TRATAMENTO TÉRMICO DOS AÇOS

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1 TRATAMENTO TÉRMICO DOS AÇOS Tratamento térmico é o conjunto de operações de aquecimento e resfriamento a que são submetidas os aços, sob condições controladas de temperatura, tempo, atmosfera e velocidade de esfriamento, com o objetivo de altera as suas propriedades ou conferir-lhes característicos determinados. As propriedades dos aços dependem, em principio, da sua estrutura, os tratamentos térmicos modificam, em maior ou menor escala, a estrutura dos aços, resultando, em conseqüência na alteração, mais ou menos pronunciada, de suas propriedades. Pelo exposto acima se pode perfeitamente avaliar a importância dos tratamentos térmicos, sobretudo nos aços de alto carbono e nos que apresentam também elementos de liga. De fato se geralmente muitos aços de baixo e médio carbono são usados nas condições típicas do trabalho a quente, isto é, nos estado forjado e laminado, quase todos os aços de alto carbono ou com elementos de liga, são obrigatoriamente submetidos a tratamentos térmicos antes de serem colocados em serviço. Os principais objetivos dos tratamentos térmicos são os seguintes: Remoção de tensões internas (oriundas de esfriamento desigual, trabalho mecânico ou outra causa). Aumento ou diminuição da dureza. Aumento da resistência mecânica. Melhora da ductilidade. Melhora da usinabilidade. Melhora da resistência ao desgaste. Melhora das propriedades de corte. Melhora da resistência à corrosão. Melhora da resistência ao calor. Modificação das propriedades elétricas e magnéticas. Em geral a melhora de uma ou mais propriedades mediante um determinado tratamento térmico é conseguida com prejuízo de outras. Por exemplo, o aumento da ductilidade provoca simultaneamente queda nos valores de dureza e resistência à tração. E necessário, pois que o tratamento térmico seja escolhido e aplicado criteriosamente, m pra que os inconvenientes apontados sejam reduzidos ao mínimo. Não se verifica pela simples aplicação de um tratamento térmico, qualquer alteração da composição química do aço. FATORES DE INFLUÊNCIA NOS TRATAMENTOS TÉRMICOS Antes de serem definidos e descritos os vários tratamentos térmicos, será feita uma rápida recapitulação dos diversos fatores que devem ser levados em conta na sua realização. Representando o tratamento térmico um ciclo tempo-temperatura, os fatores a serem inicialmente considerados são: aquecimento, tempo de permanência à temperatura e resfriamento. Além desses, outro de grande importância é a atmosfera do recinto de aquecimento, visto que a sua qualidade tem grande influencia sobre os resultados finais dos tratamentos térmicos. Aquecimento o caso mais freqüente de tratamento térmico do aço é alterar uma ou diversas de suas propriedades mecânicas, através de uma determinada modificação que se processa na sua estrutura. Assim sendo, o aquecimento é geralmente realizado a uma temperatura acima da crítica, porque então se tem completa austenitização do aço, ou seja, total dissolução do carboneto de ferro (Fe 3 C) no ferro gama: essa austenitização é, como se viu o ponto de partida para as transformações posteriores desejadas, as quais se processarão em função da velocidade de esfriamento adotada. Na fase de aquecimento, dentro do processo de tratamento térmico, devem ser apropriadamente consideradas a velocidade de aquecimentos e a temperatura máxima de aquecimento. A velocidade de aquecimento embora na maioria dos casos seja fator secundário apresenta certa importância, principalmente quando os aços estão em estado de tensão interna ou possuem tensores residuais devidas ao encruamento prévio dos grãos. Resfriamento é o fator mais importante, pois é ele que determinará efetivamente a estrutura e, em conseqüência, as propriedades finais dos aços. Os meios de esfriamentos usuais são: ambiente do forno, ar e meios líquidos. O resfriamento mais brando é, evidentemente, o realizado no próprio interior do forno e ele se torna mais severo á medida que se passa para o ar ou para um meio liquido, onde a extrema agitação dá origem aos meios de resfriamento mais drásticos ou violentos. Por outro lado, outras vezes a forma da peça é tal que um resfriamento mais drástico, como em água, pode provocar conseqüências inesperadas e resultados indesejáveis tais como empenamento e mesmo ruptura da peça. Um meio de resfriamento menos drástico, como óleo, seria o indicado sob o ponto de vista de empenamento ou ruptura, porque reduz o gradiente de temperatura apreciavelmente durante o resfriamento, mas pode não satisfazer sob o ponto de vista de profundidade de endurecimento. E preciso então, conciliar as duas coisas: resfriar adequadamente para obtenção da estrutura e dados propriedades desejadas à profundidade prevista e, ao mesmo

