superfície do aço e também a oxidação do carbono intersticial na forma de CO e CO 2. O carbono difundirá intersticialmente para a superfície, movido pelo gradiente de sua concentração que se estabelece na chamada camada descarbonetada. Reações de descarbonetação: C + O 2 CO CO + H 2 O CO 2 + H 2 Os mesmos parâmetros que determinam a velocidade de esferoidização também regem a velocidade de descarbonetação, isto é, quanto maior a fração de austenita e menor a presença de elementos formadores de carboneto que não o Fe, mais veloz será o transporte de C para a superfície do aço e a sua descarbonetação. Também é possível prever que estruturas perlíticas finas, produzidas por resfriamento mais rápido ou por conformação mecânica, necessitarão menor tempo de esferoidização e sofrerão menor descarbonetação do que estruturas grosseiras. MÉTODOS DE ANÁLISE A presença de regiões descarbonetadas no aço é prejudicial para o desempenho do mesmo em serviço. Por isto, torna-se importante a identificação e quantificação desta camada. O método micrográfico com a utilização de padrões é o mais simples. A norma SAE J419 DEC83, de uso frequente na indústria siderúrgica, classifica a descarbonetação em três tipos básicos por comparação com padrões: Tipo 1: Ocorre uma região superficial com espessura mensurável com ferrita livre de carbonetos e, sob esta camada de ferrita pura, cresce a fração de perlita com o afastamento da superfície; Tipo 2: Ocorre na superfície uma perda superior a 50% do valor médio do teor de C do aço, porém sem a descarbonetação completa desta região; Tipo 3: Ocorre na superfície uma perda inferior a 50% do valor médio do teor de C do aço. Além da profundidade descarbonetada também é importante especificar a região que sofreu a descarbonetação: anel, semianel, zonas e pontos. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 61

62 ESFEROIDIZAÇÃO FATORES AGRAVANTES PARA DESCABONETAÇÃO Contaminantes na superfície do material a ser tratado (ex: óleo, graxa, água); Material com oxidação acentuada; Umidade dentro do forno (Ex: ponto de orvalho positivo, ou pouco negativo); Vedação do forno inadequada. Fig. 35 Aço SAE-1095 esferoidizado com camada descarbonetada tipo 1 (aumento 200 X) PD TIPO DE DESCARBONETAÇÃO A Parcial, isento de descarbonetação total B C D N Parcial, isento de descarbonetação total Parcial e total Parcial e total Não Controlada T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 62

63 ESFEROIDIZAÇÃO Profundidade de Descarbonetação em Laminados Aplicação Forjamento a Quente Trefilação / Trefilados Haste de Amortecedor Rolamento Forjamento a Frio Mola Ferramentas Manuais Petróleo Alumineiros PDA PDB PDC PDD MÁX. MÁX. MÉDIA MÁX. MÉDIA ETO EPA MÉDIA MÁX. MÁX. Bitola (mm) até 8,0 0,06 0,08 0,1 0,12 0,18 0,15 0,23 0,55 8,01-12,0 0,08 0,1 0,14 0,17 0,25 0,2 0,3 0,6 12,0 1-17,0 0,1 0,12 0,18 0,21 0,32 0,25 0,38 0,65 17,01-23,0 0,14 0,16 0,22 0,26 0,4 0,3 0,45 0,7 23,01-27,0 0,17 0,2 0,24 0,29 0,43 0,33 0,5 0,76 27,01-30,0 0,2 0,24 0,27 0,32 0,49 0,36 0,55 0,8 30,01-40,0 0,23 0,28 0,3 0,36 0,54 0,4 0,65 0,85 40,01-50,0 0,33 0,4 0,6 0,5 0,75 0,9 50,01-64,0 0,36 0,43 0,65 0,65 0,95 0,95 64,01-80,0 0,4 0,48 0,72 0,75 1,05 1,05 80,01-100,0 0,5 0,6 0,9 0,9 1,25 1,25 100,01-120,0 0,6 0,72 1,08 1,05 1,5 1,5 Acima de 120,01 0,7 0,84 1,26 1,2 1,8 1,8 T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 63

64 ESFEROIDIZAÇÃO EXERCÍCIOS 1) Marque com um X a alternativa correta: Na esferoidização pendular ou cíclica, (a) ( ) há uma temperatura fixa de aquecimento. (b) ( ) o tempo de permanência à temperatura é igual ao dos demais ciclos térmicos para esferoidização. (c) ( ) A temperatura de tratamento situa se acima e abaixo de A1; (d) ( ) A temperatura de aquecimento não ultrapassa a linha A1. 2) Marque com um X a alternativa correta: Entre os objetivos da esferoidização estão: (a) ( ) aumentar a dureza. (b) ( ) obter um material com uma única fase na sua estrutura. (c) ( ) aumentar a resistência à tração do material. (d) ( ) melhorar a usinabilidade, especialmente de aços de alto carbono e alta liga. 3) Marque com um X a alternativa correta: O resfriamento do material, logo após o tempo de permanência à temperatura, (a) ( ) é realizado lentamente, usualmente no forno, até a temperatura de 600ºC. (b) ( ) não tem qualquer influência no coalescimento dos componentes de cementita. (c) ( ) pode ser acelerado para aumentar a produtividade do processo. (d) ( ) é o responsável pelo aumento de componentes de cementita. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 64

65 ESFEROIDIZAÇÃO 4) Marque com um X a alternativa correta: Com relação à influência da estrutura prévia nos resultados do tratamento de esferoidização, pode-se dizer que (a) ( ) a estrutura lamelar perlítica é a que conduz à maior velocidade de esferoidização. (b) ( ) não é considerada como um fator muito influente. (c) ( ) estruturas de partida metaestáveis aceleram a esferoidização. (d) ( ) a estrutura perlítica grosseira favorece o tratamento por facilitar o esboroamento da cementita em componentes menores. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 65

66 NORMALIZAÇÃO ETAPA 4 NORMALIZAÇÃO DEFINIÇÃO O tratamento térmico de normalização consiste em aquecer o material, se aço hipoeutetóide 50 C acima da linha A3, se aço eutetóide acima de A 1 e se hipereutetóde acima da linha Acm, permanecer nesta temperatura durante o tempo de encharque e, em seguida, promover o resfriamento ao ar calmo. Este procedimento produz uma estrutura composta de ferrita e perlita, perlita, ou perlita e cementita, contudo mais refinada (menor tamanho de grão e distância entre as lamelas de perlita) do que aquela obtida no recozimento pleno. A velocidade de resfriamento na normalização também tem influência na microestrutura dos aços; dependendo das dimensões e composição química podese obter estruturas mistas compostas de bainita e até martensita, não desejáveis nesse tratamento térmico. OBJETIVOS Este tratamento tem por objetivo o retorno do material à condição normal depois de sido trabalhado a quente ou a frio por processos termo físicos. Eliminar estrutura bruta de fusão, tensões residuais e uniformização da estrutura dos aços; Refinar e homogeneizar a microestrutura proveniente do processo de fabricação (forjamento e laminação); Reduzir a dureza em aços conformados a frio; Homogeneizar e aumentar ou reduzir dureza e resistência à tração conforme dimensões da peça; Aumentar usinabilidade e conformabilidade. Muitas vezes é utilizado para refinar e homogeneizar a microestrutura de aços como tratamento de preparação para as operações de têmpera e revenimento. Desta forma, partindo-se de grãos mais uniformes da austenita, a sua transformação em martensita terá melhor resultado. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 66

