Apostila de Materiais para Eng Tratamento (1)

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UNIVERSIDADE METODISTA DE PIRACICABA 
FACULDADE DE ENGENHARIA ARQUITETURA E URBANISMO 
PROFESSOR RODOLFO LIBARDI 
 
Nome:_______________________________________________________RA:_________________ 
 
 
1R/2013 
 
 
MATERIAIS PARA ENGENHARIA 
TEORIA 
 
 
ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO/ENGENHARIA DE PRODUÇÃO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
PROFESSOR 
 
RODOLFO LIBARDI 
 
 2 
TRATAMENTOS TÉRMICOS DOS AÇOS. 
 
1.CURVAS DE TRANSFORMAÇÃO CONTÍNUA PARA OS AÇOS . 
 
 As curvas TTT (tempo-temperatura-transformação) dos aços eram obtidas 
antigamente pelo método metalográfico. Hoje em dia elas são construídas através 
de um Dilatômetro, equipamento que fornece medidas sensíveis da dilatação ou 
contração dos corpos de prova durante o resfriamento e mudança de fase. 
 
2. INTERPRETAÇÃO DA CURVA T.T.T. (ESQUEMÁTICA) DE UM AÇO 
HIPOEUTETÓIDE (0,008% < C < 0,77%) – ESQUEMÁTICO (REGIÃO DE 
FORMAÇÃO DOS CONSTITUINTES DOS AÇOS) 
 
Temperatura 
 10
0
 10
1
 10
2
 10
3
 10
4
 10
5
 
 Tempo (segundos, escala log) 
Figura 1 - Representação esquemática da Curva TTT de um aço hipoeutetóide. 
 
 
 
 
 
A3 
 
 
AUSTENITA 
A1 FERRITA 
 
 
 PERLITA 
 
 
 
 
 
 BAINITA 
 
MS 
 
 
 M90 
MF MARTENSITA 
 
 
 
 
 3 
EIXO X : Tempo em escala logarítmica. 
EIXO Y :esquerda (Temperatura °C) e a direita (dureza HRC do constituinte obtido 
isotermicamente). 
LINHAS A1 e A3 ---> Temperaturas correspondentes, dos aços hipoeutetóides, no 
diagrama Ferro Carbono. 
LINHA Ms ou Mi ---> Temperatura de início de transformação da Martensita. 
LINHA M90 -----> corresponde a 90% de transformação da austenita em Martensita. 
LINHA Mf----> Temperatura de fim de transformação da austenita em Martensita. 
Quanto maior o teor de carbono e elementos de liga esta temperatura pode estar 
abaixo da temperatura ambiente, levando a formação indesejável da austenita 
retida. Normalmente a linha Mf não é indicada nas curvas T.T.T. 
 
3. FATORES QUE DESLOCAM A CURVA TTT. 
 
 Três são os fatores que influem na posição das linhas de transformação das 
curvas TTT. 
 - Composição Química. 
 - Tamanho de Grão Austenítico. 
 - Homogeneidade da Austenita. 
 
3.1.COMPOSIÇÃO QUÍMICA. 
 Além do carbono, todos os elementos de liga adicionados aos aços, com 
exceção do cobalto, deslocam as linhas de início e fim de transformação para a 
direita. Quando os aços são aquecidos acima do limite superior da zona crítica 
praticamente todos os elementos encontram-se dissolvidos na austenita. 
 No resfriamento, ao passar pela zona crítica, alguns elementos tendem a 
ficar dissolvidos na ferrita e outros a formar carbonetos. As reações que ocorrem 
são complexas e tanto mais numerosas quanto maior o número de elementos de 
liga e seu teor (até um certo limite). O início e término dessas reações ocorrem após 
um determinado tempo, o qual é função dos elementos de liga presentes.Isto 
explica o deslocamento das linhas de início e de fim de transformação da austenita 
que ocorrem para os aços, mais intensamente para alguns, facilitando a obtenção 
da estrutura martensítica. 
 Os elementos de liga deslocam também as linhas de início (Mi ou Ms) e fim 
de transformação (Mf) da martensita, abaixando-as. Alguns aços ligados, após 
cementação, têm a linha Mf localizada abaixo da temperatura ambiente, 
apresentando então uma certa quantidade de austenita não transformada 
("austenita retida" ou "austenita residual "). De todos os elementos, o carbono tem 
maior influência na temperatura Ms. Entre 0,3 e 0,4% C já existe uma pequena 
quantidade de austenita retida. A maioria dos aços contendo mais do que 0,5%C 
tem o Mf abaixo da temperatura ambiente. 
 
3.2.TAMANHO DE GRÃO AUSTENÍTICO. 
 
 Quanto maior o tamanho de grão austenítico tanto mais para a direita são 
deslocadas as linhas de início e fim de transformação. Os produtos de 
transformação da austenita, ferrita e perlita, iniciam-se nos contornos de grão por 
nucleação e crescimento. Um aço de granulação grosseira levará mais tempo para 
transformar-se do que um de granulação fina. 
 4 
 Embora um aço de granulação grosseira tenha sua temperabilidade 
aumentada, isto é, maior facilidade de obtenção da estrutura martensítica, os 
prejuízos causados são maiores. Os aços de granulação grosseira apresentam 
baixa tenacidade, maior suscetibilidade ao empenamento e trincamento por têmpera 
além de maiores quantidades de tensões residuais e austenita retida. 
Existem vários métodos para a determinação do tamanho de grão como a 
classificação do tamanho de grão segundo a ASTM, de 1 a 8. Na prática dos 
tratamentos térmicos recomenda-se o uso de uma granulação fina, isto é, tamanho 
de grão ASTM 5 a 8. 
 
 
Figura 2. Tamanho de Grão Austenítico. 
 
3.3. HOMOGENEIDADE DA AUSTENITA 
 
 5 
Quanto mais homogênea a austenita tanto mais para a direita são 
deslocadas as linhas de início e fim de transformação. Áreas ricas em carbono, 
impurezas não dissolvidas (inclusões) ou a presença de carbonetos residuais atuam 
como núcleos de formação da perlita, diminuindo a temperabilidade dos aços. 
 
