Tratamentos Térmicos 03290-5 Notas de aula: http://www.dema.ufscar.br/wjbotta/ γ Instável Transformação Normal α + Fe 3 C TÊMPERA Μ Transição REVENIDO
Programa 1) Fornos e atmosferas, medidas e controle de temperaturas (termopares); medidas de dureza 2) Recapitulação sobre sistema Fe-C, microestrutura de aços, efeitos de elementos de liga 3) Tratamento térmico de austenitização, diagramas de transformação TTT e TRC 4) Conceitos de temperabilidade e endurecibilidade (Grossmann e Jominy), revenimento 5) Recozimento pleno, subcrítico, esferoidização, proteção da superfície, normalização, têmpera, meios de têmpera, tensões internas
Programa 6) Martêmpera, austêmpera, austenita retida, patenteamento, têmpera superficial 7) Cementação, nitretação, carbonitretação, tratamentos superficiais por plasma 8) Maleabilização e outros tratamentos térmicos de ferros fundidos 9) Elementos de liga em aços 10) Aços inoxidáveis 11) Ligas de Al (endurecimento por precipitação) 12) Ligas de Ti
Programa Práticas laboratoriais (5 grupos) sobre: - Têmpera e revenimento (aços 1045 e H-13) - Ensaio Jominy (aço 8640), - Cementação (Aços 1010 e 1025) - Recristalização do latão - Precipitação de ligas de alumínio
Programa Recursos disponíveis: Fornos de resistência elétrica, equipamento Jominy, meios de têmpera, termopares, bancos metalográficos, microscópios óticos, Durômetros Rockwell, Brinell e Vickers, equipamentos e ferramentas de corte. Amostras de metais e ligas comerciais.
Referências: Costa e Silva, A.L.V; Mei, P.R. Aços e Ligas Especiais, 2. ed., São Paulo, Edgard Blücher, 2006 H. Colpaert Metalografia dos Produtos Siderurgicos Comuns. Editora Edgard Blücher Ltda. 3ª. Edição. 1983. Chiaverini,V. "Tratamentos Térmicos das Ligas Metálicas", 1.edição, ABM (2008). Metals Handbook, 8. edição, vols.1 e 2, ASM (1969). Metals Handbook, 9. edição, vols.1, 2, 3 e 4, ASM (1981). Metals Handbook, vols.1,2,3 e 4, ASM (1991). Krauss, G. "Principles of Heat Treatment", (1981).
Avaliações 1 nota de avaliação do desempenho em aulas práticas (AP), Notas em listas de exercícios feitos em casa (E), 1 nota para apresentação de seminário + relatório (S), 2 notas de desempenho em prova (P1 e P2). N Final = 0,05(AP) + 0,15((E1+E2+En)/n) + 0,2(S) + 0,3(P1)+ 0,3(P2). Prova Substitutiva Parcial para substituir a nota de P para alunos com média final abaixo de 6,0. Avaliação complementar no início do próximo semestre letivo para os alunos com notas finais entre 5,0 e 5,9.
18/out item 01. Introdução, Fornos, atmosfera e controle de temperatura - calibração de fornos (durômetros) 25/out item 02. Recapitulação sobre sistema Fe-C (polimorfismo) e microestruturas 01/nov item 03. Diagramas TTT e TRC - equação de Avrami - transformação de fases no estado solido 08/nov aulas práticas (CBECIMAT 2016) 15/nov Feriado 22/nov item 04. Conceito de temperabilidade e endurecibilidade (Jominy e Grossmann) e revenimento 29/nov item 05. Recozimento pleno, esferoidização e normalização 06/dez Prova 1 13/dez item 06. Martêmpera, austêmpera, patenteamento, austenita retida, têmpera superficial item 07. Tratamentos termoquimicos: cementação, nitretação, boretação 20/dez item 08. Ferros fundidos e Tratamentos térmicos (maleabilização) 22/dez a 01/jan Recesso 03/jan item 09. Elementos de ligas em aços e seus efeitos sobre tratamentos térmicos item 10. Aços inoxidáveis 10/jan item 11. Alumínio e ligas de alumínio 17/jan item 12. Titânio e ligas de titânio 24/jan Seminários e relatório - discussão preliminar 31/jan Prova 2 07/fev Seminários e relatório - apresentação final 14/fev Prova substitutiva
Introdução Aquecimento+resfriamento modificar estrutura interna e propriedades Uso de temperaturas extremas: desde tratamento subzero (<0 C) até quase 1300 C para aços rápidos (campo austenitico) Variação de taxas de resfriamento de acordo com o que se objetiva conseguir
