Tratamentos Térmicos dos Metais Disciplina: Tecnologia dos Materiais Carga Horária: 60h
Aula 8
Professora: Cléa Albuquerque
Polimorfismo •
Polimorfismo - Fenômeno que alguns metais apresentam de possuírem
mais de uma estrutura cristalina. Quando encontrado em sólidos elemen elementar tares es é chamado chamado de Alotropia Ex: Ferro
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Polimorfismo •
Polimorfismo - Fenômeno que alguns metais apresentam de possuírem
mais de uma estrutura cristalina. Quando encontrado em sólidos elemen elementar tares es é chamado chamado de Alotropia Ex: Ferro
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Alotropia do Ferro
ao ser aquecido experimenta 2 alterações na sua estrutura cristalina: Ferro puro
1)
À temper temperatu atura ra ambient ambiente, e, a forma forma estáve estávell é o Feα com estrutura cristalina CCC
2)
O Feα experimenta uma transformação polimórfica para Feγ γ a 912ºC, com estrutura CFC
3)
O Feγ γ se transforma por volta de 1400ºC em Feδ, com estrutura CCC, que se funde por volta de 1500ºC
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Ferro α
Da temp temper erat atur ura a amb ambie ient ntee até até 910º 910º C – CC CCC C
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Ferro
γ γ
De 910º C até 1400º C – CFC
Acima de 1400ºC - CCC (Ferro δ) 5
Diagrama Ferro Carbono
Ferro
Aço
fundido
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Observações
1) 2)
Eixo vertical esquerdo descreve todas as alterações que ocorrem com o ferro puro Eixo das composições varia de 0 a 6,7%p C (formação do carboneto de ferro ou cementita – Fe3C) Diagrama é dividido em 2 partes: 0 a 6,7% p C 6,7 a 100%p C Por conveniência, o diagrama é conhecido como Fe- Fe3C Logo, para 6,7%p C há 100% de Fe3C Por convenção, o diagrama é conhecido como Fe-C.
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Observações O Carbono é uma impureza intersticial no ferro, formando uma solução sólida com o Feα (ferrita), com a Feγ (austenita) e Feδ (Ferrita), conforme indicado nos campos monofásicos A adição de C promove alterações nas temperaturas de transformações alotrópicas; A Solubilidade do C no Fe varia com a temperatura:
Na Feα, a solubilidade máxima do C é 0,022%p a 727ºC Na Fe γ , a solubilidade máxima do C é 2,14%p a 1147ºC
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(a)
(b)
Figura 1 - (a) Ferrita (b) Austenita. 9
b
a
c
a
Figura 2 – Sistema Fe-C
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Exemplo 1: Liga Eutetóide
Resfriamento de uma Liga Eutetóide (0,76%p C) a partir de 800 ponto “a” (Figura 8) Reação ao cruzar a isoterma a 727ºC: resfriamento
Feγ (0,76%C)
aquecimento
Feα + Fe3C = Perlita
Feα (0,0022%C) + Fe3C(6,7%C)
Figura 3 - Aço eutetóide. 1000x 12
Exemplo 2: Liga Hipoeutetóide
Resfriamento de uma Liga Hipoeutetóide (0,022 e 0,76%p C) a partir de 875ºC – ponto “b” A 775ºC coexistirão 2 fases (Fe α + Feγ ):
1) A quantidade de C aumenta mais para a fase Fe γ 2) A Feα se formará nos contornos de grão da Feγ
Abaixo da isoterma, a 727ºC, a Fe γ se transformará de acordo com a reação anterior, em perlita
1) Fase Feα que antes existia permanecerá sem qualquer alteração abaixo de 727ºC 2) A ferrita estará presente na perlita (ferrita eutetóide) e também como a fase que se formou quando se resfriava ao longo da região das fases Fe α + Feγ (ferrita proeutetóide) 3) A ferrita aparecerá como a fase matriz ao redor das colônias de perlita isoladas 13
Figura 4 – Aço hipoeutetóide, com 0,5%C. 800x 14
Exemplo 3: Liga Hipereutetóide
Resfriamento de uma Liga Hipereutetóide (0,76 a 2%p C) a partir de 875ºC – ponto “c” A 775ºC coexistirão 2 fases (Fe γ + Fe3C):
1) A quantidade de C diminui para a fase Fe γ 2) A Fe3C se formará nos contornos de grão da Feγ
Abaixo da isoterma, a 727ºC, a Fe γ se transformará de acordo com a reação anterior, em perlita
1) Fase Fe3C que antes existia permanecerá sem qualquer alteração abaixo de 727ºC 2) A cementita estará presente na perlita (cementita eutetóide) e também como a fase que se formou quando se resfriava ao longo da região das fases Fe γ + Fe3C (cementita proeutetóide) 3) A cementita aparecerá como a fase matriz ao redor das colônias de perlita isoladas
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Figura 5 – Aço hipereutetóide. 730x 16
Tratamento Térmico O processo de aquecer e resfriar um material visando modificar suas propriedades mecânicas;
Definição:
É feito em 3 fases distintas:
Aquecimento; Manutenção da temperatura; Resfriamento.