2 tempo, evitar empenamento, distorção ou mesmo ruptura da peça quando submetida ao resfriamento. Tal condição se consegue com a escolha apropriada do aço. Os meios de resfriamento mais comumente utilizados são: soluções aquosas, água, óleo e ar. Os meios mais drásticos são as soluções aquosas de vários tipos. Há diferenças de comportamento entre vários tipos de óleo, devido, sobretudo à diferença de viscosidade e as características de formação de vapor dos mesmos. A água, à medida que se aquece, perde sua eficácia, fato esse que não deve ser esquecido ao usar-se esse líquido com meio de resfriamento, pois se o seu volume não for suficiente ela se aquecerá excessivamente, perdendo rapidamente a sua eficácia, evita-se esse inconveniente pelo uso de água corrente em vez de água em repouso, ou pelo seu resfriamento continuo. No caso dos óleos, o efeito da temperatura não é tão sensível, mas como medida de segurança, deve-se evitar que sua temperatura suba muito, para o que se utiliza frequentemente um sistema apropriado de circulação. Os tratamentos térmicos usuais dos aços são: recozimento, normalização, tempera, revenido, coalescimento e os tratamentos isotérmicos. Outro fator importante é o efeito da velocidade de resfriamento que atua sobre a transformação da austenita. Os constituintes resultantes da transformação da austenita ferrita, cementita e perlita, de acordo com sua quantidade relativa, permitem uma variação nas propriedades mecânicas dos aços. Esse efeito dos constituintes obtidos pela decomposição lenta da austenita sobre as propriedades mecânicas dos aços, se bem apreciável, está longe de comparar-se, entretanto, ao efeito que pode ser conseguido pelo rápido esfriamento da austenita. De fato, a formação da ferrita e da cementita e consequentemente da perlita exigem a mudança do reticulado cristalino do ferro, assim como o movimento de átomos, através da austenita sólida, tais modificações levam tempo. Em conseqüência, se for aumentada à velocidade de esfriamento da austenita, ou seja, se o aço é esfriado mais rapidamente, não se dá tempo suficiente para uma completa movimentação atômica e as reações de transformações da austenita se modificam, podendo mesmo deixar de formar os constituintes normais como a perlita e surgirem novos constituintes, de grande importância para a aplicação dos aços. Seja um aço eutetóide, esse aço apresenta uma única temperatura critica a 723ºC. Abaixo dessa temperatura tem-se só perlita, em condições de esfriamento extremamente lento. Com velocidades de esfriamento cada vez maiores, o produto que resulta da transformação, até certa velocidade de esfriamento, ainda é perlita. Ao se atingir certa velocidade, a uma temperatura mais baixa, aparece junto com a precedente, uma nova transformação, dando origem a uma constituinte completamente diferente, a martensita. Dentro de certa faixa de velocidade de esfriamento há, portanto, formação simultânea de constituintes, perlita e martensita. Finalmente, para certa velocidade de esfriamento, desaparece inteiramente a primeira transformação e cessa, portanto, a formação da perlita; permanece só a segunda transformação, tendo como produto resultante a martensita. A velocidade de resfriamento em que isso acontece dá-se o nome de velocidade crítica de esfriamento, de grande importância no estudo dos tratamentos térmicos dos aços. Constituintes resultantes da transformação da austenita e seus característicos. Logo abaixo da temperatura de 723ºC a velocidade de transformação é muito baixa, forma-se perlita lamelar, de granulação grosseira e de baixa dureza (Rockwell C de 5 a 20). À medida que a temperatura cai, em torno de 550 ºC, a perlita que se forma adquire textura cada vez mais fina e dureza cada vez mais elevada, Rockwell C de 30 a 40, ou cerca de 400 Brinell. Para diferenciá-lo da perlita lamelar normal, esse constituinte é chamado de perlita fina. É a forma mais dura da perlita e a que apresenta as lamelas mais finas. A espessura é tão pequena, que dificilmente elas são perceptíveis ao microscópio. Á temperatura entre 550 e 220 ºC, novamente há necessidade de um tempo mais longo para se iniciar a transformação da austenita. Nessa faixa de temperaturas o produto de transformação resultante varia de aspecto, desde um agregado de ferrita em forma de pena e carboneto de ferro muito fino, em torno de 450 ºC ate um constituinte em forma de agulha com coloração escura (em torno de 200 ºC) e sua dureza varia de 40 a 60 Rockwell C. Finalmente, na faixa de temperatura em torno de 200 ºC a 100 ºC forma-se um constituinte novo, totalmente diverso dos anteriores, cuja formação depende exclusivamente da temperatura a martensita. Apresenta-se em agulhas, mas com coloração