67 NORMALIZAÇÃO MECANISMOS DA NORMALIZAÇÃO A Fig. 35 mostra, como exemplo, o ciclo térmico de normalização para aços hipoeutetóides e hipereutetóides. Fig. 35 Ciclo térmico de normalização A Fig. 36 mostra esquematicamente a comparação das faixas de temperaturas entre os tratamentos térmicos de normalização e recozimento. Normalização Recozimento Fig. 36 Faixas de temperaturas na normalização e no recozimento T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 67

68 NORMALIZAÇÃO A normalização compreende três etapas principais: Aquecimento; Permanência à temperatura de patamar; Resfriamento. AQUECIMENTO O aquecimento é realizado a uma temperatura acima da crítica, porque então tem-se a completa austenitização do aço, sendo o ponto de partida para as transformações posteriores desejadas, as quais se processarão em função da velocidade de resfriamento. Na fase de aquecimento, dentro do processo de tratamento térmico de normalização, devem ser apropriadamente consideradas a velocidade de aquecimento e a temperatura máxima de aquecimento. A velocidade de aquecimento, embora seja fator secundário, apresenta certa importância, principalmente quando os aços estão em estado de tensão interna ou possuem tensões residuais devidas a encruamento prévio ou ao estado inteiramente martensítico. Nessas condições, um aquecimento muito rápido do material pode provocar empenamento ou mesmo aparecimento de fissuras. Há casos, contudo, de aços fortemente encruados que apresentam uma tendência para excessivo crescimento de grão quando aquecidos lentamente dentro da zona crítica, sendo então conveniente realizar um aquecimento mais rápido através dessa zona de transformação. Nas mesmas condições estão certos aços especiais que exigem temperatura final de austenitização muito elevada; também nesses casos quando no aquecimento é atingida a zona crítica é necessário que a mesma seja ultrapassada rapidamente para evitar excessivo crescimento de grão de austenita. A temperatura de aquecimento é um fator determinado pela natureza do processo e depende das propriedades e das estruturas finais desejadas, assim como da composição química do aço, principalmente do seu teor de carbono e elementos de liga. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 68

69 NORMALIZAÇÃO Quanto mais alta essa temperatura, acima da zona crítica, maior segurança se tem da completa dissolução do carbono na fase do ferro gama ou austenita; por outro lado, maior será o tamanho de grão da austenita. As desvantagens de um tamanho de grão excessivo são maiores que as desvantagens de não se ter total dissolução das fases no ferro gama, de modo que se deve procurar evitar temperaturas muito acima de linha de transformação. PERMANÊNCIA À TEMPERATURA DE PATAMAR A influência do tempo de permanência do aço à temperatura escolhida de aquecimento é similar à da máxima temperatura de aquecimento, isto é, quanto mais longo o tempo à temperatura considerada de austenitização, mais completa a dissolução do carboneto de ferro ou outras fases presentes (elemento de liga) no ferro gama, entretanto maior o tamanho de grão resultante. Tempo muito longo pode também aumentar a oxidação ou descarbonetação do material. Sob o ponto de vista de modificação estrutural, admite-se que uma temperatura ligeiramente mais elevada seja mais vantajosa que um tempo mais longo a uma temperatura inferior, devido à maior mobilidade atômica. De qualquer modo, o tempo à temperatura de patamar deve ser pelo menos o suficiente para se ter a uniformização da temperatura através de toda a seção da peça considerando para cálculos de tempos de permanência ou encharque em média 1h/pol. RESFRIAMENTO Este é o fator mais importante, pois é ele que determinará efetivamente a estrutura e, em conseqüência, as propriedades finais dos aços. O meio de esfriamento para tratamento térmico de normalização usual é ao ar (temperatura ambiente), podendo em alguns casos ser com ar forçado (ventiladores). A composição química, a seção, a forma da peça influem consideravelmente na escolha deste meio de resfriamento. FATORES/VARIÁVEIS QUE AFETAM O TRATAMENTO Como visto anteriormente, a microestrutura obtida na normalização depende basicamente das três etapas do processo (aquecimento, permanência na temperatura de patamar e resfriamento), composição química do aço e geometria da peça. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 69

70 NORMALIZAÇÃO As especificações do cliente definirão a necessidade ou não da realização de revenimento pós normalização para ajuste das propriedades mecânicas do material. TRANSFORMAÇÕES DA MICROESTRUTURA Quando a velocidade de resfriamento é adequada e o tamanho de grão austenítico é fino, a transformação da austenita para aços hipoeutetóides começa com a precipitação da ferrita no contorno de grão da austenita que continua aumentando de espessura para o interior do grão, até que a austenita restante fica enriquecida o suficiente de carbono para que se forme a perlita. As etapas de transformação da microestrutura partindo da região austenítica com resfriamento ao ar para aços hipoeutetóides podem ser verificadas na Fig. 37. Estrutura branca = ferrita. Estrutura escura = lamelas de ferrita e cementita denominada perlita. Fig. 37 Etapas de transformação na normalização de aços hipoeutetóides As etapas de transformação da microestrutura partindo da região austenítica com resfriamento ao ar para aços eutetóides podem ser verificadas na Fig. 38. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 70

71 NORMALIZAÇÃO Estrutura lamelar de ferrita e cementita, ou seja, estrutura 100% perlítica. Fig. 38 Etapas de transformação na normalização de aços eutetóides As etapas de transformação da microestrutura partindo da região austenítica com resfriamento ao ar para aços hipereutetóides podem ser verificadas na Fig. 39. Estrutura perlítica com contornos de cementida (branca). Fig. 39 Etapas de transformação na Normalização de aços hipereutetóides T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 71

72 NORMALIZAÇÃO RESULTADOS OBTIDOS Comparando-se a estrutura normalizada com a recozida, tem-se na normalizada: a) Em um aço hipoeutetóide possivelmente menor quantidade de ferrita próeutetóide, e perlita mais fina (menor espaçamento entre as lamelas). Em termos de propriedades mecânicas para baixos teores de carbono (C < 0,20%), não se observam diferenças significativas, mas com o aumento deste elemento, a dureza e a resistência mecânica ficam mais elevadas, a ductibilidade (medida por alongamento ou redução de área em ensaio de tração), mais baixa, embora a resistência ao impacto não seja muito alterada. b) Em aços hipereutetóides, menos carbonetos em rede, e distribuição mais uniforme dos carbonetos existentes, devido à dissolução mais completa dos carbonetos na austenitização para a normalização do que no recozimento, visto que na normalização a austenitização ocorre acima de Acm. Como no resfriamento da normalização é mais rápido que no recozimento, a precipitação de cementita próeutetóide no contorno de grão austenítico é minimizada. Na Tab. 1 tem-se o comparativo das propriedades mecânicas de aços normalizados e recozidos com mesmo % de carbono. Tab. 1 Comparação entre aços normalizados e recozidos Fonte: CHIAVERINI, Vicente. Aços e Ferros Fundidos. Observa-se que no material normalizado a ductilidade será menor do que no material recozido, sua dureza e resistência mecânica serão maiores. Devido à maior velocidade de resfriamento ocorre um refino do grão do aço, pois a velocidade de nucleação da ferrita e da perlita será maior na medida em que tivermos temperaturas T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 72

