Têmpera de Aços

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Tratamentos térmicos dos aços 
Marcelo F. Moreira / Susana M. G. Lebrão 
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4- Têmpera 
 
Objetivo: 
ƒ Aumento da dureza, resistência mecânica (limites de escoamento e resistência) e 
resistência ao desgaste. 
ƒ Entretanto, a ductilidade e a tenacidade dos aços temperados é nula. 
 
Microestrutura objetivada: 
ƒ 100% de martensita com dureza entre 60 a 67 HRC 
A martensita é uma solução sólida supersaturada em carbono com reticulado TCC 
(tetragonal de corpo centrado). 
 
Processo: Resfriamento da austenita em água, salmoura, óleo ou ar forçado. 
 
 
 
ƒ A diferença entre as velocidades de resfriamento da superfície e núcleo, comuns 
em peças de grandes dimensões, provoca um atraso na transformação do núcleo. 
Como existe uma expansão volumétrica decorrente da transformação martensítica, 
o núcleo acaba por apresentar tensões de compressão e as partes mais externas 
sob tração. Tais tensões são as principais razões para a ocorrência de trincas em 
componentes temperados. 
ƒ Os aços para têmpera devem apresentar teores de carbono acima de 0,4%. A 
distorção provocada no reticulado CFC para formar o TCC é maior quanto maior 
for o teor de carbono. Os aços com teores inferiores á 0,4%C temperados 
apresentam microestrutura martensítica, entretanto, esta não apresenta dureza 
elevada devido às pequenas diferenças entre os parâmetros a e c da estrutura TCC 
resultante. 
ƒ O aumento do teor de C e / ou a adição de elementos de liga (exceto o Co) 
deslocam as curvas TTT para a direita, possibilitando o uso de meios de têmpera 
menos severos para a obtenção da microestrutura martensítica. Entretanto, este 
deslocamento é acompanhado pelo abaixamento das temperaturas de início e final 
de transformação martensítica (Mi e Mf), favorecendo a ocorrência de austenita 
retida nos casos em que Mf ficar negativa. 
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4.1- Meios de Têmpera 
 
 
 
4.1.1- Têmpera em água 
 
ƒ A água é o meio de têmpera mais antigo, mais barato e o mais empregado. O 
processo de têmpera em água é conduzido de diversas maneiras: por meio de 
imersão, jatos, imersão ou jatos com água aquecida, misturas de água com sal 
(salmoura), ou ainda, misturas de água e aditivos poliméricos. 
ƒ Os valores mais elevados de dureza são obtidos por meio de imersão, mantendo-
se a temperatura da água entre 15 e 25ºC e agitação com velocidades superiores à 
0,25 m/s. A temperatura, agitação e quantidade de contaminantes da água ou o 
teor de aditivos são parâmetros controlados periodicamente. 
 
 
 
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4.1.2- Têmpera em salmoura 
 
ƒ O termo salmoura ("brine quenching") refere-se á solução aquosa contendo 
diferentes quantidades de cloreto de sódio (NaCl) ou cloreto de cálcio (CaCl). As 
concentrações de NaCl variam entre 2 á 25%, entretanto, utiliza-se como referência 
a solução contendo 10% de NaCl. 
ƒ As taxas de resfriamento da salmoura são superiores às obtidas em água pura 
para a mesma agitação. A justificativa é que, durante os primeiros instantes da 
têmpera, a água evapora com contato com a superfície metálica e pequenos 
cristais de NaCl depositam-se nesta. Com o aumento da temperatura, ocorre a 
fragmentação destes cristais, gerando turbulência e destruindo a camada de 
vapor. 
ƒ A capacidade de extração de calor não é seriamente afetada pela elevação da 
temperatura da solução. De fato, a salmoura pode ser empregada em 
temperaturas até 90ºC, entretanto, a capacidade máxima ocorre em 
aproximadamente 20ºC. 
 
 
 
 
 
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4.1.3- Têmpera em óleo 
 
ƒ Todos os óleos de têmpera têm como base os óleos minerais, geralmente óleos 
parafínicos. 
ƒ Os óleos de têmpera são classificados em: 
ƒ óleos de velocidade normal- para aços de alta temperabilidade; 
ƒ óleos de velocidade média - para aços de média temperabilidade; 
ƒ óleos de alta velocidade - para aços de baixa temperabilidade; 
ƒ óleos para martêmpera e 
ƒ óleos laváveis em água. 
ƒ A maior parte dos óleos de têmpera apresentam taxas de resfriamento menores 
que as obtidas em água ou em salmoura, entretanto, nestes meios o calor é 
removido de modo mais uniforme, diminuindo as distorções dimensionais e a 
ocorrência de trincas. 
 
