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Princípios da Ciência e Tecnologia dos Materiais CCE 0291 (2 créditos) Fábio Oliveira 2015/2 Unidade 7 Tratamentos Térmicos Introdução Tratamento térmico pode ser definido como o aquecimento ou resfriamento controlado dos metais feito com a finalidade de alterar suas propriedades físicas e mecânicas, sem alterar a forma do produto final. Introdução Nem sempre os tratamentos térmicos são intencionais. Algumas vezes, peças metálicas sofrem tratamentos térmicos, durante o processo de fabricação, que podem alterar as propriedades de forma prejudicial. Introdução Como exemplo pode-se citar a operação de soldagem de estruturas de aço, que ao serem aquecidas até temperaturas elevadas podem sofrer têmpera e fragilização, na zona termicamente afetada (ZTA), comprometedendo a tenacidade de todo o material. Introdução Os tratamentos térmicos são frequentemente associados com o aumento de resistência do material. Entretanto, podem ser utilizados para alterar características como usinabilidade ou estampabilidade. Introdução Pode-se dizer, então, que os tratamentos térmicos são processos de fabricação que facilitam outros processos de fabricação e aumentam o desempenho dos produtos através do aumento da resistência mecânica ou de outras propriedades. Fases • Austenita: é uma solução em estado sólido de cementita no ferro, ou seja, cristais mistos que contêm átomos de ferro. • Ferrita: é o ferro praticamente puro. Possui estrutura CCC abaixo de 906 °C e estrutura CFC acima desta temperatura. • Cementita: é o carboneto de ferro (Fe3C), isto é, uma combinação química de ferro e carbono. Fases • Perlita: microestrutura para o aço eutetóide, composta por camadas ou lamelas alternadas de ferrita e cementita. • Bainita: composta por “agulhas” de cementita em uma matriz de ferrita. • Martensita: é resultado da transformação da austenita sem o processo de difusão. Esta fase compete com a formação de perlita e bainita. Diagrama de Equilíbrio Fe-C Diagrama de Equilíbrio Fe-C Reação Eutética: uma fase líquida se transforma em duas fases sólidas. Reação Eutetóide: uma fase sólida se transforma em duas fases sólidas. Resumo de Fases no Diagrama Fe-C Aços X Fases • 0 à 0,80% C: o aço é composto por ferrita e perlita. • 0,80 à 0,90% C: o aço é perlítico. • Acima de 0,90% C: o aço é composto de perlita e cementita. Tratamentos Térmicos Temperaturas de Transformação - Austenita Recozimento O recozimento consiste em elevar lentamente a temperatura do aço até aproximadamente 50 °C acima da temperatura crítica de austenitização e, em seguida, deixá-lo resfriar dentro do forno com uma velocidade de ± 25 °C/h até 50 °C abaixo da zona crítica. Recozimento Este tratamento garante ductilidade ao aço que, antes possuía um comportamento frágil. Normalização A normalização do aço é feita quando se deseja refinar o grão do material. Este tratamento consiste no aquecimento do aço até 60 °C acima da temperatura de austenitização, garantindo a formação de uma estrutura 100% austenítica. Em seguida, o aço é retirado do forno e deixado resfriar ao ar. Normalização Como a velocidade de resfriamento é heterogênea, a microestrutura obtida também será. Normalização Têmpera A têmpera consiste no aquecimento do aço até uma temperatura 50 °C acima da temperatura crítica para formação da austenita e, em seguida resfriá-lo bruscamente em água, óleo ou meios de têmpera de composição química especial. Têmpera O microconstituinte obtido após o tratamento de têmpera é a martensita, muito dura e frágil. Têmpera Têmpera Como a taxa de resfriamento é alta, obtém-se, na verdade, um gradiente de temperaturas entre a superfície e o centro da peça. Então se a têmpera foi feita em peças de espessuras médias e grandes o aço pode apresentar microestruturas e propriedades mecânicas diferentes. Têmpera Revenimento O tratamento de têmpera torna as peças muito