04 TratamentosTermicos 2017

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em Tratamento Térmicos
Revisado por Fabio AlvesElaborado por André Luiz Pinto
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Introdução
• Os tratamentos térmicos visam o controle das propriedades através do controle da microestrutura.
• Este controle da microestrutura depende não apenas do diagrama de fase, mas também da cinética de transformação de fases metaestáveis e de equilíbrio.
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Diagrama Ferro-Carbono
Askeland
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Tratamento Térmico
Recozimento  Recozimento Pleno Esferoidização
 Recozimento para Alívio de Tensões
 Normalização
Têmpera e Revenido
Trat. Térmicos Especiais
Trat. de Endurecimento Superficial
 Têmpera Superficial
 Trat. Termoquímicos
 Austêmpera
 Martêmpera
 Recozimento Isotérmico
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Recozimento
• Recozimento “Pleno”
– Aquecimento do aço acima ou dentro da zona crítica seguido de resfriamento lento (usualmente dentro do forno).
• Objetivo
– Restituir ao material as propriedades alteradas pelo processamento termomecânico
– Homogeneizar a composição química de estruturas brutas de fusão
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Recozimento Isotérmico
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Recozimento
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Cuidados no Ciclo Térmico de Recozimento
• Aquecimento
– Uniforme e com temperatura de patamar homogênea
• Temperatura
– Para aços hipoeutetóides: 20-50ºC acima do limite superior da zona crítica
– Para aços hipereutetóides: entre A1 e Acm para evitar a fragilização por formação de cementita pró-eutetóide em rede
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Diagramas de Aquecimento Contínuo
• Transformações atrasadas em relação aos diagramas isotérmicos
• Úteis para avaliar tratamentos com tempos curtos de austenitização ou para avaliar qual temperatura deve ser utilizada para uma dada taxa de aquecimento.
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Diagramas de Aquecimento Contínuo
Aço 4140
ASM Metals Handbook
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Cuidados no Ciclo Térmico de Recozimento
• Tempo
– O centro da peça deve alcançar a temperatura de patamar
– Peças delgadas: pelo menos alguns minutos para garantir a transformação e homogeneização da austenita
– Peças espessas: 20 minutos por centímetro de espessura para garantir a transformação e homogeneização da austenita
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Cuidados no Ciclo Térmico de Recozimento
• Atmosfera
– Oxidante: selar entradas de ar para diminuir a formação de carepas
– Quando a descarbonetação for indesejada a atmosfera deve ser inerte ou controlada
• Resfriamento
– Dentro do forno até a total decomposição da austenita
– Peças grandes podem ser transferidas para outros locais sem resfriamento significativo
– Peças pequenas podem ser imersas em vermiculita, areia seca, cal ou cinzas
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Descarbonetação
Região descarbonetada em aço eutetóide(Ataque pícrico 4%, aumento original de 200x)
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Recozimento de Esferoidização
• Tratamento destinado a esferoidizar a cementita.
– Muito utilizado em aços de alto carbono
– Gera materiais altamente usináveis
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Recozimento para Redução do Teor de Hidrogênio
• O H pode levar à formação de bolhas e trincas quando átomos individuais se encontram e formam H2 ou intermetálicos
• Embora o H atômico possa difundir livremente pelo aço, seu coeficiente de difusão varia muito com a temperatura
• O limite de solubilidade varia muito com a fase de estabilidade.
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Recozimento para Redução do Teor de Hidrogênio
• A melhor alternativa para a redução do teor de hidrogênio dissolvido são tratamentos isotérmicos no campo ferrítico.
• Em aços ligados, a transformação de austenita para bainita, seguida de difusão isotérmica costuma ser efetiva.
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Recozimento para Alívio de Tensão
• Origem das tensões residuais
– “material que resfria por último está sob tração”
Wulpi, 1999
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Recozimento para Alívio de Tensão
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Recozimento para Alívio de Tensão
ASM Metals Handbook
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Normalização
• Definição: Aquecimento no campoaustenítico e resfriamento ao ar.
• Aços submetidos a trabalho a quentepodem apresentar microestrutura muitoheterogênea e tamanho de grão grosseiro.
