SEMINÁRIO MATERIAIS INDUSTRIAIS - INTRODUÇÃO A METALURGIA

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CENTRO UNIVERSITÁRIO TERESA DÁVILA - UNIFATEA
Maria Gabriela Domingues
Nathália Cavadas Serra
SEMINÁRIO DE MATERIAIS INDUSTRIAIS
Introdução a Metalurgia;
processamento em alto-forno, obtenção do ferro gusa. Obtenção do ferro fundido e suas propriedades mecânicas e aplicações; processo de fabricação do aço, suas propriedades e aplicações. Características das ligas de aço, metalografia da estrutura do aço. Tratamentos térmicos, termofísicos e isotérmicos dos aços. Tratamento térmico de têmpera em aços, suas características e aplicações.
Lorena - SP
2018
Introdução a Metalurgia:
A metalurgia é a ciência que estuda a extração, transformação e aplicação de materiais metálicos, como ferro (Fe), o ouro (Au), prata (Ag) e o bronze (Cu-Sn). 
Os metais por sua vez podem ser divididos em três subclasses: ferro (Fe) e aço (Fe-C); ligas não ferrosas e superligas (Ex: bronze, latão e nitinol) de maior aplicação no campo aeroespacial; e compostos intermetálicos.
O ferro é o metal mais produzido pelo homem, respondendo por mais de 90% da produção em escala global em massa de metais.
Acredita-se que o primeiro contato do homem com os metais tenha se dado ao acaso por volta de 6 a 4 mil a.C. com metais encontrados em seu estado natural como o ouro e o cobre. Diversas civilizações antigas usavam os metais porém foi apenas a partir do século XVIII, após a revolução científica, que a metalurgia tornou-se uma ciência e que os processos metalúrgicos passam a ser estudados e explicados, colaborando para melhoria contínua das práticas utilizadas. A partir de então surge um novo ramo da metalurgia, a metalurgia física que tem como objetivo o estudo das características físicas dos materiais metálicos. 
A metalurgia pode ser dividida em três classes:
Metalurgia Extrativa
Extração e beneficiamento de metais;
Metalurgia Física
Fundamentos dos fenômenos metalúrgicos;
Metalurgia de Transformação
Processos de Fabricação de Produtos/Componentes Metálicos;
Metalurgia Extrativa:
Na Metalurgia Extrativa há diversas divisões para o estudo como:
Processos pré-extrativos;
Processos que embora envolvam reações químicas, não isolam o metal de interesse do minério beneficiado. Visam o aumento e a otimização da concentração do composto metálico no minério.
Extração e beneficiamento de minérios;
Processos Extrativos;
Extração de um metal a partir do seu minério primário, constituído por um composto.
Obtenção de materiais metálicos (elementares) a partir dos seus respectivos minérios;
Processos de Refino;
Obtenção de metais e/ou ligas com grau de pureza comercial a partir dos metais brutos obtidos por processos extrativos. Como por exemplo a fabricação de aços.
Obtenção de ligas com composição definidas;
Exemplo de aplicação de Processos de Extração e Refino são os Processos Siderúrgico:
1ª etapa - Extração: redução dos minérios de Fe em Alto Forno.
Produto obtido: Ferro Gusa (90% de Fe contido)
Alto forno: Sistema de fornalha para fundir minérios de ferro, como hematita(Fe2O3), para produzir ferro gusa. A conversão dos óxidos de ferro em ferro metálico é um processo redutor no qual os agentes redutores são monóxido de carbono e o hidrogênio. O ferro gusa produzido num alto forno contém cerca de 4,5% de carbono e normalmente é necessário continuar com a refinação para produzir aço e ferro fundido. O alto forno é o primeiro estágio na produção de aço e partir dos óxidos de ferro. Atualmente um alto forno produz cerca de 13000 toneladas de ferro gusa por dia. O sistema destinado a produção de ferro gusa em estado líquido funciona a uma temperatura em torno de 1500°C, com a qualidade e quantidade necessárias para o bom andamento dos processos subsequentes. A maioria dos Alto fornos possuem formato de cuba com cerca de 30 metros de altura. 