 
Figura 3. Curvas TTT dos aços 1060 e 8660 
 
Curvas CCT 
 Nos processos industriais os tratamentos térmicos são, normalmente, 
realizados em resfriamento contínuo. As curvas TTT (IT) são obtidas nos 
dilatômetros de forma isotérmica. Foram desenvolvidas curvas em resfriamento 
contínuo onde no eixo da abscissa apresentar a taxa de resfriamento, apresenta a 
estrutura esperada no centro das barras após resfriamento ao ar, óleo e água. 
 
 6 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura. Curva CCT: 0,38%C, 0,70%Mn – Aço carbono 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura. Curva CCT: 0,40%C, 1,50% Ni, 1,20% Cr e 0,30% Mo. – Aço Liga 
 7 
4. TRATAMENTOS TÉRMICOS COMUNS DOS AÇOS: RECOZIMENTO, 
NORMALIZAÇÃO e TÊMPERA. 
 
4.1 - RECOZIMENTO. 
 
4.1.1. DEFINIÇÃO DE RECOZIMENTO. 
 
 O recozimento consiste no aquecimento e manutenção à uma 
determinada temperatura, seguido de um resfriamento com velocidade adequada 
(normalmente no próprio forno), com o objetivo de amolecer os materiais 
metálicos.O recozimento altera as propriedades mecânicas e elétricas assim como a 
microestrutura. O recozimento é aplicado quando se deseja melhorar a condição de 
trabalhabilidade (usinagem, estampagem, etc) provocadas pela queda na dureza e 
resistência mecânica.É utilizado também para eliminar a estrutura bruta de fusão e 
eliminar gases. 
 
4.1.2. ZONA CRÍTICA DO DIAGRAMA Fe-Fe3C. 
 
 A zona crítica do diagrama Fe-Fe3C é de fundamental importância 
quando se deseja tratar termicamente um aço. As linhas A1, A3, Acm ou Ae1, Ae3, 
Acm representam as condições de equilíbrio, como pode ser visto na figura 3. No 
resfriamento(Ar1,Ar3,Arcm ou Are1,Are3,Arcm) essas linhas são deslocadas para 
baixo e no aquecimento(Ac1,Ac3,Accm ou Ace1, Ace3, Accm) para cima. 
 
4.1.3. TEMPERATURA DE RECOZIMENTO. 
 
Existem tabelas que indicam as temperaturas de recozimento. Para os aços 
eutetóides (0,77%C) e hipoeutetóides (0,008%C a 0,77%C) as temperaturas são da 
ordem de 50°C acima da linha A3 e para os aços hipereutetóides (0,77%C a 
2,11%C) é 50°C acima da linha A1 (nestes é realizado o recozimento subcrítico). 
Uma representação esquemática do ciclo de tratamentopara o recozimento, 
comparando-se com o de normalização, é mostrada na figura 5. 
 
4.1.4.AQUECIMENTO ATÉ A TEMPERATURA. 
 
 Devido ao aquecimento provocar dilatação e mudança de fase, ele 
deve ser homogêneo para evitar empenamentos e trincas. Portanto,sempre que 
possível,ele deve ser aquecido junto com o forno. 
 
 
 8 
 
Figura 3 - Zona crítica do Diagrama Fe-Fe3C. 
 
 
 
Figura 4 - Temperaturas de recozimento e têmpera, normalização dos aços -
carbono. 
 
4.1.5.TEMPO DE PERMANÊNCIA NA TEMPERATURA. 
 Para o recozimento é recomendado manter o aço na temperatura (a 
partir do momento em que o núcleo da peça atingir a temperatura) por um tempo 
adicional para que haja completa homogeneização (difusão do carbono). 
 Em geral é recomendado, para aços-carbono comuns, um tempo de 1 
hora por polegada de espessura da peça, tempo este contado quando o núcleo 
 9 
atingir a temperatura desejada. Aços com elementos de liga exigem maior tempo, 
principalmente se esses elementos são formadores de carbonetos (V, Cr, W, Nb, Ti, 
etc.). 
 
4.1.6.RESFRIAMENTO DOS AÇOS. 
 
 Geralmente os aços são resfriados dentro do próprio forno desligado. 
Em alguns casos podem ser resfriados um pouco mais rapidamente sendo 
mergulhado em areia, cinza ou cal. Peças grandes podem ser resfriadas ao ar, 
devido a sua baixa velocidade de resfriamento.O resfriamento deve ser lento na 
faixa em que a austenita se transforma (730 a 600°C).Para aços-carbono até 0,5%C 
podem ser utilizadas taxas de até 50°C/h e para aços-carbono acima de 0,5%C 
recomenda-se 15°C/h. 
 
 
 
 
 
 Temperatura 
Tempo 
Figura 5 - Representação esquemática do ciclo de tratamento do recozimento 
pleno em refriamento contínuo, da Normalização e Têmpera. 
 
 Depois que a austenita se transformou. pode resfriar-se o aço mais 
rapidamente até a temperatura ambiente para reduzir o tempo de tratamento, 
tomando-se cuidado com o choque térmico. 
 
Normalização 
Recozimento 
Aquecimento Resfriamento 
Têmpera 
 10 
4.1.7.MICROESTRUTURAS E PROPRIEDADES. 
Os aços recozidos têm como constituintes na temperatura ambiente 
(estudado no diagrama Ferro-Carbono): 
 
Aços Hipoeutetóides: (0,008-0,77%C)  Perlita Grosseira + Ferrita 
 
Aços Eutetóides: (0,77%C)  Pelita Grosseira. 
 
Aços Hipereutetóides: (0,77-2,11%C)  Perlita Grosseira + Rede de Cementita 
 
5 - NORMALIZAÇÃO. 
 
 A Normalização é um tratamento térmico que consiste no aquecimento 
do aço até sua completa austenitização, seguido de resfriamento ao ar. 
 As temperaturas de tratamento são da ordem de 30°C superiores as 
de recozimento para produzir uma estrutura austenítica mais uniforme. Os aços 
hipereutetóides são aquecidos acima de 50°C acima da linha Acm, a fim de 
dissolver a rede de cementita formada no processo anterior. 
 Além da melhor uniformidade da estrutura o objetivo maior da 
normalização é a homogeneização e o refino do tamanho de grão de estruturas 
obtidas de trabalho à quente (laminação, forjamento), de aços fundidos e 
soldagem. 
 A Normalização se faz normalmente, para aços com até 0,4% C. Antes 
do tratamento térmico de têmpera é recomendado a normalização para evitar o 
aparecimento de trincas e empenamento. 
 