 
 
 
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ƒ Retenção de vapor durante a têmpera em óleo em uma engrenagem 
O fenômeno pode ocorrer em diversos meios de têmpera em que ocorre a 
estagnação do meio. O vapor retido no fundo dos dentes diminui drasticamente a 
velocidade de resfriamento, favorecendo a ocorrência de microestruturas bainíticas e 
perlíticas e conseqüentemente, redução de dureza e resistência. 
 
 
 
4.1.4- Têmpera em ar 
 
ƒ Como a água, o ar é um meio de tempera antigo, comum e barato. 
ƒ A aplicação do ar forçado como meio de têmpera é mais comum em aços de alta 
temperabilidade como aços-liga e aços-ferramenta. Aços ao carbono não 
apresentam temperabilidade suficiente e, conseqüentemente, os valores de dureza 
após a têmpera ao ar são inferiores aos obtidos em óleo, água ou salmoura. 
ƒ Como qualquer outro meio de têmpera, suas taxas de transferência de calor 
dependem da vazão. 
ƒ A têmpera em ar é bastante empregada no resfriamento rápido de metais não-
ferrosos, em um tratamento denominado solubilização. 
 
 
 
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4.1.5- Têmpera na zona crítica 
 
ƒ O aquecimento é realizado em temperaturas insuficientes para a austenitização 
total (campo γ + α) ou (campo γ + Fe3C), região do diagrama conhecida como zona 
crítica. 
 
 
Características: 
 
ƒ dureza inferior a têmpera convencional devido a presença de ferrita 
ƒ dependendo-se do tamanho de grão a microestrutura pode exibir propriedades 
heterogêneas. 
ƒ Recentemente as indústrias automobilísticas vêm empregando uma classe de aços 
denominada DUAL FASE para fins estruturais (fabricação de chassis, longarinas e 
componentes da suspensão). Estes aços apresentam tamanhos de grão muito 
pequenos (endurecimento por refino de grão) e são temperados dentro da zona 
crítica, durante o último passe de laminação. A microestrutura composta por 
martensita e ferrita proporciona uma combinação específica entre de resistência 
mecânica e tenacidade. 
 
 
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4.1.6 - Martêmpera 
 
Objetivos: 
• aumento de dureza por meio da microestrutura martensítica 
• menor nível de tensões internas em relação à têmpera convencional, e 
conseqüentemente, maior estabilidade dimensional sobre os lotes e menor perda 
de peças por trincas e/ou distorções dimensionais 
• custo mais elevado que a têmpera convencional, devido ao emprego de fornos do 
tipo banho de sal. 
 
Microestrutura obtida: 
• Martensita (idêntica à obtida na têmpera convencional) 
• Após operação de revenimento: Martensita revenida. Obviamente com o aumento 
da temperatura de revenimento, a martensita revenida tem sua dureza diminuída e 
sua tenacidade aumentada. 
 
Resfriamento: em banho de sal ou óleos de martêmpera aquecidos conforme curvas 
TTT abaixo 
 
 
COMPARAÇÃO ENTRE OS PROCESSOS DE TÊMPERA, MARTÊMPERA E 
MARTÊMPERA MODIFICADA. 
 
ƒ Têmpera convencional 
 
 
 
ƒ Verifica-se que durante o processo de têmpera convencional, as transformações 
martensíticas da superfície e do núcleo ocorrem em diferentes tempos, 
provocando tensões internas e, conseqüentemente, maiores probabilidades de 
distorções dimensionais, tensões residuais e trincas. 
 
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ƒ Martêmpera 
 
 
ƒ A martêmpera é realizada em dois estágios: 
ƒ Resfriamento a partir da temperatura de austenitização para uma temperatura 
acima da temperaturade início da transformação martensítica (Mi). Este 
resfriamento é realizado em óleos próprios para o tratamento de martêmpera 
(óleos de baixa viscosidade e elevado ponto de fulgor). 
ƒ Após a permanência para homogeneização das temperaturas da superfície e do 
núcleo do componente, os componentes são retirados do óleo de martêmpera e 
resfriados ao ar, sofrendo a transformação martensítica neste resfriamento. 
 
