[Apostila] Tratamentos Térmicos

Autores: Prof. Dr. Telmo Roberto Strohaecker

Coordenador do Laboratório de Metalurgia Física Universidade Federal do Rio Grande do Sul e-mail: [email protected] Prof. Vitor José Frainer

Laboratório de Ensaios Mecânicos Fundação Universidade Federal do Rio Grande e-mail: [email protected]

2

2

rincípios de Tratamentos Térmicos

Sumário Pg 1. Introdução ............................................... ....................................................................... ................................................ ........................................... ................... 2. Estruturas Cristalinas ................................................. .......................................................................... ................................................ ....................... 2.1 - Reticulado Cristalino ................................................ ......................................................................... ................................. ........ 2.2 - Estrutura Cúbica de Corpo Centrado ............................................. ......................................................... ............ 2.3 - Estrutura Cúbica de Faces Centradas ................................................ ........................................................ ........ 2.4 - Interstícios .................................................. ........................................................................... ............................................... ...................... 2.5 - Índices de Miller ............................................... ....................................................................... ......................................... ................. 2.6 - Defeitos na Estrutura Cristalina ................................................... ................................................................ ............. 2.7 - Estrutura do Ferro Puro ............................................... ........................................................................ .............................. ..... 3. Diagrama Ferro-Carbono ............................................. ..................................................................... ............................................. ..................... 4. Microestrutura dos Aços ............................................. .................................................................... .............................................. ......................... 4.1 - Aço Eutetóide .............................................. ...................................................................... .............................................. ...................... 4.2 - Aços Hipoeutetóides ............................................ .................................................................... ..................................... ............. 4.3 - Aços Hipereutetóides ................................................ ........................................................................ ................................ ........ 4.4 - Regra da Alavanca ............................................... ....................................................................... ..................................... ............. 4.5 - Classificação dos Aços....................................... Aços............................................................... ........................................ ................ 5. Fases Metaestáveis .............................................. ...................................................................... ................................................ .............................. ...... 5.1 - Reação Martensítica .................................................. ........................................................................... ................................ ....... 5.2 - Reação Bainítica ................................................. ......................................................................... ....................................... ............... 6. Tratamentos Térmicos ................................................ ......................................................................... ............................................... ...................... 6.1 - Objetivos Gerais .............................................. ...................................................................... .......................................... .................. 6.2 - Tipos Comuns .............................................. ..................................................................... ............................................. ...................... 6.3 - Fatores de Influência ................................................. .......................................................................... ................................ ....... 6.4 - Esferoidização ............................................ .................................................................... ............................................... ....................... 6.5 - Recozimento ................................................ ........................................................................ .............................................. ...................... 6.6 - Normalização ............................................... ...................................................................... .............................................. ....................... 6.7 - Têmpera ............................................ .................................................................... ................................................ ................................. ......... 6.8 - Revenido ............................................. ..................................................................... ................................................ ............................... ....... 6.9 - Tratamentos Isotérmicos ............................................. ..................................................................... .............................. ...... 7. Diagramas Isotérmicos ................................................ ....................................................................... .............................................. ....................... 7.1 - Introdução ............................................... ...................................................................... ............................................... ............................ .... 7.2 - Efeito da Temperatura de Transformação da Perlita ................................. ................................. 7.3 - Velocidade de Nucleação da Perlita ...................................................... .......................................................... .... 7.4 - A Reação Bainítica ................................................ ........................................................................ .................................... ............ 7.5 - Diagrama Isotérmico .............................................. ....................................................................... ................................... .......... 7.6 - Diagramas Isotérmicos de Aços Hipoeutetóides e de Aços Hipereutetóides ............................................. ..................................................................... ........................................... ................... 7.7 -Influência do Tamanho de Grão e dos Elementos de Liga nos Diagramas Isotérmicos ................................................ ........................................................................ ................................................ ............................ 8. Diagramas de Resfriamento Contínuo .............................................. ...................................................................... .......................... 8.1 - Introdução ............................................... ...................................................................... ............................................... ............................ .... 8.2 - Comparação Entre Diagramas Isotérmicos e de Resfriamento Contínuo . 8.3 - Transformações no Diagrama de Resfriamento Contínuo ........................ 8.4 - Propriedades dos Produtos Formados .............................................. ....................................................... ......... 9. Temperabilidade .............................................. ...................................................................... ............................................... .................................. ........... 9.1 - Introdução ............................................... ...................................................................... ............................................... ........................... ... Princípios de Tratamentos Térmicos Térmicos

5 6 6 8 9 10 11 12 14 17 22 22 24 25 25 27 29 29 31 33 33 33 34 37 38 40 41 47 49 53 53 53 54 55 56 60 61 63 63 63 64 65 67 67 3

4

9.2 - Definição de Temperabilidade ............................................... .................................................................. ................... 9.3 - Fatores que Afetam a Distribuição de Dureza .......................................... .......................................... 9.4 - Ensaio de Jominy .............................................. ...................................................................... ........................................ ................ 9.5 - Método de Temperabilidade de Grossmann .............................................. .............................................. 9.6 - Determinação da Curva de Jominy em Função da Composição e do Tamanho de Grão .............................................. ..................................................................... ....................................... ................ 9.7 - Aplicação Prática do Ensaio de Jominy ................................................... ..................................................... 10. Endurecimento Superficial - Tratamentos Termoquímicos .................................... .................................... 10.1 - Introdução ............................................... ....................................................................... ................................................ .......................... 10.2 - Cementação ............................................... ....................................................................... .............................................. ...................... 10.3 - Nitretação .............................................. ...................................................................... ................................................ ............................ 11. Endurecimento Superficial - Têmpera Superficial .................................................. .................................................. 11.1 - Introdução ............................................... ....................................................................... ................................................ .......................... 11.2 – Aquecimento por Chama ............................................. ..................................................................... ........................... ... 11.3 – Aquecimento por Indução ............................................... ....................................................................... ........................ 12. Preparação de Amostras ............................................. ..................................................................... ............................................. ..................... 12.1 - Introdução ............................................... ....................................................................... ................................................ .......................... 12.2 - Retirada da Amostra .............................................. ....................................................................... .................................. ......... 12.3 – Embutimento ............................................... ....................................................................... ........................................... ................... 12.4 - Lixamento ............................................. ..................................................................... ................................................ ........................... ... 12.5 - Polimento ................................................ ........................................................................ ................................................ ........................ 12.6 - Ataque Químico ............................................... ....................................................................... ....................................... ............... Bibliografia ............................................ .................................................................... ................................................ .............................................. .......................... Apêndice A ............................................ ................................................................... .............................................. .............................................. ........................... Apêndice B ............................................ ................................................................... .............................................. .............................................. .......................... ...

4


67 68 71 72 76 81 86 86 86 94 96 96 96 98 103 103 104 104 105 106 106 108 109 111

1 - Introdução O ferro é o principal constituinte de uma das ligas mais importantes na engenharia; o aço. Os aços são empregados nos mais variados componentes. Fica difícil imaginar um equipamento que não possua uma peça de aço em sua constituição. O ferro é um metal alotrópico, isto é, ele apresenta mais de uma estrutura cristalina de acordo com a temperatura. Quando o ferro solidifica, solidifi ca, a 1538 °C, passa a apresentar uma estrutura cúbica de corpo centrado, a fase

(delta). Continuando o resfriamento, ocorre

uma mudança de fase na temperatura de 1394 °C, com os átomos de ferro sofrendo um rearranjo para uma estrutura cúbica de faces centradas, a fase

(gama). Na temperatura de

912 °C ocorre um novo rearranjo cristalino e o ferro volta a apresentar uma estrutura cúbica de corpo centrado, a fase

(alfa). Abaixo da temperatura de 768 °C (ponto Curie) o

ferro passa a apresentar um comportamento magnético, sem no entanto apresentar qualquer mudança na estrutura cristalina. Todas estas transformações alotrópicas ocorrem com liberação de calor no resfriamento (reações exotérmicas) e com absorção de calor no aquecimento (reações endotérmicas). Evidentemente a quantidade de energia envolvida é bem inferior do que a da transformação de estado (calor latente de solidificação, por exemplo). A existência destas transformações, conforme será visto mais adiante, faz com que os aços apresentem-se como uma classe de materiais extremamente versáteis atendendo a um grande espectro de propriedades mecânicas.

Princípios de Tratamentos Térmicos Térmicos

5

6

2 - Estruturas Cristalinas 2.1 - Reticulado Cristalino Todos os metais, incluindo-se neste caso o ferro puro, possuem o que se convenciona chamar de estrutura cristalina. Para que possamos entender do que se trata vamos considerar uma rede de pontos que se prolonga infinitamente nas três direções do espaço como mostrado na figura 2.1.

Figura 2.1 - Representação de uma rede de pontos que serve de base para o estudo das estruturas cristalinas (6). Se todas as retas que formam a rede estiverem regularmente espaçadas em cada uma das direções, os pontos de intersecção estarão também regularmente espaçados e neste caso fica caracterizada uma rede espacial de pontos. Observando-se a figura 2.1 vemos que a geometria da rede espacial fica perfeitamente caracterizada se utilizarmos três vetores para defini-la. Assim, se tomarmos por base o comprimento dos três vetores como sendo

a, b e c e se tomarmos o ângulo ente estes mesmos vetores como sendo α, β e γ teremos o que se convenciona chamar de constante de rede. Estas constantes nos permitem definir exatamente como os pontos se distribuem no espaço, pois, se repetirmos o comprimento de um vetor, por exemplo a, segundo a direção dada por α, encontraremos uma nova interseção, ou seja um outro ponto de rede. Similarmente se combinarmos a distância b com o ângulo β e a distância c com o ângulo γ encontraremos pontos a cada repetição. Devemos entender, ainda, que em um enfoque puramente geométrico, tanto as distâncias quanto os ângulos podem ter o mesmo valor ou serem diferentes entre si, o que nos permitiria uma série de combinações. Indo um pouco adiante, poderíamos associar a esta rede espacial uma série de átomos distribuídos regularmente pelo espaço, não necessariamente localizados nos pontos de intersecção, mas respeitando a regularidade 6


determinada pelas distâncias e pelos vetores. Desta forma teríamos caracterizada uma

estrutura cristalina , que nada mais é do que uma rede de pontos regularmente espaçados com uma distribuição regular dos átomos. Muitos materiais possuem uma distribuição característica e regular dos seus átomos sendo chamados então de materiais cristalinos. Como existe esta regularidade, uma estrutura cristalina de um material não precisa ser representada por todos os seus átomos mas apenas por um conjunto de átomos que possam definir a sua distribuição no espaço. Este conjunto de átomos deve ser escolhido de tal forma que uma vez repetidas as suas posições nas três direções do espaço tenhamos a representação de toda a estrutura cristalina do material. A esta pequena porção do reticulado cristalino que tem a propriedade de representar todo o cristal chamamos célula

unitária. Uma célula unitária terá sempre associada uma figura geométrica (as distâncias a, b e c e os vetores α, β e γ ) e a distribuição característica dos átomos. No estudo das estruturas cristalinas são utilizadas apenas sete figuras geométricas, caracterizando sete

sistemas cristalinos e estes produzem um total de apenas quatorze distribuições características dos átomos, produzindo quatorze estruturas cristalinas . Embora alguns materiais possam apresentar distribuições mais complexas, apenas estas quatorze células unitárias são suficientes para permitir o estudo dos materiais cristalinos. Na tabela 2.1 apresentamos os sete sistemas cristalinos com as suas características geométricas e as estruturas cristalinas geradas a partir dos mesmos. Dentre os sistemas apresentados os que mais interessam para o estudo dos tratamentos térmicos de aços são o sistema cúbico e o sistema tetragonal. Na figura 2.2 pode-se ver as células unitárias das estruturas cúbicas de corpo centrado (CCC), cúbica de faces centradas (CFC) e tetragonal de corpo centrado (TCC). Por uma questão de simplicidade os átomos em um reticulado cristalino são representados como esferas perfeitas mas isto não implica em diferenças muito grandes em relação ao caso real. Uma representação deste tipo está apresentada na figura 2.3 para as estruturas cúbica de corpo centrado e cúbica de faces centradas.

Figura 2.2 - Representação esquemática das células unitárias das estruturas cúbica de corpo centrado, cúbica de faces centradas e tetragonal de corpo centrado (6). Princípios de Tratamentos Térmicos Térmicos

7

8

Se olharmos mais atentamente para estas figuras podemos retirar outros valores que são úteis para comparação entre as várias estruturas. Os parâmetros característicos mais utilizados são as medidas características dos vetores, chamado parâmetro de rede , o número de átomos por célula unitária, o número de vizinhos que cada átomo possui (átomos que distam entre si dois raios atômicos), chamado número de coordenação e a relação entre o volume ocupado pelos átomos e o volume da célula unitária, chamado de

fator de empacotamento . Para que se possa entender um pouco melhor estas estruturas teceremos mais algumas considerações a respeito das mesmas a seguir.

Figura 2.3 - Representação do modelo de esferas das estruturas cúbica de corpo centrado e cúbica de faces centradas (3). 2.2 - Estrutura Cúbica de Corpo Centrado A estrutura cúbica de corpo centrado é uma estrutura que possui os seguintes parâmetros geométricos: a=b=c e α=β=γ=90o. Estes valores fazem com que a célula unitária seja caracterizada pela figura de um cubo. Além disso os átomos estão localizados nos vértices e no centro da célula, como pode ser visto nas figuras 2.2 e 2.3. Observe-se que os átomos dos vértices tem apenas um oitavo do seu volume ocupando espaço na célula unitária. Neste caso o parâmetro de rede, representado pelo lado do cubo, vale 4 R

3 , o número de átomos por célula unitária é 2 (um átomo correspondendo à soma dos

oito oitavos dos átomos dos vértices e mais o átomo localizado no centro da célula), número de coordenação de 8 e um fator de empacotamento de 0,68, onde R é o raio atômico. Deve ser lembrado que, embora estes parâmetros tenham sido retirados da célula unitária, eles são válidos válidos para toda a estrutura estrutura cristalina. Isto significa que, independente da célula unitária escolhida e do átomo tomado como referência, devemos encontrar sempre os mesmos valores.

8


Tabela 2.1 - Classificação das estruturas cristalinas dentro dos sistemas cristalinos Sistema Parâmetro de rede e ângulo entre os Estrutura cristalina cristalino eixos Cúbico Três eixos iguais em ângulo reto Cúbica simples Cúbica de corpo centrado a=b=c, α=β=γ=90° Cúbica de faces centradas Tetragonal Três eixos em ângulo reto, dois iguais Tetragonal simples Tetragonal de corpo centrado a=b≠c, α=β=γ=90° Ortorrômbico Três eixos desiguais em ângulo reto Ortorrômbico simples Ortorrômbico de corpo a≠ b≠c, α=β=γ=90° centrado Ortorrômbico de bases centradas Ortorrômbico de faces centradas Romboédrico Três eixos iguais, ângulos iguais Romboédrico simples a=b=c, α=β=γ≠90° Hexagonal Dois eixos iguais a 120 °, terceiro eixo Hexagonal simples a 90° a=b≠c, α=β=90°, γ=90° Monoclínico Três eixos desiguais, um ângulo Monoclínico simples diferente Monoclínico de bases a≠ b≠c, α=β=90°, γ≠90 centradas Triclínico Três eixos desiguais, ângulos Triclínico simples desiguais a≠ b≠c, α≠β≠γ≠90 2.3 - Estrutura Cúbica de Faces Centradas A estrutura cúbica de faces centradas possui os mesmos parâmetros geométricos que a estrutura cúbica de corpo centrado, porém, a distribuição dos átomos é um pouco diferente. Neste caso existem átomos localizados nos vértices e no centro de cada uma da faces do cubo, conforme as figuras 2.2 e 2.3. Isto faz com que os átomos das faces tenham apenas metade do seu volume ocupando espaço na célula unitária. O parâmetro de rede vale 4 R

2 , o número de átomos por célula unitária é 4 (um átomo correspondendo à

soma dos oito oitavos dos átomos dos vértices e mais três átomos correspondentes aos átomos localizados nas faces), número de coordenação de 12 e um fator de empacotamento de 0,74. Comparando-se o fator de empacotamento das duas estruturas pode-se ver que a estrutura CFC é mais compacta do que a estrutura CCC, isto é, os seus átomos ocupam de maneira mais eficiente o espaço. Se considerarmos o mesmo raio atômico, pode-se dizer que os átomos organizados segundo uma estrutura CFC ocuparão menor volume o que conduzirá a uma maior densidade. Princípios de Tratamentos Térmicos Térmicos

9

10

2.4 - Interstícios Em qualquer estrutura cristalina o fator de empacotamento é sempre menor do que um, isto é, os átomos não ocupam todo o espaço disponível na célula unitária. Este fato implica em que existam espaços vazios entre os átomos da estrutura. Estes espaços vazios recebem o nome de interstícios e exercem um papel muito importante nos tratamentos térmicos dos aços como será visto mais adiante. Normalmente existem vários interstícios em uma estrutura cristalina e quanto menor o fator de empacotamento maior é o volume destinado aos interstícios, embora o tamanho de cada um dependa do raio atômico e da estrutura cristalina. Deste modo uma estrutura CFC possui interstícios maiores do que uma estrutura CCC, embora o seu fator de empacotamento seja maior. A principal conseqüência disto é que, quando se tiver uma solução em que os átomos do soluto se colocam em posições intersticiais, como é o caso da liga ferro-carbono, a estrutura que tiver os maiores interstícios apresentará uma maior solubilidade do que aquela que possui interstícios menores. Nas figuras 2.4 e 2.5 estão representados os interstícios das células CCC e CFC.

(a) (b) Figura 2.4 - Interstícios octaédricos (a) e insterstícios tetraédricos (b) em uma estrutura cúbica de corpo centrado (9).

(a) (b) Figura 2.5 - Interstícios octaédricos (a) e insterstícios tetraédricos (b) em uma estrutura de faces centradas (9). 10 rincípios de Tratamentos Térmicos

Um interstício sempre é denominado pela figura poliédrica formada pelos átomos que estão em volta do espaço vazio e desta forma vamos encontrar interstícios tetraédricos e insterstícios octaédricos. Tanto a estrutura CCC quanto a estrutura CFC possuem estes interstícios, no entanto estes são maiores na estrutura CFC.

2.5 - Índices de Miller A disposição característica dos átomos na estrutura cristalina de um material faz com que existam direções e planos característicos para cada estrutura. Estas direções e planos tornam-se importantes pelo fato de influírem no comportamento comportamento do material como é o caso da deformação. Sempre que tivermos deformação esta se dará segundo determinadas direções e planos particulares para cada estrutura. Isto se deve principalmente ao fato de que existe uma maior densidade de átomos em determinadas direções gerando planos de escorregamento quando ocorre deformação plástica. Para a determinação exata das direções e planos foi criada uma notação apropriada que é chamada de Índices de Miller . Nas figuras 2.6 e 2.7 são mostradas direções e planos característicos para as estruturas CCC CCC e CFC. Os índices de uma direção estão relacionados com as coordenadas de um ponto com relação à origem do sistema de eixos. Assim, a direção [100] corresponde a um vetor paralelo ao eixo x, enquanto que a direção [010] corresponde a um vetor paralelo ao eixo y. No caso dos planos, os índices correspondem ao inverso do valor das interseções do plano com os eixos. Deste modo um plano (100) corresponde a um plano paralelo aos eixos y e z enquanto que um plano (010) corresponde a um plano paralelo aos eixos x e z.

Figura 2.6 - Direções cristalinas em uma estrutura cúbica (15). Princípios de Tratamentos Térmicos Térmicos 11

12

Figura 2.7 - Planos cristalinos em uma estrutura cúbica (3). 2.6 - Defeitos na Estrutura Cristalina Embora até aqui tenhamos representado uma estrutura cristalina como uma rede de pontos que se distribui regularmente pelo espaço com átomos a ela associados e também regularmente distribuídos, isto não acontece nos materiais cristalinos reais. Todos os materiais cristalinos possuem um certo número de defeitos os quais podem influir decisivamente em suas propriedades. Abaixo relacionaremos alguns dos principais defeitos para que se tenha idéia de como os os mesmos se apresentam no reticulado reticulado cristalino. a. Lacunas

Este defeito é caracterizado pela ausência de um átomo em uma posição que deveria ser ocupada na estrutura estrutura cristalina. Isto gera uma deficiência deficiência de ligações entre os os átomos fazendo com que os mesmos tendam a se aproximar, o que provoca uma distorção na rede e produz um acúmulo de energia naquele ponto. Na figura 2.8 representamos este defeito. b. Defeitos intersticiais.