73 NORMALIZAÇÃO de transformação mais baixas dando como resultado uma estrutura formada por perlita mais fina. Na Fig. 40 tem-se o comparativo das propriedades mecânicas obtidas para cada tipo de microestrutura para aços com mesmo % de carbono. Fig. 40 Propriedades mecânicas para diferentes microestruturas As Fig. 41 e 42 exemplificam as diferenças microestruturais entre um material recozido e outro normalizado da mesma classe. Observa-se a microestrutura mais refinada no material normalizado, em consequência da maior taxa de resfriamento do material. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 73

74 NORMALIZAÇÃO Fig. 41 Microestrutura SAE 1018 Recozido (aumento 200X) Fig. 42 Microestrutura SAE 1018 Normalizado (aumento 200X) REVENIDO PÓS-NORMALIZAÇÃO O revenido é um tratamento térmico realizado posteriormente a um tratamento térmico de austenitização seguido de resfriamento, com os objetivos de eliminar ou T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 74

75 NORMALIZAÇÃO reduzir tensões (evitando trincas e distorções), e de ajustar ou corrigir a dureza do material. O revenido pós-normalização é realizado basicamente para ajuste das propriedades mecânicas do material através de uma uniformidade de dureza devido ao aquecimento e manutenção em uma temperatura abaixo da crítica. Diferente do revenido pós-têmpera, na qual obtém-se martensita revenida, a microestrutura do material sendo revenido pós-normalização será geralmente ferrita + perlita, perlita ou perlita + cementita. AÇOS E MATERIAIS TRATADOS Este tratamento térmico é típico em aços para construção mecânica e baixa liga, geralmente, na faixa de 0,15 a 0,60 % de carbono. Aços ressulfurados (série 1100), ressulfurados e desfosforados (série 1200) e ferramentas (séries S, A, D, H, T, M) são chamados de não normalizáveis, pois a composição química propicia a estes aços alta temperabilidade. Sendo assim, com o resfriamento ao ar destes aços obtém-se uma microestrutura martensítica, não desejada no processo de normalização. DEFEITOS, PROBLEMAS E ALTERNATIVAS DE SOLUÇÃO MICROESTRUTURA DE WIDMANSTAETTEN Quando o tamanho de grão austenítico é muito grosso e a velocidade de resfriamento alta, o processo de formação da ferrita não segue o caminho descrito anteriormente, sendo que se deposita no interior do grão uma estrutura de lamelas cruzadas, dando origem a um tipo característico de microestrutura chamada agulhas ou estrutura de Widmanstaetten Fig. 43. A microestrura de Widmanstaetten é indesejada ao processo de normalização, pois aumenta significativamente a fragilidade do aço. Este problema pode ser corrigido retratando o material no processo de normalização e reduzindo a taxa de resfriamento do material (por exemplo: desligar fontes de ar soprado). T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 75

76 NORMALIZAÇÃO Fig. 43 Microestrutura de Widmanstaetten CRESCIMENTO DE GRÃO AUSTENÍTICO Durante a prática do tratamento térmico de normalização é de vital importância o conhecimento do ciclo térmico aplicado ao material, pois pode ocorrer o fenômeno de crescimento demasiado do grão austenítico resultando uma granulação acima da desejada. O histórico térmico e mecânico do material além da composição química influenciam fortemente a temperatura em que ocorre o crescimento de grão. A duração do tratamento térmico e temperatura também são significativas para este fenômeno. Na Fig. 44 é possível observar a influência das variáveis do processo no crescimento de grão. Nota-se que o aumento do tempo e da temperatura para aços com mesma composição química acelera o processo de crescimento de grão, sendo que adições do elemento alumínio retardam este processo. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 76

77 NORMALIZAÇÃO Fig. 44 Influência do tempo, temperatura e composição química no tamanho de grão austenítico Este processo ocorre devido ao crescimento com o tempo de alguns grãos de austenita às custas de grãos vizinhos menos estáveis, tanto mais rapidamente quanto mais elevada for a temperatura. Esse crescimento se dá por uma migração de átomos através dos contornos de grão, de modo que um aço que permanecer por muitas horas a alguns graus acima da zona crítica, pode adquirir uma textura de grãos grandes, da mesma forma que um aço que tiver permanecido pouco tempo a temperaturas elevadas. O crescimento de grão também pode ser estimulado por impurezas contidas no aço, como fósforo e silício, quando em teores maiores que os tolerados. A granulação grosseira torna o material quebradiço porque a coesão entre os grãos é afetada pela concentração de impurezas nos seus contornos. Aços que apresentam granulação grosseira em virtude de temperaturas demasiadamente altas ou por ficarem expostos a longo período de tempo em temperaturas elevadas são denominados superaquecidos. O aço superaquecido tem suas propriedades mecânicas deterioradas favorecendo o aparecimento de fissuras que se propagam mais facilmente no interior de grãos grandes em virtude dos planos de clivagem serem mais extensos. Outro problema é a possibilidade de apresentarem maiores distorções dimensionais do que aços com grãos finos. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 77

78 NORMALIZAÇÃO O crescimento de grão é irreversível, ou seja, ocorrido o problema não será mais possível corrigi-lo por processos de tratamento térmico. A solução adotada, quando possível, é deformar a frio (por exemplo: trefilar) ou a quente (por exemplo: relaminar) o material. Quanto maior o encruamento dado ao material maior a possibilidade de obter-se grãos mais finos. QUEIMA DO AÇO É um termo aplicado quando o material é grosseiramente superaquecido, sendo um dano permanente e irreversível que ocorre com a penetração intergranular de gases oxidantes ou por fusão incipiente nos contornos de grão. A causa mais comum de queima é a utilização de um forno com temperaturas muito elevadas. Ocasionalmente, a queima pode ocorrer em fornos adequadamente controlados, uma vez que o material pode estar muito próximo das fontes de calor do forno (por exemplo: queimadores) de tal modo que a superfície da peça alcance temperaturas capazes de causar superaquecimento localizado. Um material queimado não pode ser salvo porque as mudanças metalúrgicas que ocorreram são irreversíveis. A Fig. 45 mostra o crescimento de grão austenítico em suas diferentes fases. Estrutura fina Aço sobreaquecido Aço queimado Fig. 45 Crescimento de grão austenítico Na Fig. 46 é mostrado um exemplo de um material com o problema de queima ou fusão incipiente no contorno de grão. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 78

79 NORMALIZAÇÃO Fig. 46 Queima ou fusão insipiente no contorno de grão HETEROGENEIDADE MICROESTRUTURAL E VARIAÇÃO DE DUREZA Os problemas de heterogeneidade microestrutural e de variação de dureza em materiais normalizados apresentam como principais causas: O material não ter alcançado a temperatura de austenitização; O tempo de permanência do material, na temperatura de austenitização não ter sido o suficiente para homogeneizar a estrutura de austenita; Heterogeneidade da temperatura do material e forno (por exemplo: carga próxima aos queimadores, forno com resistências rompidas, carga mal preparada); Diferentes taxas de resfriamento no material (por exemplo: ventiladores ligados somente em uma superfície do material). T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 79