3 mais clara. A verdadeira natureza da martensita não foi convenientemente explicada durante muito tempo. Sabendo-se que a estrutura martensítica doa aços temperados é magnética, chega-se à conclusão que o reticulado da martensita assemelha-se ao do ferro alfa. Figura 1 Constituintes da transformação da austenita. Como se pode observar na Figura 1 a apresentação dos constituintes resultantes da transformação da austenita e seus característicos. Logo abaixo da linha de 723 ºC zona em que a velocidade de transformação é muito baixa, forma-se perlita lamelar, de granulação grosseira e de baixa dureza (Rockwell C de 5 a 20). À medida que a temperatura cai, nas proximidades do cotovelo da curva, em torno de 550 ºC, a perlita que se forma adquire textura cada vez mais fina e dureza cada vez mais elevada, Rocwell C de 30 a 40, ou cerca de 400 Brinell. Para diferenciá-la da perlita lamelar normal, esse constituinte é chamado de perlita fina (termo antigo usado para designá-lo é troostita). É a forma mais dura da perlita e a que apresenta as lamelas mais finas. A espessura das lamelas é tão pequena, que dificilmente elas são perceptíveis ao microscópio. A temperatura entre 550 ºC e 200 ºC, novamente há necessidade de um tempo mais longo para se iniciar a transformação da austenita. Nessa faixa de temperaturas o produto de transformação resultante varia de aspecto, desde um agregado de ferrita em forma de pena e carboneto de ferro muito fino, em torno de 450 ºC, até um constituinte em forma de agulhas com coloração escura (em torno de 200 ºC). Todas essas estruturas são hoje designadas com nome de bainita e sua dureza varia de 40 a 60 RC. Finalmente, na faixa de temperaturas de M i (em torno de 200 ºC) a M f (em torno de 100 ºC) forma-se um constituinte novo, totalmente diverso dos anteriores, Cuja formação depende exclusivamente da temperatura, a martensita. Sua aparência e forma são semelhantes as da bainita, isto é, apresenta-se em agulhas, mas com coloração mais clara. A verdadeira natureza da martensita não foi convenientemente explicada durante muito tempo. Sabendo-se que a estrutura martensítica dos aços temperados é magnética, chega-se a conclusão que o reticulado da martensita assemelha-se ao do ferro alfa. Por outro lado, ficou provado experimentalmente, desde há muito tempo, que a resistividade elétrica da martensita é consideravelmente mais alta que a dos aglomerados ferritacementita, qualquer que seja o seu grau de dispersão. Com os valores elevados de resistividade elétrica são característicos de soluções solidas perfeitas. Atualmente, entretanto, admite-se definitivamente a formação da martensita como uma reação por cisalhamento, através dos planos cristalográficos, de modo tão rápido que não pode ser evitada mesmo por resfriamento rápido. Este esfriamento rápido transforma em alfa a forma alotrópica do ferro, a qual retém as laminas estreitas, e alongadas de austenita provenientes do cisalhamento, as quais são realmente laminas de martensita que se apresentam, em microseçoes, como agulhas longas e finas. Desenvolvem-se como se deveria espera, tensões internas apreciáveis. A martensita apresenta um reticulado tetragonal e sua dureza é muito elevada, podendo atingir 65 a 67 RC. Em vista do exposto, essa alta dureza da martensita pode ser atribuída entre outros, aos seguintes fatores: - Precipitação de partículas submicroscopicas de carboneto de ferro da solução sólida gama e retenção destas partículas na forma de uma solução sólida supersaturada no reticulado do ferro alfa (formada no resfriamento) onde atuam como espécies de chavetas impedindo o escorregamento. - Distorção do reticulado. - Tensões internas. - Tamanho de grão muito pequeno. Como se pode observar na Figura 2 que representa as curvas de resfriamento no diagrama de transformação para resfriamento contínuo. Um aço esfriado muito lentamente, no forno, por exemplo, (curva A), começa a se transformar em perlita ao atingir o ponto A i e ao atingir o ponto A f é inteiramente constituído de perlita. Essa perlita é de granulação grosseira e mole; logo, aços esfriados muito lentamente apresentam, à temperatura ambiente, o constituinte perlita grosseira e são de baixa dureza.