Caracteriza-se pela presença de um átomo em um interstício da estrutura cristalina. Neste caso o átomo pode ser do próprio elemento elemento que forma a estrutura, sendo chamado chamado de defeito auto-intersticial, ou por um átomo estranho, chamado defeito de impureza intersticial. Pelo fato dos interstícios em uma estrutura serem pequenos com relação aos átomos que abrigam, um defeito intersticial produz uma distorção e um acúmulo de energia muito maior do que uma lacuna. A figura 2.8 representa estes dois defeitos.

12 rincípios de Tratamentos Térmicos

c. Discordâncias

Uma discordância é um defeito planar que envolve o posicionamento de uma série de átomos. O caso mais comum deste tipo de defeito é o que é chamado de discordância em cunha, o qual é mostrado na figura 2.9. Neste caso uma discordância em cunha pode ser vista como um plano extra de átomos, produzindo um efeito de cunha no reticulado. Por envolver um grande número de átomos uma discordância envolve um acúmulo de energia muito maior do que um defeito de lacuna ou intersticial.

Figura 2.8 - Representação dos defeitos de lacuna, defeito auto-intersticial e defeito de impureza intersticial (6). As discordâncias exercem um papel muito importante na deformação plástica pois são elas que permitem o escorregamento de planos cristalinos que produzem a deformação. Se a discordância estiver livre para se deslocar pelo reticulado cristalino a deformação se produz facilmente, ao passo que se existirem defeitos como os intersticiais ou a presença de precipitados, o deslocamento será dificultado restringindo a deformação. Isto irá se refletir em um aumento do limite de escoamento do metal.

Figura 2.9 - Representação de uma discordância em cunha (6). Princípios de Tratamentos Térmicos Térmicos 13

14

d. Contorno de grão

Em um material real, não temos uma estrutura cristalina com uma única orientação. Se observarmos a orientação da estrutura de um material veremos que ela é subdividida em um grande número de zonas, cada uma delas com uma orientação diferente, isto é, cada uma das zonas forma um cristal independente. A estes cristais que possuem uma orientação particular chamamos de grãos. Na figura 2.10 temos uma representação r epresentação da disposição dos átomos no interior dos grãos. Todos os grãos de uma mesma fase do material possuem a mesma estrutura cristalina, diferindo somente na orientação. A conseqüência desta orientação diferente é que na fronteira entre os grãos existe uma zona de transição entre duas orientações e, por isso, os átomos que fazem parte desta fronteira estão mal organizados e com um nível mais alto de energia. A esta região chamamos de contorno de grão. O contorno de grão exerce um papel importante nas transformações de fase, onde a maior energia dos átomos favorece a nucleação, e na deformação plástica, onde tem a função de restringir o movimento das discordâncias.

Figura 2.10 - Representação da distribuição dos átomos em um material policristalino (15). 2.7 - Estrutura do Ferro Puro 2.7.1 - Alotropia Alotropia é a propriedade que têm certos materiais de mudarem de estrutura cristalina dependendo da temperatura em que estiverem. O ferro puro possui esta propriedade, podendo ter os seus átomos organizados em uma estrutura CCC ou em uma estrutura CFC. Desde a temperatura ambiente até 912 °C o ferro apresenta uma estrutura cristalina CCC e nestas condições é chamado de ferro α. De 912°C até 1394 °C apresenta estrutura CFC e é chamado de ferro γ. Finalmente de 1394 °C até o ponto de fusão a 14 rincípios de Tratamentos Térmicos

1538°C volta a apresentar estrutura CCC, sendo chamado de ferro δ. Estas alterações na estrutura cristalina produzem uma série de implicações tanto nas transformações do ferro puro quanto nas ligas de ferro. Por exemplo, anteriormente foi citado que a estrutura CCC tem um fator de empacotamento de 0,68 enquanto que uma estrutura CFC tem um fator de empacotamento 0,74. Quando o ferro passa de CCC para CFC a 912 °C, esta diferença no fator de empacotamento provoca uma redução no volume e um aumento na densidade.

2.7.2 - Solução do Carbono no Ferro A aplicação mais importante da transformação alotrópica do ferro se encontra nas ligas ferro-carbono. O carbono forma uma solução sólida intersticial com o ferro, isto é, os átomos de carbono se colocam nos interstícios da estrutura cristalina do ferro. A conseqüência prática deste tipo de solução é que teremos uma liga de baixo custo e com possibilidades de uma grande variação nas propriedades dependendo do teor de carbono e do tratamento térmico utilizado. Nas figuras 2.4 e 2.5 mostramos os interstícios tetraédricos e octaédricos que ocorrem nas estruturas CCC e CFC. Estes interstícios variam de tamanho de acordo com a estrutura, isto é, os interstícios da estrutura CCC são menores do que os da estrutura CFC. Isto significa que de acordo com o tamanho do interstício teremos um menor ou maior espaço disponível para que um átomo de uma solução intersticial venha se colocar naquela posição. Como os átomos que entram em solução são sempre maiores do que os interstícios, cada átomo intersticial produzirá uma certa quantidade de distorção do reticulado cristalino e quanto menor for o interstício maior será a distorção. No caso da estrutura CCC os raios atômicos máximos possíveis para que não haja distorção correspondem a 0,29R para os interstícios tetraédricos e 0,15R para os interstícios octaédricos, onde R é o raio atômico do átomo que forma a estrutura. Na estrutura CFC estes valores correspondem a 0,23R para os interstícios tetraédricos e 0,41R para os interstícios octaédricos. No caso da liga ferro-carbono estes valores correspondem a 0,36 ângstrons e 0,19 ângstrons para a estrutura CCC, onde o raio atômico do ferro é 1,24 ângstrons, e 0,29 ângstrons e 0,52 ângstrons para a estrutura CFC, onde o raio atômico do ferro é 1,27 ângstrons. Como o raio atômico do carbono é de aproximadamente 0,77 ângstrons é fácil notar que em qualquer situação teremos uma distorção do reticulado sempre que um átomo de carbono se colocar em um interstício. Nas figuras 2.11 e 2.12 podemos ver uma Princípios de Tratamentos Térmicos Térmicos 15

16

representação desta situação. Quando se forma a solução ferro-carbono os átomos de carbono irão se alojar nos interstícios octaédricos, pois estes propiciam uma melhor acomodação, o que implica em uma menor energia de distorção. Do acima exposto pode-se entender facilmente que deverá haver uma menor solubilidade do carbono no ferro α do que no ferro γ. No caso do ferro α a solubilidade máxima do carbono é de aproximadamente 0,025% em peso ou 0,1% em número de átomos, na temperatura de 727 °C, enquanto que no ferro γ a solubilidade máxima é de 2,1% em peso ou 9% em número de átomos, na temperatura de 1148 °C.

Figura 2.11 - Relação entre o tamanho do átomo de carbono e o interstício octaédrico em uma estrutura CCC(15).

Figura 2.12 - Relação entre o tamanho do átomo de carbono e o interstício octaédrico em uma estrutura CFC(15). 16 rincípios de Tratamentos Térmicos

3 - Diagrama Ferro-Carbono As ligas ferro-carbono ainda hoje representam os materiais de maior utilização prática. Isto se deve ao fato de que estas ligas podem apresentar uma grande variação nas suas propriedades pela simples variação na quantidade de carbono e ainda possibilitam que se tenha uma gama maior de propriedades se considerarmos a possibilidade de deformação plástica e os tratamentos térmicos. A base para que este material tenha estas características está principalmente atrelado ao fato de que o ferro f erro puro apresenta transformação alotrópica e que o carbono forma uma solução sólida intersticial com o ferro. Isto conduz a uma série de possibilidades de transformações, cada uma com suas microestruturas típicas, resultando na grande variação das propriedades. As transformações em uma liga ferrocarbono são influenciadas basicamente pela temperatura e pelo teor de carbono. Se considerarmos apenas este dois fatores poderemos montar um mapa das transformações que irão ocorrer, o qual será chamado de diagrama de equilíbrio . Na figura 3.1 podemos ver o diagrama de equilíbrio da liga ferro carbono e na figura 3.2 temos um detalhe deste mesmo diagrama. Nesta representação podemos ver as fases que estarão presentes para cada temperatura e composição e também os pontos que são fundamentais para a compreensão das transformações. A seguir faremos algumas considerações a respeito do diagrama. Em primeiro lugar deve ser observado que o diagrama vai somente até 6,69% de carbono. Isto se deve ao fato de que as ligas acima deste teor não têm qualquer importância comercial. Em segundo lugar deve ficar claro que as ligas comerciais não são constituídas apenas por ferro e carbono, mas podem ter em sua composição outros elementos de liga além de pequenas quantidades de impurezas que são inerentes ao processo de obtenção do material. Assim sendo, o diagrama apresentado na figura 3.1 não representa fielmente o que sucede na prática, mas como pequenas quantidades de outros elementos não produzem produzem grandes alterações, podemos podemos utilizá-lo como base para o nosso estudo. O diagrama ferro-carbono utilizado na prática na realidade é um falso diagrama de equilíbrio, isto é, ele representa o equilíbrio metaestável entre ferro e um carboneto de ferro chamado cementita que tem fórmula estequiométrica Fe 3C. O fato é que a forma mais estável da liga ferro-carbono seria ferro e grafita mas como a grafita pode levar até mesmo anos para se formar, o diagrama estável não possui aplicação prática. Na figura 3.1

Princípios de Tratamentos Térmicos Térmicos 17

18

o diagrama estável ferro-grafita está representado pelas linhas tracejadas e o diagrama metaestável ferro-cementita está representado por linhas contínuas. Em um diagrama de equilíbrio as fases são sempre representadas por letras gregas mas no caso das ligas ferro-carbono estas fases além de serem identificadas por letras gregas também receberam um nome. Desta forma teremos as fases denominadas ferrita, austenita e cementita, que podem ou não estar presentes na microestrutura do material, dependendo do teor de carbono e da temperatura.

Figura 3.1 - Diagrama de equilíbrio ferro-carbono (10). Observando-se o diagrama nota-se que este apresenta vários pontos que merecem ser destacados. O primeiro deles é o que corresponde a uma composição de 2,11% de carbono a 1148 °C. Este ponto representa uma fronteira entre as ligas ferro-carbono que são 18 rincípios de Tratamentos Térmicos

caracterizadas como aços e as ligas que são caracterizadas como ferro fundido. Assim, aço é uma liga com menos de 2,11% de carbono e ferro fundido é uma liga com mais de 2,11% de carbono. A escolha deste ponto deve-se ao fato de que, quando resfriamos um aço desde o estado líquido, este sempre passará por uma faixa de temperaturas em que a sua microestrutura será composta de uma única fase chamada austenita, o que não acontece para os ferros fundidos que que possuem teores teores de carbono acima acima deste valor. A austenita, também chamada fase , é uma fase derivada do ferro γ que como se sabe é formado por uma estrutura cúbica de faces centradas. Quando combinamos o ferro com o carbono forma-se uma solução sólida intersticial em que é mantida a estrutura cristalina original do ferro γ.

Figura 3.2 - Detalhe do diagrama de equilíbrio ferro-carbono (10).


20

Para temperaturas inferiores, o fato de o ferro γ passar para ferro α produz o aparecimento de uma nova fase chamada fase

ou ferrita. A ferrita também é uma

solução sólida intersticial de ferro e carbono e, a exemplo da fase γ, é mantida a estrutura cristalina cúbica de corpo centrado do ferro α. Devido ao fato de que as duas fases citadas acima possuem diferenças em sua estrutura cristalina, existe também uma grande diferença de solubilidade do carbono entre elas. Como já foi visto no capítulo 2, os interstícios da estrutura CFC são maiores do que os interstícios da estrutura CCC. Isto conduz a uma solubilidade do carbono que pode chegar a 2,11% (aproximadamente 9% em átomos) na temperatura de 1148 °C para a austenita e somente 0,025% (aproximadamente 0,1% em átomos) a 727 °C para a ferrita. Como pode ser observado no diagrama, a solubilidade do carbono não é fixa para estas fases, podendo variar com a temperatura. Desta maneira a austenita e a ferrita só apresentarão a sua solubilidade máxima nas temperaturas indicadas acima, variando tanto para temperaturas superiores como para temperaturas inferiores. Além disso, o carbono é um elemento estabilizador da austenita, e como podemos ver no diagrama, quando tivermos ferro puro a temperatura mínima em que a austenita é estável é de 912 °C mas à medida que o teor de carbono cresce esta temperatura vai diminuindo até que, para 0,77% de carbono chegamos ao mínimo de 727 °C. A partir daí a temperatura aumenta novamente até atingirmos o máximo de 2,11% para 1148 °C. No caso da ferrita ela é estável até 912 °C na ausência de carbono e à medida em que aumenta o teor a temperatura t emperatura diminui até que se atinja a solubilidade máxima de 0,025%C a 727 °C. Abaixo desta temperatura a solubilidade diminui novamente chegando praticamente a zero na temperatura t emperatura ambiente. Como existe um limite de solubilidade do carbono tanto na austenita quanto na ferrita, o excesso de carbono poderá propiciar a formação de uma terceira fase que é chamada de cementita e que possui estrutura cristalina ortorrômbica, ainda em solução solução sólida intersticial com 6,69% de carbono. Isto acontece para teores de carbono maiores do que 0,77% acima de 727 °C e abaixo de 1148 °C e, para teores maiores do que 0,025%, abaixo de 727 °C. Desta maneira teremos no diagrama regiões em que o aço é monofásico e regiões em que é bifásico. As regiões monofásicas podem ser formadas por austenita ou por ferrita e as regiões bifásicas podem ser formadas por austenita e ferrita, austenita e cementita ou ferrita e cementita. Outro ponto importante que deve ser observado é o que ocorre para a composição de 0,77% de carbono a 727 °C. Este ponto, chamado ponto eutetóide, é o lugar do 20 rincípios de Tratamentos Térmicos

diagrama em que temos a convivência simultânea das três fases citadas acima, isto é, quando resfriamos o aço teremos a transformação da austenita em ferrita e cementita. Especificamente para esta composição a temperatura permanece constante enquanto a transformação não se completar totalmente. Adiante esta transformação será tratada com mais detalhes. Quando tivermos outros elementos fazendo parte da composição do aço, o teor de carbono correspondente ao ponto eutetóide será deslocado mais para a esquerda ou para a direita e a temperatura em que ocorre esta reação irá aumentar ou diminuir. Esta é uma das influências dos elementos de liga dos aços que está retratada na figura 3.3. As outras influências do elementos de liga serão analisadas nos capítulos subsequentes.

Figura 3.3 - Influência dos elementos de liga na temperatura eutetóide e na composição eutetóide de um aço (10).


22

4 - Microestrutura dos Aços Conforme já foi salientado no capítulo anterior, aços são ligas ferro-carbono que contém até 2,11% em peso de carbono. Esta é a quantidade máxima de carbono que podemos ter na austenita a 1148 1148 °C. Na prática, entretanto, os aços raramente ultrapassam o teor de carbono de 1,0%. Teores maiores do que este somente são encontrados em aços ligados, geralmente com altos teores de liga como é o caso dos aços utilizados para a fabricação de matrizes e ferramentas. Neste capítulo estudaremos as transformações que ocorrem nos aços sem elementos de liga quando estes forem resfriados lentamente desde o estado austenítico até a temperatura ambiente.

4.1 - Aço Eutetóide Aço eutetóide é um aço que tem um teor de carbono de 0,77%. Esta é uma composição particular encontrada no diagrama ferro-carbono em que existe a transformação de austenita para ferrita e cementita. Como já foi citado anteriormente, a esta reação é dado o nome de reação eutetóide que é uma reação em que temos a transformação de uma fase sólida (austenita) em duas fases sólidas (ferrita e cementita). A reação eutetóide é uma reação que se processa lentamente, pois é um processo em que temos que ter migração dos átomos de carbono para que as novas fases sejam formadas. A forma como ocorre esta transformação está ilustrada na figura 4.1 e pode ser descrita da seguinte maneira: - quando um aço de composição eutetóide é resfriado desde o campo austenítico e chega à temperatura eutetóide de 727 °C, a estrutura CFC da austenita torna-se instável e para que o material permaneça estável é necessário que haja uma transformação de estrutura. A estrutura que irá se formar é uma estrutura CCC que é a ferrita. Esta passagem de uma estrutura CFC para outra CCC é induzida pela transformação alotrópica do ferro puro, a qual também também é conseqüência conseqüência de uma variação variação na energia livre. Ocorre, porém, que a ferrita é uma fase em que a solubilidade do carbono é muito menor do que na austenita e neste caso haverá uma quantidade de carbono excedente que irá formar outra fase que é a cementita. A formação da ferrita se dá a partir de pontos de maior energia, como por exemplo os contornos de grão, e vai crescendo em direção ao centro do grão. À medida em que a ferrita cresce, o carbono em excesso vai sendo expulso para as regiões adjacentes, dando 22 rincípios de Tratamentos Térmicos

origem à cementita. Como existe a formação quase simultânea de vários núcleos de ferrita, a estrutura resultante passará a ser composta de regiões alternadas de ferrita e de cementita. Como conseqüência, ao final da transformação, toda a estrutura do aço será formada por lamelas de ferrita e cementita. Observada ao microscópio esta estrutura lembra uma impressão digital e recebe o nome de perlita. A forma característica de como se apresenta a perlita pode ser vista nas figuras f iguras 4.2 e 4.3.

Figura 4.1 - Transformação da austenita em ferrita e cementita (11). Um aço com estrutura perlítica apresenta uma razoável resistência mecânica . Ocorre que a ferrita está diretamente reforçada r eforçada pela cementita. A composição de duas fases propicia um aço de boa resistência mecânica e boa resistência ao desgaste com sacrifício da ductilidade e da tenacidade do material.

Figura 4.2 - Microestrutura representando a perlita. As lamelas lamelas claras são compostas por (11) ferrita e as escuras são compostas por cementita .


24

Figura 4.3 - Microestrutura perlítica como pode ser vista nos aços resfriados lentamente(10). 4.2 - Aços Hipoeutetóides Consideremos agora um aço com um teor de carbono inferior a 0,77%, isto é, um aço com concentração inferior ao eutetóide. No resfriamento, a austenita não passa diretamente para ferrita e cementita. Conforme pode ser observado no detalhe do diagrama Fe-C da figura 4.4, a liga de composição composição hipoeutetóide cruza o campo campo bifásico em que coexistem a ferrita e a austenita. Desta forma, em uma primeira etapa haverá a formação de ferrita a partir da austenita. O carbono expulso das regiões em que é nucleada a ferrita pode ser tranqüilamente dissolvida pela austenita remanescente àquela temperatura. Assim, à medida em vai aumentando a quantidade de ferrita formada, a austenita vai sendo enriquecida em carbono.

Figura 4.4 - Representação esquemática da transformação de um aço hipoeutetóide (9). 24 rincípios de Tratamentos Térmicos

Considerando-se agora o resfriamento de um aço com 0,2% de carbono em peso. À medida que o material cruza o campo bifásico a quantidade de ferrita vai aumentando gradativamente. A quantidade de ferrita formada, ferrita proeutetóide, a cada temperatura, pode ser calculada pela regra da alavanca. Enquanto que a ferrita mantém um teor de carbono máximo de 0,025% em solução, a austenita remanescente vai aumentando o seu teor de carbono. Desta forma à medida em que aumenta a quantidade relativa de ferrita a austenita passa da composição original (0,2% C) para um valor de até 0,77% C na temperatura de 727 °C. Ao atingir esta temperatura, este aço apresentará em torno de 75% de ferrita livre (ferrita proeutetóide) e 25% de perlita. Evidentemente que este aço apresentará uma dureza e resistência mecânica inferiores às de um aço eutetóide, apresentando, no entanto, uma tenacidade maior.

4.3 - Aços Hipereutetóides Consideremos agora um aço com um teor de carbono maior do que 0,77%. No resfriamento deste aço desde o campo austenítico, haverá inicialmente a formação de cementita. Esta cementita será formada preferencialmente junto ao contorno de grão. À medida que ocorre a formação da cementita, a austenita terá o seu teor de carbono gradativamente diminuído até alcançar a temperatura eutetóide. A partir daí ocorrerá a reação eutetóide. Desta forma, um aço com teor de carbono maior que a composição eutetóide virá a apresentar um estrutura constituída de cementita e de perlita. Esta transformação está representada na figura 4.5. Se as condições de resfriamento permitirem, poderá haver a formação de uma fase contínua de cementita envolvendo os grãos perlíticos. Nesta situação, teremos um material com extrema fragilidade, uma vez que a cementita apresenta ductilidade desprezível. Caso a cementita apresente-se de uma forma descontínua, podemos ter um material com maior resistência ao desgaste sem sacrificar em demasia a sua tenacidade. Deve ser salientado que, contrariamente à situação dos aços hipoeutetóides, a variação do teor de carbono não implica em uma rápida variação na quantidade relativa de perlita.