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Tipos de Tratamentos Térmicos
Modificam as propriedades de todo o material: Recozimento, Têmpera e Revenido;
Figura 6 – Ilustração esquemática dos tipos de tratamentos térmicos
Modificam somente uma fina camada superficial: Cementação e Nitretação;
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Recozimento Recuperar a textura de um material deformada por tratamentos térmicos ou mecânicos anteriormente submetidos;
Objetivo:
De que forma?
Ao passar pela zona crítica, este se recristaliza sobre a forma de grãos normais de austenita, qualquer que seja a textura que apresente antes de atingir a referida zona no aquecimento;
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Transformações dentro da Zona Crítica O resfriamento lento proporciona os mecanismos de difusão do carbono, favorecendo 2 transformações:
Separação da ferrita e da cementita durante a travessia da zona crítica; Transformação da austenita remanescente com 0,8%pC em perlita lamelar ao ser atingida a linha inferior da zona crítica;
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Para ser bem feito, observar:
Aquecimento: aquecer
Temperatura de recozimento:
Tempo de Permanência:
Atmosfera do forno:
Resfriamento lento:
trincamentos;
as peças uniformemente, para evitar distorções e
Depende do % de carbono, da ordem de 50ºC acima do limite superior da zona crítica; espessura da peça;
20 minutos de permanência para cada cm de
diminuir o acesso de ar , em caso de atmosfera oxidante para evitar a formação de cascas de óxido e descarbonetação superficial; deve ser tanto mais lento quanto maior for o teor de carbono (> 0,3%pC);
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Efeitos do Recozimento
Elimina a dureza de uma peça temperada, laminada ou estirada a frio, a textura de uma peça de aço fundido (bruta de fusão ou com granulação grosseira), fazendo-a voltar a sua dureza normal;
Torna o aço mais homogêneo;
Melhora sua ductilidade;
Torna-o mais facilmente usinável;
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Descuidos
Aquecimento ou resfriamento desigual pode distorcer ou trincar as peças; O aquecimento deve ser feito dentro da faixa de temperatura recomendada, caso contrário será ineficiente, a não ser no caso de aços extra-doces encruados, cuja ductilidade pode ser restaurada a 600ºC; Aquecimento dentro da zona crítica conduz a texturas em que a perlita toma um aspecto esboroado; Temperaturas excessivas ou longos tempos de permanência produzem uma granulação grosseira (superaquecimento); Aquecimento em meio oxidante, principalmente acima de 700ºC, pode causar descarbonetação superficial (mais pronunciado em aços ricos em carbono); 23
Normalização
É o recozimento com resfriamento ao ar e os aços assim tratados, são ditos normalizados; No estado normalizado, a dureza, bem como os limites de escoamento e de resistência à tração são um pouco mais elevados que no estado recozido, isso porque obtem-se uma granulação mais fina A causa para isto é que não ocorre completamente a separação da ferrita e da cementita dentro da zona crítica; a austenita transforma-se então em uma perlita lamelar muito fina, com mais ferrita e cementita que a proporção normal; A faixa de temperatura adequada está acima da adequada ao recozimento, uma vez que com este tratamento se busca uma maior homogeneização da austenita, para que a granulação seja mais uniforme (ver Figura 7)
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Normalização
Figura 7 – Temperaturas mais adequadas à normalização, recozimento e têmpera em função do teor de carbono do aço ao carbono 25
Influência do Resfriamento Rápido
A quantidade de ferrita ou de cementita separadas inicialmente diminui com o aumento da velocidade de resfriamento, até um ponto em que se anulam, de forma que o aço atinge a linha inferior da zona crítica ainda inteiramente austenítico; A austenita abaixo dessa linha se transforma em perlita de lamelas cada vez mais finas e mais próximas, chegando ao ponto de se tornarem indiscerníveis ao microscópico; Para velocidades de resfriamento ainda maiores, a austenita não se transforma em perlita, mas a temperaturas mais baixas em um constituinte denominado “martensita”, considerada como sendo uma solução sólida supersaturada de carbono no ferro α com uma estrutura tetragonal de corpo centrado;
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Figura 8 – Ilustração esquemática da microestrutura de um aço em função da velocidade de resfriamento após austenitização. 27
Avaliação das Microestruturas
Diagramas TTT - (Transformação tempo-temperatura) estabelecem a temperatura e o tempo em que ocorre uma determinada transformação. Só tem validade para transformações a temperatura constante; Diagramas TRC (Transformação sob resfriamento contínuo) – evolução da microestrutura em função do tempo e temperatura de transformação
Os tratamentos térmicos comuns não são tratamentos isotérmicos, uma vez que envolvem um resfriamento contínuo, com maior ou menor velocidade, desde a temperatura de austenitização até a temperatura ambiente.
