MCM I - Aula 05 - Tratamentos Térmicos (Recozimento e Normalização)

Tratamentos Térmicos: Recozimento e normalização Prof. Dr. André G. S. Galdino

1. Objetivos: Após esta esta aula, você dever deveráá ser capaz de: a) Compreender os diagramas de transformação tempo-temperatura; b) Compreender as mudanças de fases durante resfria friam ment ento em vária áriass situ situaç açõ ões fora ora do equilíbrio; c) Determinar as várias microestruturas possíveis de obtenção após resfriamento em diferentes velocidades. •

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1. Objetivos: Após esta esta aula, você dever deveráá ser capaz de: a) Compreender os diagramas de transformação tempo-temperatura; b) Compreender as mudanças de fases durante resfria friam ment ento em vária áriass situ situaç açõ ões fora ora do equilíbrio; c) Determinar as várias microestruturas possíveis de obtenção após resfriamento em diferentes velocidades. •


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2. Pré-requisitos necessários para a aula: Para melhor aproveitamento da aula, o aluno precisará precisará dos seguintes conceitos: a) Limite de solubilidade; b) Fases e equilíbrio de fases; c) Microes Microestrutur trutura; a; d) Interpretação de diagramas de fases. •


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3. Introdução: •

•

As ligas ferro-carbono, antes de serem utilizadas na forma de peças, são, na maioria dos casos, principalmente quando aplicadas em construção mecânica, submetidas a tratamentos térmicos ou a tratamentos termoquímicos. No primeiro caso, visa-se modificar as propriedades das ligas, sobretudo as mecânicas, ou aliviar as tensões e restabelecer a estrutura cristalina normal. MCM I - Dr. André G. S. Galdino

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•

•

No segundo caso, procura-se apenas o endurecimento superficial, pela alteração da composição química da camada superficial do material, até uma certa profundidade. Os aços, dentre as ligas ferrosas, são os materiais mais comumente submetidos a esses tratamentos. MCM I - Dr. André G. S. Galdino

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4. Finalidade: •

Alterar as microestruturas e, como consequência, as propriedades mecânicas das ligas metálicas.

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5. Objetivos: •

•

•

•

•

•

•

Remoção de tensões internas; Aumento ou diminuição da dureza; Aumento da resistência mecânica; Melhora da ductilidade; Melhora da usinabilidade; Melhora da resistência ao desgaste; Melhora da resistência à corrosão;


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•

•

Melhora da resistência ao calor; Melhora das propriedades elétricas magnéticas.


e

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MATERIAL + TRATAMENTO TÉRMICO

O tratamento térmico está associado diretamente com o tipo de material. Portanto, deve ser escolhido desde o início do projeto.


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6. Fatores que Influenciam nos Tratamentos Térmicos: •

•

•

•

•

•

Composição química; Temperatura; Tempo; Velocidade de resfriamento; Atmosfera*. * Para evitar a oxidação ou perda de algum elemento químico (ex.: descarbonetação dos aços). MCM I - Dr. André G. S. Galdino

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Tempo: O tempo de tratamento térmico depende muito das dimensões da peça e da microestrutura desejada. Quanto maior o tempo: a) maior a segurança da completa dissolução das fases para posterior transformação; b) maior será o tamanho de grão. Tempos longos facilitam a oxidação. •

•

•


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•

Temperatura: Depende do tipo de material e da transformação de fase ou microestrutura desejada.


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•

•

Velocidade de Resfriamento: Depende do tipo de material e da transformação de fase ou microestrutura desejada; É o mais importante porque é ele que efetivamente determinará a microestrutura, além da composição química do material (está relacionado com o meio de resfriamento utilizado). MCM I - Dr. André G. S. Galdino

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7. Principais resfriamento: •

•

•

•

•

•

meios

de

Ambiente do forno (mais brando); Ar; Banho de sais ou metal fundido (o mais comum é o de Pb); Óleo; Água; Soluções aquosas de NaOH, Na2CO3 ou NaCl (mais severos). MCM I - Dr. André G. S. Galdino

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8. Como escolher o meio de resfriamento? É um compromisso entre: a) Obtenção das características finais desejadas (microestruturas e propriedades); o aparecimento de fissuras e b) Sem empenamento na peça; c) Sem a geração de grande concentração de tensões. •


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9. Principais térmicos:

tratamentos

Os principais tratamentos térmicos são: a) Recozimento; b) Normalização; c) Têmpera e revenimento; d) Martêmpera; e) Austêmpera. •


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Tratamentos Térmicos

Austêmpera

Recozimento

Normalização Recozimento pleno ou supercrítico; Recozimento subcrítico; Esferoidização ou recozimento intercrítico.