4.4 - Regra da Alavanca A regra da alavanca é um artificio que permite calcular a quantidade relativa de fases a cada temperatura. Considerando um aço com 0,2% na temperatura de 727 °C. Quanto mais próxima estiver a composição nominal do aço do domínio da ferrita, por Princípios de Tratamentos Térmicos Térmicos 25

26

exemplo, maior deverá ser a quantidade relativa desta. A partir deste raciocínio pode-se usar um regra de três para calcular a quantidade de ferrita. A quantidade de ferrita será igual à composição da austenita menos a composição nominal divididas pela diferença da composição da austenita (0,77%) e da ferrita (0,025%) na temperatura de interesse. Desta forma:

Figura 4.5 - Representação esquemática esquemática da transformação de um aço hipereutetóide (9). % ferrita =

(0,77 − 0,2) = 0,765 (0,77 − 0,025)

isto é, o aço com 0,2% C apresenta 76,5% de ferrita na temperatura próxima da eutetóide. À medida que chegarmos próximo da composição eutetóide, a quantidade relativa de perlita aumenta sensivelmente. Já nos aços hipereutetóides o predomínio sempre será da perlita. Considerando-se um um aço com 1% C teríamos: % perlita =

( 6,67 − 1) = 961% , ( 6, 67 67 − 0,77 77)

assim, como o teor de carbono do aço está muito mais próximo da composição do aço eutetóide em relação à composição da cementita, o braço de alavanca está favorecendo a perlita. A figura 4.6 ilustra a quantidade relativa de fases para cada composição dos aços


carbono. Na figura 4.7 temos a microestrutura de três tr ês aços de composição diferentes. Podese notar que à medida em que aumentamos o teor de carbono aumenta a quantidade de perlita até que, ultrapassado o ponto eutetóide, teremos a formação de cementita em contorno de grão.

Figura 4.6 - Diagrama ilustrando a quantidade relativa de cada fase em relação ao teor de carbono dos aços (9). 4.5 - Classificação dos Aços A partir da informações apresentadas nas seções precedentes, pode-se entender porque os aços constituem-se em uma família de materiais extremamente versátil. Basta alterar o teor de carbono no aço para que se consiga alterar substancialmente as propriedades mecânicas do mesmo. Por exemplo, caso tenhamos um aço com 0,08% de carbono em peso, o material apresentará um predominância da estrutura ferrítica. Assim, este aço apresenta um grande ductilidade, podendo ser utilizado para a confecção de uma lata de cerveja. Simplesmente aumentando teor de carbono do aço para 0,8% por exemplo, já teremos uma grande quantidade de cementita. O aço passará a ter uma alta dureza/resistência ao desgaste com sacrifício da sua ductilidade. Teremos então, um aço tipicamente empregado na fabricação de trilhos. Os aços, além de serem constituídos basicamente por ferro e carbono, podem apresentar uma série de outros elementos adicionados intencionalmente ou não. Normalmente são considerados considerados dois tipos tipos fundamentais de aços: -os aços-carbono, caracterizados como ligas ferro-carbono contendo até 2% de carbono em peso, além de elementos residuais, resultantes r esultantes do processo de fabricação; -os aços ligados, caracterizados como ligas ferro-carbono contendo outros elementos adicionados intencionalmente


28

A maioria dos aços contém entre 0,1 e 1,5% de carbono em peso. As principais impurezas encontradas são o fósforo, o enxofre, o manganês e o silício. Outros elementos residuais podem ser o nitrogênio, o oxigênio, o estanho e o alumínio. Normalmente as normas definem os teores máximos permitidos destes elementos de acordo com a aplicação do mesmo. Entre os principais elementos de liga introduzidos no aço para lhe conferir propriedades específicas encontramos o níquel, cromo, manganês, silício, vanádio, tungstênio, molibdênio e nióbio. É usual separar os aços em três grupos principais, segundo o teor de carbono: -aços doces, contendo até 0,25% de carbono; -aços meio duros, com teor de carbono compreendido entre 0,25% e 0,50% de carbono; -aços duros, com teores acima de 0,5% de carbono. Dentre os diversos sistemas de classificação dos aços de construção mecânica, o mais utilizado em nosso país, são os da SAE (Society of Automotive Engineers) e da AISI (American Iron and Steel Institute). O aço é designado geralmente por quatro algarismos. Os dois primeiros referem-se aos elementos de liga e os dois últimos ao teor de carbono. Desta forma, um aço SAE 1010 será um aço carbono (sem elementos de liga) l iga) com 0,1% de carbono em peso. Já um aço SAE 4340, além de apresentar 0,40% de carbono, terá entre 1,65 e 2,0% de Ni, de 0,4 a 0,9% de Cr e entre 0,2 e 0,3% de Mo. Famílias de aços especiais, como os aços inoxidáveis e aços para ferramentas, recebem uma nomenclatura especial. No apêndice B temos as tabelas com a classificação de todos os aços, segundo as normas SAE, AISI e ABNT.

Figura 4.7 - Microestrutura de aços carbono. (a) ABNT 1010 resfriado ao ar, predomina ferrita livre. As partes escuras são perlita. Aumento: 320X. (b) ABNT 1045, resfriado ao forno. Já existe mais perlita (ferrita + cementita) do que ferrita livre. Aumento: 1000X. (c) ABNT 1095, resfriado resfriado ao forno. Estrutura Estrutura perlítica com contorno de grão delineados delineados com (10) cementita. Aumento: 700X. Ataque Nital 2% . 28 rincípios de Tratamentos Térmicos

5 - Fases Metaestáveis Conforme foi mostrado, normalmente um aço apresentará uma estrutura que irá depender diretamente do teor de carbono. Por outro lado, as estruturas normais até agora apresentadas são formadas a partir de intensa difusão de carbono do aço. O que acontecerá se a taxa de resfriamento não permitir esta difusão do carbono?

5.1 - Reação Martensítica Se tomarmos um aço de composição eutetóide e o resfriarmos lentamente haverá a formação de ferrita e de cementita a partir da austenita original. Sob condições de resfriamento lento ou moderado, os átomos podem difundir para fora da austenita. Os átomos de ferro podem, então, em um rearranjo em nível atômico, passar para uma estrutura cúbica de corpo centrado. Esta reação ocorre por um processo de nucleação e crescimento, com intensa difusão de carbono no reticulado do ferro. O que acontecerá se resfriarmos rapidamente esta austenita ? Com um resfriamento rápido não daremos tempo para a difusão do carbono obrigando que ele se mantenha em solução. À medida que tivermos a austenita a uma temperatura menor que a eutetóide haverá uma força motriz no sentido do ferro passar da estrutura CFC para a estrutura CCC. Na tentativa do ferro f erro passar para CCC o excesso de carbono fará com que ocorra uma distorção no reticulado cristalino. A supersaturação de carbono fará com que o ferro passe a apresentar uma estrutura cristalina distorcida tetragonal de corpo centrado. Esta distorção do reticulado devido à supersaturação de carbono faz com que o aço tenha aumentada substancialmente a sua resistência mecânica. O tratamento de resfriamento rápido recebe o nome de têmpera e a estrutura resultante será a martensita. A martensita seria, então, uma solução sólida supersaturada em carbono e a estrutura, ao invés de ser cúbica de corpo centrado passaria a ser tetragonal de corpo centrado, uma vez que um de seus eixos fica expandido pelo carbono aprisionado. Esta severa distorção do reticulado cristalino é a primeira razão da dureza da martensita. O apreciável aumento da dureza e da resistência mecânica possíveis com a têmpera de um aço é amplamente empregada na prática. Assim, lâminas, molas, rolamentos, engrenagens e ferramentas em geral, são empregados no estado temperado. t emperado. A dureza a ser alcançada pela estrutura martensítica irá depender diretamente do teor de carbono. Normalmente um aço para ser temperado deve apresentar um mínimo de 0,3% de carbono, sendo que uma dureza máxima já pode ser alcançada com 0,6% de Princípios de Tratamentos Térmicos Térmicos 29

30

carbono. Um valor mínimo de carbono é necessário exatamente para poder ocorrer distorção do reticulado cristalino fazendo com que a estrutura passe para tetragonal de corpo centrado. Esta distorção do reticulado e as tensões geradas fazem com que, na prática, um aço nunca deva ser usado no estado temperado. A fragilidade associada obriga que seja realizado um tratamento térmico de alívio de tensões (tratamento térmico de revenido) que pode variar desde 180 °C até 600 °C. Adicionalmente, quanto maior o teor de carbono, maior a resistência alcançada pela estrutura martensítica com sacrifício da tenacidade. Para aplicações mecânicas limita-se o teor de carbono de aços a serem temperados na faixa de 0,3 e 0,4% de carbono, visando preservar a tenacidade do componente. Para aplicações como molas e lâminas , por exemplo, o teor de carbono pode ser aumentado para a faixa de 0,6% uma vez que a resistência mecânica deve ser a máxima possível. Para algumas aplicações especiais o teor de carbono pode ser ainda mais elevado. Para rolamentos, por exemplo, utiliza-se um teor de carbono na faixa de 1%. Neste caso, o teor de carbono para o máximo de resistência mecânica já foi até ultrapassado. O carbono em excesso passa a formar carbonetos que, em uma matriz martensítica de alta resistência e dureza, confere ao material uma resistência maior ao desgaste. Há situações em que a resistência ao desgaste deve ser máxima de tal forma que são empregados aços com até 2% de carbono. Nesta classe estão, por exemplo, alguns aços ferramenta para trabalho a frio. A estrutura martensítica lembra o aspecto de agulhas explicada pelo mecanismo de formação de cisalhamento da estrutura.

Figura 5.1 - Variação na dureza de acordo com o aumento do teor de carbono (15). A figura 5.1 ilustra o aumento de dureza com o tratamento térmico de têmpera dos aços. A figura 5.2 ilustra a estrutura martensítica com agulhas bem delineadas. É a estrutura de um aço com alto teor de carbono que apresenta uma quantidade razoável de 30 rincípios de Tratamentos Térmicos

austenita não transformada (austenita retida). Na prática, normalmente a estrutura é bem mais refinada, sendo que o tratamento térmico de revenido atenua a forma de agulhas marcante da martensita. A figura 5.3 apresenta, esquematicamente, a distorção do reticulado cristalino associado à transformação martensítica. Fica claro o fato de que quanto maior o teor de carbono, maior será a distorção do reticulado. A figura 5.4 ilustra a distorção do reticulado com o teor de carbono.

Figura 5.2 - Estrutura martensítica. Agulhas bem delineadas sobre um fundo de austenita retida(7).

Figura 5.3 - Distorção do reticulado cristalino na transformação martensítica (a) e comparação entre as estruturas TCC e CCC (b) (9). 5.2 - Reação Bainítica Enquanto que a transformação eutetóide (austenita em ferrita mais cementita) depende de intensa difusão de carbono, a transformação martensítica, ao contrário, é adifusional. Quanto maior a taxa de resfriamento maior a quantidade de martensita formada.


32

Figura 5.4 - Variação dos parâmetros de rede da martensita e da austenita com o teor de carbono(14). O que aconteceria se resfriássemos rapidamente a austenita sem atingir a faixa de temperatura de formação da martensita ? Ao resfriarmos rapidamente a estrutura austenítica até a faixa de 300 °C, por exemplo, não daríamos condições para que fosse formada a estrutura perlítica uma vez que a difusão do carbono a esta temperatura seria extremamente prejudicada. Na tentativa do ferro passar de CFC para CCC ocorre a nucleação de cristais de ferrita com plaquetas descontínuas de cementita. Esta estrutura, denominada bainítica, concorre em dureza e resistência mecânica com a martensita revenida. A figura 5.5 ilustra a diferença entre os mecanismos de formação da perlita e da bainita.

Figura 5.5 - Diferença entre os mecanismos de formação da perlita e da bainita. A dificuldade de difusão do carbono faz com que os carbonetos fiquem dispersos na bainita(3). 32 rincípios de Tratamentos Térmicos

6 - Tratamentos Térmicos 6.1 - Objetivos Gerais Os tratamentos térmicos são um conjunto de operações que têm por objetivo modificar as propriedades dos aços e de outros materiais através de um conjunto de operações que incluem o aquecimento e o resfriamento em condições controladas. Desta maneira conseguimos obter uma variada gama de propriedades que permitem que tenhamos materiais mais adequados para cada aplicação, sem que com isto os custos sejam muito aumentados. Como o aço é o material mais comumente utilizado em engenharia todo o enfoque dado aqui residirá sobre este tipo de material, embora os tratamentos térmicos aqui descritos possam ser aplicados a outros tipos.

6.2 - Tipos Comuns Os tipos mais comuns de tratamentos térmicos são: a) Esferoidização b) Recozimento c) Normalização d) Têmpera + Revenido Abaixo daremos uma breve idéia do que é cada um destes tratamentos que serão tratados em maiores detalhes adiante.

a) Esferoidização Consiste em um tratamento que visa globulizar a cementita fazendo com que tenhamos uma microestrutura formada de um fundo de ferrita com cementita esferoidal, donde temos a origem do nome. Este tratamento também é chamado de coalescimento pelo fato de que durante o processo a cementita se aglutina em partículas de forma esferoidal.

b) Recozimento O recozimento é um tratamento térmico em que o resfriamento, a partir do campo austenítico, deve ser feito de maneira bastante lenta para que tenhamos a formação de uma microestrutura de perlita grosseira. Isto fará com que tenhamos um material de baixa dureza e baixa resistência.


34

c) Normalização Se ao invés de obtermos perlita grosseira obtivermos perlita fina no resfriamento teremos uma normalização. Isto pode ser conseguido aumentando-se a velocidade de resfriamento comparada com a velocidade do recozimento. Embora esta seja a diferença mais imediata, devemos destacar que a normalização provoca uma transformação mais importante que é a diminuição tamanho do grão, algo que é extremamente benéfico para a tenacidade do material.

d) Têmpera e Revenido Embora estes dois itens tenham que ser tratados separadamente pelas grandes diferenças que existem entre eles, os dois tratamentos sempre serão feitos em seqüência. Enquanto que a têmpera é um tratamento que visa a obtenção de uma microestrutura completamente martensítica, que por conseqüência será dura e frágil, o revenido será empregado para corrigir justamente a fragilidade resultante da têmpera. Como conseqüência, sempre que fizermos um tratamento de têmpera, será feito o tratamento de revenido.

6.3 - Fatores de Influência Sempre que fizermos um tratamento térmico, o seu sucesso ou fracasso será determinado por alguns fatores-chave que deverão ser muito bem observados. Um erro de avaliação de um deles fará com que tenhamos como resultado uma microestrutura diferente da prevista e por conseqüência um material com propriedades diferentes das desejadas.

6.3.1 - Temperatura Sempre que fazemos uma transformação partimos de uma microestrutura de maior energia para uma microestrutura de menor energia. No caso dos tratamentos térmicos a passagem de uma microestrutura para outra requer sempre um aquecimento para que se chegue a um nível de energia que permita a transformação. Por exemplo, para termos transformação de uma microestrutura composta por ferrita e perlita para martensita, devemos primeiramente austenitizar o material e após, fazendo um resfriamento rápido, obter martensita. Na figura 6.1 pode ser vista uma representação no diagrama de equilíbrio das faixas de temperatura para cada um dos tratamentos térmicos.


Figura 6.1 - Temperaturas de aquecimento para os tratamentos térmicos (11). No caso dos tratamentos térmicos de recozimento, normalização e têmpera, o aço deve ser levado obrigatoriamente até o campo austenítico e a partir dali feito o resfriamento adequado. Já no caso da esferoidização o material não precisa ser austenitizado, podendo ser aquecido até pouco abaixo da temperatura eutetóide. Deve ser observado também que as temperaturas de austenitização para recozimento e normalização correspondem à mesma faixa para aços hipoeutetóides mas diferem para os aços hipereutetóides. Isto se deve ao fato de que como as velocidades de resfriamento para recozimento são mais lentas do que para normalização, se fizéssemos uma austenitização completa no recozimento iria se formar uma rede de cementita no contorno de grão durante o resfriamento lento que faria com que o aço ficasse frágil. Para o tratamento térmico de têmpera são usadas normalmente as temperaturas de normalização, embora para aços hipereutetóides exista alguma dependência do teor de elementos de liga. A não ser que hajam fatores associados ao teor de elementos de liga, as temperaturas de austenitização não devem se situar em valores superiores a 50 oC acima da temperatura mínima de austenitização apontada pelas linhas de solubilidade, pois neste caso poderemos ter crescimento do grão o que é prejudicial para a tenacidade do material.

6.3.2 - Tempo de Permanência Quando levamos um aço até o campo austenítico, as transformações não ocorrem instantaneamente. A transformação leva um certo tempo para ocorrer e depende do tipo de Princípios de Tratamentos Térmicos Térmicos 35

36

transformação que irá ocorrer. Assim, a transformação de perlita ou esferoidita para austenita se dá mais rapidamente que a dissolução de carbonetos para austenita. Desta forma o tempo em que o aço deverá permanecer nas temperatura de austenitização dependerá da composição do aço.

6.3.3 - Velocidade de Resfriamento Talvez o fator mais crítico para o sucesso de um tratamento térmico seja o resfriamento da peça após a austenitização. Um erro na avaliação da velocidade correta de resfriamento poderá conduzir a uma estrutura completamente diferente da pretendida o que fará com que o material fique com propriedades completamente diferentes das planejadas. Um caso comum de erro ocorre na normalização de aços ligados de alta temperabilidade. Como será visto mais adiante, o diagrama isotérmico nos mostra que os tempos de transformação são grandes para estes aços. Nas velocidades normais de resfriamento usadas na normalização, onde as peças são resfriadas ao ar, podemos ter transformação não em perlita fina apenas, mas também em bainita e até mesmo martensita, o que conduziria a durezas muito maiores do que as esperadas. Neste caso a solução seria fazer um resfriamento mais lento do que o normal. No caso do processo de têmpera em que o objetivo é de se obter uma microestrutura totalmente martensítica para que se tenha a máxima dureza, a situação se inverte. Como a velocidade de resfriamento não é só dependente do meio de resfriamento mas também da temperabilidade e do tamanho das peças, em muitos casos os meios usuais de resfriamento podem não ser adequados. Poderemos ter a formação de outros produtos na microestrutura, tais como perlita ou bainita que diminuirão a dureza. Nestes casos deveremos aumentar a velocidade de resfriamento ou até mesmo utilizar um aço com maior temperabilidade para resolver o problema. Outro problema associado ao tratamento de têmpera é o surgimento de trincas e empenamentos devido à velocidade de resfriamento. Quanto mais complicada for a forma da peça maior a tendência ao aparecimento de trincas. A solução deste tipo de problema está sempre na diminuição da velocidade de resfriamento pela utilização de meios que produzam uma menor retirada de calor da peça. Os problemas relativos ao resfriamento serão tratados em maiores detalhes mais adiante quando forem abordados os tratamentos térmicos.


6.3.4 - Proteção das Peças Se um aço for aquecido a uma temperatura acima de 600 oC em uma atmosfera rica em oxigênio, como por exemplo o ar ambiente, ocorrerá na superfície da peça um fenômeno chamado de descarbonetação. A descarbonetação nada mais é do que a combinação do carbono do aço com o oxigênio livre do ambiente. Este processo conduz à perda de carbono do aço a partir da sua superfície, fazendo com que a peça fique com uma camada com teor reduzido em carbono. A espessura desta camada dependerá do tempo e da temperatura em que a peça ficará exposta a estas condições. Obviamente esta é uma situação normalmente indesejável, pois a diminuição do teor de carbono conduzirá a uma diminuição na dureza. Este fato se torna mais grave quando realizamos um tratamento térmico de têmpera, pois uma diminuição no teor de carbono provoca uma queda sensível na dureza, já que a dureza da martensita depende do teor de carbono. Assim sendo, as peças submetidas a tratamentos térmicos deverão ser protegidas por uma atmosfera neutra que impeça a descarbonetação. Isto pode ser conseguido utilizando-se fornos que produzam este tipo de atmosfera ou, caso isto não seja possível, deve-se envolver as peças em uma substância rica em carbono como cavacos de ferro fundido ou carvão.