Introdução Objetivos: - Remoção de tensões internas - Aumento ou diminuição da dureza - Aumento da resistência mecânica - Melhora da ductilidade - Melhora da usinabilidade - Melhora da resistência ao desgaste - Melhora da resistência à corrosão - Melhora da resistência ao calor - Melhora das propriedades elétricas e magnéticas
Introdução MATERIAL + TRATAMENTO TÉRMICO O TRATAMENTO TÉRMICO ESTÁ ASSOCIADO DIRETAMENTE COM O TIPO DE MATERIAL. PORTANTO, DEVE SER ESCOLHIDO DESDE INÍCIO DO PROJETO
Introdução Fatores de Influência nos Tratamentos Térmicos: Temperatura Tempo Velocidade de resfriamento Atmosfera* * para evitar a oxidação ou perda de algum elemento químico (ex: descarbonetação dos aços)
Introdução Fatores de Influência nos Tratamentos Térmicos: Tempo: O tempo de tratamento depende muito das dimensões da peça e da microestrutura desejada. - Quanto maior o tempo: > maior a segurança da completa dissolução das fases para posterior transformação > maior será o tamanho de grão Tempos longos facilitam a oxidação
Introdução Fatores de Influência nos Tratamentos Térmicos: Temperatura: - depende do tipo de material e da transformação de fase ou microestrutura desejada
Introdução Fatores de Influência nos Tratamentos Térmicos: Velocidade de Resfriamento: - Depende do tipo de material e da transformação de fase ou microestrutura desejada - É o mais importante porque é ele que efetivamente determinará a microestrutura, além da composição química do material
Introdução Principais meios de resfriamento: Ambiente do forno (+ brando) Ar Banho de sais ou metal fundido (+ comum é o de Pb) Óleo Água Soluções aquosas de NaOH, Na 2 CO 3 ou NaCl (+ severos)
Introdução Como escolher o meio de resfriamento? É um compromisso entre: - Obtenção das características finais desejadas (microestruturas e propriedades), - Sem o aparecimento de fissuras e empenamento na peça, - Sem a geração de grande concentração de tensões
Introdução Tratamentos Térmicos Recozimento Solubilização e envelhecimento Normalização Esferoidização ou Coalescimento Alívio de tensões Recristalização Homogeneização Total ou Pleno Isotérmico Tempera e Revenido
Introdução
Diagrama de fases Fe-Fe 3 C Introdução
Fornos e instrumentos de medição Equipamentos de aquecimento Estufa: trata-se de um modelo de aquecimento elétrico para temperaturas de até 300 C > Revenimento!! Fornos de câmara com circulação de ar: aquecimento elétrico, para temperaturas de até 1300 C. Usos diversos -Estrutura com chapas de aço-carbono -Isolamento com lã de rocha ou com cerâmico refratário (baixa perda térmica)
Fornos e instrumentos de medição Fornos de laboratório Os fornos mais simples, limpos e mais convenientes são os de resistência elétrica
Fornos e instrumentos de medição Fornos de laboratório
Fornos e instrumentos de medição Pirometria A medição e o controle de temperatura são primordiais para o sucesso do processamento térmico de metais. Definições: Temperatura > grandeza física que indica o estado de agitação das partículas de um corpo e seu nível térmico. Quanto mais quente maior a agitação. Calor > energia térmica que flui entre dois corpos com diferentes temperaturas.
Fornos e instrumentos de medição Pirômetros Indicação da temperatura através da medida da radiação térmica da superfície. (a) de radiação radiação emitida captada por um sensor que gera uma voltagem proporcional à radiação. (b) ótico comparação do brilho de um objeto quente com o brilho de um filamento.
Fornos e instrumentos de medição Termopar Efeito Seebeck: dois fios metálicos soldados entre si pelas extremidades quando aquecidos geram uma DDP. Este conjunto é chamado de par termoelétrico Devem ser empregados filamentos de metais que proporcionem grandes DDP s afim de facilitar a conversão destes dados em temperatura.