• A normalização permite obter umaestrutura homogênea e refinada,melhorando a resistência mecânica etenacidade.
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Normalização
• Trata-se do tratamento ideal para proceder a homogenização microestrutural nos casos de tratamentos térmicos inadequados.
• É comum a sua realização em peças fundidas e forjadas antes de tratamentos de têmpera e revenido.
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Normalização
• Aços de elevada temperabilidade não podem ser normalizados.
• A microestrutura resultante pode ser sensível às dimensões da peça.
• Ciclos sucessivos de normalização podem afetar o tamanho de grão austenítico, reduzindo-o gradativamente.
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Normalização x Recozimento
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Normalização x Recozimento
Normalização e recozimento de umaço eutetóide perlita fina
perlita grossa
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Temperaturas de Tratamento
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Normalização x Recozimento
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Efeitos da temperatura e tempo de tratamento
Colpaert
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ASM Metals Handbook
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RECRISTALIZAÇÃORevisão dos Conceitos
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Recristalização
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Recristalização
Humphreys e Hatherly (1995)
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Evolução das propriedades com a deformação
Deformação
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Comportamento das Propriedades Mecânicas
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Estágios da Recristalização
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Recristalização
• Nucleação– Um cristalito de baixa energia interna crescendo em um material deformado do qual é separado por um contorno de alto ângulo• Crescimento– Redução da densidade de discordâncias– Curvatura do contorno Humphreys e Hatherly (1995)
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Evolução Microestrutural durante a Recristalização
Callister (2002)
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Relação entre parâmetros de recristalização
Recristalização
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Leis da Recristalização
• Há uma deformação mínima para que ocorrarecristalização;
• A temperatura de recristalização decresce à medida emque o tempo de recristalização cresce;
• A temperatura de recristalização decresce à medida emque a deformação cresce (t=cte);
• O TG depende primariamente da deformação, sendomenor para maiores deformações;
• Para uma dada deformação a temperatura derecristalização cresce com:
– Maiores TG iniciais
– Maiores T de deformação
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Nucleação
• Na maior parte dos casos, não apenas a nucleação não é homogênea como sua incubação depende da energia acumulada por cada grão devido ao fator de Schmid.
Humphreys e Hatherly (1995)
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Efeito de Segunda Fase na Nucleação
• A presença de segunda fase durante a deformação implica não apenas em distorção da rede ao seu redor, mas em uma maior desorientação ao seu redor.
• Assim, partículas de segunda fase não apenas constituem sítios preferenciais de nucleação como podem gerar orientações distintas dos núcleos.
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Efeito de Segunda Fase no Crescimento de Grão
• A presença de precipitados de segunda fase dificulta a movimentação do CG (“Zener pinning effect”).
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Crescimento Anormal de Grão
• Embora se espere que uma estrutura 3D sempre apresente crescimento de grão se houver ativação térmica, em condições especiais pode ocorrer o crescimento preferencial de alguns grãos, ou crescimento anormal de grãos, ou recristalização secundária.
• Condições:
– Presença de segunda fase
– Textura
– Efeitos superficiais
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Crescimento Normal e Anormal de Grão
Crescimento de Grão
Crescimento Anormal de Grão
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RECRYSTALLIZATION ANNEALING
Totten, 2006
20% redução (135 HV)
Aço baixo C (0,05%)
Recristalização à 750C (75 HV)
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Temperaturas de Tratamento
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TEMPERABILIDADE
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Temperabilidade
• “Capacidade do aço em endurecer por transformação martensítica, como resultado de um tratamento térmico de têmpera.”
• Todos os EL aumentam a temperabilidade, exceto o Cobalto.
ENSAIO JOMINI – Ensaio para se avaliar a temperabilidade dos aços
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Temperabilidade
Fatores de Influência
• Composição química
• Tamanho de grão
• Homogeneidade do aço no campo austenítico
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Temperabilidade
Curvas de temperabilidade de alguns aços em função dadistancia da extremidade temperada (velocidade deresfriamento a 700 oC)
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TemperabilidadeEnsaio Grossmann
Totten, 2006
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TemperabilidadeEnsaio Grossmann
Totten, 2006
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TemperabilidadeEnsaio Jominy
Totten, 2006
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Temperabilidade
 Aço com 0,5%Csubmetido adiferentescondições deresfrimanento(com e semreaquecimento).