ƒ Martêmpera modificada 
 
 
ƒ A martêmpera modificada é realizada em óleos de têmpera convencionais 
aquecidos, como estes óleos não podem ser aquecidos em temperaturas muito 
elevadas, parte da transformação martensítica ocorre no primeiro resfriamento, 
gerando tensões internas em níveis superiores aos presentes no processo de 
martêmpera. 
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5- REVENIMENTO 
 
 O revenimento é um tratamento térmico destinado aos aços previamente 
temperados (microestrutura martensítica), com o objetivo principal de aumentar sua 
ductilidade e tenacidade. É realizado em temperaturas inferiores à zona critica com 
tempos de duração e velocidades de resfriamento controladas. 
Os aços temperados são revenidos para a obtenção de propriedades mecânicas 
específicas (aumento de ductilidade e tenacidade), aliviar tensões internas e garantir 
estabilidade dimensional a peça (o revenimento é acompanhado por uma redução de 
volume). 
 
Microestrutura obtida: Martensita revenida. 
 
Variáveis que afetam o tratamento: 
 As variáveis que afetam a microestrutura e propriedades mecânicas dos aços 
temperados são: 
ƒ Temperatura de revenimento 
ƒ Tempo na temperatura de revenimento 
ƒ Velocidade de resfriamento após o revenimento 
ƒ Composição do aço, incluindo teor de C, elementos de liga e impurezas. 
 
Com raras exceções, o revenimento dos aços é normalmente realizado entre 
175 e 700ºC e tempos que variam de 30 minutos até 4 horas. 
Baseando-se em estudos metalográficos, de difração de raios X e de 
dilatometria, o revenimento dos aços ao carbono e aços baixa-liga é dividido em três 
estágios: 
 
ESTÁGIO I - 100 a 250º C: 
• é chamado alívio de tensões pois não se detecta alterações microestruturais. 
• o carbono difunde-se do reticulado da martensita, formando carbonetos de 
transição metaestáveis (carboneto ε - Fe2,2C). 
• há uma pequena diminuição da dureza e pequeno aumento da tenacidade. 
 
ESTÁGIO II - 200 a 300ºC: 
• a dureza diminui significativamente. 
• em aços contendo austenita retida, ocorre a decomposição desta para ferrita e 
cementita. 
 
ESTÁGIO III - 250 a 350°C: 
• acentuada queda de dureza 
• transformação dos carbonetos de transição (Fe2,2C) em cementita (Fe3C) 
• a martensita perde gradualmente a tetragonalidade e, conseqüentemente, sua 
dureza e resistência mecânica. 
 
Existe um estágio adicional de revenimento (estágio IV) para aços com elevados 
teores de elementos de liga (aços ferramenta). Neste estágio, entre 500 e 600ºC, 
ocorre precipitação de carbonetos de Ti, Cr, Mo, V, Nb ou W provocando um 
endurecimento secundário. 
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5.1- Temperatura de revenimento 
Cada aço apresenta uma correlação entre a temperatura de revenimento e as 
propriedades mecânicas. As curvas de dureza versus temperatura de revenimento são 
normalmente empregadas para a seleção da temperatura de revenimento de um aço. 
 
 
 
5.2 - Tempo de revenimento 
A difusão de carbono e elementos de liga do reticulado TCC da martensita para 
a formação de carbonetos durante o revenimento é dependente do tempo. O efeito do 
tempo de revenimento em um aço SAE 1080 é mostrado na figura abaixo. São 
apresentadas quatro temperaturas de revenimento: 205°C, 315°C, 425ºC e 540ºC. 
Verificam-se grandes alterações de dureza para tempos de revenimento 
inferiores a 10s. Menos rápidas, porém significativas alterações de dureza, para 
tempos entre 1 e 10minutos e pequenas alterações para tempos de revenimento entre 
1e 2 horas. A permanência por longos períodos tempos elevados em temperaturas 
entre 375 e 575ºC pode causar redução de tenacidade. 
 
 
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5.3 - Velocidade de resfriamento após o revenimento 
Outro fator que afeta as propriedades mecânicas dos aços temperados é a 
velocidade de resfriamento a partir da temperatura de revenimento. Apesar da 
resistência mecânica não ser afetada, a tenacidade pode diminuir se o aço for 
resfriado lentamente através da faixa de temperatura entre 375ºC e 575ºC, 
particularmente em aços contendo elementos de liga formadores de carbonetos (Ti, 
Cr, Mo, W). A ductilidade (alongamento e estricção) também pode sofrer redução. 
Este fenômeno é denominado de fragilização pelo revenimento ou fragilidade pelo 
revenido. 
 