Fornos e instrumentos de medição Termopar
Fornos e instrumentos de medição Termopar
Fornos e instrumentos de medição Termopar
Fornos e instrumentos de medição Controle de temperatura de fornos 1) Uso de dispositivos liga-desliga (potenciômetro/relé) flutuações de até ±10 C. 2) Uso de termopar controlador (elemento de aquecimento) e termopar medidor (amostra) ±1 C
Fornos e instrumentos de medição Controle de temperatura de fornos
Determinação de dureza Propriedade indicativa da resistência à deformação permamente. Muito utilizado para avaliar os efeitos dos tratamentos térmicos Tipos principais: Brinell Rockwell Vickers
Dureza por Penetração: BRINELL (HB): proposto em 1900 ( 1 o industrialmente ) D P D Esfera de Aço (HBs) ou Carbeto de Tungstênio (HBw) (D = 10 mm) esfera de aço temperado ou carboneto de tungstênio dureza = P / S (expressa em termos σ ) Correlaciona a área de impressão Tabelas técnicas de dureza ou fórmula d Lateral d Impressão Valor numérico seguido do símbolo HB Esfera de aço HBs 2.P HB = 0,102 2 π.d. D D 2 d ; P [N] Esfera de carboneto de tungstênio HBw Tempo de aplicação da carga 10 a 15 s Geralmente utiliza-se esfera D = 10 mm Tb esferas de D = 5, 2.5, 2, 1 mm Cargas e diâmetros : relação P / D 2 = cte Pelos menos 2 leituras (90 o ) Maioria dos materiais : carga 29,42 kn (3000 kgf) dureza até 450 HB Materiais mais moles : carga 14,70 kn (1500 kgf) carga de 4,9 kn (500 kgf) Materiais mais duros : carga de 2,452 kn (250 kgf) dureza 450 e 650 HB
CORPO DE PROVA: Distância entre centros de impressão 4d da calota para ferrosos; p 10 p 6d da calota para outros materiais Distância da borda 2,5 d 4 d 2,5 d 2,5d da calota Espessura mínima 10x a profundidade da calota Para materiais com alto grau de encruamento, ocorre amassamento das bordas d < d Para materiais com pequeno encruamento, ocorre aderência d > d INFORMAÇÕES ADICIONAIS: - Norma NBR 6394 (ABNT) ou ASTM E 10-93 d, d real, d - Pode ser considerado destrutivo - Penetrador polido e isento de defeitos d real - CP limpo, plano e bem fixado a máquina de dureza - Indicado para microestrutura não uniforme (tamanho da impressão) - Não recomendado para peças que sofreram cementação
Correlação entre HB e limite de resistência à tração σu = α.hb σ [MPa] Aço carbono 3,60 Aço Cr, Aço Mn, Aço Cr Mn 3,50 Aço Ni, Aço Cr Ni, Aço Cr Mo 3,40 Aço carbono tratado termicamente 3,40 Aço liga tratado 3,30 Latão encruado 3,45 Cobre recozido 5,20 Alumínio e suas ligas 4,00 Não recomendado para materiais com tratamento superficiais
APLICAÇÃO TÉCNICA Para os materiais polifásicos, como o aço, é possível fazer uma estimativa da dureza Brinell global, observando a dureza e a quantidade relativa de cada microconstituinte (fases) do sistema: Microconstituintes Dureza Brinell - HB Ferrita 80 Perlita grosseira 240 Perlita fina 380 Martensita 595 Microestrutura de um aço SAE 1040, o qual possui 50% de Ferrita + 50% de Perlita Dureza Brinell aproximada do aço SAE1040: HB 0,50 x 80 + 0,50 x 240 = 160 HB
Regra da alavanca para estimar as frações de fases SAE 1020 100x ataque Nital
ROCKWELL (HR): Indústria Rockwell 1922 ( mais utilizado ) Penetrador diamante cônico 120 o esfera de aço endurecido Aplicação de pré-carga e carga Utiliza a profundidade, e não a área Número seguido HR mais categoria Dividida em comum ou superficial Cargas de 10, 60, 100 e 150 kgf Cargas de 3, 15, 30 e 45 kgf comum superficial Dividida de acordo com as cargas e penetradores Rockwell (A, C, D) P (60 kgf, 150 kgf, 100 kgf) Rockwell (B, F, G) P (100 kgf, 60 kgf, 150 kgf) P Cone de Diamante P Esfera de aço D = 1/16-1/8 t 120 o t Lateral Impressão Lateral Impressão
