Diagrama de Equilíbrio Fe-C e Tratamentos Térmicos

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Tratamento Térmico
Profa. Dra. Daniela Becker
Diagrama de equilíbrio Fe-C
Fe3C, Fe e grafita (carbono na forma lamelar)
„ Ligas de aços – 0 a 
2,11 % de C
„ Ligas de Ferros 
Fundidos – acima de 
2,11% a 6,7% de C
„ Ferro alfa – dissolve 
até 0,02% C 
„ Ferro gama –
dissolve ate 2,11 % 
C
Diagrama de equilíbrio Fe-C
„ Ponto S : eutetóide - Aço
„ Ponto C: eutético – ferro 
fundido
„ Aço hipoeutetóide 0,008 -
0,77 C
„ Aço hipereutetóide 0,77 -
2,11
„ Fe Fundido hipoeutético
2,11-4,3
„ Fe Fundido hipereutético > 
4,3
„ Ferrita: ferro 
comercialmente puro (C < 
0,008%), pouco resistente, 
mole e dúctil – ferro alfa
„ Fe3C carboneto de ferro -
6,7% C (cementita)
S
C
Diagrama de equilíbrio Fe-C
Fe3C, Fe e grafita (carbono na forma lamelar)
„ Austenita: solução sólida 
de C no F gama . Boa 
resistência e apreciável 
tenacidade, não 
magnético
„ Cementita: Carbono na 
forma Fe3C (carboneto de 
ferro, 6,7% de C). Muito 
duro, porém frágil. Finas 
laminas.
„ Ferrita: Ferro 
praticamente puro. Baixa 
dureza e resistência a 
tração, elevada dutilidade
e resistente ao impacto 
(Ferro alfa).
Diagrama de equilíbrio Fe-C
„ Perlita: 88% ferrita (ferro 
alfa) + 12% cementita
(Fe3C). Forma lamelar. 
Propriedades 
intermediárias
„ Depende da liga e do 
tempo de resfriamento
„ Exemplo de resfriamento 
lento de um aço a 
0,35%(hipoeutetoide) e 
1,4% de C 
(hipereutetóde).
„ Exemplo de um ferro 
fundido a 2,7% de C 
(hipoeutetoide) 
Diagrama de equilíbrio Fe-C
„ Em resumo, a austenita (Ferro gama) pode se 
transformar em:
‰ ferrita + perlita (ferrita +cementita)
‰ somente perlita
‰ perlita + cementita
‰ Ledeburita (glóbulos de perlita c/ fundo de cementita) 
„ Isto ocorre se houver tempo suficiente para permitir o 
equilíbrio
„ Devido a isto os metais tem suas propriedades 
modificadas 
Resfriamento fora do equilíbrio
„ Ocorrências de fases ou transformações em 
temperaturas diferentes daquela prevista no 
diagrama
„ Existência a temperatura ambiente de fases 
que não aparecem no diagrama
Transformações de fase
„ COM DIFUSÃO
‰ Sem variação no número e composição de fases
„ Ex: solidificação metal puro e transformação alotrópica
‰ Com variação no número e composição de fases
„ Ex: Transformação eutética, eutetóide...
„ SEM DIFUSÃO
‰ Ocorre com formação de fase metaestável
„ Ex: transformação martensítica
A maioria das transformações de fase no estado sólido não ocorre
instantaneamente, ou seja, são dependentes do tempo
Tratamentos Térmicos
„ Velocidades de aquecimento e principalmente 
resfriamento provoca alterações nas transformações 
alotrópicas (ferro gama –ferro alfa)
„ Altera propriedades mecânicas dos metais.
„ Tratamentos térmicos é o processo que eleva-se a 
temperatura até a sua transformação e controla-se a 
velocidade de seu resfriamento para obter 
características desejadas. 
„ O diagrama chamada Curva TTT (tempo –
temperatura – transformação) possibilita o controle 
das transformações.