6.4 - Esferoidização O processo de esferoidizaçao ou de coalescimento é utilizado para aços com teores superiores a 0,5% de carbono, mas principalmente para aços hipereutetóides. Quando se deseja fazer uma processo de usinagem ou de conformação de uma peça, o recozimento poderá não baixar a dureza o suficiente para que a tarefa seja executada. Este problema acontece principalmente em aços com elevados teores de elementos de liga e elevado teor de carbono. Para este tipo de aço uma estrutura formada por perlita e cementita apresentará uma dureza muito alta e a única alternativa será o processo de esferoidização. O tratamento térmico de esferoidização pode ser feito de duas maneiras: - Aquecendo-se o aço até uma temperatura logo abaixo da temperatura eutetóide, permanecendo-se nesta temperatura por um tempo que varia de oito a vinte horas, com resfriamento posterior ao ar. - Austenitizar o material, fazer um resfriamento até uma temperatura logo abaixo da temperatura eutetóide, mantendo-se nesta temperatura por um tempo entre oito e vinte horas e resfriamento ao ar. Este tratamento também pode ser efetuado variando-se ciclicamente entre temperaturas acima e abaixo da temperatura de austenitização. Princípios de Tratamentos Térmicos Térmicos 37

38

A segunda forma de execução deste tratamento é a que propicia tempos menores de tratamento e pode ser facilmente entendida pela observação da figura 6.2. A microestutura resultante deste tratamento é a esferoidita, isto é, um fundo de ferrita com a cementita e os carbonetos dos elementos de liga em forma esferoidal dispersos nesta matriz. A figura 6.3 dá uma idéia desta microestrutura. O fato de termos a cementita distribuída na matriz de ferrita faz com que o aço apresente uma ótima ductilidade e baixa resistência devido à predominância das propriedades da ferrita ferri ta neste caso.

Figura 6.2 - Curva de transformação para o processo de esferoidização (3).

Figura 6.3 - Microestrutura de um aço esferoidizado (11). 6.5 - Recozimento O processo de recozimento é aplicável a aços que possuem baixo ou médio teor de carbono, isto é, para aços que possuam até 0,5% de carbono ou para teores mais elevados desde que não possuam elementos de liga. O objetivo deste tratamento é o de conferir uma 38 rincípios de Tratamentos Térmicos

dureza baixa, resistência mecânica baixa e uma ductilidade alta. É aplicável a peças em que se deseja fazer usinagem ou conformação mecânica. Basicamente este processo consiste no aquecimento do material até a temperatura de austenitização seguindo-se um resfriamento lento até a temperatura ambiente. Geralmente basta que a peça seja deixada no forno desligado, produzindo-se um resfriamento lento. Esta forma de resfriamento é aplicável para aços de baixa e média temperabilidade. Neste caso o recozimento será dito recozimento convencional ou recozimento pleno. Na figura 6.4 temos uma representação sobre um diagrama isotérmico da curva de resfriamento para este caso.

Figura 6.4 - Curva de resfriamento para o recozimento convencional convencional (9). Para os aços que possuem temperabilidade mais mais alta muitas vezes vezes pode ser necessário diminuir muito a velocidade de resfriamento para que a dureza seja suficiente baixa. Nestes casos será necessário proceder à transformação a uma temperatura constante ou quase constante. Este procedimento dá origem ao que se convenciona chamar de recozimento isotérmico, cuja curva de resfriamento pode ser vista na figura 6.5. A diferença deste processo para o de esferoidização é que as temperaturas são mais baixas fazendo com que os tempos sejam menores. De qualquer modo este tratamento conduz a tempos maiores do que os do recozimento convencional convencional e este fator deve deve ser considerado quando o realizarmos. Como já foi citado anteriormente o recozimento visa a obtenção de perlita grosseira por ser esta a estrutura que propicia as propriedades desejadas.


40

Figura 6.5 - Curva de transformação de um aço de alta temperabilidade no recozimento (9). 6.6 - Normalização O processo de normalização produz propriedades semelhantes às obtidas no recozimento e em virtude disto muitas vezes os dois podem ser usados alternativamente para obter baixa dureza, boa ductilidade e para eliminar estruturas provenientes de tratamentos anteriores, como é o caso de tratamentos prévios de têmpera e em peças fundidas ou forjadas. Ocorre, porém, que a normalização é feita geralmente com resfriamento das peças ao ar. Isto conduz a uma velocidade de resfriamento mais alta do que aquela do recozimento, dando como resultado uma estrutura formada por perlita mais fina. Em conseqüência, a ductilidade será menor do que no material recozido, sua dureza e resistência mecânica serão maiores. Por outro lado, devido à maior velocidade de resfriamento teremos um refino do do grão do aço, pois a velocidade de nucleação nucleação da ferrita e da perlita será maior na medida em que tivermos temperaturas de transformação mais baixas, conforme será visto em capítulo posterior. Outra vantagem da normalização reside no fato de que se pode utilizar temperaturas mais altas de austenitização, permitindo uma maior dissolução dos carbonetos dos elementos de liga e, no caso de aços hipereuteóides, não teremos a formação da rede de cementita em contorno de grão, como acontece no recozimento. Na figura 6.6 vemos uma curva de resfriamento de normalização sobre uma diagrama isotérmico.


Figura 6.6 - Curva de transformação para o processo de normalização de um aço, comparada com a do processo de recozimento convencional (10). Normalmente não se tem maiores problemas em adotar o resfriamento ao ar para o processo de normalização, entretanto, para aços com alta temperabilidade esta velocidade pode ser excessiva, dependendo dependendo do tamanho da peça, de tal sorte que tenhamos a formação formação de bainita e até mesmo martensita. Nesta situação deve ser feito um tratamento a uma velocidade mais baixa de resfriamento ou um tratamento isotérmico.

6.7 - Têmpera Dentre os tratamento térmicos comuns, o tratamento térmico de têmpera é o mais importante devido ao fato de que através dele podemos ter um grande aumento da resistência mecânica e da dureza do aço e de outros materiais. Este é o aspecto mais importante, porém, em contrapartida teremos uma queda muito grande da ductilidade e principalmente da tenacidade. tenacidade. Este inconveniente será será depois corrigido através do processo de revenido que será abordado mais adiante. Se por um lado o tratamento de têmpera nos dá condições de produzirmos um grande aumento na resistência mecânica e na dureza, a um custo relativamente baixo, por outro existe uma maior complexidade na sua execução. Isto se deve à grande variação na composição dos aços e, por conseqüência, na sua temperabilidade. O carbono e os elementos de liga exercem um papel preponderante com relação a este tratamento, já que tanto influem na temperatura de austenitização quanto na velocidade de resfriamento. Assim, a temperatura de austenitização varia de aço para aço, como conseqüência da Princípios de Tratamentos Térmicos Térmicos 41

42

variação no teor de carbono e dos elementos de liga, pois os carbonetos formados devem ser dissolvidos pelo menos em parte para que tenhamos o efeito desejado na temperabilidade. Não basta portanto austenitizarmos o aço para termos sucesso no tratamento, mas é preciso que tenhamos também parte dos elementos de liga dissolvidos na austenita. Além da temperatura de austenitização, outro fator importante é a velocidade de resfriamento. Esta deve ser tal que impeça a formação de qualquer outro produto que não seja a martensita. É obvio que isto nem sempre é possível pois outros fatores devem ser considerados mas, mas, de qualquer forma, forma, este é o objetivo que deve ser perseguido perseguido neste tratamento. Como existe variação na temperabilidade com a variação do teor de carbono e dos elementos de liga, também a velocidade de resfriamento varia. Ela deve ser a menor possível para que tenhamos o menor empenamento possível das peças mas, não deve ser tão lenta que impeça impeça a formação formação de martensita. martensita. Na figura 6.7 pode-se pode-se ver a curva curva de resfriamento para um aço e sua relação com o diagrama isotérmico. Podemos notar que existem duas curvas, sendo uma relativa à superfície da peça e a outra relativa ao centro.

Figura 6.7 - Curva de transformação para o processo de têmpera de um aço (9). O problema do resfriamento é um dos problemas mais complexos no caso deste processo. Se por um lado, quanto mais rápido for o resfriamento maiores serão as chances de obtermos martensita, por outro maiores serão também as chances de termos trincas e empenamentos na peça. Além disso, um resfriamento não homogêneo ao longo da superfície da peça pode também causar empenamento e variações na dureza. Como existe uma variação no volume da peça durante o aquecimento e o resfriamento e também devido 42 rincípios de Tratamentos Térmicos

à transformação da estrutura em martensita, quanto maior a diferença entre as velocidades de resfriamento na superfície e no centro ou em diferentes pontos da superfície maior será o empenamento e a possibilidade de aparecimento de trincas. Na figura 6.8 podemos ver o comportamento do resfriamento relacionado puramente com o resfriamento em água de uma peça submetida a um aquecimento a alta temperatura. Note-se que a velocidade de resfriamento inicialmente é baixa, tornando-se alta apenas para valores intermediários de temperatura da peça. Inicialmente temos um estágio em que se forma um envelope de vapor em volta da peça que impede a troca de calor da peça com o líquido, fazendo com que a velocidade seja baixa. Em um segundo estágio existe a formação de bolhas que entram em colapso rapidamente, permitindo que o fluido entre em contato com a peça e produzindo uma agitação bastante grande do fluído, o que faz com que a velocidade de resfriamento cresça rapidamente. Por fim, em um terceiro estágio, a temperatura da peça não é mais suficiente para que haja a formação de bolhas e o resfriamento se dá apenas por convecção, fazendo com que a velocidade de resfriamento caia novamente.

Figura 6.8 - Curvas de resfriamento e de velocidade de resfriamento para uma peça cilíndrica resfriada em água (10). Outro fato que ocorre freqüentemente é o que está mostrado na figura 6.9. Em peças de formato complicado, como é o caso de uma engrenagem, de um eixo com rasgo de chaveta e de outras peças com variações no relevo, pode ocorrer a variação nas condições de resfriamento na superfície. Estas condições irão fazer com que a velocidade de resfriamento seja diferente em cada ponto, conduzindo também ao aparecimento de trincas, empenamentos ou mesmo pontos moles. Outro problema que pode ocorrer, este mais freqüente e mais simples é aquele em que temos pequenas diferenças de velocidade Princípios de Tratamentos Térmicos Térmicos 43

44

de resfriamento entre a superfície e o centro. Neste caso o que pode acontecer é a formação de 100% de martensita na periferia da peça e um teor menor de martensita juntamente com bainita e/ou perlita nas regiões mais centrais. A conseqüência desta ocorrência pode ser vista na figura 6.10. O que acontece é um decréscimo na dureza em direção ao centro da peça, situação esta que nem sempre pode ser evitada. Esta situação pode ser induzida pelo meio de resfriamento ou pelo tamanho da peça, conforme mostram as figuras 6.11 e 6.12.

Figura 6.9 - Fatores que afetam o resfriamento. A - fluxo de calor vindo do núcleo. A temperatura e a intensidade do fluxo variam com o tempo. B - envelope da vapor devido à baixa agitação. C - bolhas de vapor com movimento restrito e formando-se f ormando-se vagarosamente. vagarosamente. (10) D - bolhas de vapor livres . De acordo com o que foi acima exposto o meio de resfriamento mais adequado é aquele que permite obtermos a maior quantidade possível de martensita na peça. Assim sendo poderemos ter que resfriar a peça em salmoura, em água ou mesmo em óleo e outros produtos sintéticos, estes últimos para aços de construção mecânica ligados. Para aços de alta temperabilidade como aços para matrizes e ferramentas pode-se utilizar até mesmo o resfriamento ao ar em alguns casos. Quanto maior a temperabilidade menos drástico terá que ser o meio de resfriamento utilizado.


Figura 6.10 - Perfil de durezas em barras de um aço SAE 6140 temperado em água (9).

Figura 6.11 - Efeito do tamanho da peça na velocidade de resfriamento e nas curvas de resfriamento(10). Outro problema associado com o resfriamento para a obtenção de martensita é a variação de volume. Sempre que temos transformação martensítica teremos uma variação de volume e esta terá efeitos mais importantes quanto maior for a diferença de temperaturas de um ponto para outro.


46

Figura 6.12 - Efeito de vários meios de resfriamento na velocidade de resfriamento para uma barra de aço ABNT 1040 com 25,4 mm de diâmetro (5).

Figura 6.13 - Variação das medidas lineares de um aço ABNT 4340 com a temperatura no processo de têmpera. têmpera. TA - temperatura ambiente (10). Na figura 6.13 está representada a variação de volume de um aço quando este é aquecido até o campo austenítico e após resfriado rapidamente para que se obtenha martensita. A diferença de volume entre a estrutura original e a estrutura final martensítica pode conduzir a empenamentos e até mesmo a trincas se as tensões surgidas como conseqüência da variação de volume ultrapassarem ultrapassarem o limite de ruptura do material. Quando temos diferenças de velocidade de resfriamento da periferia para o centro, por exemplo, forma-se uma capa de martensita que é dura e frágil e que ao aumentar de volume comprime o núcleo. Quando o núcleo por sua vez se transforma, este expande e provoca o aparecimento de tensões sobre a capa externa endurecida, podendo produzir trincas na peça.


6.8 - Revenido Um dos grandes problemas relacionados com o tratamento térmico de têmpera está relacionado com a baixa ductilidade e a baixa tenacidade do material após o tratamento. Embora tenhamos um significativo ganho na resistência mecânica e na dureza, fatores primordiais quando se quer reduzir o peso da peça ou evitar o desgaste superficial, a ductilidade cai quase a zero. Como a utilização de um aço nestas condições é impossível devido aos riscos de uma falha catastrófica, este problema tem que ser corrigido, o que é conseguido através do tratamento térmico de revenido. O revenido é um tratamento em que se faz o reaquecimento da peça temperada dentro de uma faixa de temperatura entre 150 oC e 600oC geralmente. As peças são aquecidas e permanecem durante um intervalo de tempo suficiente para que ocorram as transformações necessárias à recuperação de parte da ductilidade e tenacidade perdidas, sendo após resfriadas até a temperatura ambiente. Como conseqüência teremos uma perda na resistência mecânica e na dureza. Quanto mais alta for a temperatura de revenido utilizada ou quanto maior for o tempo de tratamento, maior será o ganho em ductilidade e tenacidade e maior será a perda de resistência e de dureza. A figura 6.14 representa esta situação. Durante o revenido ocorrem transformações da martensita que são dependentes da temperatura e que irão influir nas propriedades finais do aço. De acordo com a faixa de temperatura temos transformações diferentes que conduzem ao que se costuma chamar de estágios ou etapas do revenido. No primeiro estágio, que vai até aproximadamente 200 oC, o carbono contido na martensita se precipita formando um carboneto chamado épsilon ( ε), que não tem a composição da cementita. Em conseqüência temos uma redução no teor de carbono da martensita, obtendo-se como resultado uma estrutura bifásica composta de carbonetos e martensita de baixo carbono. As transformações nas propriedades não são muito significativas, observando-se apenas pequena redução na dureza e na resistência e um pequeno aumento na ductilidade e na tenacidade.


48

Figura 6.14 - Efeito da temperatura de revenido nas propriedades do aço (10).

Em um segundo estágio, entre 200 e 400 oC, ocorre a precipitação de cementita no contorno das agulhas de martensita. Em decorrência disso teremos uma continuação da queda na dureza e resistência, porém a tenacidade não é aumentada, pelo contrário, diminui. Isto é o que se chama fragilidade de revenido . A queda na tenacidade se inicia próximo dos 200oC para a maioria dos aços e chega a um mínimo em torno de 350 oC, quando então volta a crescer. Nesta faixa, portanto, não é conveniente que se faça o revenido porque, embora tenhamos redução na dureza e na resistência, não teremos em contrapartida um aumento de tenacidade. Em uma terceira etapa, que se inicia em torno de 400 oC, teremos o aparecimento de um precipitado esferoidal de cementita que irá fazer com que a tenacidade e a ductilidade voltem a crescer, e portanto estaremos novamente em uma faixa de temperatura em que temos benefício com o revenido. A figuras 6.15 mostra a evolução da dureza e da tenacidade com a temperatura de revenido e a figura 6.16 mostra a variação da dureza para vários aços. Note-se que a queda da dureza é mais acentuada quanto maior for o teor de carbono.


Figura 6.15 - Variação da tenacidade e da dureza de acordo com a temperatura de revenido(9).

Figura 6.16 - Efeito da temperatura de revenido na dureza do aço para vários teores de carbono(11). 6.9 - Tratamentos Isotérmicos 6.9.1 - Martêmpera O processo de martêmpera ou têmpera interrompida é um processo utilizado em substituição à têmpera quando se deseja diminuir o risco de trincas, empenamentos e tensões residuais excessivas. O tratamento consiste basicamente em se retardar o resfriamento logo acima da temperatura de transformação martensítica, permitindo a equalização da temperatura ao longo de toda a peça, completando-se após o resfriamento. A estrutura formada, a exemplo da têmpera, será martensítica, sendo portanto, dura e frágil.


50

Na figura 6.17 temos a representação deste tratamento sobre o diagrama TTT de um aço hipotético. Como pode ser visto este tratamento consiste no refriamento rápido, desde a temperatura austenítica, em um meio aquecido, que pode ser óleo aquecido, sal fundido ou leito fluidizado, até uma temperatura logo acima da temperatura de transformação maternsítica. A peça é mantida nesta temperatura até que seja uniformizada a temperatura entre a periferia e o centro e então é resfriado, geralmente ao ar até a temperatura ambiente. Segue-se um revenido que é feito nos mesmos moldes do processo de têmpera convencional.

Figura 6.17 - Curva de transformação para o processo de martêmpera de um aço (9). Uma modificação do processo consiste em se fazer o resfriamento até uma temperatura logo abaixo da temperatura de início da transformação matensítica, estabilizando-se a temperatura e fazendo após o resfriamento ao ar. Este caso é aplicável a aços de temperabilidade baixa nos quais, se fosse feita a martêmpera convencional, teríamos a formação de bainita antes que a temperatura estabilizasse. O principal objetivo da martêmpera é reduzir a possibilidade de trincas e empenamentos oriundos da transformação martensítica em tempos diferentes ao longo da peça. Exemplos de aços que podem ser utilizados na martêmpera são ABNT 4130, 4140, 4150, 4340, 5140, 6150, 8640 e 52100.


6.9.2 - Austêmpera O processo cuja curva de transformação está representado na figura 6.18 é chamado de austêmpera. Consiste basicamente no aquecimento das peças até a austenitização completa seguido de resfriamento rápido até uma temperatura acima da temperatura de transformação martensítica, numa faixa entre 200 e 400 oC, mantendo-se a esta temperatura até que o material se transforme totalmente. A estrutura resultante neste caso será totalmente bainítica. Após a transformação o material pode ser resfriado até a temperatura ambiente. A velocidade de resfriamento deve ser tal que se impeça a transformação de qualquer quantidade de austenita em outro produto e o tempo de permanência no banho deve ser suficiente para que toda a austenita se transforme em bainita. O meio de resfriamento mais utilizado é uma mistura de sais fundidos que pode ser composto por nitrito e nitrato de sódio e nitrato de potássio. Pode ser também adicionada uma pequena quantidade de água.

Figura 6.18 - Curva de transformação para o processo de austêmpera de um aço (9). O tratamento de austêmpera é um tratamento térmico usualmente utilizado em substituição à têmpera quando se tem por objetivo melhorar as propriedades mecânicas do aço, principalmente a ductilidade e a tenacidade, diminuir a possibilidade de aparecimento de trincas e de empenamentos e ainda melhorar a resistência ao desgaste e a possibilidade de fragilização para determinadas faixas de temperatura. As diferenças fundamentais entre a austêmpera e a têmpera podem ser vistos na tabela 6.1, onde são comparadas as propriedades finais para diversos casos. Princípios de Tratamentos Térmicos Térmicos 51

52

Como podemos ver a austêmpera propicia uma maior tenacidade e uma maior ductilidade do que a têmpera e a martêmpera para uma mesma dureza, além de diminuir o aparecimento de trincas e de empenamento nas peças. Embora este tratamento permita propriedades melhores do que a têmpera ele não é corriqueiramente utilizado. Isto se deve ao fato de que não são muitos os aços em que podemos utilizar a austêmpera. A decisão de utilizar um tratamento ou outro vai depender da posição do joelho da curva TTT, velocidade de resfriamento, do tempo necessário para a transformação e da temperatura de início de formação da martensita. Além disso, devido à baixa velocidade de resfriamento propiciada pelo sal fundido as peças não podem ter grande secção como acontece na têmpera. O seu custo é maior devido à utilização de mais equipamento e o tempo de transformação deve ser equivalente ao tempo gasto no revenido ou menor para que seja viável.