4 Figura 2 - resfriamento no diagrama de transformação para resfriamento contínuo. Com o esfriamento mais rápido, ao ar, por exemplo, (curva B), o aço apresentará perlita mais fina, com dureza mais elevada. Com velocidade de esfriamento maior, ao óleo (curva C), a transformação iniciada em C i e terminada em C f dá como constituinte perlita mais fina ainda, com dureza maior. Com resfriamento ainda mais rápido (Curva D) verifica-se que o início de transformação se dá no ponto D i. A velocidade de esfriamento agora é tal a curva de esfriamento não toca na curva de fim de transformação, de modo que a transformação em perlita apenas se inicia, interrompendo-se em seguida e, ao atingir o ponto D mi, a austenita que não se transformou passa a martensita, cuja formação termina em D mf. A estrutura resultante dessa velocidade de esfriamento é simultaneamente perlita e martensita. Com esfriamento muito rápido (curva F), em água, verifica-se que a curva de esfriamento não toca a curva isométrica, de modo que não há transformação da austenita em produto lamelar, mas simplesmente passagem a martensita, quando, no esfriamento, são atingidas as temperaturas correspondentes a M i e M f. Logo, os aços esfriados mais rapidamente são os mais duros. Pode-se notar que há uma velocidade de esfriamento à qual corresponde uma curva de esfriamento que tangencia a curva C de inicio de transformação para esfriamento contínuo. A essa velocidade de esfriamento chama-se velocidade crítica de tempera e ela indica que é desnecessário esfriar-se o aço mais rapidamente para que se produza estrutura martensítica. Pode-se definir a velocidade crítica de esfriamento (ou de tempera) como a menor velocidade de esfriamento que produzirá estrutura inteiramente martensítica. A velocidade de esfriamento e, em última analise, o tipo de tratamento térmico será, portanto, escolhido de acordo com a estrutura e as propriedades que se desejam. Assim quando se visa obter a máxima dureza, deve-se procurar produzir a estrutura martensítica, isto é, escolher um tratamento térmico com esfriamento rápido. Quando se visa o mínimo de dureza, é necessária estrutura perlítica, ou seja, esfriamento lento. A consideração da velocidade de esfriamento muito baixa, para obtenção da estrutura perlítica ou muito alta, para obtenção da estrutura martensítica, é valida para todo aço que apresentar uma curva TTT vide Figura 2. Ver-se-á mais adiante que a posição dessas curvas pode ser grandemente modificada por inúmeros fatores, verificando-se então que a estrutura martensítica pode ser obtida com velocidades de esfriamento relativamente baixas. Por outro lado, velocidades muito rápidas de esfriamento podem ocasionar conseqüências sérias, como tensões internas excessivas, empenamento das peças e até mesmo o aparecimento de fissura. Isto significa que ou devem ser sacrificadas as propriedades finais do aço mediante um tratamento térmico com esfriamento menos drástico ou se deve procurar um aço que possibilite obtenção da máxima dureza com menor velocidade de esfriamento. Finalmente, resta notar que para aços com diagrama semelhante o da Figura 1 não há uma curva de esfriamento que permita a formação da estrutura bainita. De fato, como se verá mais adiante, a bainita só é obtida em tratamento isotérmico, isto é, tratamento em que o esfriamento é interrompido a temperatura correspondente a formação da bainita pra, depois que esta se formou prosseguir até a temperatura ambiente. A velocidade de esfriamento é afetada pela secção da peça, pois é obvio que o interior das peças se esfria mais lentamente que a sua superfície. A diferença é tanto maior quanto maior a velocidade de esfriamento e, evidentemente, quanto maior a secção da peça. Esse fato é mais bem evidenciado através das figuras 3, 4 e 5 onde está representado esquematicamente o esfriamento do centro e o da superfície de uma peça em três meios de esfriamentos diferentes. Em água ou salmoura (meios mais drásticos) vide Figura 3, a superfície esfriou com velocidade superior a velocidade critica de esfriamento, ou seja, a superfície adquiriu inteiramente a estrutura martensítica e, portanto, a máxima dureza. O centro da peça sofreu parcialmente a transformação da austenita em perlita, tendo a parte não transformada passado a martensita, ou seja, o centro adquiriu em parte dureza máxima.

5 Figura 3 Esfriamento em água. Em óleo, só a superfície passou parcialmente a martensita e no ar nem mesmo a superfície vide Figura 4. Figura 4 Esfriamento em óleo. Figura 5 Esfriamento ao ar Se a secção da peça for maior, a diferença é mais acentuada e o aspecto, com o resfriamento em água, poderá ser o da Figura 6 isto é, mesmo em água o centro não endureceu nem parcialmente. Figura 6 Representação esquemática do efeito de grande secção sobre a velocidade de esfriamento em água. Recozimento - é o tratamento térmico que é realizado com o fim de alcançar um ou vários dos seguintes objetivos: Remover tensões devidas aos tratamentos mecânicos a frio ou a quente. Diminuir a dureza para melhorar a usinabilidade do aço Alterar as propriedades mecânicas como resistência e ductilidade. Ajustar o tamanho de grão. Eliminar enfim os efeitos de quaisquer tratamentos térmicos ou mecânicos a que o aço tiver sido anteriormente submetido. Recozimento total ou pleno consiste no aquecimento do aço acima da zona crítica, durante o tempo necessário e suficiente para se ter solução do carbono ou dos elementos de liga no ferro gama, seguido de um resfriamento muito lento, realizado ou mediante controle da velocidade de resfriamento do forno, ou desligando-se o mesmo e deixando que o aço resfrie, ao mesmo tempo que o forno. Os constituintes estruturais que resultam do recozimento pleno são: perlita grossa e ferrita para os aços hipo-eutetóides, cementita e perlita grossa para os aços hiper-eutetóides e perlita grossa para os aços eutetóides. Como se pode observar na Figura 7 temos o recozimento pleno de um aço eutetoide onde se tem como constituinte, a perlita somente e esta é a perlita grosseira, que é a estrutura ideal para melhorar a usinabilidade dos aços.

