Processos Metalúrgicos AULA 7-8 DIAGRAMA TTT E TRATAMENTOS TÉRMICOS

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1 Processos Metalúrgicos AULA 7-8 DIAGRAMA TTT E TRATAMENTOS TÉRMICOS PROF.: KAIO DUTRA

2 Diagrama TTT (Transformação Tempo Temperatura) Um dos fatores mais importantes que influenciam a posição das linhas de transformação, ou seja, a própria transformação da austenita, a velocidade de resfriamento. De fato, se a velocidade aumentar, haverá um afastamento das condições de equilíbrio e as reações de transformação tendem a modificarse. Como a alteração do reticulado cristalino do ferro gama e ferro alfa depende da movimentação atômica, esta não se completa e, em consequência, os constituintes normais resultantes da transformação da austenita como a perlita deixam de formar-se ou até mesmo dem surgir novos constituintes estruturais.

3 Diagrama TTT O estudo experimental, que pode ser facilmente reproduzido em laboratório, consiste no seguinte: corpos de prova de aço de dimensões pequenas, para que, quando resfriados a diferentes velocidades, o resfriamento se dê ao mesmo tempo através de toda a sua seção, são aquecidos a temperatura acima da zona crítica, de modo a apresentarem a estrutura austenítica. A seguir, sao rapidamente mergulhados em banho líquido (sal ou chumbo fundido), a temperaturas variáveis abaixo da zona crítica. São mantidos a essas temperaturas durante os tempos necessários para que a austenita se transforme nos produtos normais (ferrita mais perlita, somente perlita, ou perlita mais cementita)

4 Temperatura (ºC) % da γ transformada em perlita Diagrama TTT Aço EUTETÓIDE Com os dados obtidos, pode-se construir o diagrama temperatura - tempo. Esse diagrama é chamado transformação isotérmica. Início da transformação Curva de início (~0% de perlita) T trans = 650ºC Tempo (s) Austenita estável Austenita instável 1 1? T trans = 675ºC Temperatura eutetóide (727 ºC) Curva de conclusão (~100% de perlita) Perlita Tempo (s) Final da transformação Curva 50% de conclusão

5 TEMPERATURA (⁰C) Diagrama TTT Na faixa superior de temperatura, o início da transformação da austenita (curva I) é lento, assim como o fim. A estrutura resultante é perlita, de granulação grosseira, chamada perlita grossa, com baixa dureza, variável de 5 a 20 Rockwell C, os valores mais elevados correspondendo aos níveis mais baixos de temperatura; À medida que a temperatura decresce, a demora para início e fim de transformação é menor; a granulação da perlita vai se tornando mais fina, originando-se a estrutura chamada "perlita fina", com dureza cada vez mais elevada. Os seus valores podem chegar a Rockwell C; γ γ γ γ A 1 s 1 min 1 h 1 dia B C Austenita (estável) D Perlita fina Transformação austenita perlita 727 C Perlita grosseira γ γ TEMPO (s)

6 TEMPERATURA (⁰C) A : Austenita P : Perlita Diagrama TTT B : Bainita Em torno de 550 C (aço eutetóide), ocorre o menor tempo para início e fim de transformação. Esse ponto corresponde ao chamado "joelho" ou "cotovelo" das curvas em C. A partir dessa temperatura começa novamente a aumentar o tempo para a transformação da austenita iniciar-se e completar-se; surge, nas faixas de temperaturas correspondentes, um novo constituinte a "bainita" (em homenagem a Bain) completamente diferente de perlita. Trata-se de uma estrutura cujo aspecto varia desde um agregado de ferrita em forma de pena e um carboneto muito fino (em torno de 450 C), até um constituinte em forma de agulhas (em torno de 200 C), com coloração escura. A dureza desse constituinte é elevada, variando de 50 a 60 Rockwell C; A A Perlita grossa A + P Perlita fina P A + B A Bainita superior? 727 ºC B Bainita inferior TEMPO (s)

7 TEMPERATURA (⁰C) A : Austenita P : Perlita Diagrama TTT B : Bainita Finalmente, nos níveis mais baixos de temperatura, na faixa aproximada de 200 C a 100 C, ocorre uma nova transformação, a qual independe do tempo, como as linhas horizontais Mi e Mf estão indicando. Surge mais um novo constituinte a "martensita" cuja formação brusca começa na linha Mi e termina na linha Mf. Esse constituinte apresenta-se em forma de agulhas, com coloração clara. Sua dureza é muito elevada: 65 a 67 RC A A M M M + P (início) (50%) (90%) A A M + : Martensita 727 ºC P B B TEMPO (s)

8 Diagrama TTT Sabe-se que a estrutura cristalina da martensita é tetragonal compacta e não cubica. Essa estrutura está sujeita a elevadas microtensoes e apresentase supersaturada de carbono.