 Diferentesmorfologias sãoresponsáveispor diferentespropriedades.
ferrita-perlita (dureza 200 HB) esferoidita(dureza 160 HB)
martensita (dureza 500 HB) Martensita revenida(dureza 200 HB)
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Têmpera
• A têmpera (“Quenching”) consiste no aquecimento acima da zona crítica durante o tempo necessário para uma completa homogeneização da austenita, seguido de um resfriamento rápido.
• Tem por objetivo aumentar a dureza do aço e, em conseqüência, sua resistência mecânica
Severidade de têmpera (H) em função dos meios de resfriamento
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CP cilíndrico, H2O 30C, 0.3 m/s 
CP cilíndrico, óleo 60C, 0.3 m/s 
CP prismático,H2O 60C, sem convecção forçada
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Têmpera e Revenido
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Martensita
Martensita Revenida
Revenimento
Têmpera
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Efeito da TAust
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Crescimento
• Martensita formada a alta T cresce por deslizamento de discordâncias
• Martensita formada a baixa T cresce por maclagem
• Presença de tensões externas
– Auxilia na geração de discordâncias e, consequentemente, no crescimento
– Aumenta MS– Mas MS pode decrescer sob carregamento hidrostático 
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Crescimento
• Estabilização
– Se o material for mantido entre MS e MF a transformação é paralisada
– Se o material é resfriado novamente, a transformação não é retomada imediatamente e a quantidade final de martensita é reduzida
– O grau de estabilização é uma função do tempo mantido nesta temperatura intermediária, provavelmente devido à difusão do C 
• Tamanho de grão
– Não afeta o número de núcleos, mas sim o tamanho final das placas
– Grãos grandes: grande acúmulo de tensões residuais
– Grãos pequenos: maior acomodação das tensões gerando materiais mais resistentes e tenazes 
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Transformação Martensítica
Martensita em ripas(C<0,6%) Martensita em placas(C>0,6%)
ASM Metals Handbook
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Efeito do Carbono na Têmpera
Dureza máxima após têmpera
Colpaert, 2008
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Transformação Martensítica
ASM Metals Handbook
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Expansão da Transformação Martensítica
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Revenido
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Revenido
Revenido de Aço 4340
ASM Metals Handbook
Efeito da Trev
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Revenido
Totten
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Revenido
Porter e Easterling, 1992
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Revenido
Aço 52100 (Fe1C1.5Cr) com cementita residual 
(Nital 2%, barra de escala 10 μm)
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Caso Prático:
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Caso Prático:
Temperatura de austenitização: 1080 oCt ~ 15 a 20 min
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Caso Prático:
Corte Redirecionamento para o martelo
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Caso Prático:
T conformação ~ 1000 oC a 1050 oC 
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Caso Prático:
Controle da Temperatura de Têmpera
Salmora AWS 2011 a 13 %T banho ~ 36 a 40 oCT ~7 min
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Caso Prático:
tempo revenido = 1 h
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Fragilidade ao Revenido
• A realização de revenido na faixa de 250-500ºC pode gerar segregação no contorno de grão da austenita prévia acompanhada da precipitação de finos carbonetos. 
• Assim, é comum evitar esta faixa de temperatura e proceder o resfriamento rápido após o tratamento.
Revenido de Aço 4140
ASM Metals Handbook
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Fragilização ao Revenido
A fragilização de algumas ligas de aço ocorre quando elementos específicos de liga (Mn,Ni,Cr) e impurezas (Sb, P, As e Sn) estão presentes e mediante o revenido dentro de uma faixa de temperatura definida (375-575°C), ou acima de 575°C, seguido de resfriamento lento.