Diagramas TTT
início
final
Curvas TTT
„ Utilizados para o estudo dos tratamento 
térmicos
Ex 1: Curva TTT para aço eutetóide
Temperatura de 
austenitização
γ
α+Fe3C↓
Perlita
-Como a martensita não envolve difusão, a sua formação ocorre instantaneamente 
(independente do tempo, por isso na curva TTT a mesma corresponde a uma reta).
Martensita
Microestrutura
Perlita grossa Perlita fina
Bainita
Martensita
Ex 2: curvas TTT para aço eutetóide com 
as durezas especificadas das microestruturas
•Perlita grossa ~86-97HRB
•Perlita fina ~20-30HRC
•Bainita superior ~40-45 HRC
•Bainita inferior~50-60 HRC
•Martensita 63-67 HRC
Ex 3: Curvas de resfriamento a 
temperatura constante
Ex 4: Algumas curvas de resfriamento contínuo
A (FORNO)= Perlita grossa
B (AR)= Perlita + fina (+ dura 
que a anterior)
C(AR SOPRADO)= Perlita + 
fina que a anterior
D (ÓLEO)= Perlita + 
martensita
E (ÁGUA)= Martensita
No resfriamento contínuo, as curvas TTT deslocam-se um pouco 
para a direita e para baixo
Microestruturas resultantes do 
resfriamento rápido
„ MARTENSITA
‰ A martensita se forma quando o 
resfriamento for rápido o suficiente 
de forma a evitar a difusão do 
carbono, ficando o mesmo retido em 
solução. 
‰ Como a martensita não envolve 
difusão, a sua formação ocorre 
instantaneamente (independente do 
tempo).
AUSTENITA
MARTENSITA
TRANSFORMAÇÃO 
ALOTRÓPICA COM 
AUMENTO DE VOLUME, 
que leva à concentração de tensões
Conseqüências:
„ Geração de tensões residuais.
„ Risco de empenamentos.
„ Risco de trincas de têmpera 
(sempre intergranulares).
Microestruturas resultantes do 
resfriamento rápido
„ MARTENSITA
‰ É uma solução sólida supersaturada de 
carbono (não se forma por difusão)
‰ Microestrutura em forma de agulhas 
‰ É dura e frágil (dureza: 63-67 Rc)
‰ Tem estrutura tetragonal cúbica (é uma fase 
metaestável, por isso não aparece no 
diagrama)
„ REVENIDO
‰ Reaquecimento por tempos maiores
„ MARTENSITA REVENIDA
‰ É obtida pelo reaquecimento da martensita
(fase alfa + cementita)
‰ Os carbonetos precipitam
‰ Forma de agulhas escuras
‰ A dureza cai 
‰ Maior ductibilidade
Transformações
AUSTENITA
Perlita
(∝ + Fe3C) + a 
fase 
próeutetóide
Bainita
(∝ + Fe3C)
Martensita
(fase tetragonal)
Martensita
Revenida
(∝ + Fe3C)
Ferrita ou cementita
Resf. lento Resf. moderado
Resf. Rápido
(Têmpera)
reaquecimento
Tratamentos Térmicos
„ Tratamento Térmico é um ciclo de aquecimento e 
resfriamento realizado nos metais com o objetivo de 
alterar as suas propriedades físicas e mecânicas, sem 
mudar a forma do produto. 
„ O tratamento térmico é normalmente associado com o 
aumento da resistência do material , mas também 
pode ser usado para melhorar a usinabilidade, a 
conformabilidade e restaurar a ductilidade depois de 
uma operação a frio. 
„ Logo, o tratamento térmico é uma operação que pode 
auxiliar outros processos de manufatura e/ou melhorar 
o desempenho de produtos, aumentando sua 
resistência ou alterando outras características 
desejáveis.
Tratamentos Térmicos
„ Os aços são tratados para uma das finalidades abaixo:
‰ Amolecimento - (softening) 
O amolecimento é feito para redução da dureza, remoção de tensões residuais , 
melhoria da tenacidade, restauração da ductilidade, redução do tamanho do grão 
ou alteração das propriedades eletromagnéticas do aço. 