Tabela 6.1 - Propriedades mecânicas para um aço ABNT 1095 Tratamento Térmico Dureza Tenacidade Alongamento (HRC) (J) (%) Temperado em água e revenido 52,5 19 --Martêmpera e revenido 52,8 33 --Austêmpera 52,5 54 8 Deste modo os aços que são utilizados no processo devem se enquadrar nos seguintes tipos: - aços ao carbono com 0,5 a 1,0% de carbono e com um mínimo de 0,6,% de Mn; - aços ao carbono com mais de 0,9% de carbono e pouco menos de 0,6 % de Mn; - aços carbono com menos de 0,5% de carbono e com manganês entre 1,0 e 1,65 %; - alguns aços ligados com mais de 0,3% de carbono.


7 - Diagramas Isotérmicos 7.1 - Introdução Quando analisamos um diagrama de equilíbrio como é o caso do diagrama metaestável ferro-cementita vemos que existem várias transformações que ocorrem a temperaturas determinadas e que são dependentes da temperatura e da composição. Estas transformações ocorrem para para resfriamentos muito lentos e em temperaturas determinadas. determinadas. Mas o que irá ocorrer quando tivermos velocidades de resfriamento mais rápidas que não permitam a transformação em equilíbrio ? Isto é o que nos é mostrado por um outro tipo de diagrama que é chamado de Diagrama Isotérmico ou Diagrama TTT (tempo-

temperatura-transformação). Estes diagramas nos dão um mapa do que acontece quando, através de um resfriamento rápido, levamos a austenita para temperaturas abaixo daquelas de equilíbrio onde a mesma é instável e mantemos o aço a esta temperatura por um tempo determinado. Neste caso teremos que considerar um fator que não precisa ser considerado no diagrama de equilíbrio que é o tempo. Isto significa dizer que as transformações que irão concorrer são dependentes do tempo e que teremos a transformação parcial ou total do aço dependendo do tempo em que o mesmo for deixado nesta temperatura. A seguir teceremos uma série de considerações a respeito do que acontece quando abaixamos rapidamente rapidamente a temperatura de um aço no estado austenítico até temperaturas abaixo da eutetóide quando a mesma é então estabilizada.

7.2 - Efeito da Temperatura de Transformação da Perlita. Na figura 7.1 vemos um gráfico que nos mostra a variação da velocidade de transformação da perlita de acordo com a temperatura em que a mesma se processa. Como pode ser visto estas são temperaturas de transformação abaixo da temperatura eutetóide e existe uma variação bastante acentuada na velocidade à medida em que as transformações ocorrem a temperaturas mais baixas. Este gráfico deve ser entendido da seguinte maneira: ao levarmos um aço eutetóide até uma temperatura em que o mesmo se torna totalmente austenítico obtemos uma fase que é estável. Se agora fizermos um resfriamento rápido não permitiremos que a austenita se transforme nas temperaturas usuais determinadas pelo diagrama de equilíbrio. Esta austenita, então, passa a ser uma austenita instável que está prestes a se transformar pois nas temperaturas abaixo da eutetóide a mesma possui uma energia adicional que tende a fazer com que se transforme em produtos mais estáveis que podem ser ferrita e cementita Princípios de Tratamentos Térmicos Térmicos 53

54

na configuração característica de perlita. Agora, como esta transformação implica em difusão atômica, deveremos ter um certo intervalo de tempo para que a reação se processe e como os fatores que governam a nucleação da nova fase e a difusão são dependentes do tempo teremos velocidades variáveis com a temperatura. Assim, para temperaturas próximas da eutetóide, a velocidade de transformação é baixa, aumentando à medida em que se diminui a temperatura.

Figura 7.1 - Velocidade de crescimento da perlita em função da temperatura de reação em uma liga ferro-carbono de composição eutetóide (11). Da mesma forma que existe a variação na velocidade de transformação da perlita com a temperatura, também a espessura das lamelas varia com a temperatura. Embora este fenômeno não seja muito bem compreendido o fato é que quanto mais baixa for a temperatura de transformação, menor será o espaçamento interlamelar da perlita.

7.3 - Velocidade de Nucleação da Perlita A velocidade de nucleação da perlita, isto é, a velocidade com que ocorre a transformação da austenita para lamelas de ferrita e cementita é um fenômeno que está associado à temperatura e ao aparecimento de uma energia livre de transformação, descontada a energia de formação das interfaces de ferrita e cementita. Esta energia livre restante será utilizada para a difusão do carbono da austenita para a cementita e para a transformação da austenita para ferrita e para cementita. Isto conduz à formação heterogênea de núcleos a partir do contorno de grão da austenita. A velocidade de formação destes núcleos é dependente da temperatura. Por exemplo, para temperaturas logo abaixo da eutetóide, somente se formam uns poucos núcleos e devido à velocidade de desenvolvimento dos mesmos se formam grandes nódulos de perlita, o que irá influir 54 rincípios de Tratamentos Térmicos

também no espaçamento entre as lamelas. Para temperaturas mais baixas existe a formação de uma grande quantidade de núcleos e uma vez que estes se formam a uma velocidade maior do que a sua velocidade de desenvolvimento haverá a formação de um número maior de colônias de perlita, fazendo com que aumente a velocidade de reação e diminuindo o espaçamento entre as lamelas.

7.4 - A Reação Bainítica Tudo aquilo que foi descrito anteriormente a respeito da transformação da austenita para perlita tem validade somente até temperaturas intermediárias, da ordem de 500 oC. Embora muitos dos conceitos acima expostos tenham validade para temperaturas inferiores o fato é que para esta faixa de temperaturas fenômenos tais como nucleação, dependência com a temperatura e difusão atômica irão ocorrer, mas o produto formado apresenta características microestruturais bastante diferentes da perlita e por isto leva o nome de bainita para que possa possa ser diferenciada da estrutura estrutura anterior. Da mesma forma que a perlita, a bainita não é uma fase mas sim uma mistura de fases em que existe a convivência de regimes de alta concentração de carbono originando carbonetos de ferro que estão finamente dispersos sobre uma matriz praticamente isenta de carbono que é a ferrita. Ainda semelhante à perlita, a reação bainítica ocorre através de difusão de átomos e, portanto, a mesma é dependente da temperatura em que ocorre a transformação e do tempo em que o aço permanece a esta temperatura. Diferentemente entretanto da perlita, a bainita não se apresenta em forma de lamelas, mas sim na forma de agulhas que formam placas. Cada placa de bainita é composta por um certo volume de ferrita onde estão incrustradas partículas de carboneto. Além disso a bainita assume uma disposição diferente de suas placas na medida em que a mesma é formada a temperaturas mais altas ou mais baixas. Para temperaturas mais altas, digamos a 450 oC, a bainita formada apresenta-se na forma de placas mais irregulares com carbonetos mais grosseiros e alinhados segundo a direção preferencial da placa. Para temperaturas mais baixas, digamos a 250 oC, a bainita irá apresentar-se na forma de placas mais regulares com carbonetos mais finos e é formando um ângulo com a direção de orientação da placa. Além disso o próprio carboneto formado é diferente. Para temperaturas mais altas o carboneto é a própria cementita, de estrutura cristalina ortorrômbica e 6,7 % de carbono, enquanto que para temperaturas mais baixas, forma-se carboneto épsilon ( ε) com estrutura cristalina hexagonal e 8,4 % de carbono. Desta forma deve-se fazer distinção entre o que seria chamado de bainita superior e o que seria chamado de bainita inferior. Princípios de Tratamentos Térmicos Térmicos 55

56

Outro aspecto importante a ser salientado é que a velocidade de transformação da austenita para bainita é fortemente dependente dos fatores associados à nucleação e desenvolvimento da nova fase. Neste caso como a temperatura é baixa, a energia livre, que é dependente da diferença entre as temperaturas de estabilidade da austenita (temperatura eutetóide) e da temperatura em que ocorre a transformação, é elevada e a formação de novos núcleos é muito intensa mas o seu desenvolvimento é prejudicado pela baixa extração de calor. Isto irá fazer com que a velocidade de reação diminua à medida em que se diminui a temperatura.

7.5 - Diagrama Isotérmico Na figura 7.2 vemos um diagrama isotérmico completo de um aço eutetóide. Como já foi dito, um diagrama isotérmico ou diagrama TTT é um diagrama que nos mostra as reações que ocorrem nas temperaturas em que a austenita se torna instável, de acordo com os tempos de reação. Observando-se a figura 7.2, vemos que em um dos eixos estão plotadas as temperaturas e no outro eixo estão plotados os tempos de reação em escala logarítmica. Temos também duas curvas que correspondem aos tempos de início e de fim da transformação do aço. Estas curvas representam a dependência da reação com o tempo, sendo que a primeira curva representa o início da transformação e a segunda curva representa o fim da transformação. Nela podemos ver, segundo o que já foi exposto acima, que a velocidade de transformação do aço é variável, tendo-se uma velocidade baixa para temperaturas próximas da eutetóide, velocidade esta que vai crescendo para temperaturas intermediárias e finalmente começa novamente a decrescer para as temperaturas mais baixas. Este fato produz a forma característica destes diagramas, formado um joelho próximo dos 500 oC. Temos ainda próximo dos 200 oC uma isoterma que representa o início da transformação martensítica (linha Ms), devendo-se observar que, tendo em vista a natureza desta reação em que não existe difusão dos átomos, a mesma não é dependente do tempo mas sim unicamente da temperatura. Sendo assim, o progresso desta transformação só ocorre se diminuirmos a temperatura, e só teremos o aço completamente transformado quando se chega próximo da temperatura ambiente. Como foi dito, as curvas mostradas no diagrama representam as transformações que ocorrem ao longo do tempo e, como estas transformações são governadas pela maneira como ocorre a transformação, os produtos formados dependem da temperatura em que se 56 rincípios de Tratamentos Térmicos

permite a transformação do aço. Assim temos que, desde a temperatura eutetóide até próximo da temperatura intermediária, isto é próximo do joelho, temos a formação de perlita cujo espaçamento interlamelar vai decrescendo à medida em que se decresce a temperatura de transformação. Para as temperaturas abaixo do joelho até a linha de formação da martensita temos a formação de bainita que vai desde uma bainita superior até uma bainita inferior.

Figura 7.2 - Diagrama completo de transformação isotérmica para um aço eutetóide (11). Vamos agora estudar em mais detalhes o que ocorre quando resfriamos um aço eutetóide rapidamente até alguma destas temperaturas temperaturas e o deixamos deixamos por algum algum tempo a esta temperatura. Para isto faremos uso da figura 7.3 que representa um diagrama isotérmico de um aço eutetóide, sobre a qual estão traçadas algumas curvas de temperatura-tempo. Deve ser lembrado que sempre que quisermos estudar as transformações que ocorrem nos aços deve-se pressupor que este tenha sido austenitizado e que a partir desta condição será feito um resfriamento rápido até a temperatura em que se pretende estudar a transformação. transformação. Curva 1

- Resfriamos rapidamente o aço desde a temperatura austenítica até a

temperatura de 160 oC, mantendo-se o mesmo a esta temperatura por um tempo de aproximadamente 10 segundos. Em conseqüência deste resfriamento evitamos a Princípios de Tratamentos Térmicos Térmicos 57

58

transformação do aço até que se atinja a temperatura de início de transformação da martensita (linha Ms), a partir da qual começa a se formar martensita atômicamente. Quando chegamos aos 160 oC aproximadamente metade da austenita estão transformada em martensita, permanecendo portanto ainda metade do aço por transformar. Se mantivermos esta temperatura por um tempo mais longo praticamente não ocorrerá mais nenhuma transformação, mantendo-se portanto inalteradas as quantidades de martensita e austenita. Isto se deve à natureza atômica da transformação martensítica e só poderemos ter mais transformação se diminuirmos a temperatura. Curva 2 -

Resfriamos rapidamente a aço até a temperatura de 250 °C e o deixamos

nesta temperatura por 100 segundos, prosseguindo então com resfriamento rápido até à temperatura ambiente. Neste caso o tempo em que o aço permanece a 250 °C não é suficiente para que ocorra qualquer transformação, pois aqui a velocidade de reação já é bastante lenta. Desta forma com o prosseguimento do resfriamento entraremos no campo de formação da martensita e teremos o aço transformado totalmente em martensita. Curva 3 -

Resfriamento rápido do aço até a temperatura de 300 °C, manutenção

durante um tempo de 500 segundos e posterior resfriamento rápido até a temperatura ambiente. Aqui o tempo de 500 segundos já permite a transformação de aproximadamente 50% da austenita em bainita na temperatura de 300 °C. Teremos então metade da microestrutura transformada em bainita e metade ainda de austenita não transformada. Com o prosseguimento do resfriamento, a austenita não transformada irá passar a martensita a partir do momento em que ultrapassarmos a temperatura Ms. Ao final do resfriamento teremos a microestrutura do aço formada por 50% de bainita e 50% de martensita. Curva 4 -

Resfriamento rápido até a temperatura de 600 oC, mantendo-se a esta

temperatura por um tempo de 10 4 segundos e posterior resfriamento até a temperatura ambiente. O simples fato de mantermos a temperatura por um período superior a 8 segundos já é suficiente para que todo o aço se transforme de austenita para perlita uma vez que teremos cortado a linha de final de transformação. O resfriamento subsequente nada irá modificar independente de que velocidade de resfriamento se adote.


Figura 7.3 - Trajetórias arbitrárias temperatura-tempo sobre o diagrama de transformação isotérmica(11). Do acima exposto podemos retirar uma série de conclusões com base nos resultados obtidos para os diversos resfriamentos: r esfriamentos:

a. Sempre que fizermos um resfriamento rápido estaremos evitando a transformação do aço e tornando a austenita instável.

b. O fato de se chegar até uma temperatura abaixo da eutetóide não implica em que se tenha alguma transformação pois as mesmas dependem da velocidade de reação.

c. A transformação da martensita é uma exceção ao apontado no ítem anterior pois a mesma tem natureza atômica.

d. Sempre que mantivermos uma temperatura acima da temperatura de transformação martensítica por um tempo superior ao apontado pela linha de início de transformação do diagrama inicia-se a transformação e sempre que se mantiver esta temperatura por um tempo superior ao apontado pela linha de final de transformação teremos, para fins práticos, a transformação t ransformação completa do aço. Para tempos intermediários a transformação sempre será parcial, podendo-se obter outros produtos se prosseguirmos no resfriamento.


60

7.6 - Diagramas Isotérmicos de Aços Hipoeutetóides e de Aços Hipereutetóides Como já foi visto na seção dedicada aos diagramas de equilíbrio os aços hipoeutetóides são aqueles que possuem um teor de menos de 0,77% de carbono e aços hipereutetóides são aqueles que possuem um teor de mais de 0,77% de carbono. Para os primeiros temos uma faixa de temperaturas em que se forma apenas ferrita pró-eutetóide a partir da austenita e para os últimos temos uma faixa de temperaturas em que se forma apenas cementita a partir da austenita. Esta ocorrência também pode ser notada para os diagramas isotérmicos destes aços. Nas figuras 7.4 e 7.5 temos os diagramas isotérmicos de um aço hipoeutetóide e de um aço hipereutetóide. Pode-se notar que existe uma diferença fundamental em relação ao diagrama eutetóide: o fato de existir um campo de formação de ferrita ou de cementita, conforme o caso. Esta transformação aparece desde temperaturas acima da eutetóide e prolonga-se até temperaturas próximas do joelho. Assim sendo, a primeira linha passa a indicar o início da transformação t ransformação da ferrita ou da cementita, a segunda linha passa a indicar o início da formação da perlita e a terceira linha o fim da transformação da perlita.

Figura 7.4 - Diagrama de transformação isotérmica de um aço hipoeutetóide com 0,35 % de carbono(11). Neste caso um efeito secundário da temperatura em que é efetuada a transformação é representada pela mudança nas quantidades relativas de ferrita pro-eutetóide ou 60 rincípios de Tratamentos Térmicos

cementita primária formadas, pois com o decréscimo da temperatura decresce a quantidade das mesmas como se o ponto eutetóide mudasse para menos ou para mais, conforme o caso.

Figura 7.5 - Diagrama de transformação isotérmica de um aço hipereutetóide com 1,13 % de carbono(11). 7.7 - Influência do Tamanho de Grão e dos Elementos de Liga nos Diagramas Isotérmicos Tudo o que foi relatado até aqui não considerou as variações que podem ocorrer quando temos alteração no tamanho de grão e quando são adicionados elementos de liga no aço. Resumidamente pode ser dito que quanto maior o tamanho de grão mais para a direita está o diagrama, isto é, maiores serão os tempos de início transformação. Isto se deve ao fato de que com a redução da área de contorno de grão teremos menor número de posições onde pode ser nucleada a nova fase e portanto isto representará um atraso na reação. Quanto aos elementos de liga, todos eles, a exceção do cobalto, dificultam a difusão dos átomos fazendo também com que o diagrama se desloque para a direita e para baixo, isto é, as reações são retardadas e as temperaturas de transformação decrescem. Isto vale inclusive para as temperaturas de transformação da martensita, embora para estas o teor de carbono tenha um efeito mais pronunciado, podendo inclusive chegar a levar a temperatura de final de transformação para temperaturas abaixo da ambiente. Nas figuras 7.6 e 7.7 podemos ver o efeito destes elementos elementos quando comparados comparados com a figura 7.4. Princípios de Tratamentos Térmicos Térmicos 61

62

Figura 7.6 - Diagrama de transformação isotérmica de um aço ligado ABNT 4340 contendo 0,39% C, 1,78% Ni, 0,77 Cr, 0,28% Mo (3).

Figura 7.7 - Diagrama de transformação isotérmica de um aço com tamanhos de grão diferentes(3).


8 - Diagramas de Resfriamento Contínuo 8.1 – Introdução Tudo o que foi dito anteriormente sobre os diagramas isotérmicos, vale apenas para transformações em que temos um resfriamento rápido seguido de uma estabilização da temperatura por um tempo que permita a transformação do aço. Nestes casos, então, teremos a transformação do aço a uma temperatura constante, resultando em uma microestrutura homogênea, seja ela formada por perlita ou bainita. Acontece, porém, que em muitos casos a transformação do aço não se dá a uma temperatura constante mas sim através da variação contínua da temperatura. Nestes casos o que se faz é um resfriamento em que a temperatura decresce continuamente desde a temperatura de austenitização até a temperatura ambiente. Desta forma o diagrama isotérmico deixa de ter validade e é necessário que procuremos auxílio em outro tipo de diagrama que é chamado Diagrama

de Resfriamento Contínuo . Neste tipo de diagrama o que temos é um mapa das transformações que ocorrem em um aço quando se faz um resfriamento contínuo. Embora as transformações que ocorrem neste caso sejam semelhantes às que ocorrem no diagrama isotérmico existem algumas modificações pelo fato da temperatura estar variando continuamente. Estes diagramas então, representam as transformações que ocorrem na austenita para várias velocidades de resfriamento. resfri amento.

8.2 - Comparação entre Diagramas Isotérmicos e de Resfriamento Contínuo Na figura 8.1 temos uma comparação entre um diagrama isotérmico e um diagrama de resfriamento contínuo. As linhas tracejadas do diagrama representam o diagrama isotérmico e as linhas cheias representam o diagrama de resfriamento contínuo. Pode-se ver que em um resfriamento contínuo ocorre um deslocamento das transformações para a direita e para baixo. Isto significa um aumento dos tempos de transformação quando se resfria continuamente um aço. Deste modo podemos ver que na curva de resfriamento 1 se valesse o diagrama isotérmico teríamos um tempo para o início da transformação de 6 segundos para 650 oC, o que na verdade não ocorre quando o resfriamento é contínuo.


64

Figura 8. 1 - Comparação do diagrama da resfriamento contínuo com o diagrama isotérmico para um aço eutetóide (11). 8.3 - Transformações no Diagrama de Resfriamento Contínuo A figura 8.2 representa um diagrama de resfriamento contínuo completo de um aço eutetóide. Neste diagrama podemos ver que as transformações que ocorrem são em princípio as mesmas que ocorrem no diagrama isotérmico. Temos então uma região de formação da perlita, uma região de formação de bainita e uma região de formação de martensita. A grande diferença em relação ao diagrama isotérmico neste caso é que em um resfriamento contínuo sempre teremos uma mescla de produtos devido ao fato de que a transformação ocorre a várias temperaturas durante o resfriamento. Quanto mais rápido é o resfriamento mais heterogêneos serão os produtos. Desta maneira para resfriamentos lentos teremos a formação de perlita grosseira mas à medida em que se aumenta a velocidade de resfriamento teremos uma mescla que poderá apresentar uma mistura de perlita com bainita e até mesmo mesmo perlita, bainita e martensita misturados misturados na microestrutura.