6 - TÊMPERA DOS AÇOS. 
 
6.1. ESTRUTURA MARTENSÍTICA . 
 
 Do nome alemão Adolf Martins, que pesquisou a microestrutura 
encontrada em aços resfriados rapidamente é que surgiu o nome de MARTENSITA. 
 A perlita se forma por nucleação e crescimento, isto é, por difusão do 
carbono.A bainita se forma por difusão e cisalhamento, enquanto que a martensita 
se forma apenas por cisalhamento.O fato da martensita não se formar por difusão, 
os átomos de carbono não se difundem (migram) para formar a ferrita e a cementita, 
e são retidos nos interstícios octaédricos da estrutura CCC produzindo essa nova 
fase. A solubilidade do carbono na estrutura CCC é muito baixa, então, os átomos 
de carbono expandem a célula unitária em uma direção, fazendo com que a 
martensita assuma a estrutura tetragonal de corpo centrado. 
 
6. 2. PROPRIEDADES DA MARTENSITA. 
 
 A dureza da Martensita é função do seu teor de carbono.A dureza 
máxima num aço-carbono está associada com uma estrutura completamente 
martensítica. 
 
6.3. DUREZA X % CARBONO X % MARTENSITA . 
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 A figura 6 mostra a relação entre a dureza, % de carbono e a 
quantidade de martensita presente. 
 A martensita tem alta dureza, alta resistência mecânica, alta 
resistência à fadiga e ao desgaste. Esta variação nas propriedades do aço, quando 
temperado, está relacionada com a distorção que os átomos de carbono provocam 
na estrutura tetragonal de corpo centrado da martensita. 
 
6.4.TEMPERATURAS DE TÊMPERA. 
 
 As temperaturas de Têmpera para aços-carbono são idênticas às 
temperaturas de recozimento como já visto anteriormente. 
 
6.5.TEMPO. 
 
 O tempo de aquecimento é menos importante, no processo de 
têmpera, que a temperatura atingida em toda a seção, uniformidade de temperatura, 
tempo de permanência e velocidade de resfriamento. Aquecimento vagaroso é 
recomendado para peças de grandes variações nas suas seções. 
Independentemente da secção, um tempo de 15 minutos na temperatura, é 
suficiente para se realizar a têmpera. 
 
 DUREZA(HRC) 
 
 CARBONO 
Figura 6 - Dureza x %Carbono x % Martensita. 
 
6.6 - TAMANHO DAS PEÇAS. 
 
 A massa e o volume das peças tem grande influência na têmpera dos aços, 
pois durante o resfriamento existe um gradiente de temperatura do centro para a 
periferia. 
 A figura 7 mostra o tempo de resfriamento para várias posições em uma barra 
quando resfriada em um meio de severidade igual a 4 (salmoura com agitação). 
 12 
 
 
 
 
 
Obs: 1470
o
 C = 800
o
 C 770
o
 F = 410
o
 C e 70
o
 C = 21
o
 C 
 1 inch = 1 polegada = 1” = 25,4mm. 
Figura 7. Tempo de resfriamento numa barra de diâmetro de 1”, em salmoura 
com agitação. 
 
Tabela 1 - Severidade de têmpera “H”. 
 
Meio Sem 
Agitação 
Agitação 
Branda 
Agitação 
Moderada 
Agitação 
Forte 
Agitação 
Violenta 
Ar 0.02 --------- --------- --------- 0,08 
Óleo 0,25-0,30 0,30-0,35 0,35-0,40 0,50-0,80 0,80-1,10 
Água 0.90-1,00 1,00-1,10 1,20-1,30 1,60-2,00 4,00 
Salmoura 2,00 2,00-2.20 --------- --------- 5,00 
Ideal  --------- --------- --------- 
 
Devido as diferentes velocidades de resfriamento nos diversos pontos de 
uma peça, pode ocorrer que num dado meio, a têmpera se dê apenas na superfície, 
deixando o aço com valor de dureza baixa no núcleo. 
Em vista disso, para se escolher o meio ideal para têmpera, deve-se analisar 
com muito cuidado a temperabilidade do aço. 
 
6.7 - TENSÕES NA TÊMPERA. 
 
 Quando um aço é resfriado e se forma a martensita, ocorrem duas variações 
dimensionais básicas: a contração térmica normal devido ao resfriamento e a 
expansão devido à transformação martensítica. Tensões podem ocorrer devido à 
 13 
variações bruscas de secção. Sob essas condições, as alterações volumétricas 
podem produzir tensões internas muito elevadas causando empenamentos ou até 
mesmo trincas de têmpera. 
7 - TRATAMENTOS ISOTÉRMICOS DOS AÇOS. 
 
7.1. MARTÊMPERA. 
 
 A martêmpera é um processo utilizado para eliminar ou minimizar os riscos 
de trincas e empenamentos em peças que devem ser temperadas. 
 
 
Figura 8. Resfriamento na têmpera convencional 
 
7.1.1. MARTÊMPERA CONVENCIONAL. 
 
 Consiste em resfriar o aço austenitizado em um banho de sal ou óleo a uma 
temperatura ligeiramente superior ou inferiora Mi, e manter nessa temperatura num 
certo tempo para que haja uma uniformização da temperatura da peça (superfície e 
núcleo). A seguir resfriar a peça ao ar até a temperatura ambiente. Após a 
martêmpera o aço deve ser revenido (figura 9). 
 
7.1.2. MARTÊMPERA MODIFICADA. 
 
 A diferença é a temperatura do banho que é bem inferior a da martêmpera 
convencional, abaixo da linha Ms. Neste caso obtem-se maiores velocidades de 
resfriamento que no processo convencional, sendo indicado para aços de baixa 
temperabilidade. 
 