6 Figura 7 recozimento pleno de um aço eutetoide. Recozimento para alívio de tensões - consiste no aquecimento do aço a temperaturas abaixo do limite inferior da zona crítica. O objetivo é aliviar as tensões originadas durante a solidificação ou produzidas em operações de transformação mecânica a frio, como estampagem profunda, e ou em operações de endireitamento, corte por chama, soldagem ou usinagem. Essas tensões começam a ser aliviadas a temperaturas logo acima da ambiente; entretanto, é aconselhável aquecimento lento até pelo menos 500 ºC para garantir os melhores resultados. De qualquer modo, a temperatura de aquecimento deve ser mínima compatível com o tipo e as condições da peça, para que não se modifique sua estrutura interna, assim como não se produzam alterações sensíveis de suas propriedades mecânicas. Normalização consiste no aquecimento do aço a uma temperatura acima da zona crítica, seguido de resfriamento ao ar vide Figura 8. tratamento melhora também a uniformidade da microestrutura. A normalização e ainda usada como tratamento preliminar a tempera e revenido justamente par reproduzir estrutura mais uniforme do que a obtida pro laminação, por exemplo. Além de reduzir a tendência ao empenamento e facilitar a solução de carbonetos e elementos de liga. Sobretudo nos aços-liga, quando os mesmo são esfriados lentamente após a laminação, os carbonetos tendem a ser, maciços e volumosos, difíceis de dissolver em tratamentos posteriores de austenitização. A normalização corrige esse inconveniente. Os constituintes que se obtém na normalização são ferrita e perlita fina, perlita fina ou cementita e perlita fina. Tempera - consiste no resfriamento rápido do aço de uma temperatura superior a sua temperatura crítica. O objetivo precípuo da tempera é a obtenção da estrutura martensítica. A velocidade de resfriamento, nessas condições, dependerá do tipo de aço, da forma e das dimensões das peças. Como na tempera o constituinte final desejado é a martensita, os objetivos desta operação, sob o ponto de vista de propriedades mecânicas, é o aumento do limite de resistência à tração do aço e da sua dureza, na realidade, o aumento da dureza deve verificar-se até uma determinada profundidade. Resultam da tempera também a redução de ductilidade (baixos valores de alongamento e estricção), da tenacidade e o aparecimento de apreciáveis tensões internas. Tais inconvenientes são atenuados ou eliminados pelo revenido, vide Figura 9. Figura 9 Diagrama esquemático para a tempera. Figura 8 Normalização. A normalização visa refinar a granulação grosseira de peças de aço fundido principalmente, frequentemente, e com o mesmo objetivo, a normalização é aplicada em peças depois de laminadas ou forjadas. O Para que a tempera seja bem sucedida vários fatores devem se levados em conta. Inicialmente, a velocidade de esfriamento deve ser tal que impeça transformação da austenita nas temperaturas mais elevadas, em qualquer parte da peça que se deseja endurecer. De fato as transformações da austenita nas altas temperaturas podem dar como resultado, estruturas mistas, as quais ocasionam o

7 aparecimento de pontos moles alem de conferirem ao aço, baixos valores para o limite de escoamento e para resistência ao choque. Portanto, a secção das peças constitui outro fator importante porque pode determinar diferenças de esfriamento entre a superfície e o centro. Em pequenas ou de pequena espessura, essa diferença é desprezível. O mesmo, contudo, não se dá com peças de grandes dimensões, no centro das quais, a velocidade de esfriamento é menor do que na superfície resultando estruturas de transformação mistas, a não ser que o teor de elementos de liga do aço seja suficiente para impedir essa transformação e produzir somente a estrutura martensítica. Às vezes, por outro lado, é conveniente um núcleo mais mole e, então, escolhe-se um aço e uma velocidade de esfriamento que produzam superfícies duras e núcleos naquelas condições. A razão da alta dureza da martensita já foi estudada, para manter clareza será repetida e ampliada a seguir: O carbono dissolve-se prontamente no fero gama, mas praticamente insolúvel no ferro alfa. Os átomos de carbono no ferro gama se distribuem nos espaços entre os átomos de ferro, isto é, no interior das unidades cúbicas de face centrada. Entretanto, os espaços entre os átomos de ferro no reticulado cúbico centrado do ferro alfa são incapazes de acomodar átomos de carbono sem que se produza considerável deformação do reticulado. Esse é o motivo da baixa solubilidade do carbono no ferro alfa. Quando a austenita é resfriada a uma temperatura em que não é mais estável, o ferro gama passa a alfa e o carbono é expulso da solução sólida, combinando-se com o ferro de modo a formar o carboneto Fe 3 C. Este Fe 3 C possui um reticulado complexo como poucos planos de escorregamentos e é extremamente duro. Com o ferro forma, como se sabe o constituinte perlita. Quando se aumenta a velocidade de esfriamento da austenita, ode-se chegar a uma velocidade tão alta que não permite a expulsão do carbono da