Figura 8.2 - Diagrama de resfriamento contínuo de um aço contendo 0,38% C, 0,74% Cr, 0,51% Mo(10). 8.4 - Propriedades dos Produtos Formados Na figura 8.3 temos uma série de curvas de resfriamento que resultam em várias microestruturas. Os números dentro dos cálculos representam as durezas Vickers resultantes. Como pode ser constatado, à medida em que se aumenta a velocidade de resfriamento aumenta a dureza pois embora tenhamos uma mescla de produtos, a dureza destes produtos aumenta com a velocidade de resfriamento. Este é o reflexo mais palpável nas propriedades e é o que realmente será de interesse na maioria dos casos práticos.


66

Figura 8.3 - Diagrama de resfriamento contínuo de um aço contendo 0,37% C, 1,4% Ni e 0,47% Mo(4).


9 - Temperabilidade 9.1 - Introdução Até o presente momento foram discutidos vários aspectos relativos ao comportamento do aço durante as diversas formas formas de transformação possíveis

nos

mesmos. Tanto os diagramas isotérmicos como os diagramas de resfriamento contínuo nos dão informações valiosas a respeito deste comportamento. Eles nos indicam, por exemplo, que um aço de uma determinada composição pode ser resfriado mais lentamente se tivermos elementos de liga no mesmo e mesmo assim podemos obter martensita. Entretanto devemos considerar qual é realmente a informação fornecida por estes diagramas para efeito prático em um tratamento térmico. Sabe-se que uma peça de aço resfriada em um meio qualquer terá uma velocidade de resfriamento que depende de vários fatores e uma vez que os mesmos sempre estarão presentes, temos que buscar alguma maneira de comparar e predizer predizer o que irá acontecer quando quando é feito tal resfriamento. Para isto é necessário que primeiramente entendamos o que é temperabilidade.

9.2 - Definição de Temperabilidade Para que tenhamos a máxima dureza em uma peça de aço é necessário que tenhamos a microestrutura composta unicamente por martensita. Esta microestrutura, entretanto somente poderá ser conseguida se pudermos eliminar as transformações da austenita que são dependentes da difusão como é o caso da transformação perlítica e da transformação bainítica. Isto só pode ser ser conseguido se tivermos um resfriamento resfriamento suficientemente rápido. Existe um certo número de fatores que afetam as velocidades de resfriamento e portanto, a formação de martensita, com a conseqüente variação considerável de dureza ao longo da seção da peça ou ao longo de seções idênticas fabricadas com aços de diferentes composições. O conceito de temperabilidade trata do segundo caso. Segundo alguns autores temperabilidade pode ser definida como "a susceptibilidade de endurecimento por um resfriamento rápido" ou

ainda como "a propriedade, nas ligas

ferrosas, que determina a profundidade e a distribuição da dureza produzida por uma têmpera".

Os dois conceitos enfatizam a dureza como parâmetro de comparação e como já

foi salientado acima a origem da dureza é a formação e a presença de martensita, e então temos um terceiro conceito em que temperabilidade é "a capacidade de um aço se transformar total ou parcialmente de austenita para alguma percentagem de martensita a


68

uma dada profundidade quando resfriado sob certas condições".

Este conceito descreve

mais precisamente o processo físico que conduz ao endurecimento.

9.3 - Fatores que Afetam a Distribuição de Dureza Para que possamos entender melhor o conceito de temperabilidade devemos tratar aqui dos fatores que influem na distribuição da dureza ao longo da seção de uma peça. Para isto vamos buscar auxílio em um experimento em que várias barras de diâmetros diferentes são austenitizadas e resfriadas rapidamente. Medidas de dureza são feitas ao longo do diâmetro das barras com o objetivo de se obter a distribuição da dureza como função da distância da superfície até o centro. Nas figuras 9.1 a 9.4 temos os resultados de testes deste tipo para barras resfriadas em água para dois aços, um SAE 1045 e um SAE 6140. A análise destas duas figuras nos mostra que a distribuição das durezas em uma peça depende de três fatores que veremos veremos a seguir.

Figura 9.1 - Perfil de durezas em barras de aço SAE 1045 temperados em água (3).


Figura 9.2 - Perfil de durezas em barras de um aço SAE 6140 temperadas em água (3).

Figura 9.3 - Perfil de durezas em barras de aço SAE 1045 temperadas em óleo (3). Princípios de Tratamentos Térmicos Térmicos 69

70

Figura 9.4 - Perfil de durezas em barras de um aço SAE 6140 temperadas em óleo (3). Primeiramente vamos analisar o caso do aço SAE 1045. Podemos ver que a máxima dureza para este aço é obtida na superfície da barra de meia polegada e mesmo para este diâmetro existe uma queda na dureza em direção ao centro. Para os outros diâmetros existe uma queda paulatina na dureza mesmo na superfície. Isto denota que a dureza e por conseqüência a quantidade de martensita formada é dependente do diâmetro, que afeta a velocidade de resfriamento. A mesma coisa acontece para o aço SAE 6140, só que neste caso as durezas são mais elevadas do que no caso anterior pelo fato deste aço possuir elementos de liga. Este segundo fator torna-se importante quando quisermos manter uma dureza média alta para barras de grande diâmetro. Um terceiro fator que afeta a distribuição de dureza é a velocidade de resfriamento. Nas figuras 9.3 e 9.4 podemos ver a distribuição da dureza para os mesmos aços e os mesmos diâmetros quando resfriados em óleo. Pode-se notar que existe uma sensível queda nas durezas para o aço SAE 1045. Comparando-se os resultados acima podemos dizer que o aço SAE 6140 tem maior temperabilidade que o aço SAE 1045. Isto se deve essencialmente aos elementos de liga do primeiro os quais aumentam o tempo para decomposição da austenita em ferrita e/ou 70 rincípios de Tratamentos Térmicos

misturas de ferrita e cementita e portanto torna possível a obtenção de martensita para velocidades de resfriamento mais baixas.

9.4 - Ensaio de Jominy Há muito tempo o estabelecimento de formas de avaliação da temperabilidade de aços de forma prática tem sido a preocupação de vários pesquisadores. Para isto foram desenvolvidos vários procedimentos que nos proporcionam rotinas de testes com esta finalidade. Um dos testes mais correntes na prática industrial atualmente é o chamado

Ensaio de Jominy . Na figura 9.5 podemos ver a forma e as dimensões do corpo-de-prova utilizado neste ensaio bem como o aparato de suporte e resfriamento do mesmo.

Figura 9.5 - Corpo-de-prova para ensaio de Jominy (8). O corpo-de-prova é resfriado a partir de uma de suas extremidades por um jato de água, fazendo com que o mesmo experimente uma gama de velocidades de resfriamento desde velocidade de resfriamento em água até velocidade de resfriamento ao ar. Se fizermos após o resfriamento medidas de dureza ao longo de uma geratriz da peça a cada 1/16 avos de polegada teremos um gráfico de dureza por distância que será característico do aço testado. Na figura 9.6 temos a representação de um gráfico deste tipo. O Ensaio de Jominy é um ensaio útil para comparação entre os diversos aços pois, uma vez que as velocidades de resfriamento em cada ponto são bem conhecidas e praticamente imutáveis com a composição, a forma da curva nos dará uma idéia da Princípios de Tratamentos Térmicos Térmicos 71

72

temperabilidade do aço. Assim um aço que apresente uma curva com queda na dureza acentuada possui baixa temperabilidade, ao passo que um aço que apresente uma queda suave na dureza possui alta temperabilidade. Facilmente se compreende que a maior ou menor queda na dureza depende dos elementos de liga li ga presentes ou não no aço.

Figura 9.6 - Gráfico dos resultados de um ensaio de Jominy mostrando os pontos de medida na barra ensaiada (14). 9.5 - Método de Temperabilidade de Grossmann Para determinarmos a temperabilidade de acordo com o método de Grossmann uma série de barras cilíndricas de aço de diâmetros diferentes são temperadas em um meio de resfriamento. Por meio de um exame metalográfico a barra que tem 50% de martensita no centro é separada e o diâmetro desta barra é dito o diâmetro crítico (Do), com as unidades geralmente em polegadas. As intensidades de resfriamento dos diferentes meios de resfriamento foram determinadas e são chamadas de fatores H. Este assunto será analisado mais profundamente quando abordarmos os meios de resfriamento. Os valores de H estão dados na tabela 9.1. Usando-se o valor apropriado do coeficiente H do meio de resfriamento em consideração, o valor de Do pode ser convertido para o diâmetro crítico ideal Di, o qual é definido como a barra que, quando a sua superfície é resfriada a uma velocidade infinita (H=∞), apresentará uma estrutura no centro contendo 50% de 72 rincípios de Tratamentos Térmicos

martensita. Os diagramas contendo a correlação entre Do e Di estão apresentadas na figura 9.7.

Tabela 9.1 - Severidade dos meios de têmpera sob diversas condições de agitação (16).

O valor obtido de Di é portanto uma medida da temperabilidade do aço e é independente do meio de resfriamento. Na prática os valores de Do são usados para determinar os valores de Di para barras temperadas em vários meios de resfriamento, usando os diagramas da figura 9.7.

* Exemplo Submetendo-se um aço cujo valor de Di é 2,0 polegadas a um resfriamento em óleo, cujo coeficiente é 0,4, encontramos um valor de Do de 0,8 polegadas. A familiaridade com o conceito de temperabilidade permite uma boa indicação da temperabilidade de um aço, a qual é obtida de seu valor de Di, donde esta é uma imagem útil para efeito de comparação.

*Cálculo de Di a partir da composição química. A temperabilidade pode ser calculada a partir da composição química de aços de baixo carbono e médio carbono levando-se em conta somente a quantidade de cada elemento em solução na temperatura de austenitização. O tamanho de grão austenítico também deve ser considerado. Quanto mais fino o grão mais baixa é a temperabilidade. Isto é devido ao fato de que a área superficial do grão cresce à medida em que o tamanho de grão decresce, dando lugar ao aumento do número de núcleos que servem de pontos de início de formação da perlita. O cálculo inicia com o conteúdo de carbono e com o tamanho de grão. Por meio da figura 9.8 uma temperabilidade básica para Di pode ser obtida. Para os outros elementos de liga as curvas da figura 9.9 indicam o fator de multiplicação que corresponde a cada teor. Os fatores dados neste diagrama foram selecionados a partir de uma série de testes obtidos por diferentes pesquisadores e aprovados pela AISI. Princípios de Tratamentos Térmicos Térmicos 73

74

Figura 9.7 - Relação entre o diâmetro critico e o diâmetro critico ideal para diversas severidades de têmpera (8). A figura 9.8 é aplicável a teores de carbono superiores a 0,8%, mas somente dentro do pressuposto de que todos os carbonetos estejam dissolvidos na temperatura de austenitização. Entretanto este não é geralmente o caso sem que se tenha que empregar uma temperatura desnecessariamente alta. Além do mais a dissolução completa dos carbonetos resultará em perigoso crescimento de grão e em grande quantidade de austenita retida no aço. Consequentemente se as temperaturas convencionais de austenitização forem utilizadas para aços de baixa liga com alto teor de carbono uma queda na temperabilidade deve ser esperada quando o carbono exceder 0,8%. Isto ocorre porque o carbono em excesso combina-se com os elementos de liga como o Cr e Mo formando carbonetos. Apesar da redução na temperabilidade, usa-se aços ligados com até 1,0% de carbono, mas nestas circunstâncias os carbonetos são benéficos porque aumentam a resistência ao desgaste dos aços.


* Exemplos de Cálculo de Temperabilidade 1 - Aço Cr-Mo com grão ASTM 7 e a seguinte composição: C

Si

Mn

Cr

Mo

0,25

0,3

0,7

1,1

0,2

Da figura 9.8 o valor base de Di é 0,17 polegadas. Multiplicando-se este valor pelos valores apropriados para os elementos de liga obtemos Di = 0,17x1,2x3,3x3,4x1,6 = 3,7 pol 2 - Aço Ni-Cr-Mo com grão ASTM 6 e a seguinte composição: C

Si

Mn

Cr

Ni

Mo

0,35

0,3

0,7

1,4

1,4

0,2

Di = 0,22x1,2x3,3x4,0x1,5x1,6 0,22x1,2x3,3x4,0x1,5x1,6 = 8,4 pol Os valores de Di obtidos podem ser convertidos para valores de Do por meio dos diagramas da figura 9.8 conforme descrito anteriormente. Por exemplo, resfriando-se em óleo com agitação moderada (H=0,4), o diâmetro crítico do aço Cr-Mo Cr -Mo é Do = 2 polegadas e para o aço Ni-Cr-Mo é Do = 6,4 polegadas. Os valores de Do calculados desta forma são somente aproximados mas eles são úteis para a comparação entre diferentes tipos de aços ou entre diferentes corridas.

Figura 9.8 - Diâmetro critico ideal em função do teor de carbono e do tamanho de grão austenítico para aços ao carbono (14). Princípios de Tratamentos Térmicos Térmicos 75

76

Figura 9.9 - Fatores de multiplicação para vários elementos de liga para o cálculo da temperabilidade(14). 9.6 - Determinação da Curva de Jominy em Função da Composição e do Tamanho de Grão Os resultados obtidos no método de Grossmann são muito próximos dos que são obtidos experimentalmente em aços ao carbono e de baixa liga com 0,30% a 0,50% de carbono. Por outro lado, quando determinamos a temperabilidade de aços com 0,20% a 0,30% de carbono obtemos durezas muito elevadas e para aços de alto teor de carbono e para os de alta temperabilidade os resultados são pouco exatos. Posteriormente e tomando por base este trabalho, foram desenvolvidos outros procedimentos para determinar a curva de Jominy dos aços, em função da sua composição e do tamanho de grão, nos quais se começa a determinar sempre o diâmetro crítico ideal. Um dos procedimentos mais práticos é devido a Joseph Field, que descrevemos como exemplo a seguir. A composição de um aço Ni-Cr-Mo com tamanho de grão 7 cuja curva de Jominy se quer determinar é a seguinte: C

Si

Mn

Ni

Cr

Mo

0,40

0,25

0,80

0,50

0,50

0,25

A determinação se faz utilizando as tabelas 9.2 e 9.3 da seguinte forma: 1 - Na tabela 9.2 se acha o fator base correspondente a 0,40% de carbono (1 a coluna) e tamanho de grão 7 (4 a coluna), cujo valor é 0,2130.


2 - Na mesma tabela podemos determinar os fatores de multiplicação para os diversos elementos de liga. Procurando a porcentagem de cada elemento na primeira coluna e em cada uma das demais o fator correspondente a cada elemento, achamos os seguintes valores: Mn = 3,667 Si = 1,175 Ni = 1,182 Cr = 2,080 Mo = 1,750 Multiplicando todos estes fatores por 0,2130 que é o valor correspondente para temperabilidade base para 0,40% de carbono e tamanho de grão 7, encontramos o valor do diâmetro ideal: Di=0,2130x3,667x1,175x1,18 Di=0,2130x3,667x1,175x1,182x2,080x1,750 2x2,080x1,750=3,95 =3,95 polegadas Para se conhecer os valores de dureza em cada um dos pontos do corpo-de-prova de Jominy, se utiliza primeiramente a mesma tabela 9.2 em que acharemos (primeira e última coluna), que a dureza que se obtém a 1/16" da base do corpo-de-prova temperado com um teor de carbono de 0,40 % de carbono é de 56 HRC. Logo, utilizando a tabela 9.3 e procurando na primeira coluna o diâmetro crítico ideal Di que no nosso caso é 3,95 polegadas, acharemos acharemos por interpolação entre 3,90 e 4,0 os os fatores abaixo:


78

Tabela 9.2a - Fatores para determinação da dureza do ponto 1/16" da barra de Jominy em função da composição e do tamanho de grão (1).

Tabela 9.2b - Fatores para determinação da dureza do ponto 1/16" da barra de Jominy em função da composição e do tamanho de grão (1).


Tabela 9.2c - Fatores para determinação da dureza do ponto 1/16" da barra de Jominy em função da composição e do tamanho de grão (1).

Tabela 9.2d - Fatores para determinação da dureza do ponto 1/16" da barra de Jominy em função da composição e do tamanho de grão (1).


80

Tabela 9.3a - Fatores para a determinação da dureza em diversos pontos da barra Jominy em função do diâmetro crítico ideal (1).

Tabela 9.3b - Fatores para a determinação da dureza em diversos pontos da barra Jominy em função do diâmetro crítico ideal (1).


Distância da ponta temperada em 1/16" : 1

4

8

12

16

20

24

28

32

1,000 1,022 1,202 1,397 1,590 1,590 1,730 1,820 1,895 1,940 A dureza correspondente nos diversos pontos acha-se dividindo a dureza inicial que se obtém na base (que corresponde a 56 HRC) pelo fator correspondente em cada ponto: 1

4

8

12

16

20

24

28

32

56,0 55,0 46,5 40,0 40,0 35,5 32,5 32,5 31,0 29,5 29,0 Este procedimento que acabamos de descrever, o mesmo que foi concebido por Grossmann, embora muito interessante porque dá uma idéia muito aproximada da temperabilidade dos aços, não é rigorosamente exato. As discrepâncias entre os resultados que são obtidos desta forma e os que se obtém experimentalmente, provêm do fato de que se considera que cada elemento de liga tem um efeito multiplicador fixo na temperabilidade para cada percentual de elemento de liga e independente de teor dos outros elementos de liga. Devido precisamente que este fator não é constante para as diversas combinações de composição, os resultados que obtemos não são exatos e aparecem algumas diferenças entre as temperabilidades obtidas por este procedimento e as temperabilidades reais.

9.7 - Aplicação Prática do Ensaio de Jominy O sistema que descreveremos está baseado no ensaio de temperabilidade idealizado por Jominy e em trabalhos efetuados por diversos pesquisadores americanos e ingleses sobre a influência na têmpera dos aços, do tamanho da peças e do meio de resfriamento. Utilizando este procedimento se chega a determinar com boa aproximação a dureza de cilíndros de aço temperados, ligando os ensaios de Jominy com os resultados obtidos ao estudar o resfriamento contínuo desde uma temperatura alta, de cilíndros de aço de diversos diâmetros. Admite-se neste caso que a dureza e as propriedades físicas com que fica um aço depois da têmpera efetuada em condições normais é sempre exclusivamente função do processo de resfriamento. Anteriormente foi mencionado que a velocidade de resfriamento de uma peça depende do tamanho da peça, do meio de resfriamento e da temperatura de têmpera. Isto quer dizer que se conhece a dureza que adquire um aço depois da têmpera, quando o resfriamento foi feito de uma forma determinada, conheceremos Princípios de Tratamentos Térmicos Térmicos 81

82

também a dureza de qualquer ponto ou perfil do mesmo aço que se tenha resfriado de forma análoga, independente de sua posição na peça, da forma e tamanho desta, bem como do meio de resfriamento empregado. Conhecendo-se as durezas obtidas ao efetuar-se um ensaio de Jominy de um aço e as condições de resfriamento dos diferentes pontos do corpo-de-prova, pode-se conhecer a dureza que se obtém no interior de peças resfriadas nas mesmas condições. Deste modo as curvas de Jominy podem ser utilizadas para se predizer a distribuição de dureza em barras de aço de diferentes dimensões, resfriadas em vários meios de resfriamento. As velocidades de resfriamento nos vários pontos do corpo-de-prova de Jominy podem ser comparadas com as velocidades de resfriamento em barras de vários diâmetros resfriadas em vários meios de resfriamento. Esta comparação pode ser feita pelo uso dos gráficos das figuras 9.10 a 9.17. Estes gráficos são conhecidos como “gráficos de Lamont” e servem para que se possa encontrar as velocidades de resfriamento em diversas posições de uma barra, desde o centro até a superfície, quando resfriada em condições normais, isto é, mergulhando-a totalmente no meio de resfriamento. Uma vez encontrada a velocidade de resfriamento em uma determinada posição da barra poderemos utilizar um gráfico de ensaio de Jominy de um aço específico para sabermos a dureza a ser obtida. Desta maneira poderemos prever o perfil de durezas de uma uma barra temperada em um meio de resfriamento qualquer, sem que se tenha que recorrer ao corte da mesma. Para que possamos entender melhor este procedimento damos um exemplo de aplicação abaixo: Suponhamos que uma barra de 4,0 polegadas de diâmetro tenha sido resfriada em óleo com agitação boa (H=0,5 da tabela 1). Queremos saber qual dureza será obtida na superfície desta barra se estivermos utilizando um aço SAE 8640. O gráfico de resultado do ensaio de Jominy deste aço pode ser visto na figura 9.18. O primeiro passo será consultar a figura 9.10 onde obtemos que para uma barra de 4,0 polegadas de diâmetro resfriada em óleo com boa agitação teremos uma velocidade de resfriamento correspondente ao ponto 8/16" do ensaio de Jominy. Consultando-se agora o gráfico de Jominy do aço SAE 8640 obtemos que para o ponto 8/16" teremos uma dureza de aproximadamente 39 HRC. Este procedimento pode ser repetido para os outros gráficos, determinando-se com isso o perfil de durezas da peça com este diâmetro e para as condições de resfriamento dadas.