 A martêmpera limita-se a espessuras de 5 a 8 mm para aços carbono, 
podendo se chegar a espessuras maiores para aços ligados. 
 Os aços mais indicados são : 4130-4140-4150-4340-8630-8640-8740-8745-
4640-5140-6150 e os aços ligados após cementação 3312-4620-5120-8620-9310. 
 
7.2. AUSTÊMPERA. 
 14 
 
 Consiste em austenitizar o aço a uma temperatura adequada e resfriar num 
banho mantido a uma temperatura de 250 a 400°C dependendo da composição do 
aço. Manter a peça o tempo suficiente para que ocorra isotermicamente a 
transformação total da austenita em bainita. Resfriar a peça até a temperatura 
ambiente em ar calmo (figura 10). 
 
 A principal vantagem da austêmpera é a obtenção de elevada dureza com 
boa ductilidade e tenacidade. Após a austêmpera o aço não precisa ser revenido. 
 
 A principal limitação do processo se refere às dimensões das peças a serem 
tratadas. Para aços carbono limita-se a peças com espessura inferior a 5mm. Em 
aços de alto teor de elementos de liga a austêmpera pode ser impraticável em 
virtude da curva de transformação estar deslocada muito para à direita, o que 
exigiria um tempo muito longo. 
 
 
 
 
 
 
Figura 9. Martêmpera 
 
 
 
 15 
 
 
Figura 10- Tratamento isotérmico de austêmpera. 
 
8. TÊMPERA SUPERFICIAL. 
 
A têmpera superficial consiste no aquecimento superficial até uma certa 
profundidade, em temperaturas de austenitização superiores a da têmpera 
convencional. O tempo de aquecimento é muito pequeno (alguns segundos) e o 
resfriamento se dá normalmente em água, podendo em certos casos ser utilizado o 
óleo ou mesmo o ar. 
 
Obtem-se na superfície alta resistência e dureza melhorando 
significativamente a fadiga e resistência ao desgaste. O núcleo "frio" mantém sua 
tenacidade geralmente alta. 
 
 Um exemplo típico é a têmpera superficial de engrenagens onde são obtidas 
as propriedades de resistência ao desgaste e à fadiga, na superfície, com um 
núcleo tenaz. 
 
 A têmpera superficial pode ser realizada por dois processos: 
 
 - Têmpera por indução 
 - Têmpera por chama. 
 
8.1.TÊMPERA POR INDUÇÃO. 
 
 Uma corrente elétrica alternada de alta freqüência circulando através de um 
condutor (Bobina) gera ao seu redor um campo magnético. Qualquer condutor 
elétrico (peça de aço, fofo, etc.) na presença deste campo magnético pode ser 
aquecido. 
 
 16 
 Uma barra de aço colocada no interior de uma bobina aquece devido a 
correntes superficiais induzidas (correntes de Foucalt) e perdas por histerese (Ferro 
ate 768 °C). A figura 11 mostra exemplos de aquecimento produzidos por vários 
tipos de bobinas. A figura 12 mostra formas de aquecimento. 
 
 A profundidade de penetração da corrente é função principalmente da 
freqüência, além da potência empregada, espaçamento bobina - peça, tempo de 
aquecimento e da própria bobina (forma, nº de voltas). 
 
A corrente induzida numa peça é máxima na superfície e diminui rapidamente 
no seu interior. 
 
8.2. AQUECIMENTO POR CHAMA 
 Neste caso, o aquecimento resulta da queima, por meio de um maçarico,de 
uma mistura de oxigênio e gás combustível, usualmente acetileno, gás natural ou 
propano. O aquecimento por chama consiste em aquecer superficialmente uma 
peça ou parte dela, até a temperatura de têmpera. Em seguida o resfriamento é feito 
com áqua, óleo ou mesmo ar, dependendo da temperabilidade do aço. 
 O custo de investimento para aquecimento por chama é menor que por 
indução, mas o custo operacional é maior. Onde se requer aquecimento de áreas 
selecionadas, em certos casos, é preferível usar chama do que indução, pois é mais 
fácil dirigir o calor. 
 
 
Figura 11.-Campo magnético e correntes induzidas produzidas por várias 
bobinas de indução. 
 
 17 
 
Figura 12. Formas de aquecimento (Referência: w.w.w.cimm.com.br (material 
didático – materiais – tratamentos térmicos) 
 
 As razões da utilização da têmpera por chama são: 
 - Peças muito grandes onde o aquecimento num forno convencional e 
têmpera se tornam impraticáveis ou antieconômicas. 
 - Tratamento térmico em pequenas regiões ou quando o tratamento na peça 
toda é prejudicial à sua função. 
 - Maior precisão dimensional que num forno de tratamento convencional. 
 - Utilização de materiais mais baratos e obtenção de propriedades 
adequada em certos casos com processo mais barato. 
 
 
9. REVENIMENTO DOS AÇOS. 
9.1.DEFINIÇÃO. 
 O tratamento térmico de revenimento é um processo de reaquecimento 
do aço temperado com o propósito de transformar a estrutura martensítica em 
estruturas mais estabilizadas e tenazes. Um aço com estrutura martensítica, é muito 
frágil, além de estar sujeito ao aparecimento de trincas se deixado à temperatura 
ambiente nesta condição. O aquecimento do aço temperado em temperaturas 
inferiores a A1 (727°C) permitirá a ocorrência de difusão que produzirão uma 
estrutura mais estável e mais tenaz. 
 
 18 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 13. Dispositivos para têmpera superficial por chama. 
 
 
 
 19 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura – Aquecimento por chama. 
 
9.2.TRANSFORMAÇÕES DE FASE DURANTE O REVENIMENTO. 
 Costuma-se dividir as transformações que ocorrem durante o 
revenimento de um aço em três etapas: 
 
1ª ETAPA - 25 A 200°C: ocorre a precipitação de um carboneto especial, 
denominado de carboneto epsolon (), partículas extremamente diminutas, com 
espessura inferior a 200 Å. Esses carbonetos reduzem o número de átomos de 
carbono na martensítica, tornando-se menos tetragonal e aproximando-se da 
estrutura cúbica que caracteriza o ferro .Temos então uma estrutura de martensita 
de baixo teor de carbono e carbonetos finos, sendo essa estrutura denominada de 
martensita revenida. A dureza do aço temperado sendo de 65HRC (0,7%C) cai para 
60HRC. 
2ª ETAPA - 200 a 350°C : se houver austenita retida esta se transforma em bainita 
.Nesta faixa ocorre a precipitação de cementita na forma de barras e a martensita 
Aquecimento 
por chama 
 20 
perde sua tetragonalidade transformando-se em ferrita. A medida que as partículas 
de cementita crescem as de carboneto epsolon vão desaparecendo. 
3ª ETAPA - 350 a 700°C :entre 300°C e 400°C inicia-se o coalescimento da 
cementita e esta se torna totalmente esferoidizada a 700°C. 
9.3.EFEITO DO REVENIMENTO SOBRE AS PROPRIEDADES DOS AÇOS. 
 