9 Diagrama TTT O diagrama ao lado corresponde a um aço hipoeutetóide. Observa-se uma nova curva Fi; ela indica que na transformação da austenita, forma-se em primeiro lugar ferrita.

10 Diagrama TTT O diagrama ao lado corresponde a um aço hiperutetóide. Observa-se uma nova curva Ci que indica na transformação da austenita, forma-se inicialmente a cementita.

11 Diagrama TTT A figura refere-se a um aço com 0.37%C, 0,68%Mn e 3,41%Ni.

12 Diagrama TTT A figura indica um aço contendo 0,42%C, 0,78%Mn, 1,79%Ni, 0,80%Cr e 0,38%Mo. Note-se o efeito dos elementos de liga na forma e posição das curvas.

13 Diagrama TTT A figura mostra o aspecto das curvas para um ferro fundido de composição equivalente a 3,75%C, 290%Si, 0,55%Mn, 0,40%P e 0,065%S.

14 TEMPERATURA ( C) Diagrama TTT Resfriamento Contínuo TTT TRC Na prática, a grande maioria das operações de tratamento térmico aplicada nas ligas ferrosas, consiste em resfriamento contínuo. Desenvolveram-se os diagramas para resfriamento contínuo, obtidos por intermédio da mesma técnica utilizada no traçado das curvas isotérmicas, ou seja, em vez de detectar-se as estruturas obtidas por resfriamentos bruscos em vários níveis de temperaturas, os corpos de prova são deixados resfriar continuamente e o resfriamento é interrompido às temperaturas escolhidas M M M (início) (50%) (90%) II I 727 ºC TEMPO (s)

15 Diagrama TTT Resfriamento Contínuo As curvas obtidas têm a forma representada na figura, nota-se que, como seria de esperar, somente podem ser traçadas curvas na parte superior do diagrama, correspondente à formagão das várias formas de perlita.

16 Temperatura (ºC) Diagrama TTT Resfriamento Contínuo Abaixo do joelho ou cotovelo não existem curvas para resfriamento contínuo, não sendo possível, pelo menos para os aços-carbono, obter-se estrutura bainítica ºC/s M (início) M (50%) 35 ºC/s 100 M (90%) Tempo (s)

17 TEMPERATURA ( C) Diagrama TTT Resfriamento Contínuo Temperatura eutetóide Para aços liga como o 4340, é possível obter estrutura bainítica com resfriamento contínuo, como mostra o diagrama Taxa de resfriamento crítico M (início) Joelho da bainita Austenita Bainita Austenita Martensita M+F +P+B Austenita Perlita 100 M M+B M+F +B F +P TEMPO (s)

18 Diagrama TTT Resfriamento Contínuo A estrutura martensítica é, contudo, formada da mesma maneira que para resfriamento isotérmico. As curvas superiores do diagrama para resfriamento contínuo assemelham-se às curvas para resfriamento isotérmico, apresentando apenas um ligeiro deslocamento para baixo, como é demonstrado.

19 Diagrama TTT Efeito da Seção das Peças Ao tratar-se termicamente peças metálicas, as condições ou velocidades de resfriamento são diferentes através de sua seção: obviamente, as camadas superficiais resfriam mais rapidamente, o contrário acontecendo com o seu núcleo. Assim sendo, as transformações da austenita podem dar origem a produtos diferentes no centro das peças, em comparaçao com sua superfície

20 Diagrama TTT Fatores que Influem nas linhas em C Da mesma maneira qua ocorre com as linhas de transformação ou zona crítica do diagrama de aquilíbrio Fe-C, a posição das linhas em C do diagrama de transformação isotérmica é influenciada por diversos fatores. Esses fatores são os seguintes: Composição química; Tamanho de grão; Homogeneidade da austenita.