As principais formas de amolecimento do aço são: recozimento de 
recristalização, recozimento pleno, recozimento de esferoidização e 
normalização.
‰ Endurecimento – (hardening) 
O endurecimento dos aços é feito para aumentar a resistência mecânica, a 
resistência ao desgaste e a resistência à fadiga. O endurecimento é fortemente 
dependente do teor de carbono do aço. A presença de elementos de liga 
possibilita o endurecimento de peças de grandes dimensões, o que não seria 
possível quando do uso de aços comuns ao carbono. 
Os tratamentos de endurecimento são: têmpera, austêmpera, e martêmpera. 
Para aumentar a resistência ao desgaste é suficiente a realização de um 
endurecimento superficial (que também leva ao aumento da resistência a fadiga). 
Pode-se assim proceder a uma têmpera superficial ou a um tratamento termo-
químico, que consiste na alteração da composição química da superfície pela 
difusão de elementos como carbono, nitrogênio e boro.
Têmpera
„ Resfriamento rápido objetivando o aumento da 
dureza (martensita), da resistência ao desgaste, da 
resistência a tração e diminuição da ductilidade
Têmpera
„ Como mencionado antes, a martensita é muito frágil. Se um material 
tivesse estrutura 100% martensítica, seria frágil como o vidro. Então ospassos a serem seguidos no tratamento térmico, para obtenção de 
propriedades mecânicas adequadas num aço são:
‰ obter um material inteiramente martensítico por resfriamento rápido 
‰ reduzir a fragilidade por aquecimento até uma temperatura onde a 
transformação de equilíbrio para as fases a e Fe3C seja possível 
‰ reaquecer por um curto espaço de tempo a temperatura moderada, para 
obtenção de um produto de alta resistência e baixa ductilidade 
‰ ou reaquecer por um longo espaço de tempo a temperatura moderada para 
obtenção de um produto de maior ductilidade
Revenimento
„ Revenimento é um 
processo feito após o 
endurecimento por 
têmpera. 
„ Peças que sofreram 
têmpera tendem a ser muito 
quebradiças. A fragilidade é
causada pela presença da 
martensita. 
„ A fragilidade pode ser 
removida pelo revenimento. 
Revenimento
„ O resultado do revenimento é uma combinação desejável de 
dureza, ductilidade, tenacidade, resistência e estabilidade 
estrutural. As propriedades resultantes do revenimento dependem 
do aço e da temperatura do revenimento. 
„ A martensita é uma estrutura metaestável. Quando aquecida, 
tende a estabilidade, ou seja, a transformar-se nas fases ferrita e 
cementita.
A martensita é uma estrutura tetragonal de corpo centrado (a 
ferrita é cúbica de corpo centrado) supersaturada de carbono (a 
ferrita contém carbono em até seu limite de solubilidade no ferro). 
Apresenta a morfologia de finas agulhas.
„ O aquecimento leva a difusão do carbono (em excesso na 
estrutura) e sua conseqüente precipitação em forma de carboneto 
de ferro. A saída do excesso de carbono possibilita que a 
estrutura tetragonal torne-se cúbica, ou seja, torne-se ferrítica.
Revenimento
„ O aumento da temperatura leva assim ao crescimento das agulhas de 
ferrita e a coalescência dos precipitados. 
„ Logo tem-se que o aumento da temperatura de revenimento leva à
redução da dureza e ao aumento da ductilidade. A temperatura de 
revenimento deve ser aquela na qual são obtidas as propriedades 
desejadas.
„ O aquecimento para revenimento é mais eficiente quando as partes são 
imersas em óleo, para revenimentos até 3500 C. A partir desta 
temperatura o óleo contendo as partes é aquecido até a temperatura 
apropriada. O aquecimento em banho permite que a temperatura seja 
constante em toda a peça, proporcinando um revenimento uniforme.
„ Para temperaturas acima de 3500 C é mais indicado usar um banho de 
sais de nitratos. Os banhos salinos podem ser aquecidos até 6250 C.