Escala Penetrador Carga (Kgf) Leitura Aplicações B Esfera 1,58 mm 100 Vermelha FoFo e aços não temperados C Diamante (cone) 150 Preta Aço temperado ou cementado A Diamante (cone) 60 Preta Metal duro, aço fundido/temperado/rápido D Diamante (cone) 100 Preta Aço fundido com reduzida espessura E Esfera 3,175 mm 100 Vermelha FoFo, ligas de alumínio e magnésio, metal duro F Esfera 1,588 mm 60 Vermelha Metais moles, ligas de cobre G Esfera 1,588 mm 150 Vermelha Bronze, fósforo, ligas de berílio, FoFo maleável H Esfera 3,175 mm 60 Vermelha Alumínio, Zinco, chumbo, abrasivos K Esfera 3,175 mm 150 Vermelha Metal duro e metais de baixa dureza L Esfera 6,350 mm 60 Vermelha Mesma Rockwell K, borracha e plásticos M Esfera 6,350 mm 100 Vermelha Mesma Rockwell K e L, madeira e plásticos P Esfera 6,350 mm 150 Vermelha Mesma Rockwell K, L e M, plásticos R Esfera 12,700 mm 60 Vermelha Mesma Rockwell K, L e M, plásticos S Esfera 12,700 mm 100 Vermelha Mesma Rockwell K, L e M, plásticos V Esfera 12,700 mm 150 Vermelha Mesma Rockwell K, L, M, P e R ou S
Carga Aplicada (kgf) Escala N Diamante Escala T Esfera 1,588 mm Escala W Esfera 3,175 mm Escala X Esfera 6,350 mm Escala Y Esfera 12,700 mm 15 15N 15T 15W 15X 15Y 30 30N 30T 30W 30X 30Y 45 45N 45T 45W 45X 45Y
INFORMAÇÕES ADICIONAIS: Norma NBR 6671 (ABNT) ou ASTM E 18-94 Pode ser considerado destrutivo Penetrador polido e isento de defeitos Pré-carga de 3 s Carga total de 1 a 8 s C.P. limpo, plano e bem fixado a máquina de dureza Distância entre centros de 3x p e 2,5x p das bordas Espessura do C.P. 10 x maior que a profundidade da impressão Não deve ocorrer impacto no momento da medida Deve-se realizar o ensaio em materiais desconhecidos: partindo de escalas mais altas para evitar danos no penetrador, seguido posteriormente, de escalas mais baixas Vantagens: rapidez, exatidão, materiais duros, pequena impressão
Vantagens do método Rockwell em relação ao Brinell: Rapidez de execução; Maior exatidão e isenção de erros pessoais, já que não exige leitura do tamanho da impressão; Possibilidade de maior utilização para materiais duros; Pequeno tamanho da impressão (os componentes podem ser testados sem danos).
VICKERS (HV): 136 o P d 1 d 1 Industria Vickers-Armstrong 1925 (similar Brinell) Penetrador pirâmide diamante com ângulo de 136 o (similar ao ângulo da Brinell) Correlaciona carga com a área da impressão Lateral P HV = 0,189. 2 d1 P = carga [N]; d = comprimento da diagonal [mm] θ = 136. Pirâmide de Diamante Base quadrada ; P Impressão [N] Aplicáveis em todos os materiais Número seguido HV Tabelas para conversão em função das diagonais Dividida em comum ou superficial cargas de 5 a 100 kgf (49 a 980 N) comum cargas de 2 a 5 kgf (1,96 a 49 N) superficial cargas de 0,001 a 2 kgf (0,0098 a 1,92 N) microdureza Também conhecida como dureza de pirâmide de diamante Aplicável em materiais muito finos, pequenos e irregulares Brinell versus Vickers
INFORMAÇÕES ADICIONAIS: Relação entre dureza Vickers e σ p Materiais Duros 2 a 3 σ p Materiais Metálicos 3 a 4 σ p Material Vickers Limite de Proporcionalidade [MPa] Diamante 84.000 54.100 Alumina 20.000 11.300 Carboneto de Tungstênio 21.000 7.000 Berílio 13.000 7.000 Aço 2.100 700 Cobre Recozido 470 150 Alumínio Recozido 220 60 Chumbo 60 16