duras e frágeis. Geralmente as peças temperadas são sempre revenidas, visando baixar a dureza e aumentar a tenacidade. A peça é submetida a um aquecimento lento até 230 °C. Com isso uma pequena quantidade de perlita se reorganiza. Este fato acarreta na formação da martensita revenida. Austêmpera Na austêmpera, após a austenitização feita de maneira semelhante àquela realizada para a têmpera convencional, o aço é mergulhado em um banho constituído de uma mistura de sais fundidos, mantendo a temperatura constante, entre 250 e 450 °C. Obtém-se a microestrutura da bainita, para os aços tratados por este tratamento térmico. Austêmpera Martêmpera Muitas vezes é conveniente submeter o aço ao tratamento térmico de martêmpera, que permite eliminar a diferença de temperaturas e tempos de transformação entre a superfície e o núcleo da peça. Martêmpera Este tratamento consiste na austenitização do aço nas temperaturas usuais seguida de têmpera em óleo aquecido ou em banho de sais em uma temperatura logo acima da temperatura Mi, por tempo suficiente. Martêmpera Microestruturas e suas propriedades mecânicas Microconstituinte Fases presentes Arranjo das fases Propriedades mecânicas Cementita globulizada Ferrita α + Fe3C Partículas esféricas de Fe3C em matriz de ferrita α Pouco resistente e dúctil Perlita grosseira Ferrita α + Fe3C Camadas alternadas de ferrita α e Fe3C grossas Mais dura e resistente e menos dúctil que a cementita globulizada Perlita fina Ferrita α + Fe3C Camadas alternadas de ferrita α e Fe3C finas Mais dura e resistente e menos dúctil que a perlita grosseira Microestruturas e suas propriedades mecânicas Microconstituinte Fases presentes Arranjo das fases Propriedades mecânicas Bainita Ferrita α + Fe3C Partículas muito finas e alongadas de Fe3C em matriz de ferrita α Dureza e resistência maiores que as da perlita fina Martensita revenida Ferrita α + Fe3C Partículas muito pequenas e esféricas de Fe3C em uma matriz de ferrita α Resistente mas não tão dura quanto a martensita porém, mais dúctil Martensita Tetragonal de corpo centrado, monofásico Grãos com formato de agulha Muito dura e muito frágil Austenita (ferrita CFC) Perlita ( + Fe3C) Bainita ( + partículas Fe3C) Martensita (TCC) Resfriamento lento Resfriamento moderado Resfriamento rápido (têmpera) Martensita revenida Reaquecimento Resumindo... Sistema Fe-C • A taxa de transformação r é o inverso do tempo necessário para que metade da transformação ocorra: Exercícios 1. Para que serve o revenimento dos aços? Defina-o. 2. Explique os tratamentos térmicos de normalização e de recozimento. 3. No que consiste o tratamento térmico de martêmpera? Qual a diferença entre este tratamento térmico e o da austêmpera, em relação à microestrutura obtida? 4. Defina recozimento. 5. Para que são utilizados os tratamentos térmicos dos aços? Exercícios 6. Considerando o diagrama de transformação isotérmica para uma liga ferro- carbono com composição eutetóide, especifique a natureza da microestrutura final (em termos dos microconstituintes presentes e das porcentagens aproximadas) de uma pequena amostra que foi submetida aos seguintes tratamentos tempo-temperatura. Assuma que tal amostra encontra-se por tempo suficiente na temperatura 760 °C, obtendo-se uma estrutura totalmente austenítica. a) Resfriar rapidamente até 350 °C, manter por 10⁴ s e, então, temperar até temperatura ambiente.b) Resfriar rapidamente até 250 °C, manter por 100 s e, então, temperar até temperatura ambiente. c) Resfriar rapidamente até 650 °C, manter por 20 s, resfriar rapidamente até 400 °C, manter por 10³ s e, então, temperar até temperatura ambiente. Exercícios Exercícios 7. Dê a temperatura mínima aproximada na qual é possível austenitizar cada uma das seguintes ligas ferro-carbono durante um tratamento térmico de normalização: a) 0,20 %p C; b) 0,76 %p C; c) 0,95%p C.
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