80 NORMALIZAÇÃO EXERCÍCIOS 1) Marque, com um X, a opção incorreta. A temperatura de tratamento para normalização depende a) ( ) das propriedades e estruturas desejadas; b) ( ) do teor de C do aço; c) ( ) do teor de elementos de liga do aço; d) ( ) da velocidade de aquecimento. 2) Marque, com um X, a opção incorreta. A velocidade de aquecimento no tratamento térmico de normalização a) ( ) é mantida baixa para evitar empenamentos ou trincas para aços com tensões internas residuais; b) ( ) é mantida aproximadamente constante dentro da zona crítica; c) ( ) é aumentada para alguns aços fortemente encruados que apresentam tendência de excessivo crescimento de grão quando aquecidos lentamente dentro da zona crítica; d) ( ) é aumentada para alguns aços com altas temperaturas de austenitização. 3) Marque, com um X, a opção correta. No tratamento de normalização, a) ( ) o material é resfriado no forno para aumentar a sua conformabilidade; b) ( ) a faixa de temperaturas de aquecimento é igual a do tratamento de recozimento; c) ( ) a ductilidade obtida é superior a do processo de recozimento, para um mesmo material; d) ( ) a resistência mecânica obtida é superior a do processo de recozimento, para um mesmo material. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 80

81 NORMALIZAÇÃO 4) Marque, com um X, a opção correta. O crescimento do grão estrutural ocorre devido a a) ( ) apenas da alta temperatura de aquecimento; b) ( ) tempo de permanência insuficiente à temperatura de patamar; c) ( ) temperaturas demasiadamente altas ou por ficarem expostos a longo período de tempo em temperaturas elevadas; d) ( ) é um processo irreversível, pois não há uma maneira de corrigi-lo. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 81

82 TÊMPERA E REVENIDO ETAPA 5 TÊMPERA E REVENIDO DEFINIÇÃO Tratamento térmico caracterizado pelo resfriamento em velocidade superior à velocidade crítica, a partir de uma temperatura acima da zona crítica para os aços hipoeutetóides e geralmente dentro da zona crítica, para os aços hipereutetóides, resultando em transformação da austenita em martensita. Utiliza-se para peças que necessitem de alta rigidez. Sem o necessário complemento de um revenimento, as peças temperadas apresentar-se-ão quase sempre frágeis. Este é um tratamento térmico muito importante, porque é por intermédio dele, sempre acompanhado pelo revenido, que se obtém as estruturas e as propriedades que permitem o emprego do aço em peças de maior responsabilidade e em aplicações mais críticas. O tratamento consiste em elevar o aço a uma temperatura em que ocorra uma perfeita austenitização (ferro γ), permanecer nesta temperatura por um determinado tempo até a total dissolução dos carbonetos e posterior resfriamento rápido. É este o tratamento térmico comumente utilizado nos aços, para construção mecânica. As condições de aquecimento são idênticas às que ocorrem na normalização. No resfriamento, que deve ser muito rápido, são empregados geralmente meios líquidos, onde as peças são mergulhadas depois de aquecidas convenientemente. Resultam nos aços temperados, modificações estruturais muito intensas que levam a um grande aumento de dureza, da resistência ao desgaste, da resistência à tração, ao mesmo tempo em que as propriedades relacionadas com a ductilidade sofrem uma apreciável diminuição e tensões internas são originadas em grande intensidade A velocidade de resfriamento deve ser suficientemente rápida para que não permita a formação dos constituintes ferrita + perlita, mas somente de martensita. Utilizam-se como meios de resfriamento para a têmpera: Salmoura; Água a 25 C; Água a 50 C; T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 82

83 TÊMPERA E REVENIDO Polímeros; Óleo em agitação; Banho de sais; Banho de chumbo; Ar soprado; Ar calmo; Vácuo. OBJETIVOS Sob o ponto de vista de propriedades mecânicas requeridas em componentes mecânicos e ferramentas industriais, a têmpera tem papel fundamental no sentido de garantir o aumento de resistência mecânica e também da dureza. Estas duas propriedades estão associadas no mesmo material, quando este é resfriado rapidamente da região austenítica até a temperatura de formação martensítica. Para o sucesso de tal operação deve-se, durante o resfriamento, evitar o cotovelo da curva TTT específica de cada tipo de aço. A Fig. 47 mostra o ciclo térmico da têmpera, seguida do revenido. Fig. 47 Ciclo térmico da têmpera e revenido T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 83

84 TÊMPERA E REVENIDO Os principais objetivos do tratamento térmico de têmpera são: Aumentar a dureza; Aumentar a resistência à tração; Aumentar o limite de escoamento; Aumentar a resistência ao desgaste; Aumentar a resistência à compressão; Aumentar a resistência ao choque. A Fig. 48 apresenta uma curva TTT gerada pela Gleeble na Gerdau Charqueadas. B A D C Fig. 48 Curva TTT gerada pela Gleeble Gerdau Charqueadas A- Resfriamento ao ar (bainita) B- Resfriamento com ar soprado (bainita) C- Resfriamento em óleo (martensita) Têmpera D- Resfriamento em água (martensita) Têmpera T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 84

85 TÊMPERA E REVENIDO MECANISMOS DA TÊMPERA E REVENIDO TEMPERATURAS DO PROCESSO Assim como outros tipos de tratamentos térmicos, a têmpera requer uma transformação de fase cristalina. Para definir as temperaturas em que estas transformações ocorrem é necessário conhecer a análise da composição química do aço a ser tratado. Para aços-liga a temperatura de têmpera é obtida através de catálogos de fabricantes de aços ou literaturas especializadas em metalurgia. Isto é necessário porque a adição de elementos de liga modifica a posição das linhas de transformação do diagrama de equilíbrio. Para aços comuns ao carbono, as temperaturas de têmpera, podem ser obtidas diretamente sobre o diagrama de equilíbrio Fe-C, aplicando-se as seguintes regras: Para aços hipoeutetóides deve-se somar 50 C acima da linha A3 (γ); Para aços eutetóides deve-se somar 50 C acima da linha A1 (γ); Para aços hipereutetóides deve-se somar 50 C acima da linha A1 (γ+fe3c). Utilizando-se então o diagrama, a leitura de temperatura é feita diretamente sobre o mesmo. Por exemplo: para um aço ABNT 1050 (0,5%C), tem-se a leitura do diagrama igual a 770 C obtida sobre a linha de transformação A3. Deve-se ainda somar 50 C a este valor o que resultará em uma temperatura de aquecimento para têmpera de 820 C. ETAPAS PARA AUSTENITIZAÇÃO Para se levar a peça até a sua completa austenitização deve-se seguir as seguintes etapas. Pré-aquecimento As peças são aquecidas lenta e progressivamente até 600 a 650 C para aços ao carbono e até 800 C para os aços rápidos. (nunca se deve colocar as peças frias em um forno muito quente). Aquecimento até temperatura de têmpera As peças pré-aquecidas são elevadas à temperatura final de austenitização chamada de temperatura de têmpera. A velocidade de aquecimento é da ordem de 1 h/pol. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 85