Fragilidade pelo revenido 
Quando aços ao carbono e baixa-liga são revenidos por longos períodos ou 
resfriados lentamente através da faixa de temperaturas entre 375ºC e 575ºC. estes 
apresentam uma tenacidade inferior aos aços revenidos por períodos normais ou 
resfriados rapidamente através desta faixa de temperatura. A causa deste fenômeno é 
creditada a precipitação de compostos contendo impurezas como P, Sb, As, Sn em 
conjunto com Mn e Cr. 
Obviamente, quanto menor a concentração destas impurezas menores os 
efeitos na tenacidade. Aços submetidos a fragilização pelo revenido podem ter sua 
tenacidade restaurada pelo aquecimento até aproximadamente 600ºC, manutenção 
por alguns minutos e resfriamento rápido. O tempo para a restauração da tenacidade 
depende do teor de elementos de liga e da temperatura do reaquecimento. Alguns 
textos denominam este fenômeno como fragilidade pelo revenido reversível (Heat 
Treater´s Guide 2nd edition ASM International). 
 
Fragilidade azul 
O revenimento de aços ao carbono e alguns aços baixa-liga na faixa de 
temperatura entre 230 e 370ºC pode resultar na diminuição de ductilidade e 
tenacidade. Este fenômeno é denominado fragilidade azul porque ocorre em 
temperaturas que provocam uma oxidação azulada na superfície dos aços. O 
fenômeno é creditado a precipitação da cementita em contornos de grão e entre as 
agulhas de martensita. 
Aços ao carbono temperados e revenidos na faixa entre 230 e 370ºC não 
devem ser empregados em componentes submetidos a impactos. Aços que 
necessitam ser revenidos nesta faixa crítica e serão sujeitos a impactos têm, em 
geral, adições de Mo ou Si que minimizam a fragilização. 
 
 
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6- Austêmpera 
 
Objetivos: 
ƒ aumento da ductilidade 
ƒ aumento de dureza associada à tenacidade 
ƒ aumento da resistência ao impacto 
ƒ reduz a ocorrência de trincas 
ƒ melhora estabilidade dimensional 
 
Microestrutura obtida: 
ƒ bainita superior para tratamentos a temperaturas mais altas (dureza entre 40 a 45 
HRC) 
ƒ bainita inferior para tratamentos a temperaturas mais baixas (dureza entre 50 a 60 
HRC) 
 
Resfriamento: banho de sal fundido mantido em temperatura controlada. A 
temperatura do sal determina a microestrutura e, consequentemente, a dureza da 
bainita. 
 
ƒ Comparação entre propriedades mecânicas obtidas em aço SAE 1095 em 
diferentes tratamentos térmicos (Heat Treater´s Guide 2nd edition ASM 
Intenational ) 
Corpo-de-
prova 
Tratamento térmico Dureza 
[HRC] 
Tenacidade 
Método Charpy A 
[J] 
Alongamento 
[%] 
1 Têmpera em água e 
revenimento 
53,0 16 - 
2 Têmpera em água e 
revenimento 
52,5 19 - 
3 Martêmpera e revenimento 53,0 38 - 
4 Martêmpera e revenimento 52,8 33 - 
5 Austêmpera 52,0 61 11 
6 Austêmpera 52,5 54 8 
 
A figura abaixo apresenta a sobreposição do ciclo térmico de austêmpera em 
um diagrama TTT de resfriamento isotérmico, indicando a transformação austenita 
para bainita. 
 
 
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Para um mesmo valor de dureza, a microestrutura bainítica gerada na 
austêmpera apresenta maior tenacidade e maior ductilidade que microestruturas 
compostas por martensita revenida, geradas por meio de têmpera e revenimento. 
Como a maior parte dos componentes tratados são submetidos à têmpera e ao 
revenimento e, a combinação entre dureza e tenacidade é determinada pela seleção 
da temperatura de revenimento, a austêmpera é uma alternativa interessante para 
obtenção de alta dureza e níveis mais elevados de tenacidade. Em outras palavras, 
pode-se afirmar que o produto dureza-tenacidade obtido no tratamento de 
austêmpera é superior ao obtido por meio de têmpera e revenimento. 
 