solução sólida para formar o Fe 3 C, verificando-se somente passagem da forma alotrópica do ferro de gama a alfa. Tem-se, então, uma solução sólida supersaturada de carbono em ferro alfa, constituindo a martensita, cuja extrema dureza deve ser atribuída à distorção do reticulado cúbico centrado, causada pela supersaturação. Admite-se hoje que a martensita apresenta uma estrutura tetragonal centrada e não cúbica formada por um movimento de átomos em planos específicos da austenita. Essa estrutura está sujeita a micro-tensões elevadas e se apresenta também supersaturada de carbono ou contém partículas de carbonetos grandemente dispersas. Como já foi mencionado a martensita é constituinte mais duro e mais frágil dos aços. Um fator importante a considerar na operação de tempera, devido à ação que exerce na estrutura final do aço, é a temperatura de aquecimento. Em princípio, qualquer que seja o tipo de aço, hipoeutetóide ou hipereutetóide, a temperatura de aquecimento para a tempera deve ser superior a 723 ºC, quando a estrutura consistirá de grãos de austenita, em vez de perlita. O aço sendo hipoeutetóide, entretanto, além da austenita, estará presentes grãos de ferrita. Assim sendo, um aço com tal estrutura resfriado em água, por exemplo, apresentará martensita conjuntamente com ferrita, pois esta que estava presente acima da temperatura dita anteriormente, não sofreu qualquer alteração ao ser o aço temperado. Tem-se, portanto, tempera ou endurecimento incompleto do material, pois muitos enganam não elevam a temperatura acima de 723 ºC para realizar a tempera, o que geralmente deve ser evitado, pois na tempera visa obter a máxima dureza. Em conseqüência, ao aquecer-se um aço hipoeutetóide para tempera, deve-se elevar sua temperatura acima de 723 ºC para então a sua estrutura consistir exclusivamente de austenita. Que se transformará em martensita no resfriamento rápido. Enfim o que foi exposto sobre a natureza da estrutura martensítica, conclui-se que a mesma se caracteriza por excessiva dureza e por apresentar tensões internas consideráveis. Simultaneamente a essas tensões, por assim dizer estruturais, o aço temperado caracteriza-se por apresentar apreciáveis tensões térmicas. Estas são ocasionadas pelo fato de que materiais resfriados rapidamente esfriam de maneira não uniforme, visto que a sua superfície atinge a temperatura ambiente mais rapidamente do que as secções mais centrais, ocasionando mudanças volumétricas não uniformes, com as camadas superficiais contraindo mais rapidamente do que as secções internas. Como conseqüência, tem-se a parte central sob compressão e as camadas mais extremas sob tensão. Em ultima analise, pois, após temperado, o aço apresenta-se em estado de apreciáveis tensões internas, tanto de natureza estrutural como de natureza térmica. Quando estas tensões internas ultrapassarem o limite de

8 escoamento do aço, ocorre sua deformação plástica e as peças apresentar-se-ão empenadas, se, entretanto, as tensões internas excederem o limite de resistência a tração do material, então ocorrerão inevitáveis fissuras e as peças estarão perdidas. Essas tensões internas no podem ser totalmente evitada, podem, contudo, ser reduzidas, através de vários artifícios práticos e de vários tratamentos térmicos. Os inconvenientes apontados, excessiva dureza da martensita e estado de tensões internas são atenuados pela ré-aquecimento do aço temperado a temperaturas determinadas. É obvio que tal operação torna-se inócua se as tensões internas originadas tiverem sido de tal vulto de modo a provocar a inutilização das peças. Revenido é o tratamento térmico que sempre acompanha a tempera, pois elimina a maioria dos inconvenientes produzidos por ela, além de aliviar ou remover as tensões internas, corrige as excessivas dureza e fragilidade do material, aumentando sua ductilidade e resistência ao choque. Recomenda-se revenir logo após a tempera, para diminuir a perda de peças por ruptura, a qual pode ocorrer se aguardar muito tempo para realizar o revenido. O aquecimento da martensita permite a reversão do reticulado instável ao reticulado estável cúbico centrado, produz reajustamentos internos que aliviam as tensões e, além disso, uma precipitação de partículas de carbonetos que crescem e se aglomeram, conforme a temperatura e o tempo. Conforme a temperatura de revenido verifica-se as seguintes transformações: Entre 150 ºC e 230 ºC, o reticulado tetragonal torna-se cúbico, qualquer austenita residual se transforma, certa quantidade de carbonetos precipita-se, o que produz uma estrutura que, quanto atacada por reagente adequado, aparece escura, donde a denominação de martensita preta. Esta estrutura também chamada de martensita revenida com queda de dureza de 65 a 60 RC. Entre 230 ºC e 400 ºC prossegue precipitação de carbonetos e seu crescimento se dá em forma globular. Tais glóbulos são ainda imperceptíveis ao microscópio é uma massa escura chamada perlita fina (troostina nome antigo), com dureza cerca de 62 a 50 RC. Entre 400 ºC e 650 ºC prossegue o crescimento dos carbonetos em forma