 Uma gradual diminuição da dureza acompanha as modificações que 
sofre a microestrutura do aço temperado ao ser revenido a temperaturas 
crescentes. Essa diminuição de dureza é acompanhada por um aumento de 
plasticidade e da tenacidade do aço (esta pode ser alterada com a temperatura 
devido ao fenômeno de fragilidade do revenimento).A figura 14 mostra 
(esquematicamente) o efeito do revenido sobre as propriedades mecânicas do aço. 
 
 
Figura 14 - Variação das propriedades mecânicas do aço (esquemático) em 
função da temperatura de revenido. 
 
10. TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS10.1.INTRODUÇÃO. 
 Os tratamentos termoquímicos consistem na introdução de um ou mais 
elementos químicos na superfície dos aços (ferros fundidos) a uma dada 
temperatura (500 a 1000°C) para conferir uma camada superficial fina e dura. Os 
 
 
 
 
 
 Dureza e Resistência Mecânica 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Tenacidade e Plasticidade (alongamento e Redução em área) 
 
 
 25 200 700 
 Temperatura de Revenimento oC 
 21 
objetivos principais são: aumento da dureza e da resistência ao desgaste na 
superfície mantendo o núcleo tenaz. 
 Os processos termoquímicos são classificados em: 
Cementação. 
Carbonitretação. 
Cianetação. 
Nitretação. 
Boretação. 
Após as peças serem tratadas termoquimicamente temos a camada 
endurecida com um alto teor de carbono e/ou nitrogênio, elementos absorvidos 
durante o tratamento, e o núcleo que fica com a mesma composição química inicial 
do material. 
 
10.2. CEMENTAÇÃO. 
 
Cementação é o tratamento termoquímico que consiste na introdução de 
carbono na superfície dos aços de baixo teor de carbono, geralmente até 0,25 % C 
com ou sem elementos de liga. 
 
 Este processo é seguido geralmente por têmpera, obtendo-se na camada o 
constituinte martensita, proporcionando alta dureza superficial e deixando o núcleo 
tenaz devido ao seu baixo teor de carbono. 
 
 A cementação se realiza em meio sólido, líquido ou gasoso em temperaturas 
de austenização entre 825°C e 950°C. A figura 15 pode ser utilizada para 
operadores de tratamento térmico como valores estimativos de profundidade, tempo 
e temperatura de cementação em meios sólidos, líquido ou gasoso. 
 
A equação 1 feita empiricamente por Harris para aços carbono e baixa l iga, 
pode ser utilizada para estimar a profundidade da camada cementada em função da 
temperatura e tempo. Os valores de K fornecidos na tabela 2 são valores médios 
dos três processos de cementação. 
 
 
 
 X = K  t 
onde: 
 X = Profundidade em mm para dureza após têmpera de 550 HV; 
 t = Tempo em horas; 
 K = Constante dependente da temperatura (tabela 1). 
 
TABELA 2. Valores da constante K 
 
 
Temperatura (°C) 
 
 
875 
 
900 
 
925 
Constante K 
 
 
0,34 
 
0,41 
 
0,52 
 22 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FIGURA 15. Profundidade da camada em função do tempo e temperatura de 
cementação. 
 
10.2.1 CEMENTAÇÃO SÓLIDA (CEMENTAÇÃO EM CAIXA) 
 
 Cementação sólida é um processo no qual o monóxido de carbono (CO) 
originado de um composto sólido (carvão de madeira ou coque) se decompõe em 
carbono nascente (C) e dióxido de carbono (CO2). 
 
 C (carvâo) + O2 CO2 
 
 
 C (carvâo) + CO2 CO 
 
 
 2 CO CO2 + (C no ferro) 
 [austenita] 
 
 
 Pode-se observar pela equação acima que o gás cementante é o monóxido 
de carbono (CO). A quantidade desse gás é função da temperatura. A 900 °C, que é 
 23 
uma temperatura comum em cementação, o equilíbrio está em torno de 96% CO e 
4% CO2. 
 
 
10.2.1.1.CONTROLE DO PROCESSO 
 
TEMPERATURA 
A faixa de temperatura normalmente utilizada na cementação sólida é de 815 
°C a 995 °C, chegando as vezes até 1095 °C. 
 
TEMPO 
No início do processo a taxa de cementação é maior, diminuindo 
gradualmente durante o ciclo. 
 
PROFUNDIDADE DA CAMADA 
Na cementação sólida como em outros processos de cementação, a 
profundidade da camada obtida depende do potencial de carbono na superfície, 
tempo, temperatura e composição química do aço. 
 
10.2.1.2. VANTAGENS E DESVANTAGENS 
 
VANTAGENS 
 
(a) Pode-se utilizar uma grande quantidade de fornos, pois o processo produz sua 
própria atmosfera ; 
(b) Não é necessário pessoal especializado ou extensivamente treinado; 
(c) Ideal para peças que serão submetidas a um acabamento final de usinagem 
após cementação; 
(d) Grande quantidade de técnicas de proteção para cementação localizada. 
 
DESVANTAGENS 
 
(a) Não ser tão limpo quanto aos outros processos. 
(b) Não recomendado para finas camadas, onde as tolerâncias são pequenas. 
(c) Sem controle do potencial e gradiente do carbono 
(d) Dificuldade de têmpera direta, aumentando o processo de tratamento 
térmico. 
(e) Grande duração da operação devido ao tempo necessário para aquecimento e 
resfriamento das caixas. 
(f) Irregularidade de temperaturas no interior de grandes caixas. 
(g) Alto custo de preparação das caixas. 
 