Martêmpera

Têmpera e Revenimento


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10. Recozimento e Normalização: •

Em função dos diagramas de transformação para resfriamento contínuo, pode-se representar esquematicamente os tratamentos térmicos mencionados, como a Figura 1 indica.


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Figura 1 – Diagramas esquemáticos representativos dos tratamentos de recozimento e normalização.


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10.1. Recozimento: •

a) b) c) d)

Seus objetivos são os seguintes: Reduzir dureza do aço; Aumentar a usinabilidade; Facilitar o trabalho a frio; Atingir microestrutura ou as propriedades desejadas. MCM I - Dr. André G. S. Galdino

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Existem, basicamente, três tipos principais de recozimento: a) Recozimento pleno ou supercrítico; b) Recozimento subcrítico; c) Esferoidização ou recozimento intercrítico. •


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Figura 2 – Faixa de temperatura indicada para austenitização no recozimento. MCM I - Dr. André G. S. Galdino

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10.1.1. Recozimento pleno ou simplesmente recozimento: •

•

Consiste em austenitizar o aço, resfriando-o lentamente a seguir. A temperatura de recozimento pleno é de mais ou menos 50°C acima da linha A3 para os aços hipoeutetóides e de 50°C acima de A 1 para aços hipereutetóides.


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•

Nos aços hipereutetóides, não se deve ultrapassar a Acm porque, no resfriamento posterior, ao ser atravessada novamente esta linha, formar-se-ia cementita nos contornos de grão da austenita, o que fragilizaria posteriormente a peça tratada.


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•

•

Quanto mais baixa for a temperatura de austenitização, tanto mais heterogênea será a austenita para o mesmo tempo de tratamento. Quanto mais heterogênea a austenita, maiores chances de nucleação de carbonetos em regiões de teor de carbono mais alto ou de crescimento de carbonetos não dissolvidos, ao invés das estruturas perlíticas lamelares, que ocorrem com mais facilidade a partir da austenita homogênea. MCM I - Dr. André G. S. Galdino

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Figura 3 - Curvas de solubilização da perlita em aço eutetóide.


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•

Consequentemente, deve-se preferir temperaturas de austenitização mais altas quando se deseja estrutura perlítica e mais baixas quando se deseja estrutura esferoidizada.


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Tabela 1 - Ciclos de recozimento recomendados para aços carbono. Aços carbono ABNT/AISI

Temperatura de austenitização (°C)

Ciclo de resfriamento* de/até (°C)

Faixa de dureza (HB)

1020

855 – 900

855 / 700

111 – 149

1030

845 – 885

845 / 650

126 – 197

1040

790 – 870

790 / 650

137 – 207

1050

790 – 870

790 / 650

156 – 217

1060

790 – 845

790 / 650

156 – 217

1070

790 – 845

790 / 650

167 – 229

1080

790 – 845

790 / 650

167 – 229

1090

790 - 830

790 / 650

167 – 229

*Resfriamento

a 28°C/h no interior do forno. MCM I - Dr. André G. S. Galdino

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Tabela 2 ligados.

Ciclos de recozimento de aços Para se obter estrutura perlítica Recozimento

Aços ABNT / AISI


3140

830

735 / 650

3150

830

705 / 645

9840

830

9850

830

Contínuo De / até (°C)

Isotérmico

Taxa (°C/h)

Temp. (°C)

Tempo (h)

10

660

6

10

660

6

645 / 640

8,5

650

6

700 / 645

8,5

650

8


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Tabela 3 ligados.

Ciclos de recozimento de aços

Para se obter estrutura esferoidizada (ferrita + carbonetos esferoidizados) Aços ABNT / AISI


3140

Recozimento Contínuo

Isotérmico

De / até (°C)

Taxa (°C/h)

Temp. (°C)

Tempo (h)

745

735 / 650

5

660

10

3150

750

705 / 645

5

660

10

9840

745

645 / 640

5

650

10

9850

745

700 / 645

5

650

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30

•

•

Quanto mais próxima da temperatura A1 a austenita se transformar, mais grosseira será a estrutura, quer perlítica, quer esferoidal. Entretanto, analisando-se as curvas TT, observa-se que o tempo necessário para transformação completa em altas temperaturas é longo, por vezes, excessivamente. MCM I - Dr. André G. S. Galdino

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•

•

Nos casos em que o tempo de transformação for excessivo nesta temperatura, pode-se transformar parcialmente em alta temperatura, seguindo-se o restante da transformação em temperatura mais baixa. Há, portanto, duas possibilidades na transformação da austenita:


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a) Transformação isotérmica; b) Resfriamento contínuo, normalmente no interior do forno desligado ou em meios isolantes que permitam obterem-se as taxas de resfriamento necessárias para o tratamento.