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Diagramas TTT
Temperatura de austenitização
Martensita
γ γ
α+Fe3C ↓ Perlita
Figura 8 – Diagrama de transformação isotérmica 29
Diagramas TRC
Figura 9 – Ilustração esquemática de um diagrama TRC que resulta na formação de uma microestrutura (A) martensítica.(B) ferritico-perlítica 30
Têmpera
Tratamento aplicado aos aços com quantidade de carbono igual ou superior a 0,4%, visando a formação da martensita; Fases da tempera:
Aquecimento: A peça é aquecida em forno até uma temperatura recomendada para obter uma estrutura austenítica(ver Figura 7); Manutenção da temperatura: Deve ser mantida a temperatura por algum tempo a fim de uniformizar o aquecimento; Resfriamento: A peça temperada pode ser resfriada rapidamente em água, óleo ou sais fundidos.
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Meios de Têmpera Quanto maior a severidade de têmpera, mais rápido é o refriamento, entretanto o risco de distorções e trincamentos é maior;
Meio de Têmpera Óleo sem agitação Óleo moderadamente agitado Óleo violentamente agitado Água sem agitação Água fortemente agitada Salmoura sem agitação Salmoura fortemente agitada
Severidade de Têmpera (H) 0,2 0,5 0,7 1,0 1,5 2,0 5,0 32
Efeitos da têmpera
Aumento considerável da dureza do aço;
Aumento da fragilidade;
O aço torna-se muito quebradiço;
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Revenimento
Tratamento que se faz nos aços já temperados, para diminuir a sua fragilidade; As temperaturas de revenimento para os aços ao carbono variam de 210 a 320oC; Fases do Revenimento:
Aquecimento: Produz uma coloração que varia com a temperatura. Essas cores identificam a temperatura de revenimento; Manutenção da temperatura: Uniformizar o aquecimento; Resfriamento: Pode ser lento ou rápido (água ou óleo).
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Cores do Revenido No caso dos aços carbono, pode-se avaliar a temperatura em que o revenimento foi feito pela coloração atingida que permanece após o resfriamento;
Amarelo claro
210oC
Castanho avermelhado
270oC
Amarelo palha
220oC
Violeta
280oC
Amarelo
230oC
Azul escuro
290oC
Amarelo escuro
240oC
Azul marinho
300oC
Amarelo ouro
250oC
Azul claro
310oC
Castanho claro
260oC
Azul acinzentado
320oC 35
Efeitos do Revenimento
A têmpera modifica profundamente as propriedades dos aços, algumas delas tomam valores altos como a dureza e a resistência à tração; Por outro lado a resistência ao impacto e o alongamento caem a valores muito baixos, além de ficar com tensões internas apreciáveis; O revenido corrige esses inconvenientes restituindo ao aço as propriedades perdidas, sem afetar as propriedades obtidas com a têmpera
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Cementação
Muitas peças precisam ter elevada dureza externa para resistirem ao desgaste, permanecendo "moles“ internamente, caso dos dentes de engrenagem, matrizes para estampagem, pinos móveis, eixos, articulações, etc; Essas peças são usinadas em aço de baixa teor de carbono; A cementação é um tratamento que consiste em aumentar a porcentagem de carbono em uma fina camada externa; As partes externas adquirem elevada dureza enquanto as partes internas permanecem sem alterações; É feita aquecendo-se a peça de aço de baixo teor de carbono, junto com um material rico em carbono (carburante). Quando a peça atinge alta temperatura 750 a 1.000oC passa a absorver o carbono do carburante; Quanto mais tempo a peça permanecer aquecida com o carburante, mais espessa se tornará a camada. 37
Fases da Cementação
Aquecimento:
Cementação em caixa: As peças são colocadas em caixas com o carburante, fechadas e aquecidas até a temperatura recomendada; Cementação em banho: As peças são mergulhadas no carburante líquido aquecido, através de cestas ou ganchos.
Manutenção da temperatura: Varia com a espessura da camada que se deseja e a qualidade do carburante (0,1 mm a 0,2 mm/h);
Resfriamento: A peça é esfriada lentamente dentro da própria caixa;
Após a cementação as peças são temperadas.
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Figura 10 – Penetração da cementação em função do tempo
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