21 Diagrama TTT Fatores que Influem nas linhas em C Composição química: O carbono e os elementos de liga tendem a deslocar as curvas em C para a direita, ou seja, retardar a transformação da austenita. A única exceção conhecida é o cobalto.

22 Diagrama TTT Fatores que Influem nas linhas em C Tamanho de grão: Admitindo-se dois grãos de austenita de tamanhos diferentes e admitindose ainda que a transformação da austenita comece nos contornos dos grãos e ao mesmo tempo, é claro que no grão menor a transformação se completa em um tempo mais curto. O tamanho de grão, portanto, tende a deslocar as curvas em C para a direita. Em princípio, se o tamanho de grão maior retarda a transformação da austenita, isso significa que essa condição é mais favorável nos tratamentos térmicos.

23 Diagrama TTT Fatores que Influem nas linhas em C Homogeneidade da austenita: A austenita, quanto menos homogenea, ou seja, quanto maior a quantidade de carbonetos residuais ou de áreas localizadas ricas em carbono, confere a tendência de acelerar o início e o fim das reações de transformação, isto é, deslocar as curvas em C para a esquerda.

24 Diagrama TTT Temperabilidade Uma das primeiras conclusões que se pode tirar do estudo das curvas isotérmicas é que a obtenção da estrutura martensítica, extremamente dura e necessária em muitos empregos dos aços em construção mecánica, exige um resfriamento muito rápido, de modo que a curva de esfriamento não toque a curva de início de transformação ou, quando muito, tangencie. A velocidade que corresponde a essa curva é chamada de velocidade crítica de esfriamento.

25 Diagrama TTT Temperabilidade Geralmente, entretanto, não basta que se tenha a formação da martesita, ou seja, endurecimento do aço, apenas superficialmente. É necessário que o endurecimento seja profundo ou total às várias profundidades abaixo da superfície. Chama-se temperabilidade à capacidade do aço endurecer ou à profundidade de endurecimento. O conhecimento e a determinação da temperabilidade dos aços são, portanto, muito importantes, pois o que se procura, geralmente, é que o material endureça à máxima profundidade possível.

26 Tratamentos Térmicos As ligas ferro-carbono, antes de serem utilizadas na forma de peças, são, na maioria dos casos, principalmente quando aplicadas em construção mecânica, submetidas a tratamentos térmicos ou a tratamentos termoquímicos. No primeiro caso, visa-se modificar as propriedades das ligas, sobretudo as mecânicas, ou aliviar as tensões e restabelecer a estrutura cristalina normal. Os aços, dentre as ligas ferrosas, são os materiais mais comumente submetidos a esses tratamentos.

27 Tratamentos Térmicos Recozimento Seus objetivos são os seguintes: Remover tensões mecânicos; devidas a tratamentos Diminuir a dureza; Aumentar a ductilidade; Regularizar a textura bruta de fusão; Eliminar o efeito de quais quer tratamentos térmicos ou mecânicos a que o aço tenha sido submetido anteriormente. A estrutura resultante do recozimento é ferrita mais perlita, se o aço for hipoeutetóide, perlita mais cementita, se o aço for hipereutetóide e somente perlita, se for eutetóide.

28 Tratamentos Térmicos Recozimento No aquecimento para o recozimento, a temperatura deve situar-se a mais ou menos 50 C acima do limite superior da zona crítica (linha A3) para os aços hipoeutetóides e acima do limite inferior da zona crítica (linha A1) para os aços hipereutetóides. Nesses últimos aços, procura-se não ultrapassar a linha A3, porque no resfriamento lento que se segue pode ocorrer a formação, nos contornos dos grãos da austenita, de um invólucro continuo e frágil de carbonetos, conferindo fragilidade aos aços.

29 Tratamentos Térmicos Recozimento Para evitar-se o tempo muito longo exigido pelo recozimento, pode-se substituir o recozimento comum pelo "recozimento isotérmico ou ciclico" em que o aquecimento é realizado nas mesmas condições que no recozi mento comum, mas o esfriamento é dividido em duas etapas: esfriamento rápido até uma temperatura situada na parte superior do diagrama de trans- formação isotérmica, ai permanecendo o material durante o tempo necessirio para que a austenita se transforme nos produtos normais de transformação; a segunda etapa consiste no esfriamento até a temperatura ambiente, depois de completada a transformação da primeira etapa.