globular, tornando-se agora os glóbulos perceptíveis ao microscópio com grandes ampliações. As estruturas resultantes apresentam dureza variando de 20 a 45 RC. Entre 650 ºC e 723 ºC, os carbonetos continuam a crescer e aparecem na foram de partículas globulares perfeitamente perceptíveis, distribuídas num fundo ou matriz ferrítica continua. A estrutura resultante é de dureza muito baixa, variando de 5 a 20 RC, sendo também muito tenaz. Como se pode observar as afirmações acima a temperatura de revenido pode ser escolhida de acordo com a combinação de propriedades mecânicas que se deseja no aço temperado. Coalescimento qualquer tratamento capaz de produzir esferoidita é chamado de coalescimento. Esse tratamento é aplicado principalmente em aços hipereutetóides e pode consistir em qualquer um das seguintes operações: Aquecimento prolongado de aços laminado ou normalizado a uma temperatura logo abaixo da zona crítica. Aquecimento e resfriamento alternados entre temperaturas logo acima da zona crítica, ou seja, fazer a temperatura oscilar em torno da temperatura 723 ºC. O coalescimento, originando a esferoidita, da como resultado uma dureza muito baixa, normalmente inferior à da perlita grosseira, obtida no recozimento. Nessas condições objetiva-se com o coalescimento facilitar certas operações de deformação a frio e usinagem de aços de alto teor em carbono. Tratamentos Superficiais Tratamentos Superficiais o endurecimento superficial dos aços, em grande numero de aplicações de peças de máquinas, é, freqüentemente, mais conveniente que seu endurecimento total pela tempera normal, visto que, nessas aplicações, se objetiva apenas a criação de uma superfície dura e de grande resistência ao desgaste e à abrasão. O endurecimento superficial pode ser produzido por vários métodos, a saber: Tratamento mecânico da superfície, através do qual se obtém uma superfície encruada, com resistência e dureza crescentes, em função da sua intensidade. Tratamentos termoquímicos, tais como cementação e nitretação. Tempera superficial. Tempera superficial consiste em produzir uma tempera localizada apenas na superfície do aço,

9 que assim adquirirá as propriedades e característicos típicos da estrutura martensítica. Vários são os motivos que determinam a preferência da tempera superficial em relação a tempera total: Obtenção de superfícies duras e resistentes ao desgaste em peças de aço que face às suas dimensões ou às tolerâncias dimensionais exigidas seria impossível endurecer convenientemente através de toda a secção. Obtenção de propriedades superficiais que não seriam indicadas para a secção inteira das peças. Finalmente, obtenção de combinação de altas resistências ao desgaste e dureza na superfície com suficiente ductilidade e tenacidade no núcleo das peças. Alem dessas, a tempera superficial apresenta outras vantagens, tais como: não exige fornos de aquecimento, é mais rápida que a tempera comum, pode ser realizada praticamente em qualquer local da oficina, não produz apreciável oxidação ou descarbonetação do aço, permite emprego de aços de custo mais baixo. Os processos usuais de tempera superficial são tempera por chama vide Figura 10 e Figura 11 e tempera por indução. Figura 10 Tempera por chama formarem faixas mais moles com alguns milímetros de largura. Para evitar-se esse inconveniente, prefere-se aquecer a superfície com um a torcha de chama múltipla e forma anular, que se movimenta ao longo da peça girando rapidamente. O bocal de resfriamento apresenta também forma anular. A espessura da camada endurecida pode variar desde apenas uma casca superficial até cerca de 10 mm. Figura 12 Tempera por indução Na tempera por indução Figura 12 o calor para aquecer uma peça pode ser gerado na própria peça por indução eletromagnética. Assim se uma corrente alternada flui através de um indutor, ou bobina de trabalho, estabelecese nesta um campo magnético altamente concentrado, o qual induz um potencial elétrico na peça a ser aquecida e envolvida pela bobina e, como a peça representa um circuito fechado, a voltagem induzida provoca o fluxo de corrente. A resistência da peça ao fluxo da corrente induzida causa aquecimento por perda I 2 R. O modelo de aquecimento obtido por indução depende da forma da bobina de indução que produz o campo magnético, do número de voltas da bobina, da freqüência de operação e da força elétrica da corrente alternada, vide Figura 13 e Figura 14. Figura 11 Tempera por chama Existem inúmeros dispositivos utilizados na operação, no caso mais simples de formas cilíndricas, leva-se a efeito o tratamento através da utilização de um dispositivo semelhante ao torno, entre as pontas do qual é colocada a peça, sendo a torcha de oxi-acetileno e o bocal de água colocado no carro do torno. A peça gira a uma velocidade periférica determinada, ao mesmo tempo em que a torcha, dimensionada de modo a abranger a área que se deseja endurecer, aquece sucessivamente a superfície, seguindose imediatamente o resfriamento pela água. Com esta disposição, há probabilidade de se Figura 13 - Tempera por indução.