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10.1.2. Recozimento subcrítico: •

•

•

É aquele em que o aquecimento se dá a uma temperatura abaixo de A1. É utilizado para recuperar ductilidade do aço trabalhado a frio (encruado). Normalmente, o aquecimento do aço carbono é realizado na faixa de 595 a 675°C, seguido de resfriamento ao ar.


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•

•

As principais transformações que ocorrem nesse tratamento são a recuperação e a recristalização das fases encruadas. Tratamentos de alívio de tensões são também aplicados quando se deseja reduzir tensões residuais em estruturas ou componentes após soldagem, fabricação, lixamento, dobramento, resfriamento brusco (têmpera), etc. MCM I - Dr. André G. S. Galdino

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•

O aumento de temperatura nesses tratamentos é suficiente para reduzir o limite de escoamento do material ou permitir sua deformação por fluência, de modo que as tensões residuais são aliviadas por meio de deformação plástica.


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•

No caso de soldas, o alívio de tensões pode ter também a função de revenir microestruturas de dureza excessiva e baixa ductilidade encontradas na Zona Afetada pelo Calor (ZAC), independentemente da existência de tensões residuais significantes.


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Figura 4 – Efeito da temperatura nas propriedades dos aços carbono durante o tratamento térmico de alívio de tensões. MCM I - Dr. André G. S. Galdino

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Figura 5 – Efeito da temperatura nas propriedades dos aços carbono durante o tratamento térmico de alívio de tensões (variação do limite de escoamento com a temperatura). MCM I - Dr. André G. S. Galdino

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10.1.3. Esferoidização: •

•

•

Para um aço qualquer, ao ser aquecido acima de A1, começa a formação de austenita. Dependendo da temperatura e do tempo, a austenitização pode ser total ou parcial (restar ainda perlita ou carbonetos na estrutura). Também a austenita formada pode ter distribuição homogênea ou heterogênea de carbono. MCM I - Dr. André G. S. Galdino

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•

•

Ao ser resfriada abaixo de A1, a austenita dará origem a uma estrutura de ferrita e carbonetos esferoidizados ou ferrita e perlita, dependendo das condições de resfriamento e da estrutura anterior ao resfriamento. A austenita homogênea tende a formar perlita enquanto que a austenita heterogênea tente a formar carbonetos esferoidizados. MCM I - Dr. André G. S. Galdino

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•

Há várias maneiras de se obter uma estrutura de carbonetos esferoidizados em matriz ferrítica após uma austenitização total ou parcial: manutenção por tempo prolongado à temperatura pouco abaixo de A1, resfriar lentamente ao passar por A1 ou fazer um ciclo acima e abaixo de A1.


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Figura 6 – Faixa de temperatura recomendada para a esferoidização de aços carbono. MCM I - Dr. André G. S. Galdino

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10.1.4. Recozimento usinabilidade: •

para

Para cada teor de carbono, deseja-se que haja microestruturas ideais para reduzir o custo de usinagem de aços.


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Tabela 5 – Estruturas mais adequadas para usinagem. %C

Microestrutura ideal

0,06 – 0,20 Estrutura de forjamento (ou laminação). Diâmetro menor que 75 mm, normalização. 0,20 – 0,30 Diâmetro maior que 75 mm, estrutura de forjamento (ou laminação). 0,30 – 0,40 Recozido com perlita grosseira (mínimo de ferrita). Perlita grosseira 0,40 – 0,60 grosseira.

ou

estrutura

esferoidizada

0,60 – 1,00 100% esferoidizada. MCM I - Dr. André G. S. Galdino

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11. Proteção da superfície: •

•

•

A proteção da superfície é feita para que o teor de carbono nela presente possa ser controlada durante o tratamento térmico. Há casos ainda em que se desejam superfícies isentas de oxidação, sem necessidade de limpeza posterior. Também, nesses casos, a proteção da superfície é importante. MCM I - Dr. André G. S. Galdino

46

•

•

Tanto as reações envolvendo o carbono das peças a tratar como a oxidação do material decorrem da presença de gases no interior do forno de tratamento. O caminho óbvio para se contornar o problema seria a eliminação da causa (tratamento sob vácuo).