30 Tratamentos Térmicos Recozimento Outro tipo de recozimento é o para alivio de tensões, em que o aquecimento é feito a temperaturas abaixo da zona critica. Seu objetivo é apenas aliviar as tensões originadas em processos de conformação mecânica, soldagem, corte por chama, usinagem, etc. A tabela apresenta alguns exemplos típicos de ciclos de recozimento para alívio de tensões.

31 Tratamentos Térmicos Recozimento Finalmente, deve-se considerar o "recozimento em caixa" aplicado principalmente em chapas e tiras de aço laminadas a frio; consiste em colocar-se essas peças em recipientes vedados no interior do fomo. o aquecimento deve ser lento e a temperatura varia de 600 C a 700 C

32 Tratamentos Térmicos Recozimento No caso dos ferros fundidos, o recozimento é aplicado quando se deseja: No ferro fundido branco, reduzir tensões e melhorar as propriedades mecânicas. No ferro fundido cinzento, melhorar a usinabilidade do material, além de aliviar as tensões originadas durante o resfriamento das peças fundidas.

33 TEMPERATURA ( C) Tratamentos Térmicos Normalização Os objetivos da normalização são identicos aos do recozimento, com a diferença de que se procura obter uma granulação mais fina e, portanto, melhores propriedades mecánicas. As condições de aquecimento do material são identicas às que ocorrem no recozimento, porém o resfriamento é mais rápido: ao ar M M M (início) (50%) (90%) II TEMPO (s) I 727 ºC I II TTT TRC Recozimento pleno: Perlita grosseira Normalização: Perlita fina

34 Tratamentos Térmicos Normalização A estrutura obtida é a mesma da obtida no recozimento, porém mais uniforme e fina.

35 Tratamentos Térmicos Normalização A normalização é ainda utilizada como tratamento preliminar à tempera e revenido, justamente porque, sendo a estrutura normalizada mais homogênea que a de um aço laminado, por exemplo, reduz-se a tendencia ao empenamento e facilita-se a solução de carbonetos e elementos de liga, principalmente quando o aço é ligado.

36 Tratamentos Térmicos Tempera e Revenimento O objetivo fundamental da têmpera das ligas ferro-carbono é obter uma estrutura martensítica, o que exige resfriamento rápido, de modo a evitar-se a transformação da austenita em seus produtos normais. Em resumo: na têmpera, aquece-se o aço acima de sua zona crítica, durante o tempo necessário, em função da seção das peças, seguido de resfriamento rápido em um meio como o óleo, água, salmoura ou mesmo ar.

37 Tratamentos Térmicos Tempera e Revenimento No resfriamento que se segue, a estrutura será constituída de martensita e dos mesmos carbonetos secundários, os quais, possuindo dureza elevada, não apresentam qualquer inconveniente, pois o que se visa exatamente na tempera é obter a máxima dureza.

38 Tratamentos Térmicos Tempera e Revenimento Admite-se que a martensita apresenta uma estrutura tetragonal compacta, resultante de um movimento de átomos em planos específicos da austenita. Essa estrutura, além de estar supersaturada de carbono, pode apresentar particulas de carbonetos grandemente dispersas e caracteriza-se por estar em estado de elevadas tensões; o reticulado da martensita apresenta-se ainda distorcido.

39 Tratamentos Térmicos Tempera e Revenimento O estado de altas tensões, a distorção do reticulado e a dureza extremamente elevada da martensita constituem inconvenientes que devem ser atenuados ou corrigidos. Para isso, submete-se o aço temperado à operação de revenimento.

40 Tratamentos Térmicos Tempera e Revenimento O revenido visa, portanto, corrigir os excessos da tempera ou, em particular, aliviar, senão eliminar totalmente, as tensões e corrigir a excessiva dureza e consequente fragilidade do material, melhorando sua ductilidade e resistência ao choque. A operação de revenido é realizada no aço temperado, imediatamente após a tempera, a temperaturas abaixo da zona crítica. A temperatura será escolhida de acordo com os resultados finais desejados: aliviar apenas as tensões ou eliminá-las completamente e produzir redução de certo modo apreciável da dureza.