„ Independentemente do tipo de banho, o aquecimento gradual é
fundamental para evitar fissuras no aço.
„ Depois de alcançada a temperatura desejada, as partes são mantidas 
nesta temperatura por aproximadamente duas horas. São então 
removidas do banho e resfriadas em ar sem convecção.
Recozimento
„ Objetiva remover tensões 
(devidas aos processos de 
fundição e conformação 
mecânica a quente ou a 
frio), diminuir a dureza, 
melhorar a ductilidade e 
ajustar o tamanho de 
grãos.
„ As peças são aquecidas, e 
mantidas nesta 
temperatura por uma hora 
ou mais. A seguir são 
resfriadas por ar. 
Recozimento
„ Para entender os passos do processo quatro 
conceitos devem ser conhecidos :
‰ trabalho a frio, 
‰ recuperação, 
‰ recristalização e 
‰ crescimento de grão 
Recozimento
„ Trabalho a frio
‰ Significa deformar um metal a temperaturas relativamente 
baixas. 
‰ Exemplos são a laminação a frio de barras e chapas e a 
trefilação. 
‰ A microestrutura trabalhada a frio mostra grãos altamente 
distorcidos, que são instáveis. Através do aquecimento 
pode-se promover a mobilidade dos átomos e tornar o 
material mais 'mole' com a formação da nova 
microestrutura.
„ Recuperação 
‰ É o estágio mais sutil do recozimento. 
‰ Não ocorre alteração significativa da 
microestrutura. 
‰ Entretanto a mobilidade atômica permite a 
redução de defeitos pontuais e a movimentação 
das discordâncias para posições de menor 
energia. 
‰ O resultado é uma discreta redução da dureza e 
um aumento considerável da condutividade 
elétrica. 
Recozimento
Recozimento
„ Recristalização
‰ A temperatura onde a mobilidade permite 
alteração significativa das propriedades 
mecânicas situa-se entre 1/3 e ½ da temperatura 
de fusão Tf. 
‰ O metal exposto a estas temperaturas sofre uma 
transformação microestrutural denominada 
recristalização. 
‰ A redução de dureza no processo de 
recristalização é substancial. 
Recozimento
„ Crescimento de Grão
‰ A microestrutura desenvolvida na recristalização 
forma-se espontaneamente. Ela é estável, se 
comparada com a estrutura original trabalhada a 
frio.
‰ Entretanto a microestrutura recristalizada contém 
uma grande quantidade de contornos de grão.
‰ A redução destas interfaces de alta energia pode 
ampliar ainda mais a estabilidade. 
Recozimento
„ Etapas:
‰ Recuperação
‰ Recristalização (alívio de 
tensões)
‰ Aumento do tamanho do grão
Normalização
„ é o processo de elevação 
de temperatura dentro do 
campo austenítico, 
„ O material é deixado nesta 
temperatura até que toda a 
microestrutura esteja 
homogeneizada.
„ Após é removido do forno 
e resfriado em temperatura 
ambiente sob convecção 
natural. 
Normalização
„ A microestrutura resultante é formada por finos grãos de perlita
com ferrita e cementita dispostas em finas lamelas. 
„ Esta microestrutura é de baixa dureza.
„ O grau de ductilidade depende das condições do ambiente de 
resfriamento.
„ Este processo é substancialmente mais barato do que o 
recozimento pleno, pois não existe o custo adicional de 
resfriamento no forno.
„ A diferença principal entre peças recozidas e normalizadas é que 
as peças recozidas tem propriedades (ductilidade e usinabilidade) 
uniformes através de todo o seu volume enquanto que as peças 
normalizadas poderão ter propriedades não uniformes. 
„ Isto se dá porque no recozimento pleno, toda a peça fica exposta 
ao ambiente controlado do forno durante o resfriamento. No caso 
de peças normalizadas, dependendo da geometria da peça, o 
resfriamento não será uniforme, resultando em propriedades não 
uniformes do material.