As figuras abaixo apresentam detalhes da microestrutura bainítica em um aço 
SAE 1080. 
 
 
 
 
 
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Lista de exercícios - tratamentos térmicos 
 
1- Amostras dos aços SAE 1045, SAE 1080 e SAE 1095 foram aquecidas e 
temperadas juntas. Após a têmpera, o aço SAE 1045, além de martensita, apresentou 
ferrita em sua microestrutura. O aço SAE 1095 apresentou cementita além da 
martensita e o aço SAE 1080 apresentou microestrutura 100% martensítica. 
a)- Por que o aço SAE 1080 foi o único que sofreu transformação total em 
martensita? Justifique sua resposta. 
b)- Como as microestruturas citadas afetarão as propriedades mecânicas de 
cada aço? 
 
2- Duas peças de aço SAE 1095 foram submetidas aos seguintes tratamentos 
térmicos: 
Peça A - temperada em óleo e revenida para a dureza de 52 HRC 
Peça B - austemperada para a dureza de 52 HRC 
Qual das duas peças seria mais indicada para aplicações que envolvem 
impactos? Justifique sua resposta. 
 
3- Por que somente os aços contendo mais de 0,35% de C são considerados 
"temperáveis"? 
 
4- Em que situações o recozimento para esferoidização é mais indicado que o 
recozimento isotérmico? 
 
5- Na seqüência de operações para a fabricação de uma engrenagem forjada e 
usinada (∅ 50 x 150 mm) são necessários tratamentos térmicos de recozimento, 
têmpera e revenimento. O aço especificado é o SAE 4032 (0,32%C, 0,8%Mn, 
0,025%P, 0,30%Si, 0,26%Mo). Com os dados fornecidos, especificar: temperaturas, 
tempos e microestruturas resultantes para os seguintes tratamentos térmicos: 
a)- Ciclo térmico de recozimento 
b)- Ciclo térmico de têmpera 
c)- Ciclo térmico de revenimento para dureza entre 30 e 35 HRC. 
d) Qual a seqüência de operações mais adequada para a fabricação desta 
engrenagem? 
 
6- Em um molde para estampagem fabricado em aço SAE 1080 com espessura de 
250 mm (10 pol.), é desejável a obtenção de uma microestrutura 100% bainítica 
(bainita inferior) que é mais tenaz que a microestrutura de martensita revenida. 
Especifique o ciclo térmico de austêmpera para que o molde apresente dureza entre 
50 e 55HRC. 
 
7- Uma haste de aço SAE 8650 com 100 mm de diâmetro (4 pol.) e 1500 mm de 
comprimento deve sofrer têmpera total. Experiências práticas anteriores, empregando 
têmpera em água com a peça na horizontal, mostraram a ocorrência de 
empenamento e, em alguns casos, a ocorrência de trincas após a têmpera. Cite duas 
medidas para a minimização ou resolução destes problemas. (ver diagrama TTT de 
resfriamento contínuo para o aço SAE 8650) 
 
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8- Uma engrenagem de um equipamento de grande porte, com 500 mm de 
diâmetro e 400 mm de largura, deve sofrer têmpera total. Qual dos aços é o mais 
recomendado e porque? 
a) SAE 1080 
b) SAE 5140 
c) SAE 9261 
 
9- Um componente mecânico é submetido a impactos durante trabalho em campo. 
Seu projeto anterior especificava o aço 9261 e envolvia o tratamento de têmpera e 
revenimento e dureza de 50 HRC. Baseado em uma análise das propriedades 
mecânicas, você decidiu alterar este tratamento térmico para a austêmpera. É 
possível a realização da austêmpera neste aço? Que ações deverão ser tomadas? 
 
10- Um componente em aço liga SAE 4140 deve ser temperado e revenido para a 
dureza de 450 HB. Qual o problema com estes tratamentos e quais as ações 
corretivas que devem ser tomadas? 
 
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Diagramas TTT 
 
 
Diagrama TTT de resfriamento contínuo para o aço SAE 4032 
 
 
 
Curva de dureza versus temperatura de revenimento para os aços SAE 4032 e SAE 4032H 
 
 
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Diagramas TTT (isotérmicos) para os aços SAE 1080, SAE 5140, SAE 1034 e SAE 9261 
 
 
 
Curvas de dureza e resistência ao impacto em função da temperatura de revenimento para o 
aço SAE 4140 
 
 
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Diagrama TTT de resfriamento contínuo do aço SAE 8650