41 Tratamentos Térmicos Tempera e Revenimento Originam-se, conforme as faixas de aquecimento da martensita, transformações estruturais, as quais determinam as propriedades finais do material. O gráfico mostra o efeito da temperatura de revenico sobre a dureza e a resistência ao choque de um aço-carbono temperado.

42 Tratamentos Térmicos Tempera e Revenimento - Fofo Objetivam, como no caso de aços, aumentar a resistência mecânica, a dureza e a resistência ao desgaste. O material é aquecido acima da zona crítica, a temperaturas e durante tempos que dependem muito da composição do ferro fundido. O resfriamento é realizado geralmente em óleo ou ao ar em ferros fundidos cinzentos altamente ligados. O revenido, após a têmpera, reduz a fragilidade, alivia as tensões, diminui a dureza e melhora a tenacidade. As temperaturas de revenido variam de 370 C a 600 C, as mais elevadas aplicando-se a ferros fundidos cinzentos ligados.

43 Tratamentos Térmicos Tempera Superficial Essa operação tem por objetivo produzir um endurecimento superficial, pela obtenção de martensita apenas na camada externa do aço. É aplicado em peças que, pela sua forma e dimensões, são impossíveis de temperar inteiramente, ou quando se deseja alta dureza e alta resistência ao desgaste superficiais, aliadas a boa ductilidade e tenacidade no núcleo das peças.

44 Tratamentos Térmicos Tempera Superficial Por chama É um tratamento rápido que, além disso, não exige fornos de aquecimento. Em função da fonte de aquecimento, a têmpera superficial compreende dois processos: Têmpera por chama; Têmpera por indução.

45 Tratamentos Térmicos Tempera Superficial Por chama A superfície a ser endurecida é rapidamente aquecida à temperatura de austenitização por intermédio de uma chama de oxiacetileno e é logo a seguir esfriada por meio de um borrifo de água.

46 Tratamentos Térmicos Tempera Superficial Por Indução O calor é gerado na própria peça por indução eletromagnética, utilizando-se, para isso, bobinas de indução através das quais flui uma corrente elétrica. Pode-se controlar a profundidade de aquecimento pela forma da bobina, espaço entre a bobina de indução e a peça, taxa de alimentação da força elétrica, frequência e tempo de aquecimento.

47 Tratamentos Térmicos Tratamentos Isotérmicos O conhecimento dos diagramas de transformação isotérmica permitiu desenvolver novos tipos de tratamentos térmicos, visando um deles em particular, a obtenção da estrutura bainita. Os dois tratamentos isotérmicos mais importantes são: Austêmpera; Martêmpera.

48 Tratamentos Térmicos Tratamentos Isotérmicos - Austêmpera Consiste no aquecimento do aço a temperaturas acima da crítica, seguido de esfriamento rápido de modo a evitar a transformação da austenita, até o nível de temperaturas correspondentes à formação de bainita. O aço é mantido a essa temperatura o tempo necessirio para que a transformação da austenita em bainita se complete.

49 Tratamentos Térmicos Tratamentos Isotérmicos - Austêmpera A bainita é uma estrutura que, de um modo geral, substitui uma estrutura martensítica revenida. Entre as vantagens, deve-se mencionar o fato de que as tensões internas resultantes no processo são muito menores, não ocorrendo praticamente qualquer empenamento das peças tratadas.

50 Tratamentos Térmicos Tratamentos Isotérmicos - Martêmpera Na mantémpera o objetivo é obter martensita, como na têmpera. Entretanto, o tratamento difere da tempera comum, porque, ao atingir, no resfriamento, a lintua Mi de início de formação da martensita, o resfriamento é retardado, de modo a que esta se forme mais lentamente. O meio de resfriamento deve ser mantido a uma temperatura correspondente à linha Mi ou pouco acima. O material é mantido nessa temperatura, durante um tempo suficiente para que ela fique uniforme através de toda a sua seção. Em seguida, as peças são resfriadas ao ar.

51 Tratamentos Térmicos Tratamentos Isotérmicos - Martêmpera A formação da martensita se dá de modo uniforme através de toda a seção da peça e evita-se o aparecimento de quantidade excessiva de tensões internas. O tratamento de martêmpera diminui o risco de empenamento das peças durante o tratamento. As propriedades de um aço martemperado e revenido são idénticas às de um aço temperado e revenido.