86 TÊMPERA E REVENIDO Manutenção da temperatura de têmpera Conta-se normalmente para uma espessura de 1 pol de material uma duração de 30 minutos para aços em geral. Estrutura austenítica A austenita é uma solução sólida de carbono em ferro CFC chamado de ferro γ. Possui espaços interatômicos maiores que a ferrita, apresenta também maior FEA (fator de empacotamento atômico) quando comparado com a estrutura ferritica. O maior espaço interatômico se refere aos interstícios octaédricos, sítios preferenciais para a alocação de átomos de carbono enquanto o maior FEA contabiliza o percentual total de vazios da estrutura. Contudo os vazios são ligeiramente menores que o átomo de carbono, e desse modo a dissolução de C na austenita introduz deformações na sua estrutura. A solubilidade máxima é de 2,11 % de carbono para a temperatura de 1148 C Por definição aços contêm menos de 2 % de carbono, consequentemente todo o carbono dos aços acha-se dissolvido na austenita, em temperaturas elevadas Decomposição da austenita Um aço resfriado muito lentamente, a partir do campo austenítico apresentará, à temperatura ambiente, uma ou mais fases, ferrita, perlita e cementita, dependendo do seu teor de carbono. Se o resfriamento for rápido aparecerão outros constituintes metaestáveis como a bainita e a martensita (estas estruturas não são previstas nos diagramas de fases). A transformação da austenita em outros constituintes pode ocorrer por difusão, cisalhamento ou uma mistura dos dois mecanismos. Difusão Processo lento envolvendo movimento e rearranjo de átomos para formar nova fase. Cisalhamento Processo praticamente instantâneo envolvendo apenas a deformação da rede cristalina. SELEÇÃO DO MEIO DE TÊMPERA A escolha do meio de resfriamento é feita para cada tipo de aço a ser tratado, sendo definida através da análise do seu diagrama de resfriamento contínuo (curva em C). A regra fundamental para obter-se uma microestrutura totalmente martensítica é a linha de resfriamento não atingir o cotovelo da curva em C. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 86

87 TÊMPERA E REVENIDO Para tanto, deve-se seguir a orientação descrita em literaturas apropriadas ou então, fazer a leitura das curvas específicas para cada tipo de aço a ser tratado. De uma maneira geral, pode-se optar pelos seguintes meios de resfriamento: Aços-carbono: água ou salmoura (água + 10% de NaCl) resfriamento drástico. Aços-liga: óleo, banho de sais, polímeros, ar soprado ou mesmo ar resfriamento brando. Para determinados tipos de aços-liga, que contêm altos teores de elementos de liga como Cr, Mo e Ni, é possível obter-se martensita a partir de velocidades de resfriamento muito brandas (ao ar, por exemplo). O efeito destes elementos de liga é o de retardar as transformações para estruturas ferrítico-perlíticas, deslocando as curvas de transformação para a direita. A utilização destes aços é conveniente quando é grande o risco de surgimento de empenamentos ou trincas em ferramentas com geometrias complexas e de grandes dimensões, o que pode ocasionar a perda das mesmas. A escolha do meio de resfriamento para a têmpera depende de: Dureza final desejada; Forma e dimensão das peças; Capacidade de endurecimento do aço, ou temperabilidade. A martensita caracteriza-se por ser um microconstituinte extremamente frágil. Assim, os materiais que sofreram têmpera, estando com elevadas tensões internas e alta dureza, não servem para nenhuma aplicação prática imediata devido a esta fragilidade. Estas características indesejáveis no aço temperado são eliminadas através de outro tratamento térmico que é realizado imediatamente após, chamado de revenido. RESFRIAMENTO A velocidade de resfriamento necessária depende de um grande número de fatores, dentre eles os principais são: T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 87

88 TÊMPERA E REVENIDO Influência do banho de têmpera: a natureza do banho de têmpera tem ação sobre a velocidade de resfriamento: água, óleo, sopro de ar, banho de sais, etc; Temperatura dos banhos de têmpera: 20 a 30 C para a água, 50 C para o óleo. Agitação do banho ou da peça: o que facilita as trocas de calor, assegurando uma distribuição idêntica do fluido sobre toda a superfície. Mecanismos de transferência de calor A transferência de calor das peças para o fluído de têmpera pode ser descrito em termos de um coeficiente de transferência de calor α. O coeficiente de transferência de calor α é definido como: α = q/ T s T b Onde, q é a densidade de fluxo de calor da peça para o meio de têmpera, T s é a temperatura da superfície da peça, e T b é a temperatura do banho de têmpera [3]. Durante a imersão de têmpera em fluído vaporizáveis, como água, óleo ou solução aquosa de polímero, o coeficiente de transferência de calor muda seu valor para mais de uma ordem de magnitude, devido à sequência de três conhecidos estágio de resfriamento: recobrimento por vapor, formação de bolhas e convecção. Em casos como da água ou óleos de têmpera, assim como para certas soluções aquosas de polímeros, os três estágios de resfriamento podem estar simultaneamente presente na superfície da peça temperada por um período significante de tempo, ocasionando uma não uniformidade de têmpera na peça. Stich [3] demonstrou em seus estudos que corpos de provas cilindros temperados verticalmente em óleos de têmpera e água apresentavam uma destruição no filme de vapor e consequentemente um molhamento na ponta inferior do cilindro, logo após a imersão no fluído, sendo que no meio e na outra extremidade se tinha uma presença continua do filme de vapor. Com o passar do T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 88

89 TÊMPERA E REVENIDO tempo esta linha de molhamento aumentava até todo o resfriamento do cilindro ser determinado por convecção. Na figura 2.2 podemos observar o comportamento do resfriamento de uma peça e identificar os estágios mencionados. Figura 2.1 Curvas de resfriamento e velocidade de resfriamento para uma peça cilíndrica resfriada em água. [1] 1 Estágio: Recobrimento por vapor Neste estágio a peça está em alta temperatura quando comparada com o meio de têmpera. Estabelece-se um regime transitório onde a peça encontra-se completamente recoberta por uma capa de líquido vaporizado. O filme de vapor que envolve a peça atua como um isolante térmico, onde a troca de calor se dá principalmente por radiação devido à alta resistência térmica do filme. Portanto, a taxa de resfriamento é relativamente lenta. No processo de têmpera não é conveniente um resfriamento lento nesta etapa, pois o mesmo pode causar decréscimo de dureza, diferentes tensões no material, ou até mesmo a inaceitável formação de perlita. Quanto maior a temperatura do líquido de têmpera, a etapa de recobrimento por vapor é mais intensa. Além da temperatura do líquido de têmpera, a temperatura de ebulição, o calor latente de vaporização e a tensão superficial condicionam, em grande parte, o aparecimento ou não do fenômeno inicial de vaporização. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 89