 
10.2.2 CEMENTAÇÃO LÍQUIDA 
 
 24 
Cementação líquida é um processo no qual o meio cementante é um sal 
fundido. Este sal pode ser a base de cianeto, o qual introduz carbono e nitrogênio 
ou sal sem cianeto, o qual introduz somente carbono. 
 
Os banhos de sais utilizados neste caso como agente cementante é o cianeto 
de sódio (NaCN)ou cianeto de potássio (KCN ). 
As reações que ocorrem durante o processo são as seguintes: 
 
 2NaCN+O2 -----> 2NaCNO (5) 
 
 4NaCNO --------> 2NaCN+Na2CO3+CO+2N (6) 
 
 2CO + Fe --------> Fe(C)+CO2 (7) 
 
 
10.2.2.3 PROFUNDIDADE DA CAMADA CEMENTADA 
 
Para estimar a profundidade da camada, considerando a distância até o 
carbono base, pode ser utilizada a equação 1 com os seguintes valores de K 
específicos para cementação líquida (tabela 3). 
 
 TABELA 3. Valores de K 
 
 
Temperatura(°C) 
 
815 
 
870 
 
925 
 
Constante K 
 
0,30 
 
0,46 
 
0,64 
 
10.2.2.4. GRADIENTE DE CARBONO 
A figura 16 mostra o gradiente de carbono para o aço 1020 em função do 
tempo e temperatura de cementação. 
 
 % de Carbono 
 
Distância abaixo da superfície 
 25 
 
Figura 16 Gradientes de carbono por cementação líquida para o aço 1020 a 
845 °C. 
 
10.2.2.5.EFEITO DO TEMPO E TEMPERATURA NA PROFUNDIDADE DA 
CAMADA. 
 
Como foi visto anteriormente, quanto maior o tempo e temperatura de 
cementação, maior a profundidade da camada. 
 
10.2.2.6. MEIOS DE TÊMPERA. 
Os meios de têmpera mais comumente utilizados são: água, salmoura, óleo e 
banhos de sais. A escolha do meio depende do aço, especificação de dureza 
(superficial e do núcleo) e distorção permitida. 
 
10.2.2.7.VANTAGENS E DESVANTAGENS. 
 
VANTAGENS 
 
- O ciclo de tratamento é menor do que os outros processos de cementação. 
- Bom controle do gradiente de C e da profundidade da camada; 
- As peças podem ser temperadas diretamente; 
- Não ocorre descarbonetação; 
- Menor distorção. 
 
DESVANTAGENS 
 
- Necessidade de pré-aquecimento das peças; 
- Neutralização dos resíduos; 
- Alto custo dos sais; 
- Perigo no manuseio com cianetos (toxidade, explosão, exaustão dos gases, 
etc.); 
- Necessidade da limpeza das peças. 
 
10.2.2.8. OPERAÇÃO DE CEMENTAÇÃO LÍQUIDA 
 
FORNOS 
 
Os fornos para cementação líquida são classificados quanto ao tipo de 
aquecimento: externo e interno. O aquecimento externo pode ser por combustão ou 
resistência elétrica. O aquecimento interno é feito com eletrodos imersos ou 
submersos no banho (figura 6 ). 
 Os cadinhos utilizados são confeccionados com aço carbono ou aço-liga. 
 
 
 
 
 
 
 26 
 
 
 
 
 
 
 
 
FIGURA 17 Tipos de fornos usados em cementação líquida. 
 
10.2.3.CEMENTAÇÃO GASOSA 
 
Cementação gasosa é um processo no qual os meios cementantes são gases 
hidrocarbonetos e líquidos hidrocarbonetos facilmente vaporizados. 
A atmosfera do forno é constituída por um gás de arrasteendotérmico mais 
gás cementante metano (CH4) ou o propano (C3H8). 
São utilizados como gases cementantes o gás natural constituído 
basicamente de metano (80 a 90%)e etano (10 a 20% ), o gás de coqueria, butano 
comercial (93 % de C4H10 e 7 % de C3H6), propano comercial (2,5 % de C2H6, 96 % 
 27 
de C3H8 e 15 % de C4H10) e mais recentemente o álcool etílico volatilizado 
(C3H5OH). 
Os gases de arrastre são constituídos da seguinte mistura: N2 (40 a 97%), 
CO(1,5 a 35 %), CO2 (0 a 5 %), H2 (1 a 39 %) e CH4 (0 a 1 %). 
 
10.2.3.1. CONTROLE DE PROCESSO 
 
 TEMPERATURA 
 
A temperatura mais freqüentemente utilizada é 925 C devido a alta taxa de 
difusão de carbono na austenita e a não excessiva deterioração dos componentes 
dos fornos. Temperaturas menores são utilizadas quando se deseja camadas 
menores com tolerâncias mais fechadas. 
 TEMPO 
A equação simplificada de Harris, X= K  t , pode ser aplicada à cementação 
gasosa para estimar a profundidade da camada (mm) medida a partir do carbono 
base. A tabela 5 relaciona alguns valores de K. 
 
 Tabela 5 - Valores de K 
 
 
Temperatura C 
 
870 
 
900 
 
925 
 
Constante K 
 
0,46 
 
0,53 
 
0,64 
 
10.2.3.2. VANTAGENS E DESVANTAGENS. 
 VANTAGENS 
 - Controle preciso do potencial de carbono e da espessura da camada 
cementada 
 - Processo mais limpo de cementação; 
 -Têmpera direta após cementação mais fácil, de qualquer temperatura; 
 - Processo mais indicado para produção em série; 
 - Processo rápido; 
 - Menos frequência de austenita retida e rede de carburetos. 
DESVANTAGENS 
 -Alto custo dos equipamentos; 
 -Mão de obra especializada; 
 -Exige controle rigoroso da atmosfera. 
 
10.2.3.3. FORNOS 
 
Os fornos para cementação gasosa são divididos em duas classes: contínuos 
e intermitentes. Os fornos intermitentes são recomendados geralmente para peças 
maiores, impossibilitando a têmpera da temperatura correta. 
Os fornos contínuos são recomendados para produção em grande escala de 
peças pequenas e similares. A vantagem sobre os fornos intermitentes é a 
facilidade do controle da temperatura de têmpera, pois este é constituído de várias 
zonas. 
 