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•

Esses tratamentos são extremamente caros, e só se justificam em caso de materiais reativos, tais como o titânio, zircônio, etc., e no caso de ferramental como matrizes e ferramentas de trabalho a frio já usinadas.


48

•

Na prática, opta-se pelo controle dos potenciais de oxigênio e carbono na atmosfera atmosfera do forno, pelo emprego de materiais de empacotamento, que evitam ou diminuem o contato da atmosfera com a peça, ou pelos banhos de sais fundidos com potenciais de oxigênio oxigênio e carbono controlados.


49

•

•

Como regra, os materiais de empacotamento somente são empregados para peças de aços ligados ou ferrame amenta (normalmente de produção produção limitada). Para produções maiores, opta-se por fornos de banho de sal fundido ou fornos de atmosfera controlada.


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Figura 7 – Faixas aproximadas de emprego de meios de empacotamento. MCM I - Dr. André G. S. Galdino

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11. Normalização: •

•

Os objetivos da normalização são idênticos aos do recozimento, com a diferença de que se procura obter uma granulação mais fina e, portanto, melhores propriedades mecânicas. As condições de aquecimento do material são idênticas às que ocorrem no recozimento, porém o resfriamento é mais rápido: ao ar parado ou agitado. MCM I - Dr. André G. S. Galdino

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Figura 8 – Comparação entre as faixas de temperaturas de austenitização para a normalização e o recozimento. MCM I - Dr. André G. S. Galdino

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•

•

•

A estrutura obtida é a mesma da obtida por recozimento, porém mais uniforme e fina. A normalização é normalmente indicada para homogeneização da estrutura após o forjamento e antes da têmpera e revenido. Aços ligados que temperam ao ar não são normalizados. MCM I - Dr. André G. S. Galdino

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A normalização pode ser usada, portanto, para qualquer das seguintes aplicações: a) Refino de grão (por meio de recristalização) e homogeneização da estrutura visando a obter uma melhor resposta na têmpera ou no revestimento posterior. b) Melhoria da usinabilidade. c) Refino de estruturas brutas de fusão (peças fundidas, por exemplo). •


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d) Obter propriedades mecânicas desejadas. •

Quando compara-se a estrutura normalizada com a recozida, há algumas diferenças, a saber:


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a) Aços hipoeutetóides: possivelmente menor quantidade de ferrita proeutetóide, e perlita mais fina (menor espaçamento entre as lamelas. Em termos de propriedades mecânicas, para baixos teores de carbono (C<0,20%), não se observam diferenças significativas, mas, com o aumento desse elemento, a dureza e a resistência mecânica ficam mais elevadas, a ductilidade (alongamento ou redução de área) mais baixa, embora a resistência ao impacto não seja muito alterada. MCM I - Dr. André G. S. Galdino

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b) Aços hipereutetóides: menos carbonetos em rede ou massivos, e distribuição mais uniforme dos carbonetos existentes, devido à dissolução mais completa dos carbonetos na austenitização para a normalização do que para o recozimento, visto que na normalização a austenitização ocorre acima de ACM. Como o resfriamento na normalização é mais rápido, a precipitação de cementita proeutetóide no contorno de grão austenítico é minimizada. MCM I - Dr. André G. S. Galdino

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•

•

Para aços ferramentas, o alto teor de elementos de liga de alguns tipos influi consideravelmente na sua temperabilidade, que fica fortemente aumentada. Com isso, as curvas TTT são muito deslocadas para a direita, o que impossibilita que a clássica definição de normalização seja correta. MCM I - Dr. André G. S. Galdino

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•

Por exemplo, aços ferramentas para trabalho a frio das séries A e D, aços rápidos da séries T ou M, com um simples resfriamento ao ar já representa velocidade suficiente para que se processe, parcial ou totalmente, a reação de transformação martensítica que caracteriza a têmpera.


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•

•

Tais aços jamais poderão ser submetidos a uma normalização, tal como é esse tratamento definido genericamente (austenitização seguida de resfriamento ao ar livre). O alívio de tensões após forjamento de tais aços terá de ser obtido através de outros procedimentos. MCM I - Dr. André G. S. Galdino

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•

É muito usual, por exemplo, especialmente no caso de ferramentas de formato complexo, a manutenção das peças prontas em um forno auxiliar mantido a cerca de 850°C, que é depois desligado e deixado resfriar-se até a temperatura ambiente, com os forjados em seu interior.


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