90 TÊMPERA E REVENIDO 2 Estágio: Formação de bolhas O segundo estágio começa quando o líquido quebra o filme de vapor e faz contato com a peça. A temperatura a qual ocorre o colapso do filme é chamada de Temperatura de Leidenfrost [3]. Segundo Totten [6], nesta etapa o líquido a qual é colocado em contato com a superfície quente do metal evapora imediatamente e ocorrendo o colapso do filme de vapor do primeiro estágio. Isso causa uma forte convecção a qual resulta em uma alta transferência de calor do metal para o fluído, sendo esta a maior taxa de resfriamento dos três estágios existentes. Nesta etapa tem importância o calor específico do fluído; sua viscosidade, a qual condiciona a transferência de calor por convecção, e sua reatividade química com a face metálica, a qual facilita ou inibe a formação de compostos sólidos intermediários, os quais poderão ser ou não condutores térmicos. O ponto de ebulição do líquido de têmpera determina o final desta etapa. [7]. 3 Estágio: Convecção O terceiro estágio de resfriamento ocorre quando a temperatura da superfície do material cai abaixo da temperatura de formação de vapor do líquido. A superfície é permanentemente molhada pelo fluído. A transferência de calor é determinada por processos de convecção, ocasionando uma taxa de resfriamento novamente lenta. Nesta etapa a velocidade de resfriamento é dependente do ponto de ebulição do líquido, temperatura do banho e da viscosidade do fluido. É na fase de convecção que ocorre a transformação de fase austenítica em martensita, sendo a velocidade de resfriamento muito importante, pois na formação T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 90

91 TÊMPERA E REVENIDO de martensita há um a aumento de volume. Deve ser mais lenta a fim de reduzir os riscos de fissuras, fragilizações e distorções. [6] REVENIDO. Revenido é um tratamento térmico aplicado aos aços que foram temperados, com o objetivo de aliviar as tensões e corrigir a dureza obtida ao final do processo, regulando as propriedades mecânicas do aço. Deve-se programar o revenido imediatamente após a têmpera, pois o risco de aparecimento de trincas é muito grande. Não se pode, de maneira nenhuma, colocar em serviço os componentes mecânicos que não tiveram suas tensões aliviadas por revenido. Para entender melhor como ocorre este alívio de tensões, é necessário primeiro saber-se como surge a martensita, que é a fase cristalina característica das peças temperadas. A temperatura de revenido é variável conforme as propriedades desejadas e o tipo de aço. Todos os fabricantes de aço fornecem curvas de revenido que determinam as temperaturas aproximadas utilizadas para obter as propriedades mecânicas. Comumente, empregam-se temperaturas na faixa de 100 a 700 C, conforme dureza final desejada no componente mecânico e composição do aço a ser tratado (ver Fig. 49). T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 91

92 TÊMPERA E REVENIDO Fig. 49 Curva de revenimento de um aço ABNT O1, mostrando a queda de dureza em função do aumento de temperatura de tratamento. O SURGIMENTO DA MARTENSITA A martensita é uma fase cristalina que tem sua formação associada ao resfriamento rápido da austenita. Esta operação faz com que a transformação microestrutural fuja do equilíbrio termodinâmico, não possibilitando o surgimento dos produtos normais de transformação ferrita e perlita. O aço, quando aquecido a temperaturas elevadas, tem seus átomos de carbono solubilizados na rede cristalina do ferro gama, ou seja, os espaços interatômicos desta rede, sendo maiores, permitem que o átomo intersticial (carbono) se movimente entre os átomos de ferro. Quando esta estrutura é resfriada rapidamente, não há tempo para o átomo de carbono sair da posição intersticial e formar carbonetos. O que ocorre é simplesmente uma passagem do cristal de ferro gama para alfa, formando a martensita. Portanto, a martensita nada mais é do que uma solução supersaturada de carbono em ferro alfa. Estudos comprovam que o reticulado cristalino formado na têmpera não é cúbico, mas sim tetragonal formado a partir da distorção causada pelos átomos de carbono nos interstícios do reticulado CCC do ferro alfa. Diante do exposto, fica fácil analisar o efeito de uma operação de revenido sobre um componente mecânico temperado. A seleção de temperaturas aplicadas a este tratamento térmico deve ter como orientação geral o princípio de que, quanto maior a temperatura de tratamento, menor será a dureza final obtida. A reação do aço temperado, quando reaquecido a baixas temperaturas durante o revenido, pode ser entendida como uma difusão atômica, resultado da liberação de alguns átomos de carbono dos interstícios da rede cristalina, dando origem à formação de carbonetos. Desta maneira, a microestrutura obtida com o tratamento térmico de têmpera e revenido é chamada de martensita revenida (ver Fig. 50). T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 92

93 TÊMPERA E REVENIDO Fig. 50 Martensita revenida aço SAE 4140 AÇOS E MATERIAIS TRATADOS O tratamento térmico de têmpera e revenido ou beneficiamento é praticado em todos os aços com o percentual de carbono acima de 0,30%. A adição do elemento químico boro pode intensificar a transformação da austenita em martensita sendo utilizado em alta escala para aumentar a temperabilidade em aços de baixa liga. FATORES/VARIÁVEIS QUE AFETAM O TRATAMENTO Como o tratamento térmico de têmpera, está diretamente ligado à posição da curva TTT, os fatores que alteram a posição desta curva também alteram a resposta ao tratamento térmico de têmpera. São eles: Composição química; Tamanho de grão austenítico; Homogeneidade da austenita. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 93

94 TÊMPERA E REVENIDO Composição química Todos os elementos de liga com exceção do cobalto deslocam a curva em C para a direita consequentemente aumentando a temperabilidade do aço. Estes elementos químicos também rebaixam as linhas de início e final de transformação da martensita. Efeito dos elementos de ligas dos aços na temperatura de inicio da formação da martensita Tamanho de grão austenítico Os produtos de transformação começam a formar-se nos contornos de grão da austenita. Portanto nos grãos maiores a transformação da austenita é mais T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 94

95 TÊMPERA E REVENIDO demorada o que significa que quanto maior o tamanho de grão da austenita tanto mais deslocadas para a direita estarão as curvas em C. Poder-se-ia deduzir que seria preferível aços com granulação grosseira para obter-se martensita; na prática isto não acontece pois a granulação grosseira causa grandes inconvenientes às características dos aços. Homogeneidade da austenita Carbonetos residuais não dissolvidos ou áreas localizadas de austenita rica em carbono atuam no sentido de apressar a reação de transformação da austenita. Desse modo, quanto mais homogênea a austenita, mais deslocadas para a direita estarão as curvas em C. TRANSFORMAÇÕES NO REVENIDO O revenido é realizado em temperaturas inferiores às da zona critica, resultando em modificações da estrutura obtida na têmpera. A alteração estrutural que se verifica no aço temperado em consequência do revenido melhora a ductilidade, reduzindo os valores de dureza e resistência à tração, ao mesmo tempo em que as tensões internas são aliviadas ou eliminadas. Revenido entre 100 e 200 C Não há modificações estruturais sensíveis. As estruturas, quando atacadas, apresentam aspecto mais claro, idêntico ao da martensita original (martensita branca), à temperatura mais baixa ou, a temperaturas mais elevadas, aspectos mais escuros. Esta última estrutura é comumente chamada de "martensita revenida". Num aço de composição próxima à do eutetóide, a dureza cai para 60 HRC. Nesta faixa de temperaturas pode ocorrer a precipitação do carboneto de ferro chamado épsilon. Revenido entre 200 e 260 C As tensões começam a ser aliviadas; nesta faixa o aço começa a perder mais dureza, embora não se verifique nenhuma modificação estrutural notável. Revenido entre 260 e 360 C Inicia-se uma precipitação de carbonetos finos, a qual origina uma estrutura com a aparência de um agregado escuro onde ainda se nota a origem martensitica. Esta estrutura é, às vezes, chamada de "troostita". A dureza continua caindo, chegando a valores em torno de 50 HRC. Revenido entre 360 a 730 C Nesta faixa ocorrem as maiores transformações estruturais e mecânicas. Quanto mais elevada a temperatura de revenido, mais grossas se tornam as partículas de T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 95