 28 
10.4. AÇOS PARA CEMENTAÇÃO 
 
Qualquer aço de baixo teor de carbono pode ser cementado. Geralmente são 
utilizados aqueles com até 0,2 % C para obtenção de alta dureza superficial aliada 
a um núcleo bastante tenaz. 
Quando se deseja obter maiores resistências no núcleo das peças utilizam-se 
aços com elementos de liga podendo inclusive o carbono ser até 0,4 %. Neste caso 
o núcleo não permanecerá, após a têmpera, com microestrutura predominante 
ferrítica + perlitica. 
Na tabela 6 são dados alguns aços para cementação e suas aplicações. 
 
10.5. TRATAMENTOS TÉRMICOS DE PEÇAS CEMENTADAS. 
 
 Após cementação, as peças podem ser submetidas a vários tipos de 
tratamentos térmicos (ciclos). A escolha de um deles depende da geometria da 
peça, do tipo de aço, do tamanho de grão, das características desejadas do núcleo 
e da camada. 
CICLO 1-TÊMPERA DA TEMPERATURA DE CEMENTAÇÃO. 
 Consiste em temperar a peça diretamente da temperatura de cementação e 
revení-la em baixa temperatura. 
 O tratamento é recomendado para meios sólidos ou gasoso, aços de 
granulação fina, aços-carbono ou baixa liga, espessuras de camada entre 0,2 a 0,6 
mm, peças de pouca responsabilidade e tenacidade do núcleo não requerida. 
 Com esse tratamento obtém-se boa dureza na camada, deformação das 
peças e austenita retida. 
 
TABELA 6. Aços-liga para cementação e suas aplicações. 
Aço 
tipo 
SAE 
Aços para cementação e suas aplicações 
Composição Aplicações 
C Mn Ni Cr Mo V 
3120 0.17 - 0.22 0.60 - 0.80 1.10 - 1.40 0.55 - 0.75 Engrenagens, 
coroas e pinhões 
4120 0.17 - 0.22 0.70 - 0.90 0.60 - 0.80 0.20 - 0.30 Engrenagens, pinos 
e eixos 
4615 0.13 - 0.18 0.45 - 0.65 1.65 - 2.00 Engrenagens, pinos 
e eixos 
4620 0.17 - 0.22 0.45 - 0.65 1.65 - 2.00 0.20 - 0.30 
6120 0.17 - 0.22 0.70 - 0.90 0,70 - 0.90 0.10 
min 
 
2320 0.17 - 0.22 0.40 - 0.60 3.25 - 3.75 
2512 0.09 - 0.14 0.45 - 0.65 4.75 - 5.25 Virabrequins e 
Engrenagens 
3315 0.13 - 0.18 0.45 - 0.65 3.25 - 3.75 1.40 - 1.75 
4320 0.17 - 0.22 0.45 - 0.65 1.65 - 2.00 0.40 - 0.60 0.20 - 0.30 Eixos, engrenagens 
e pinos 
4820 0.18 - 0.23 0.50 - 0.70 3.25 - 3.75 0.20 - 0.30 
8620 0.18 - 0.23 0.70 - 0.90 0.40 - 0.70 0.40 - 0.60 0.15 - 0.25 Engrenagens, 
coroas, pinhões,etc. 
 29 
10.6. ESTRUTURA E PROPRIEDADES. 
 A têmpera efetuada após a cementação tem o objetivo de elevar a dureza 
superficial, aumentando por sua vez a resistência ao desgaste e a resistência à 
fadiga. 
 A resistência à fadiga, é gradativamente melhorada devido às tensões 
internas de compressão introduzida na superfície pela cementação seguida de 
têmpera. 
 
11. NITRETAÇÃO. 
 
11.1.INTRODUÇÃO. 
 
 Nitretação é um tratamento de endurecimento superficial que consiste na 
introdução de nitrogênio atômico na superfície do aço.O tratamento é realizado em 
temperaturas compreendidas entre 500 e 570 °C, onde o nitrogênio atômico se 
difunde na fase ferrita. 
As principais propriedades dos aços nitretados são: 
 
 - Alta dureza superficial (86 a 70 HRC) e resistência ao desgaste. 
 - Alta resistência à fadiga. 
 - Alta estabilidade dimensional. 
 - Resistência à corrosão melhorada. 
 A profundidade da camada nitretada depende do tempo e da temperatura de 
tratamento, da atividade do nitrogênio e da composição do aço. 
 Três são os métodos de nitretação: gasoso, líquido (banho de sal ) e pó. 
 
11.2.1. NITRETAÇÃO A GÁS . 
 
 Consiste na introdução de uma atmosfera rica em nitrogênio, a uma certa 
temperatura, geralmente amônia - NH4. 
 Neste processo a amônia decompõe-se parcialmente em nitrogênio e este 
combina-se com os elementos de liga do aço formando nitretos de elevada dureza. 
 
 NH4 -------> N ( no aço) + H 
 (nitreto) 
 O nitrogênio atômico é absorvido pela superfície do aço. 
 
Nitretos na superfície do aço 
 
 
 
 Peça 
 
 
 30 
 As superfícies das peças para nitretar devem estar completamente limpas. 
Para isso as peças devem ser submetidas a limpeza tais como desengorduramento, 
decapagem,etc... 
 
 Neste processo a difusão do Nitrogênio no aço é lenta. Geralmente o tempo 
de permanência varia de 15 a 30 horas, respectivamente para camadas da ordem 
de 0.10 à 0.25mm de profundidade. 
 
11.2.2 .AÇOS PARA NITRETAÇAO. 
 
 Os aços para nitretação quando temperados e revenidos devem ser 
nitretados a uma temperatura abaixo da temperatura de revenido a fim de se 
garantir a estabilidade dimensional. 
 São utilizados aços baixa - liga contendo certos elementos em sua 
composição tais como alumínio, cromo, molibdênio e vanádio. São tambem 
nitretados aços ferramentas e aços inoxidáveis. 
 