Figura 9.10 - Velocidades de resfriamento na superfície de barras resfriadas em vários meios de resfriamento (14).

Figura 9.11 - Velocidades de resfriamento em pontos situados a 0,9R abaixo da superfície da barra para vários meios de resfriamento (14).

Figura 9.12 - Velocidades de resfriamento em pontos situados a 0,7R abaixo da superfície da barra para vários meios de resfriamento (14). Princípios de Tratamentos Térmicos Térmicos 83

84



Figura 9.15 - Velocidades de resfriamento em pontos situados a 0,1R abaixo da superfície da barra para vários meios de resfriamento (14). 84 rincípios de Tratamentos Térmicos

Figura 9.16 - Correlação entre velocidades de resfriamento de barras cilíndricas e outros perfis, quando resfriados em água parada parada (14).

Figura 9.17 - Correlação entre velocidades de resfriamento de barras cilíndricas e outros perfis, quando resfriados em óleo parado(14).

Figura 9.18 – Gráfico de resultados de um ensaio de Jominy de um aço SAE 8640. As curvas representam os valores máximos e mínimos permitidos por norma (16). Princípios de Tratamentos Térmicos Térmicos 85

86

10 - Endurecimento Superficial - Processos Termoquímicos 10.1 - Introdução Os processos de endurecimento superficial são processos que visam a obtenção de peças de aço dotadas de uma fina camada superficial de elevada dureza, mantendo ao mesmo tempo um núcleo com dureza relativamente baixa. Como conseqüência teremos uma camada superficial com alta resistência ao desgaste, alta resistência a esforços de compressão e alta resistência à fadiga. Em contrapartida, pelo fato de termos um núcleo de dureza baixa, teremos uma peça com boa tenacidade. Os processos de endurecimento superficial podem ser divididos em duas categorias distintas, aqueles que envolvem alteração da composição química da camada superficial (cementação e nitretação) e aqueles que que envolvem o rápido aquecimento aquecimento e a têmpera posterior desta mesma mesma camada ( têmpera por chama, chama, têmpera por indução). indução). Neste capítulo veremos os processos que envolvem a modificação da composição química da camada camada superficial e no capítulo seguinte veremos veremos os processos processos em que não existe alteração de composição química.

10.2 - Cementação O processo de endurecimento superficial de cementação é o processo mais utilizado util izado atualmente e tem permanecido praticamente inalterado ao longo do tempo. Este processo é geralmente utilizado na produção de pistas e roletes de rolamento, engrenagens, buchas e juntas homocinéticas. O método consiste essencialmente no aquecimento da peça envolta em um meio rico em carbono, fazendo com que o carbono difunda para o interior aumentando o teor de carbono da camada superficial. A principal reação, que ocorre entre o carbono e o ferro, e que é a responsável pela difusão do carbono para o interior da peça, pode ser representada r epresentada da seguinte maneira: 3Fe +C → Fe3C Após a difusão do carbono é feita uma têmpera seguida de revenido para que se produza a máxima máxima dureza. Como o processo envolve a difusão do carbono, é necessário que se dê o tempo necessário para que isto ocorra. Tempos crescentes propiciam maiores espessuras das camadas cementadas. Como conseqüência, conseqüência, teremos um perfil de dureza associado ao perfil de concentração de carbono, como pode ser visto na figura 10.1. Os aços comumente


utilizados possuem 0,10 a 0,25% C e a temperatura varia entre 900 e 950 oC embora possam ser utilizadas temperaturas na faixa de 850 a 1000 oC. A máxima dureza atingida depois da têmpera nos aços ao carbono ocorre para um teor de carbono de 0,8%, como pode ser visto na figura 10.2. Para teores superiores a este a dureza cai devido à retenção de austenita. Este percentual pode variar para aços que tenham maior tendência à retenção de austenita, como acontece com os aços contendo níquel. Como resultado da retenção da austenita poderemos ter a situação mostrada na figura 10.3, em que se tem uma dureza mais baixa na superfície da peça.

10.2.1 - Principais Variáveis do Processo O processo de cementação, conforme já foi comentado acima, depende de vários fatores que exercem influência tanto na espessura da camada cementada como na profundidade do endurecimento. Abaixo descrevemos resumidamente resumidamente estes fatores e como eles influenciam o processo.

Figura 10.1 - Gradiente de carbono e perfil de dureza em uma barra de aço SAE 8620 com 25,4 mm de diâmetro, cementada a gás a 925 °C(10). Princípios de Tratamentos Térmicos Térmicos 87

88

Figura 10.2 - Dureza das ligas Fe-C temperadas em salmoura (9). 10.2.1.1- Efeito da Temperatura A velocidade de difusão do carbono no aço está estreitamente ligada à temperatura. A velocidade de difusão do carbono a 927 oC é 40% superior do que a 871 oC, como fica evidenciado na figura 10.4. Fica claro neste caso que quanto maior a temperatura menor o tempo que a peça terá que permanecer no forno. Estes dados referem-se ao aço no estado austenítico, e só poderia ser assim, já que somente no estado austenítico teremos solubilidade do carbono suficiente para se chegar aos percentuais utilizados na camada superficial de peças cementadas. Neste caso, o limite inferior de temperatura para o processo está condicionado à austenitização do aço e o limite superior está condicionado ao crescimento do grão. Se por um lado temos um aumento significativo da velocidade de difusão com o aumento da temperatura, por outro temos o crescimento do grão da austenita à medida em que usamos temperaturas mais altas. Como quanto maior o tamanho de grão menor é a tenacidade do material, este efeito se torna indesejado. Assim, temos dois compromissos que são antagônicos: ao aumentarmos a temperatura aumentamos a velocidade de difusão mas também aumentamos o tamanho de grão. Isto faz com que tenhamos sempre que considerar estes dois fatores ao escolhermos a temperatura de cementação. Para peças menos solicitadas e de menor responsabilidade podemos utilizar temperaturas mais altas, entretanto, para peças mais solicitadas devemos utilizar temperaturas mais baixas, a menos que se faça um tratamento térmico posterior para corrigir este problema. Este assunto será tratado no tópico relativo à têmpera. 88 rincípios de Tratamentos Térmicos

Figura 10.3 - Dureza da camada cementada de um aço SAE 8620 cementado em caixa a 925°C por 16 h e revenido 1 h a 205 °C(10). 10.2.7.2 – Efeito do Tempo A difusão do carbono também é influenciada pelo tempo em que a peça fica na temperatura de tratamento. A profundidade da camada cementada é dependente da seguinte equação: Prof. de Cementação = K t Como podemos ver a profundidade atingida no processo é proporcional à raiz quadrada do tempo. Isto quer dizer que à medida em que desejarmos profundidades maiores, maior será o tempo de tratamento e a cada vez que dobrarmos a espessura de cementação o tempo é multiplicado por 4 aproximadamente. Na figura 10.4 temos esta relação para um caso prático da relação do tempo com a profundidade de cementação. Como podemos ver quanto maior a profundidade que se queira maior será a consumo de energia e a ocupação do equipamento, fazendo com que este processo se torne antieconômico para para camadas camadas de profundidade profundidade muito grande. grande. Em geral na prática esta espessura está limitada a 2,5mm o que já dá um tempo de cementação de aproximadamente 25 horas a uma temperatura de 925 oC.


90

Figura 10.4 - Profundidade de cementação versus tempo de cementação para quatro temperaturas diferentes (10). 10.2.2 - Processos de Cementação 10.2.2.1- Cementação em Caixa A cementação em caixa ou também chamada cementação por via sólida é o processo de cementação mais antigo. Ele tem sido utilizado utili zado até nossos dias por que é um método de fácil execução, não necessitando de equipamento sofisticado. Neste processo são utilizados como fonte de carbono materiais sólidos à temperatura ambiente, embora todas as reações que ocorrem durante a cementação sejam gasosas. Para a execução do processo as peças são colocadas em uma caixa e envoltas pela mistura cementante que normalmente é composta de uma fonte de carbono - carvão vegetal, coque ou osso - e de um ativador - carbonato de bário ou carbonato de sódio. A caixa deve ser fechada o melhor possível, podendo-se para isto usar argila ou barro refratário, para que haja o mínimo escapamento possível dos gases gerados no interior da caixa. A quantidade de ativador pode ser variada e sua quantidade não parece ter uma importância muito grande desde que se situe em uma faixa de 5 a 20 % em peso da mistura. As reações que ocorrem durante o processo de cementação é que irão determinar qual o potencial de carbono que iremos ter na superfície do aço. Estas reações são influenciadas pela temperatura e pela quantidade de ativador utilizado. Inicialmente temos a reação do carbono da fonte de carbono com o oxigênio aprisionado na caixa, formando CO2, e na continuação continuação a seguinte seguinte reação: CO2 + C → 2CO 90 rincípios de Tratamentos Térmicos

(1)

Esta reação é na realidade reversível, mas à medida em que o tempo decorre cada vez mais monóxido de carbono é formado, e desta forma teremos a reação deslocada sempre para direita o que é imprescindível imprescindível para que tenhamos tenhamos cementação. cementação. Na superfície do aço ocorre a dissociação do monóxido de carbono: 2CO → CO2 + C

(2)

Embora esta reação também seja reversível, é necessário que a mesma esteja deslocada para a direita para que tenhamos carbono livre que possa difundir para o interior da peça. No prosseguimento prosseguimento do tratamento o CO 2 reage novamente com o carbono através da reação (1), repetindo-se o ciclo enquanto durar o processo. A função do ativador, diferente do que possa parecer de início, não é a de ser fonte de carbono, mas sim fonte de oxigênio. Ocorre que a quantidade de oxigênio aprisionada na caixa pode não ser suficiente para que se atinja o potencial de carbono que se deseja e neste caso teremos que fornecer uma quantidade adicional de oxigênio que será utilizada para a geração de dióxido de carbono através da seguinte reação: reação: BaCO3 → BaO + CO2

(3)

Pode-se ver, portanto, que o carbonato de bário propicia a formação de uma quantidade maior de dióxido de carbono que por sua vez irá se combinar com mais carbono da fonte, conforme a reação (1), seguindo-se após a reação (2) que irá completar o ciclo de geração de carbono livre na superfície da peça. Desta forma teremos uma maior quantidade de monóxido de carbono gerada e por conseqüência um maior teor de carbono na superfície. As equações acima revelam a importância do fechamento da caixa, pois caso a quantidade de oxigênio fosse ilimitada as reações tenderiam a se deslocar para o sentido contrário, fazendo com que o processo de cementação deixasse de existir.

10.2.2.2- Cementação por Via Gasosa A cementação por via gasosa é um processo que se popularizou nas últimas últ imas décadas devido à evolução dos fornos de tratamento e dos métodos de análise química. Neste processo são utilizados gases como fonte de carbono, os quais podem ser o gás natural ou gases manufaturados, tais como o monóxido de carbono e o metano. As reações que ocorrem para a decomposição dos gases são as mostradas abaixo: 2CO → C + CO2

(5)

para a decomposição decomposição do monóxido monóxido de carbono e: e:


92

CH4 → C + 2H2

(6)

CO + H2 → C + H2O

(7)

seguindo-se A mistura adequada destes gases irá nos permitir controlar o potencial de carbono na superfície do aço, o que faz com que a quantidade de cada um deles tenha que ser permanentemente analisada. As reações já citadas de decomposição do monóxido de carbono são as reações que se processam a seguir para que tenhamos o processo completo.

10.2.2.3- Cementação por Via Líquida A cementação por via líquida ou em banho de sais fundidos é um processo em que se tem um banho formado por diversos componentes que passam para o estado líquido após uma determinada temperatura. Este processo é ainda hoje bastante utilizado, embora existam uma série de restrições de ordem ambiental para a sua utilização. Os componentes do banho mais comuns são cianeto de sódio ou cianeto de potássio, cloreto de bário, cloreto de potássio ou cloreto de sódio, carbonato de sódio ou carbonato de bário. As reações que se processam no banho são as seguintes: 2NaCN → Na2CN2 + C 2NaCN + O2 → 2NaNCO NaCN + CO2 → NaNCO + CO Como pode ser observado pelas reações mostradas acima, a fonte de carbono é o cianeto e através da sua decomposição decomposição teremos a liberação liberação de carbono ou de monóxido de carbono. Após a decomposição do cianeto teremos novamente as reações (1) e (2) já citadas anteriormente que permitirão a difusão do carbono no aço. A exemplo da cementação em caixa aqui também o carbonato será fonte de oxigênio e o cloreto de sódio e cloreto de potássio entram apenas como carga. Em geral o cianeto é utilizado em percentuais que variam variam entre 5 e 20%, dependendo dependendo da temperatura. temperatura.

10.2.3 - Tratamentos Térmicos Após a difusão do carbono na peça é necessário que se faça uma têmpera para que possa ser atingida a máxima dureza possível em função do teor de carbono superficial. A 92 rincípios de Tratamentos Térmicos

maneira como será executada a têmpera depende das propriedades e do uso que será feito da peça. Sempre que fazemos a difusão do carbono temos crescimento de grão pela alta temperatura que é utilizada e pelo longo tempo de tratamento. Isto pode fazer com que a peça fique com baixa tenacidade. Nestes casos deve ser feito um tratamento para refino de grão. Outro caso é aquele em que temos que fazer acabamento da peça por usinagem em que o material deve ter dureza baixa. Para corrigir estas situações o tratamento deve ser feito em uma ou mais etapas de tal sorte que tenhamos um refino de grão ou uma peça inicialmente de dureza baixa. Assim sendo os tratamentos utilizados, que estão ilustrados na figura 10.5, podem ser os seguintes:

Figura 10.5 – Ciclos de tratamentos térmicos de têmpera utilizados após a cementação (10). Curvas A, B e C -

Resfriamento lento seguido de têmpera. Neste caso teremos uma

peça com dureza baixa que permite a usinagem, seguindo-se a têmpera sem refino de grão. Como existe uma variação no teor de carbono entre a superfície e o centro da peça, podemos escolher como temperatura de têmpera uma temperatura logo acima da eutetóide em que teremos austenitização completa da camada superficial e austenitização incompleta do núcleo ou uma temperatura mais alta em que teremos austenitização completa do núcleo. Curva D – Resfriamento lento seguido de dupla têmpera. Permite a usinagem, com

posterior refino de grão no reaquecimento reaquecimento para a segunda têmpera. têmpera. Curva E -

Têmpera direta da temperatura de cementação. Tem o inconveniente de

não refinar o grão Curva F -

Têmpera direta seguida de têmpera com austenitização a uma

temperatura mais baixa. Permite o refino de grão que irá ocorrer durante o aquecimento, Princípios de Tratamentos Térmicos Térmicos 93

94

durante a austenitização do material. A temperatura de austenitização utilizada pode ser aquela em somente uma parte da camada cementada fique austenitizada, que são as temperaturas próximas da temperatura eutetóide, ou temperaturas mais altas em que o núcleo da peça também é austenitizado. Neste último caso pode haver um pequeno crescimento de grão da camada cementada. Após a têmpera pode ser feito um revenido em uma temperatura na faixa de 150 a 220°C.

10.3 - Nitretação O processo de nitretação é um processo que a exemplo da cementação também altera a composição de uma camada superficial do aço. Entretanto, ao contrário da cementação, a camada nitretada não necessita ser temperada, tendo em vista que os nitretos nit retos que se formam já possuem dureza elevada. Isto faz com que não haja o inconveniente do empenamento. Além disso, a nitretação é feita na faixa de temperatura entre 500 e 600 °C, o que diminui a possibilidade empenamentos empenamentos por transformação de fase. f ase. Entre as vantagens da nitretação nit retação podemos citar as seguintes: - alta dureza com alta resistência r esistência ao desgaste; - alta resistência à fadiga e baixa sensibilidade ao entalhe; - melhor resistência à corrosão; - alta estabilidade dimensional. Em princípio qualquer aço pode ser cementado, entretanto, a composição poderá fazer variar a dureza final da camada nitretada, como é o caso de aços que possuem alumínio, cromo, vanádio e molibdênio que apresentam uma dureza final f inal maior. Nos aços não ligados forma-se preferentemente o nitreto γ cuja fórmula é Fe 4 N e para concentrações mais altas pode ser formado também o nitreto ε. Nos aços ligados ocorre a formação de nitretos complexos dos elementos de liga que aumentam a dureza da camada nitretada. A camada nitretada tem menor espessura do que a cementada, raramente ultrapassando 0,8 mm, caso contrário os tempos seriam muito grandes o que torna o método antieconômico.


10.3.1- Métodos de nitretação 10.3.1.1- Nitretação a gás Neste processo é utilizada amônia que é injetada no forno aquecido geralmente a 510°C. Nesta temperatura a amônia se dissocia de acordo com a seguinte equação: 2NH3 → 2N + 3H2 Como pode ser visto esta reação libera nitrogênio atômico que difunde para o aço. Os tempos de tratamento variam entre 12 e 120 horas

10.3.1.2- Nitretação por Via Líquida A nitretação por via líquida é o processo em temos um banho semelhante ao utilizado na cementação líquida. Neste banho teremos, então, cianeto de sódio ou potássio, carbonato de sódio ou de potássio e cloreto de potássio ou de sódio. Este banho contém entre 30 e 40% de cianeto. A dissociação do cianeto se dá da seguinte maneira: 2NaCN + O2 → 2NaCNO 4NaCNO → 2NaCN + Na2CO3 + CO + 2N

Normalmente a temperatura utilizada situa-se entre 550 e 570 °C. Nesta faixa de temperatura não ocorre a reação de cementação e portanto teremos apenas a adição de nitrogênio ao aço. Os tempos de nitretação nitretação são curtos, geralmente geralmente entre 1 e 4 horas. horas.


96

11 - Endurecimento Superficial - Têmpera Superficial 11.1 - Introdução O aquecimento superficial com a utilização do processo de têmpera superficial é um processo que consiste basicamente no aquecimento rápido acima da temperatura crítica de uma fina camada superficial da peça, seguida de um resfriamento rápido. Como conseqüência deste tratamento, toda a microestrutura que foi austenitizada se transforma em martensita. Como o aquecimento produz apenas uma pequena camada austenitizada, somente ela será endurecida, ficando o restante da peça com a dureza original. Como resultado teremos uma camada superficial de dureza elevada, correspondente ao teor de carbono original do aço e um núcleo dúctil e tenaz. Para que se consiga obter esta fina camada endurecida é necessário que a fonte de calor produza um aquecimento rápido, impedindo o aquecimento do restante da peça por condução do calor em direção ao núcleo. Os principais motivos da utilização do endurecimento superficial são: •o

tamanho da peças que torna difícil a utilização de processos convencionais de

têmpera; • quando o endurecimento deve ser seletivo, isto é, quando temos a necessidade de

temperar apenas algumas áreas que serão submetidas ao desgaste; • quando

se requer precisão dimensional que não pode ser conseguida por outros

métodos; • quando se deseja utilizar materiais de baixo custo em peças de solicitação menos

severa. Os dois processos mais utilizados para se atingir este objetivo são o processo de têmpera por chama e o processo de aquecimento por indução, que serão comentados a seguir.

11.2 - Aquecimento Por Chama Dentre os dois métodos citados o mais simples é aquele que utiliza o calor de uma chama para o aquecimento da peça. A chama utilizada deve ter alta temperatura e os gases de combustão devem atingir a peça com alta velocidade para uma melhor transferência de calor. A chama mais utilizada neste caso é a chama oxi-acetilênica que combina alta temperatura e alta velocidade dos gases de combustão, permitindo bons resultados a um


custo relativamente baixo. Este tipo de processo tem ainda a vantagem de produzir uma atmosfera neutra que protege a peça, evitando a descarbonetação ou a formação de uma camada óxido. Embora este método seja de execução simples, existe uma série de fatores que podem fazer com que a peça fique defeituosa, dentre os quais podemos citar o crescimento de grão devido ao superaquecimento, dureza baixa por aquecimento insuficiente, regiões de diferentes durezas devido a aquecimento não uniforme e profundidade excessiva de endurecimento devido a um aquecimento muito lento. A maior dificuldade encontrada neste método é o fato de que se necessita de uma gama muito grande de formas de queimadores da mistura combustível, cada um adaptado à peça a ser aquecida. aquecida. Quanto mais complexa for a peça mais complexa é a forma do queimador, pois, para termos um aquecimento uniforme, a distância entre o queimador e a peça não deve variar muito. Dois queimadores típicos são mostrados mostrados na figura 11.1. Os métodos mais utilizados para a execução do aquecimento por chama são o método estacionário e o método progressivo. Em ambos os casos a peça ficará estática ou poderá ter um movimento rotativo. Quanto mais complexa for a forma da peça maior a restrição ao seu movimento.