10 Tratamentos Termoquímicos Figura 14 Tempera por indução Nestas peças sujeitas a cargas leves a moderadas, uma camada endurecida varia entre 0,25 a 1,5 mm fornecendo uma boa resistência ao desgaste. Por outro lado, a tempera superficial por indução de barras e eixos até profundidades de 3,2 a 12,7 mm resulta em resistência à fadiga por torção ou dobramento grandemente melhorada. Figura 15 Tempera por indução de dentes. Figura 16 Tempera por indução de dente de uma engrenagem. Cementação é o tratamento, muito antigo, pois os romanos já o praticavam, consiste na introdução de carbono na superfície do aço, de modo a que este, depois de convenientemente temperado, apresente uma superfície muito mais dura. É necessário que o aço, em contato com a substância capaz de fornecer carbono, seja aquecido a uma temperatura em que a solução de carbono no ferro seja fácil. Para isso a temperatura deve ser superior a da zona crítica (900 ºC a 950 ºC), onde o ferro se encontrará na forma alotrópica gama. Por outro lado, a profundidade de penetração do carbono depende da temperatura e do tempo. Os processos usuais de cementaçao devem elevar o teor superficial de carbono ate 0,8 %ou 1,0 %. Fundamentalmente, a cementação é um fenômeno de difusão, isto é, relativo ao movimento de carbono no interior do aço, portanto, a velocidade de enriquecimento superficial de carbono nos aços depende, em primeiro lugar, do seu coeficiente de difusão. Entretanto, na cementação influem também a fonte de suprimento de carbono e a transferência deste para a superfície dos aços. Assim sendo, pode-se estabelecer que os fatores que influem sobre a velocidade de enriquecimento de carbono na superfície dos aços são os seguintes: Teor inicial de carbono no aço é obvio que, as outras variáveis permanecendo constantes, quanto menor o teor inicial de carbono no aço, tanto maior a velocidade de carbonetação. Coeficiente de difusão de carbono no aço - este é um fator de primordial importância, visto que o fenômeno de enriquecimento superficial de carbono do aço é fundamentalmente um fenômeno de difusão, isto é, de movimento relativo de carbono no interior do aço. De fato, o que se visa na cementação é a solução do carbono no ferro gama, fenômeno que é determinado pela velocidade do fluxo de carbono no ferro gama. Esse coeficiente de difusão é, por sua vez, uma função da temperatura e da concentração de carbono. Não é ele praticamente afetado pelo tamanho de grão do aço, nem pela presença das impurezas normais (fósforo, enxofre e nitrogênio), nem pelos elementos de liga nos teores em que são usualmente encontrados nos aços-liga para cementação. Temperatura é o fator mais importante, pois além de afetar a difusão, acelerando-a com a sua elevação, influi também na concentração de carbono na austenita e na velocidade de reação de carbonetação na superfície do aço. Velocidade do fluxo de gás esse fator influencia a velocidade de reação na superfície.

11 Dependendo da natureza do gás de carbonetação, pode ser decisiva, pois, com alguns gases de cementação pode-se ter uma deposição não desejada de carbono na superfície do material ou uma carbonetação insuficiente, a não ser que se tomem todas as precauções para um perfeito equilíbrio entre a velocidade de fluxo do gás e a composição. descontado convenientemente na usinagem previa da peça ou pode ser removido pela retificação do material depois de nitretado. Nitretação a nitretação é um tratamento de endurecimento superficial em que se introduz superficialmente no aço, até certa profundidade, nitrogênio, sob a ação de um ambiente nitrogenoso, a uma temperatura determinada. A nitretação é realizada com os seguintes objetivos: - Obtenção de elevada dureza superficial: - Aumento da resistência ao desgaste e da resistência à escoriação; - aumento da resistência à fadiga. - Melhora da resistência à corrosão. - Melhora da resistência superficial ao calor, até temperaturas correspondentes às de nitretação. Alguns característicos do processo são: - Temperatura de tratamento inferior à critica, compreendida na faixa de 500 ºC a 560 ºC. - Em conseqüência, as peças são menos suscetíveis a empenamento ou distorção; - Não há necessidade de qualquer tratamento térmico posterior à nitretação, o que também contribui para reduzir ao mínimo as probabilidades de empenamento ou distorção das peças. A nitretaçao é o processo clássico, consistindo em submeter às peças a serem nitretadas à ação de um meio gasoso contendo nitrogênio, geralmente amônia, à temperatura determinada. Nesse processo, a difusão de nitrogênio é muito lenta, de modo que a operação é muito demorada, durando as vezes cerca de 90 horas. Geralmente o tempo varia de 48 a 72 horas. Mesmo com os tempos mais longos, a espessura da camada nitretada é inferior a da camada cementada, dificilmente ultrapassando a 0,8 mm. A dureza superficial obtida é da ordem de 1000 a 1100 Vickers, muito superior à obtida na cementação. A amônia, no processo, decompõe-se parcialmente em nitrogênio e o nitrogênio ativo produzido combina-se parcialmente como os elementos de liga do aço formando nitretos complexos de elevada dureza. O processo clássico de nitretação apresenta, entretanto, alguns inconvenientes, entre os quais o mais importante é o crescimento do material que ela produz esse crescimento que depende principalmente do tempo, o qual constitui um dos outros inconvenientes, e da temperatura, é constante sob as mesmas condições. Assim sendo, depois de determinado para um da dada peça de um aço de composição conhecida, pode ser