11.2.3. NITRETAÇÃO LÍQUIDA. 
 
 Na nitretação líquida é utilizado uma mistura de sais à base de cianatos de 
sódio e potássio em temperaturas da ordem de 565°C . 
 
11.2.4. NITRETAÇÃO EM PÓ. 
 
 Ë semelhante ao processo em caixa, onde são utilizados energizadores e pós 
nitretantes, em temperaturas de 520 °a 570°C por no máximo 12 horas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 31 
 
12.CARBONITRETAÇÃO. 
 
12.1.INTRODUÇÃO. 
 É um processo termo-químico de endurecimento superficial que consiste na 
introdução de carbono e nitrogênio no aço, no campo austenítico. 
 É um processo gasoso em que a misturacarborizante é enriquecida com 
amônia levando a absorção de carbono e nitrogênio pela superfície do 
aço.Inicialmente é injetado gás endotérmico com uma quantidade suficiente para 
produzir uma pressão na câmara de aquecimento que impede a penetração de ar. A 
seguir é injetado o propano para introduzir carbono na superfície do aço e 
finalmente é injetado amônia que fornece nitrogênio atômico para a superfície do 
aço. 
 
12.2.TEMPERATURA e TEMPO. 
 
 A temperatura usada na carbonitretação para aquecimento varia de 750° C a 
850 C. O tempo de permanência do aço na temperatura de carbonitretação pode 
variar de 30 minutos a 4 horas.A figura 11 mostra o efeito do tempo e da 
temperatura na profundidade da camada carbonitretada. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 18 - Efeito do tempo e da temperatura na profundidade da camada 
carbonitretada. 
 
13. CIANETAÇÃO 
 
 Cianetação ou carbonitretação líquida (banho de sal) é um tratamento termo-
químico que produz uma superfície dura e resistente ao desgaste em materiais 
ferrosos. 
 32 
 O processo consiste no aquecimento do aço em temperaturas superiores a 
A1 ( 760 - 870 C) num banho de sal contendo cianetos e cianatos para a difusão de 
carbono e nitrogênio. 
 
14.BORETAÇÃO. 
 
 É um processo termoquímico que consiste na introdução de Boro na 
superfície do material formando-se boreto de ferro, que confere ao aço elevada 
dureza superficial. 
 A Boretação pode ser realizada em meios sólido, líquido ou gasoso. 
Normalmente é realizada em meio sólido, onde as peças são colocadas em uma 
caixa resistente ao calor, envolvidas por um granulado de boretação e levadas a 
uma temperatura entre 800 e 1000 C ( recomendável 900 C). 
 A dureza da camada boretada é a mais alta dos tratamentos termo-químicos, 
atingindo a faixa de 1700 a 2000 HV. 
 
 
15.MÉTODOS DE MEDIDA DA ESPESSURA DA CAMADA 
 São três os métodos empregados para a medida de espessura da camada 
das amostras endurecidadas superficialmente. 
 Visual. 
 Mecânico. 
 Químico. 
 
15.1. ESPESSURA DA CAMADA EFETIVA. 
 
 É a distância perpendicular à superfície de uma camada endurecida ao ponto 
mais profundo em que o nível especificado de dureza é obtido. O critério de dureza, 
exceto quando outro é especificado, é 550 HV (50HRC transformado). 
 
15.2. ESPESSURA DE CAMADA TOTAL. 
 
 É a distância perpendicular da superfície da camada endurecida ou não ao 
ponto em que as diferenças nas propriedades químicas ou físícas da camada e 
núcleo podem não mais ser distinguidas. Profundidade da camada total algumas 
vezes é considerada a distância da superfície ao ponto mais profundo onde a %C é 
0,04% mais alto do que a %C do núcleo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 33 
Lista de Exercícios 
1. Considere a figura, na folha em anexo, curva TTT do aço ABNT1335. Sendo Rb o 
resfriamento brusco,uma linha vertical, paralela ao eixo y (temperatura ) e TA = 
temperatura ambiente. As amostras foram austenitizadas a 850°C .Quais são as 
estruturas obtidas nas seguintes condições: 
 
OBS: Suponha Mf= 50°C 
 
a) Rb até 650°C, mantido durante 20 s. 
b) Rb até 600°C, mantido durante 1 minuto. 
c) Rb até 600°C, mantido durante 30 s e Rb até TA. 
d) Rb até 400°C, mantido durante 1 minuto. 
e) Rb até 400°C, mantido durante 1 minuto e Rb até TA. 
f) Rb até 400°C, mantido durante 1 hora e Rb até TA. 
g) Rb até 250°C, mantido 30 minutos. 
h) Rb até 25°C . 
 
2. Nas microestruturas da folha em anexo temos duas estruturas de tratamentos 
térmicos diferentes para um mesmo aço. Identifique na microestrutura os 
constituintes (ferrita, perlita, bainita e martensita). Dê os meios de resfriamento 
correspondente (areia – água ). 
 
3. Para os tratamentos de recozimento - têmpera - revenimento indique no diagrama 
ferro-carbono a faixa usual de temperatura. 
 
4. Explique o que é encruamento e recristalização, quanto à microestrutura e 
propriedades mecânicas. 
 
5. Nos itens abaixo (para cada um deles) qual dos aços tem a curva TTT mais 
deslocada ã direita. Justifique: 
a) 1020 e 8620. 
b) 1020 e 1080. 
 
6. O que significa a curva TTT estar deslocada mais à direita. 
 
7. É muito comum as pecas de ferro fundido serem submetidas ao tratamento 
térmico de têmpera superficial por chama ou indução. Para um ferrro fundido 
nodular ferrítico perlítico, como fica a microestrutura ao longo da secção transversal 
dessa peça. 
 
8. Explique quais os objetivos do tratamento térmico de cementação e a seguir 
têmpera. 
 
9. Para um pino, de 1/2", de aço ABNT1020, com potencial de carbono de 0,9%C 
(teor de carbono na superfície), trace a variação de carbono ao longo do pino 
sabendo-se que a profundidade da camada foi de 1,5mm. 
 
10. Como se realiza a cementação em caixa. 
 
 34 
11. Qual a diferença de carbonitretação e cianetação. 
 
12. Quais as propriedades obtidas com a nitretação 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 35