Figura 11.1 - Tipos de queimadores utilizados no aquecimento por chama (10). O método estacionário com rotação da peça ou não, se presta para endurecimento seletivo ou para peças de pequenas dimensões e de forma regular. O método progressivo, também com rotação da peça ou não, se presta para endurecimento completo e para endurecimento seletivo. Princípios de Tratamentos Térmicos Térmicos 97

98

Nas figuras 11.2 e 11.3 temos uma representação destes métodos.

Figura 11.2 - Peça aquecida pelo método estacionário (10).

Figura 11.3 - Peça aquecida pelo método progressivo (10). 11.3 - Aquecimento por Indução 11.3.1 - Introdução O aquecimento por indução é um processo que se aplica a materiais eletricamente condutores pela geração de um campo magnético variável cujas linhas de força penetram na peça. Este campo magnético variável induz um potencial elétrico o qual cria uma corrente elétrica variável que é dependente das características elétricas e da forma da peça. Um circuito de aquecimento por indução i ndução é fundamentalmente um transformador, no qual o primário está representado pelas espiras espiras de uma bobina, através da qual passa uma corrente corrente elétrica alternada, e de um secundário constituído pela peça que vai ser aquecida.


Devido ao fato que todos os metais são condutores elétricos o aquecimento por indução é aplicável a uma variada gama de processos tais como fundição, tratamentos térmicos, soldagem e aquecimento para forjamento. Este processo tem como principais vantagens a eficiência de transferência de energia para a peça e altas velocidades de aquecimento quando comparadas com os métodos convencionais de aquecimento.

Figura 11.4 - Sentido das correntes e do campo magnético em uma bobina ( a ) e correntes parasitas induzidas na peça ( b ) (10). 11.3.2 - Princípios do Aquecimento por Indução Quando colocamos um corpo metálico em um campo elétrico gerado por uma corrente alternada, campo este gerado por uma bobina, como está representado na figura 11.4, teremos a produção de correntes de Foucault e de efeitos de histerese que gera correntes parasitas, correntes que irão aquecer a peça. Sob a ação das correntes parasitas as partículas de ferro tendem a se polarizar em um determinado sentido, criando-se em cada uma delas um polo norte e um polo sul. Ao se variar o sentido do campo estas partículas tendem a seguir estas variações, variando o sentido de seus pólos e gerando-se uma fricção atômica interna que faz com que seja dissipado calor o qual ao dissipar-se eleva a temperatura da peça. No aquecimento dos aços, o aquecimento por histerese tem pouca importância porque quando se ultrapassa a temperatura Curie ( aproximadamente 768 °C) onde o aço perde suas propriedades magnéticas as mesmas deixam de existir. As correntes de Foucault geradas tendem a se concentrar na camada superficial das peças. A distribuição destas correntes ao longo da seção das peças depende fundamentalmente da freqüência utilizada, da condutividade elétrica elétrica e das propriedades magnéticas. magnéticas. Quando se geram correntes de Foucault, o aço passa a atuar como uma resistência elétrica que se aquece pela passagem de uma corrente elétrica de acordo com a lei de Joule. O calor gerado será proporcional a RI 2, sendo R a resistência do circuito e I a intensidade da Princípios de Tratamentos Térmicos Térmicos 99

100

corrente. Quanto mais alta for a temperatura, as correntes de Foucault diminuem de intensidade, o que é uma vantagem pois com isto se evita automaticamente o sobreaquecimento excessivo da peça. Na figura 11.5 temos uma representação característica da distribuição das correntes de Foucault na seção de uma peça de cobre. Pode-se ver que quanto maior é a freqüência, maior é a concentração na superfície. Este é um fator importante importante na determinação determinação da freqüência a ser utilizada de acordo com a aplicação.

Figura 11.5 - Distribuição das correntes de Foucault em um corpo sob diferentes freqüências. Assim, para processos que requeiram aquecimento completo devem ser utilizadas freqüência mais baixas e para processos que requeiram aquecimento da superfície devem ser utilizadas freqüências mais altas.

11.3.3 - Equipamentos de Indução Um equipamento de aquecimento por indução consiste basicamente de uma fonte de potência, de uma estação de trabalho, de uma bobina, controles e suportes para peças. Adicionalmente poderemos ter equipamentos para resfriamento de peças. A fonte de potência é o componente mais importante de um sistema de aquecimento por indução. Sua função é a de admitir a energia da rede que chega em 60 ciclos e entregar a energia elétrica à bobina na tensão e na freqüência adequadas. Estes equipamentos são fabricados em três faixas básicas de freqüências: baixa freqüência ( 60 ciclos), média freqüência (180 ciclos para triplicadores ou até 10 kKHz para conversores) e alta 100 rincípios de Tratamentos Térmicos

freqüência (mais de 10 kKHz). Atualmente o tipo de equipamento mais utilizado para todas as faixas de freqüência nos equipamentos comerciais é aquele baseado em conversores a estado sólido. Estes utilizam SCRs e tem como características a alta eficiência, custo inicial baixo, baixa manutenção e uma grande variedade de potências e freqüências.

11.3.4 - Bobinas Na figura 11.6 podemos ver vários tipos de bobinas utilizadas no aquecimento por indução. Estas bobinas são geralmente confeccionadas em tubos de cobre pelos quais passa água de refrigeração pois se temos o aquecimento das peças também teremos o aquecimento da bobina. A forma de uma bobina depende da forma da peça e da área que se quer aquecer. Para que haja uma boa transferência de energia é necessário que a bobina fique o mais próximo possível da peça. Quanto maior for a distância menor será a eficiência do sistema. Um adequado projeto da bobina permite eficiência da ordem de 95%.

Figura 11.6 - Vários tipos de bobinas projetadas para aquecimento de peças

(10)

.

11.3.5 - Aplicação do Aquecimento por Indução nos Tratamentos Térmicos Como já foi dito, o aquecimento por indução encontra inúmeras aplicações em todos os campos do trabalho com metais. No caso específico dos tratamentos térmicos as aplicações podem ser divididas em tratamentos de endurecimento superficial, onde temos como exemplos a têmpera superficial de virabrequins, eixos de cames, eixos de transmissão, juntas universais, engrenagens, sedes de válvulas e trilhos, e tratamentos de têmpera total, onde temos como exemplos têmpera de tubos, peças estruturais, molas e correntes. Princípios de Tratamentos Térmicos Térmicos 101

102

Para um melhor entendimento destas aplicações vamos descrever a aplicação em trilhos. A têmpera superficial de trilhos é uma das mais recentes aplicações deste tipo de tratamento térmico. As cabeças ou boletos dos trilhos tr ilhos se desgastam rapidamente nas seções curvas onde existe o tráfego de carros de alta tonelagem. A ação abrasiva das rodas combinada com altas tensões pode resultar em uma vida útil muito curta do trilho. Com a utilização de carros cada vez mais pesados e aumento da velocidade este tipo de problema vem se tornando cada vez mais severo. Os trilhos convencionais são fabricados com aço SAE 1080 por laminação à quente usando-se uma temperatura inicial de 1290 oC. Seguindo-se à laminação eles são resfriados em condições controladas, obtendo-se com isto um produto acabado com apenas moderada dureza em torno de 250 HB. No processo de indução apenas o boleto é endurecido já que é nesta região que ocorre a falha devido ao desgaste e à deformação durante o serviço. Uma camada relativamente espessa cuja dureza decresce com a espessura, como mostrado na figura 11.7, pode ser obtida utilizando-se uma fonte de potência de baixa freqüência, na ordem de 1000 Hz.

Figura 11.7 - Perfil de dureza Brinell em um boleto de trilho temperado por indução (10). No processo real, os trilhos são pretensionados antes do tratamento térmico com o objetivo de eliminar distorções causadas pelo aquecimento e para eliminar a necessidade de operações de endireitamento. Os trilhos são então passados por uma bobina em forma de U e as suas superfícies são aquecidas até 1065 oC. Seguindo-se o aquecimento a superfície é resfriada ao ar até uma temperatura de 425 oC, produzindo uma microestrutura bainítica. O calor residual do núcleo do trilho traz a camada superficial para uma temperatura de 595oC produzindo um autorevenido. Finalmente é feito um resfriamento com água até a temperatura ambiente. Os trilhos produzidos desta maneira apresentam uma durabilidade duas vezes e meia até oito vezes maior que a dos trilhos tril hos convencionais. 102 rincípios de Tratamentos Térmicos

12 - Preparação de Amostras 12.1 - Introdução A preparação de amostras para microscopia ótica é uma prática corrente e muito bem conhecida. Ela se presta para investigação de metais cuja estrutura queremos conhecer. Uma Uma preparação cuidadosa poderá poderá nos fornecer informações informações importantes a respeito do comportamento mecânico do material sem que muitas vezes tenhamos que nos dedicar a outros testes muito mais trabalhosos e caros. Assim, se quisermos fazer uma investigação do metal para que tenhamos uma idéia de estruturas resultantes de fundição, tratamento mecânico ou tratamentos térmicos prévios, esta será uma importante ferramenta. Existem algumas variáveis de acordo com o tipo de detalhe que queremos observar. Por exemplo, uma estrutura de fundição possui detalhes muito mais grosseiros do que os de um tratamento mecânico ou de um tratamento térmico e desta maneira deveremos conduzir a preparação de maneira um pouco diferente em cada caso. De qualquer maneira os passos mais comuns nesta prática seriam os seguintes: a) Retirada da amostra; b) Embutimento; c) Lixamento; d) Polimento; e) Ataque químico. Embora algumas destas etapas possam não ser necessárias de acordo com o detalhe que se queira observar, detalharemos a seguir cada um deles para que se tenha uma melhor idéia do significado de cada um. Salientamos, entretanto, que as diferenças que serão encontradas referem-se basicamente ao tamanho do detalhe que irá ser observado e desta maneira a preparação pode ser subdividida em preparação para micrografia, a qual geralmente engloba todas todas as etapas citadas, e preparação para macrografia, que poderá poderá dispensar as etapas de embutimento e polimento. Isto é possível porque na macrografia são observados detalhes grandes como bolhas, rechupes e estrutura dendrítica de fundição ou ainda linhas de deformação oriundas de um processo de conformação mecânica. Estes detalhes normalmente poderão se observados a olho nú ou com pequeno aumento (até 100 vezes). Na micrografia o tamanho do detalhe é menor e neste caso poderão ser observadas estruturas oriundas de tratamentos térmicos tais como fases, tamanho de grão e descarbonetação. Princípios de Tratamentos Térmicos Térmicos 103

104

12.2 - Retirada da Amostra A retirada da amostra é uma etapa importante da preparação pois um local bem escolhido para a retirada nos dará condições de termos uma amostra realmente representativa da estrutura que se quer observar. Por exemplo de acordo com a história prévia de uma peça deveremos julgar se o corte que vai ser feito deve ser longitudinal ou transversal ou ainda se devemos retirar da menor seção ou da maior seção, etc. A retirada da amostra pode ser feita por ação de uma serra ou de um disco de corte apropriado para este fim. No segundo caso teremos o disco montado em um aparelho especialmente construído para este fim o qual possui, além de um motor que impulsiona o disco, uma bomba que joga um líquido refrigerante sobre a peça. Na operação de corte devemos evitar o máximo possível a alteração da estrutura do material. Isto nem sempre é possível pois devido ao tipo de operação não podemos evitar que haja alguma deformação da superfície de corte mas, de qualquer forma, devemos fazer o possível para que esta camada de deformação seja mínima. Neste caso a utilização de um disco é mais aconselhável do que a serra. Podemos, entretanto, evitar o aquecimento da amostra pois este acontecimento poderá produzir uma alteração da estrutura desde que a mesma esteja susceptível a modificações pelo aquecimento, como como é o caso de materiais materiais temperados ou de baixo ponto ponto de fusão.

12.3 - Embutimento Esta etapa é uma etapa opcional pois ela só será necessária se a amostra retirada for muito pequena a ponto de impedir a manipulação necessária no lixamento e no polimento. Outra justificativa seria a necessidade de se observar as bordas da amostra, as quais sempre ficam arredondadas durante o lixamento caso não haja uma área de suporte suficientemente grande à sua volta. O embutimento é um procedimento simples que pode ser dividido em duas forma principais: embutimento a quente e embutimento embutimento a frio. No embutimento a quente usa-se uma combinação de pressão e temperatura para efetuar a polimerização da resina com o auxílio de uma prensa de embutimento. Os materiais utilizados neste caso são o baquelite e as resinas acrílicas. Estes plásticos são polimerizados pela ação ação da temperatura e da da pressão utilizados.


No embutimento a frio utilizam-se resinas que são polimerizadas através de um endurecedor. A mistura da resina e do endurecedor é vertida em um molde onde se encontra a amostra, e então deixa-se a mesma endurecer fazendo com que a amostra fique por ela envolvida. Este procedimento evita que o aquecimento provoque alterações na estrutura em caso de amostras de materiais de baixo ponto de fusão. A escolha do tipo de material de embutimento depende do material que será observado e do custo e equipamento disponíveis.

12.4 - Lixamento O lixamento é uma etapa da preparação que visa aplainar a superfície da amostra bem como reduzir ao mínimo a camada deformada gerada pelo corte. Para que possamos entender a necessidade da etapa de lixamento vamos observar a figura 12.1. Ali procurouse representar o estado da superfície do material após a operação de corte. Após o corte da amostra vamos encontrar a superfície cheia de sulcos apresentando uma camada deformada. Esta camada deve ser retirada para que possa ser examinada a estrutura real da amostra. Isto será feito inicialmente pelo lixamento e completado pelo polimento.

Figura 12.1 - Zonas de deformação de uma superfície cortada ou submetida a lixamento grosseiro. Uma lixa nada mais é do que um material abrasivo colado sobre a superfície de um papel. Quando passamos passamos a amostra sobre estes grãos abrasivos abrasivos temos a retirada de material como em um processo de usinagem e portanto, embora estejamos retirando a camada deformada pelo corte, restará uma camada de deformação causada pela lixa na melhor das hipóteses. Para que esta camada não seja espessa são usadas lixas de várias granulometrias que vão desde uma lixa 120 até uma lixa 600, geralmente. O número da lixa está associado com a peneira utilizada para peneirar o abrasivo e representa o número de malhas da Princípios de Tratamentos Térmicos Térmicos 105

106

peneira por polegada quadrada. Assim quanto maior o número da lixa menor é o tamanho do grão do abrasivo. Quanto menor o grão do abrasivo menos profunda será a camada deformada deixada pela lixa. A operação de lixamento é feita utilizando-se uma seqüência de lixas desde a mais grossa até a mais fina girando-se a amostra de 90 graus sempre que se troca de lixa, prolongando-se a operação até que todos os riscos da lixa anterior tenham desaparecido. A quantidade de lixas utilizadas depende da experiência do operador e normalmente são utilizadas lixas que utilizam água como lubrificante.

12.5 - Polimento Esta etapa é a mais importante na obtenção de uma superfície adequada para a observação. O polimento objetiva a eliminação dos riscos e da camada deformada deixada pela última lixa, fazendo com que se tenha tenha uma superfície plana plana e isenta de riscos. riscos. O polimento é feito com abrasivos depositados sobre panos especiais cuja textura e composição depende do abrasivo utilizado. Os abrasivos mais utilizados neste caso são o diamante e a alumina. A granulometria dos mesmos varia desde grãos de 10 µm até 0,1 µm. Normalmente são utilizadas duas etapas uma com um grão

mais grosseiro e outra com

grão mais fino. O procedimento é semelhante ao utilizado no lixamento, isto é, deve-se rodar a amostra de 90 graus sempre que se muda o abrasivo. Outra maneira seria movimentar a amostra no sentido contrário ao da rotação do prato da politriz. polit riz. Quando se finaliza o polimento devemos ter atingido a estrutura real do material, abaixo portanto da camada deformada, pois só desta maneira poderemos observar corretamente a estrutura.

12.6 - Ataque Químico O exame de uma amostra polida, não atacada, revela apenas alguns detalhes da estrutura tais como inclusões, trincas e grafita em ferros fundidos. Para que possamos identificar outros detalhes como tamanho de grão e fases presentes é necessário que se faça um ataque da superfície do material através de um reagente químico. Os reativos utilizados no ataque são específicos para cada material e tipo de detalhe que se quer observar. Essencialmente o ataque químico é uma reação química que se dá na superfície da peça onde são atacadas as áreas mais reativas. Para que se possa atingir este objetivo o procedimento torna-se dependente do tempo, pois, para tempos adequados somente serão 106 rincípios de Tratamentos Térmicos

atacadas as áreas de átomos de maior energia como é o caso, por exemplo, dos contornos de grão. O procedimento consiste em se mergulhar a amostra polida no reagente até que fiquem atacadas as áreas mais reativas, permanecendo não atacadas as áreas menos reativas. Para entendermos o objetivo desta etapa vamos buscar auxílio da figura 12.2. Esta figura nos mostra zonas atacadas e zonas ainda polidas. Quando a luz vinda do iluminador do microscópio incide sobre a superfície a mesma será refletida segundo o ângulo de incidência. Entretanto nas zonas atacadas, os raios de luz serão desviados, não sendo conduzidos para a ocular do microscópio. Isto fará com que seja vista apenas a luz proveniente das superfícies não atacadas aparecendo como áreas escuras (ausência de luz) as zonas atacadas. Neste caso os contornos de grão apresentam-se como uma linha escura e teremos também uma distinção entre fases no material onde uma delas aparecerá clara e a outra escura.

Figura 12.2 - Efeito do ataque em amostras preparadas para exame metalográfico


108

Bibliografia 1. Apraiz Barreiro, J., “Tratamientos Térmicos Térmicos de los Aceros”, Aceros”, Ed. Dossat-Plaza de de Santa Ana, Madrid, 1971 2. Askeland, D. R., “The Science Science and Engineering Engineering of Materials”, Chapman & Hall, Hall, London, 3a Ed. 1996 3. Avner. S. H., “Introduction to Physical Metallurgy”, The McGraw-Hill Companies, Companies, 2 ª Ed., 1990. 4. Climax Molybdenum Molybdenum Company, Company, “Continuous Cooling and Transformation Diagrams”, Diagrams”, Ann Arbor MI 5. Flinn, R. A., Trojan, P. K., “Engineering Materials and Their Their Applications”, Houghton Houghton Miflin Co, Boston, 1975 6. Guy, A G., Hren, Hren, J. J., “Elements of Physical Metallurgy”, Metallurgy”, Addison-Wesley Publishing Co., Reading-MA, 1994, 3 ª Ed. 7. Hume-Rothery, W., W., “Estrutura das das Ligas de Ferro”, Editora Edgard Edgard Blücher Ltda, Ltda, São Paulo, 1968 8. Krauss, G., “Principles of Heat Heat Treatment of Steels”, ASM, Metals Park, Ohio, Ohio, 1980 9. Leslie, W. C., “The Physical Metallurgy of Steels”, McGraw-Hill International Book Book Co, London, 1982 10. “Metals Handbook”, 10 a Ed. ASM, Metals Park, Ohio 11. Reed-Hill, Reed-Hill, R.E., “Princípios de Metalurgia Física”, Física”, Editora Guanabara Dois, S/A, Rio de Janeiro, 1982 12. Russ, J. C., “Materials Science: A Multimedia Approach”, PWS Publishing Company, Boston, 1996 13. Smallman. R.E., “Modern Physical Metallurgy”, Butherworts, London, 1980, 3 ª Ed. 14. Telning, K., “Steel and its Heat Treatment”, Butherworths, London, 1975 15. Van Vlack, L.H., “Princípios de Ciência e Tecnologia dos Materiais”, Ed. Campus, Rio de Janeiro, 1984, 8 ª Ed. 16. Aço Finos Piratini, “Catálogos Técnicos”.


Apêndice A Diagrama de Equilíbrio Ferro-Carbono


110


Apêndice B Classificação dos Aços


112



114


]


116



118



120



122



124



126


[Apostila] Tratamentos Térmicos

Recommend Documents