A produção do ferro gusa é uma atividade de extrema importância por corresponder a grande parte do custo da produção do aço. Através da redução de minérios é possível obter o ferro gusa. Os minérios mais comuns utilizados são: Hematita (Fe2O3), Magnetite (Fe3O4), Limonita (Fe2O3.nH2O) e Carbonato de siderita (FeCO3eCO3).
Composição do Ferro gusa:
4,5% de Carbono
0,4% Silício
0,3% Manganês
0,1% Fósforo
0,03% Enxofre
Temperatura: 1400-1500°C
Para a produção do ferro gusa em alto forno, são necessárias as seguintes matérias-primas para cada tonelada de material produzido:
Minério de ferro: cerca de 1700 Kg;
Coque (um tipo de carvão): cerca de 500 Kg;
Óxido de cálcio (CaO) ou óxido de magnésio (MgO): cerca de 140 Kg;
Ar quente: cerca de 1800 Kg.
Etapas da produção do ferro gusa:
1º Passo: Extração do minério de ferro;
2º Passo: Mistura do minério de ferro com o coque e óxido de cálcio (ou óxido de magnésio);
3º Passo: Injeção de ar preaquecido (em temperatura de aproximadamente 1200°C). O gás oxigênio do ar reage com o carvão e produz o monóxido de carbono (CO), que é o agente redutor do processo de produção do ferro gusa;
C + O2 → CO(g)
4º Passo: O calor do ar quente e da combustão do carvão realizam a fusão do minério de ferro;
5º Passo: Concomitantemente, ocorre a reação química entre o monóxido de carbono e o óxido de ferro (como a hematita), formando o ferro metálico (Fe) fundido, isto é, o ferro gusa, além de elementos como carbono, enxofre, manganês, etc.
Fe2O3 + 3 CO → 2 Fe + 3CO2
Obs: Existem empresas siderúrgicas produtoras do ferro gusa que, ao produzi-lo, já produzem em seguida o aço a partir dele. Da mesma forma, existem ainda aquelas indústrias que produzem apenas o ferro gusa para servir de fonte de abastecimento para outras que trabalham com a produção e manufatura do aço.
A produção o ferro gusa é extremamente importante econômica e industrialmente, porém sua realização principalmente em altos fornos, leva aos seguintes danos ambientais:
Intenso desmatamento para produção de carvão;
Aumento da emissão de dióxido de carbono no ar atmosférico;
Emissão de óxidos de enxofre na atmosfera;
Emissão de poluentes orgânicos de potencial cancerígeno.
Ferro fundido:
O ferro fundido se tornou um metal popular, largamente aplicado na produção industrial graças ao baixo custo (20 a 40% menor do que o aço) e sua vasta gama de propriedades mecânicas desejáveis, como a boa fundibilidade, propriedade de usinagem conveniente e melhor resistência ao desgaste. Em busca de melhorar as propriedades mecânicas dos ferros fundidos nodulares utiliza-se a técnica de adição de elementos de ligas. Entretanto, essa técnica pode onerar o processo devido aos altos valores desses elementos, como o manganês, o cromo, o boro, e molibdênio, entre outros.
Existem alguns tipos de ferro fundido:
Ferro Fundido CINZENTO (Gray iron) 
Propriedades: Elevada fluidez=>peças
complicadas, boa usinabilidade(flocos), grande resistência ao desgaste (grafita), excelente amortecedor de vibrações, bom à compressão, mau à tração (frágil), soldabilidade difícil, baixo custo.
Aplicações: Ferro fundido mais usado (75%), blocos de motores, disco de freio,volantes de motor, etc, engrenagens de grandes dimensões, máquinas agrícolas, carcaças e suportes de máquinas e tubulações.
Ferro Fundido DÚCTIL ou Nodular (Spheroidal iron) 
Propriedades: alta resistência, tenacidade e ductilidade, possibilidade de deformação a quente, grande resistência ao desgaste, fluidez boa, baixo custo (superior ao ferro fundido cinzento)
Aplicações: desenvolvimento iniciado em 1948, engrenagens e pinhões, virabrequins, juntas universais, máquinas de trabalho pesado, válvulas, componentes sujeitos a desgaste e impacto em geral, ferragens para setor elétrico.