96 TÊMPERA E REVENIDO cementita precipitada, as quais ficam perfeitamente visíveis numa matriz ferrítica. As estruturas são normalmente chamadas de "sorbita" e a dureza cai a 30 HRC. Nas proximidades da temperatura correspondente a A1 (723 C), as partículas de cementita precipitada assumem uma forma esferoidal, chamada "esferoidita". A dureza cai a 140 HB, a tenacidade torna-se muito boa e melhoram as características de usinabilidade. Neste momento o aço perde as características de temperado passando à condição coalescido (esferoidizado) FRAGILIDADE PELO REVENIDO Durante a operação de revenido, há uma faixa de temperaturas de 260 a 370 C que provoca uma queda da tenacidade. Esse fenômeno é denominado "fragilidade da martensita revenida" ou fragilidade a 350 C. A fragilidade da martensita revenida está associada com segregações de átomos impuros nos contornos de grão da austenita, antes da têmpera. Diversos aços, principalmente aços-liga de baixo teor em liga, caracterizam-se por adquirirem fragilidade, quando são aquecidos na faixa de temperaturas de 375 a 575ºC, ou quando são resfriados lentamente através dessa faixa. Este fenômeno é conhecido com o nome de fragilidade reversível de revenido. A fragilidade ocorre mais rapidamente na faixa ºC. Os aços-carbono comuns contendo manganês abaixo de 0,30% não apresentam o fenômeno. Contudo, aços contendo apreciáveis quantidades de manganês, níquel e cromo, além de uma ou mais impurezas tais como o antimônio, fósforo, estanho ou arsênio, são susceptíveis ao fenômeno. Não se tem uma explicação clara desse fato, embora se tenha observado concentração de impurezas nos contornos dos grãos o que comprova que é necessária a presença dessas impurezas, juntamente com um elemento de liga, para provocar esta fragilidade. Esta é somente revelada no ensaio de resistência ao choque, pois as outras propriedades mecânicas e a própria microestrutura não são afetadas. A não ser que se utilizem matérias-primas muito puras, os aços Cr-Ni são mais susceptíveis ao fenômeno. Aparentemente, o molibdênio, em teores 0,5 a 1,0% retarda a suscetibilidade à fragilidade de revenido. Os aços que se tornaram frágeis, devido às causas apontadas, podem voltar ao seu estado normal e ter a tenacidade por assim dizer restaurada, pelo aquecimento em T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 96

97 TÊMPERA E REVENIDO torno de 600ºC ou acima, seguido de resfriamento rápido, abaixo de aproximadamente 300ºC. Mencione-se, mais uma vez, o fato de que a eliminação de impurezas que induzem ao fenômeno evita a fragilidade. Como o antimônio é aparentemente o elemento mais prejudicial ele deve ser evitado a qualquer custo. Na prática, tanto o antimônio como o arsênio não estão comumente presentes. Desse modo, a maior atenção deve ser dirigida ao estanho e ao fósforo, cujas quantidades não devem ultrapassar 0,005 % e 0,001%, respectivamente. Uma última prática para reduzir a severidade da fragilidade de revenido é manter o aço por longo tempo numa faixa de temperaturas entre Ac1 e Ac3. Contudo, esse tratamento, também chamado intercrítico, só deve ser aplicado em caso específico. TRANSFORMAÇÃO DA AUSTENITA RETIDA Dependendo da composição do aço, pode-se ter à temperatura ambiente certa quantidade de austenita retida ou austenita residual que, ao se transformar posteriormente, pode ocasionar o fenômeno de instabilidade. A transformação dessa austenita residual é realizada por intermédio de diversos procedimentos. Um deles é o revenido. Com o processo de duplo revenido a austenita retida é transformada em bainita. Esta reação do revenido prevalece somente em aços de médio ou alto carbono. Na realidade, no revenido, para a obtenção de um certo grau de estabilidade dimensional, seria necessário empregarse a máxima temperatura de aquecimento permissível, tendo em vista a dureza desejada, de modo a desenvolver-se a contração máxima possível. Em alguns tipos complexos de aços como os aços rápidos surge a necessidade de mais de um revenido, visto que no resfriamento posterior ao primeiro revenido, forma-se martensita que deve, em consequência, ser revenida, o que se faz através de um segundo aquecimento do aço. Outro método para transformar a austenita retida seria um artifício que se poderia chamar de tratamento subzero, ou seja, resfriar as peças em nitrogênio líquido (em torno de - 90 C) garantindo a total transformação de austenita em martensita. TEMPERABILIDADE DOS AÇOS. Temperabilidade ou endurecibilidade dos aços é a capacidade do aço endurecer da superfície em direção ao núcleo. Ao contrário do que se pensa a dureza estabelecida na superfície do aço durante uma têmpera, não é a mesma do seu T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 97

98 TÊMPERA E REVENIDO centro. Isto pode ser explicado pelas diferentes velocidades de resfriamento que ocorrem com o componente mecânico quando este sofre o choque térmico necessário para produzir-se a martensita. A princípio este fato não teria muita importância se a análise se limitasse somente à resistência ao desgaste para a qual são projetadas as peças. Um bom exemplo são as esferas de rolamento, idealizadas para minimizar o atrito em mancais que devem associar também tratamento térmico de têmpera para possibilitar uma vida útil adequada ao equipamento no qual será instalado. Para peças em que a têmpera tem por objetivo um aumento de resistência mecânica, interessa que a martensita se forme em instâncias maiores a partir da superfície, o que garantirá melhores resultados de comportamento mecânico. Assim, têm-se no mercado, aços considerados de baixa, média e alta temperabilidade, aplicados segundo critérios de projetos bem definidos. Para classificá-los, existem dois ensaios de temperabilidade usuais em aciarias: Ensaio Jominy e ensaio de Grossmann. ENSAIO DE TEMPERABILIDADE JOMINY É o ensaio mais usado na indústria, pois a partir de um único corpo de prova é possível determinar-se a diminuição do teor de martensita no aço, como função do seu tamanho. O ensaio consiste na austenitização, seguido de um resfriamento rápido, de um corpo de prova de dimensões normalizadas (25,5 mm de diâmetro por 101 mm de comprimento). Como a estrutura inicial tem uma importância muito grande na temperabilidade, o corpo de prova é submetido a um tratamento térmico de normalização antes de ser ensaiado (refino dos grãos de perlita). Para a realização do ensaio, é necessária a construção de um aparato específico, no qual se tem controle da pressão da água de resfriamento sobre o corpo de prova. Depois da peça resfriada até a temperatura ambiente, são feitos planos longitudinais paralelos na mesma de 0,5 a 0,9 mm de profundidade, e então são realizadas medições de dureza Rockwell para distâncias de até 50 mm ao longo do corpo de prova. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 98