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Austenita Retida
Aço ferramenta W1, martensita colorida e austenita retida em branco (Ataque de Behara)
Voort
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Duplo Revenido
• Em alguns aços após a têmpera encontram-se:– Carbonetos (não dissolvidos na T de austenitização)– Martensita não revenida– Austenita retida• No primeiro revenido:– Carbonetos precipitam na austenita retida– A composição da austenita é alterada– No resfriamento Ms e MF são superiores às da têmpera– Austenita retida é transformada em martensita• No segundo revenido:– Martensita formada no primeiro revenido é parcialmente transformada– Tensões residuais são aliviadas
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Duplo Revenido
Entretanto, não há garantia de que não haverá austenita retida após o 2º revenido
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em Austêmpera
Totten, 2006
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Martêmpera
• A martêmpera, também chamada têmpera interrompida, visa diminuir as deformações pelas tensões devidas ao resfriamento rápido.
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Austêmpera x Martêmpera
Objetivo da Martêmpera: reduzir as tensões térmicas
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Austêmpera x Têmpera e Revenido
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Têmpera Direta Martêmpera
Recozimento IsotérmicoAustêmpera
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Endurecimento por Precipitação
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Solubilização
Smallman e Bishop
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Envelhecimento
Smallman e Bishop
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Envelhecimento
Zonas GP (16 h 130ºC)
Liga Al4Cu
Placas θ“(5 h 160ºC)
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Envelhecimento
Precipitação de NbC em aço contendo Nb e Mn
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EQUIPAMENTOS PARA TRATAMENTO TÉRMICO
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Equipamentos para Tratamento Térmico
• Tipo de Aquecimento
– Queima direta
– Elétrico
– Tubular
– Indução
– Banho de Sal
ASM Metals Handbook
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Equipamentos para Tratamento Térmico
• Fornos para tratamento em caixa
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Equipamentos para Tratamento Térmico
• Forno Elevador
• Forno Sino
• Fornos Contínuos
www.alliedfurnaces.comwww.lindbergmph.com
www.lindbergmph.com
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Equipamentos para Tratamento Térmico
• Forno carro
– Em geral sem atmosfera controlada devido à dificuldade de vedação
ASM Metals Handbook
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Equipamentos para Tratamento Térmico
• Mantas
www.maritimestress.com
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Equipamentos para Tratamento Térmico
• Indução
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Atmosfera de Tratamento
• Vácuo
ASM Metals Handbook
www.lindbergmph.com
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Atmosfera de Tratamento
• Vácuo
http://solaratm.com/
Solar Atmospheres Vacuum Heat Treats Ti Manifold for Orion Spacecraft
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Atmosfera de Tratamento
• Oxigênio – oxidante e descarbonetante
• Nitrogênio (N2) – para atuar como proteção deve estar isento de água ou causa descarbonetação
• Hidrogênio – descarbonetante
• Hidrocarbonetos – carbonetantes
• Gases inertes
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Atmosfera de Tratamento
• Vapor d’água – Oxidante e descarbonetante
H 2O
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1. Gears and shafts,2. Vacuum heat treatment,3. Atmospheric heat treatment
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Atmosfera de Tratamento
• Dióxido de Carbono e Monóxido de Carbono ASM Metals Handbook
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TRATAMENTOS SUPERFICIAIS
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Tratamentos de End Superficial
Têmpera Superficial
 por chama;
 por indução;
 cementação;
 nitretação;
 cianetação;
 carbo-nitretação
 boretação
Trat. Termoquímicos
“sem alteração de composição química”
“COM alteração de composição química na superfície”
“são os tratamentos que visam o endurecimento superficial dos aços, pela modificação parcial da sua composição química e aplicação simultânea de um tratamento térmico”
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Cementação x Nitretação
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Referências
• Callister, W D, Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução, Ed. LTC, 2000, Rio de Janeiro.
• Krauss – Steel Processing
• Totten – Steel Heat Treatment
• Smallman, R. E. e Bishop, R. J. Modern Physical Metallurgy and Materials Engineering, Ed. Butterworth&Heinemann, 6ª Ed. 1999.
• ASM Metals Handbook - Volume 3
• http://www.infomet.com.br/diagramas_fases.php
• Colpaert, H. Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns, revisão técnica: A. L. da Costa e Silva, 4ª Ed., Edgard Blücher, 2008.
• Wulpi, D. J., “Understanding How Components Fail”, Ed. ASM, Ohio, 1999. 
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