Ferro Fundido BRANCO (White iron) 
Propriedades: grande resistência ao desgaste, extremamente frágil, não pode ser usinado, soldagem praticamente impossível.
Principal aplicação é a produção de ferro fundido maleável, peças sujeitas a elevada compressão e atrito, esferas de moinho e rolos de laminadores.
Ferro Fundido MALEÁVEL (Malleable iron)
 Propriedades:variando a taxa de resfriamento, pode obter-se um amplo espectro de propriedades, boa usinabilidade, propriedades similares ao ferro fundido dúctil, alta resistência, tenacidade e ductilidade.
Aplicações: similares ao ferro dúctil, peças sujeitas a alta temperatura, juntas universais, elementos de ligação, pequenas ferramentas.
Ferro Fundido VERMICULAR (Vermicular iron)
Possuem a Grafita intermediária entre os ferros Cinzentos e Nodulares, desta forma as suas propriedades também são intermediárias entre os dois. Alta resistência, tenacidade e ductilidade superior aos Cinzentos, boa usinabilidade, alta resistência ao desgaste, melhor resistência à fadiga.
Aplicações: motores Diesel de alto desempenho, indicam necessidade de altas pressões e temperaturas de trabalho.
Cada um destes tipos possuem características particulares pois os processamentos são distintos.
2ª etapa - Refino: fabricação de aço em conversores.
Produto: Aços Comerciais como ligas Fe-C com até 2% de Carbono.
Para entender melhor a metalurgia é necessário compreender que:
Material Processamento Produto
Resumindo de forma rústica este processo podemos entender da seguinte forma:
Naturalmente os minérios não são puros, são a junção de diversos materiais. Nos processos de refino e redução os compostos de diversos materiais que possuem ferro são transformados em um produto intermediário, na forma de peça fundida ou lingote. O processo mais comum para obtenção dos aços envolve a redução do minério de ferro pelo monóxido de carbono, em alto forno, resultando em uma liga impura de ferro e carbono (ferro gusa, já explicado neste documento), a qual é refinada sobre um jato de oxigênio em um convertedor. Nisso o oxigênio queima o excesso de carbono, enquanto a escória formada ajuda a retirar elementos nocivos, como enxofre e fósforo. Ao final do processo, elementos de liga e desoxidantes podem ser adicionados e operações complementares de refino realizadas para ajustar a composição final do material. Este é então vazado e, após sua solidificação, obtém-se um lingote, ou placa, que é submetido a um conjunto de operações de conformação mecânica e tratamentos térmicos, visando a obtenção de um produto final com forma desejada.
Metalurgia Física:
Os tratamentos térmicos e mecânicos aplicados a um produto intermediário não visam apenas obtenção de uma peça final de formato e dimensão desejada. Objetivam, também controlar e otimizar suas propriedades. Isto pois as propriedades dos sólidos estão diretamente relacionadas com a estrutura resultante dos processamentos anteriores sofridos pelo material, de sua história.
O termo estrutura é muito geral. Para analisar a relação estrutura-propriedades, a metalurgia física interessa-se principalmente pelo arranjo e interação dos átomos (estrutura cristalina) que compõem as diversas fases de um liga e pelo arranjo, interações e dimensões de diversas partes destas fases. 
Transformações de fases:
Como ocorrem as transformações de fases sob o ponto de vista termodinâmico (equilíbrio/estabilidade). Quais as fases em equilíbrio sob determinadas condições (temperatura, pressão e composição química). 
Através da transformações de fases é possível estabelecer relações estruturais com as propriedades dos materiais metálicos, e assim avaliar o desempenho e aplicação dos mesmos.
Metalurgia física dos Aços:
Os aços são basicamente ligas de ferro e carbono contendo ainda diversos elementos residuais de seu processo de fabricação ou adicionados intencionalmente visando adquirir determinadas propriedades. São materiais mais utilizados em estruturas soldadas.
A solidificação dos aços é um processo complexo e suas características afetam a estrutura e propriedades de suas peças. A adição de elementos desoxidantes ao aço líquido diminui a quantidade de oxigênio dissolvido e o grau de desoxidação determina quatro tipos de aços: acalmado, semi-acalmado, capeado e efervescente.