99 TÊMPERA E REVENIDO EXERCÍCIOS 1) Marque, com um X, a opção correta. Qual a curva de resfriamento representa o tratamento térmico de têmpera: a) ( ) A; b) ( ) B; c) ( ) C; d) ( ) D. B C D A 2) Marque, com um X, a opção correta. Enumere os meios de resfriamento de têmpera do menos severo ao mais severo: 1) Óleo em agitação; 2) Água a 50 C; 3) Salmoura; 4) Ar soprado. a) ( )4, 2, 1, 3 b) ( )4, 1, 2, 3 c) ( )1, 3, 4, 2 d) ( )1, 4. 3, 2 T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 99

100 TÊMPERA E REVENIDO 3) Marque, com um X, a opção correta. Os principais objetivos do tratamento térmico de têmpera e revenido são: a) ( ) Aumentar a resistência à tração, aumentar a dureza e reduzir a resistência ao choque; b) ( ) Aumentar a resistência à tração, aumentar o alongamento e aumentar a resistência ao choque; c) ( ) Aumentar o alongamento, aumentar a dureza e aumentar a resistência ao choque; d) ( ) Aumentar a dureza, aumentar a resistência à tração e aumentar a resistência ao desgaste. 4) Marque, com um X, a opção correta. A adição do elemento boro no aço. 1) Intensifica a transformação da austenita em martensita; 2) Intensifica a transformação da austenita em perlita; 3) Aumenta a temperabilidade de aços baixa liga; 4) Reduz a temperabilidade de aços baixa liga. a) ( ) 1 e 3 b) ( ) 2 e 3 c) ( ) 1 e 4 d) ( ) 2 e 4 5) Marque, com um X, a opção correta. Qual o elemento de liga dos aços que desloca a curva em C para a esquerda, consequentemente reduzindo a temperabilidade. a) ( ) Vanádio; b) ( ) Cobalto; c) ( ) Carbono; d) ( ) Cromo. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 100

101 SOLUBILIZAÇÃO ETAPA 6 SOLUBILIZAÇÃO INTRODUÇÃO Os aços inoxidáveis austeníticos possuem, além do Cr, o Ni como elemento de liga, o qual estabiliza a austenita na temperatura ambiente (e até em temperaturas bem inferiores, dependendo da porcentagem utilizada). Devido à presença da austenita, as características destes materiais são bastante diferentes das dos aços carbono comuns, começando pelo magnetismo, pois são não magnéticos e, pelas propriedades mecânicas, com altos valores de alongamento e valores reduzidos de limite de resistência. Esses materiais podem receber conformações bastante severas e produzir peças complexas mesmo em processos a frio. Possuem boa resistência à corrosão na maioria dos meios, e boa soldabilidade. São utilizados em equipamentos para a indústria alimentícia, farmacêutica, papel e celulose, petroquímica, panelas e talheres. Os aços inoxidáveis austeníticos, quando do seu processo de fabricação, laminação ou forjamento, precipitam carbonetos de cromo (FeCr) 4 C em contornos de grão que quando resfriados ou aquecidos lentamente na faixa de temperaturas entre 500 e 900 C provocam a "corrosão intergranular ou sensitização". O tratamento de solubilização elimina estes carbonetos precipitados em contornos de grão, propiciando uma estrutura totalmente austenítica na temperatura ambiente. DEFINIÇÃO Tratamentos de solubilização envolvem o aquecimento à temperatura adequada (1050 a 1100 C), permanência à temperatura durante um tempo suficiente para a dissolução de um ou mais constituintes, seguido de resfriamento bastante rápido (em água) para manter estes constituintes em solução. Este tratamento térmico é aplicado a várias famílias de aços especiais. Quanto maior a temperatura de solubilização, melhor será a distribuição dos carbonetos secundários precipitados no interior dos grãos devido à distribuição mais uniforme dos elementos que os compõem. Para ligas não endurecíeis por precipitação, como a maioria dos aços inoxidáveis austeníticos, o tratamento de solubilização pode se confundir com um simples recozimento, visando normalmente à recristalização e homogeneização microestrutural. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 101

102 SOLUBILIZAÇÃO Adicionalmente no aço inoxidável austenítico a precipitação de carbonetos de cromo M23C6 em contorno de grão causa o aparecimento da corrosão intergranular. Existem cinco teorias que tentam explicar a corrosão intergranular. Empobrecimento das regiões adjacentes aos contornos de grão em elementos, principalmente cromo, responsáveis pela resistência à corrosão; Formação de constituintes microestruturais, que podem ser removidos seletivamente em determinados meios; Enriquecimento do contorno de grão em elementos que produzem dissolução anódica; Tensões de coerência nas vizinhanças dos contornos de grão; Formação local de células onde carbonetos, quimicamente mais estáveis que a matriz adjacente, atuam como cátodo. OBJETIVOS O tratamento térmico de solubilização tem o objetivo de dissolver total ou parcialmente os carbonetos, principalmente os precipitados descontínuos e os filmes de carbonetos presentes em contornos de grão. Dessa forma aumenta-se a ductilidade do material. Os problemas relacionados com a presença de carbonetos de cromo decorrem de sua morfologia, pois tanto na forma de filmes situados em contornos de grão como na forma de precipitados descontínuos, causam diminuição nos valores de propriedades mecânicas e comprometem o desempenho do material à temperatura elevada. ETAPAS Aquecimento. Permanência em temperatura para dissolução de carbonetos. Resfriamento rápido em água ou nitrogênio líquido. AÇOS E MATERIAIS TRATADOS AISI 302, AISI 303, AISI 304, AISI 305, AISI 308, AISI 309, AISI 310, AISI 316L T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 102

103 SOLUBILIZAÇÃO As Fig. 51 e 52 mostram o efeito do tratamento de solubilização em um aço AISI 304. Fig. 51 Estrutura sem tratamento térmico do aço inoxidável SAE 304 Gerdau Charqueadas (Aumento 200X) Fig. 52 Estrutura com tratamento térmico de solubilização do aço inoxidável SAE 304 Gerdau Charqueadas (Aumento 200 X) CUIDADOS ESPECIAIS NO PROCESSO E NA OPERAÇÃO Evitar contato com o oxigênio do ar em temperaturas acima de 900 C, pois a oxidação gerada é de difícil remoção na decapagem química. Como o material é muito mole (+ 130 HB), ter o máximo cuidado ao manusear, pois poderá causar marcas superficiais danificando o mesmo. DEFEITOS, PROBLEMAS E ALTERNATIVAS DE SOLUÇÃO Evitar estabilizar a temperatura da carga na faixa de 500 a 900 C pois ocorrerá a precipitação de carbonetos precipitados em contorno de grão de difícil dissolução. T.Térmicos TT-001 Tratamentos Térmicos em Aços Especiais 103

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