Aço acalmado: nele não se forma nenhuma quantidade de gás. 
Aço semi-acalmado: nele evolui uma quantidade reduzida de gases, mas suficiente para compensar totalmente a contração de volume devida à solidificação.
Aço capeado: evolução de gás no início da solidificação foi muito intensa, mas sua intensidade foi reduzida tapando-se a lingoteira e aumentando-se assim a pressão ferrostática.
Aço efervescente: reação de efervescência intensa e livremente e sua contração e a sua contração de volume devida à solidificação foi compensada pela formação de bolhas. Superficialmente o lingote apresenta uma camada muito pura, entretanto o seu centro é caracterizado pela segregação mais intensa de elementos como o carbono, fósforo e enxofre.
Atualmente, a obtenção do ferro é pequena em relação à produção de aço. Em 2008, por exemplo, a produção anual de aço passou de um bilhão de toneladas em todo o mundo. O aço possui maior preferência em razão de suas ótimas propriedades, como poder ser trabalhado pela forja, laminação e extrusão, o que é difícil de ser feito com o ferro metálico; possui também maior tenacidade (resistência mecânica) e maior dureza (capacidade de riscar outros materiais – propriedade levada em consideração ao se usar aço em objetos de corte). Outro ponto a seu favor é seu baixo custo em relação a outros metais e ligas metálicas que também possuem boa resistência mecânica.
	O ferro e o aço são aplicados em diversos materiais com que temos contato no cotidiano, tais como panelas, caldeiras, palhas de aço usadas para limpeza e polimento, mesas, portões, carrocerias, rodas de automóveis, pontes, pregos, parafusos, alicates etc. Uma de suas principais aplicações tem sido na construção civil, como no concreto armado, que é um concreto em estruturas de aço. Essa estrutura, além de diminuir o tempo da construção e o custo da obra com mais materiais que seriam gastos, também permite que sejam construídos vários andares, pois é o aço que fornece a resistência à tração ou à força perpendicular ao edifício, como a força dos ventos.
Além disso, o aço pode ser aplicado na fabricação de outros tipos de ligas metálicas com diferentes propriedades que podem ser utilizados de acordo com a necessidade. Como exemplo, temos o aço inoxidável, que é composto de 74% de aço comum, 18% de Cr (cromo) e 8% de Ni (níquel). Como o próprio nome diz, o aço inoxidável não se oxida ou não sofre corrosão facilmente, como ocorre com o ferro. Isso ocorre em razão da presença de cromo em sua constituição, pois esse metal reage com o oxigênio do ar e forma uma fina e invisível camada de óxido de cromo que dificulta que o ferro sofra corrosão, formando a ferrugem. O aço inoxidável é muito utilizado em talheres, utensílios de cozinha e em decoração.
Essa propriedade de praticamente não se oxidar é muito importante, pois calcula-se que uma parcela maior que 30% do aço produzido no mundo seja usado para reposição de peças e partes de equipamentos e instalações que são deterioradas pela corrosão, o que causa grandes prejuízos econômicos, sociais e ambientais.
	Outra liga é a chamada de invar, que possui 64% de aço e 36% de Ni (níquel). Há também a platinite, formada por 54% de aço e 46% de Ni. Ambas possuem como principal propriedade o baixo coeficiente de dilatação, sendo que a primeira liga é usada em pêndulos, cronômetros, réguas graduadas e tubos de televisor. Já a platinite é usada em partes metálicas soldadas ao vidro em lâmpadas incandescentes.
	Há também o aço que possui 94% de Fe (ferro), 5% de W (tungstênio) e 1% de C (carbono), que é extremamente duro, sendo usado em ferramentas de corte. Por último, podemos citar a liga formada por 86% de Fe (ferro), 13% de Mn (manganês) e 1% de C (carbono). Sua propriedade principal é a dureza, sendo usada em trilhos.
As propriedades mais importantes que merecem destaque do Aço são:
A plasticidade é a propriedade inversa à da elasticidade, ou seja, do material não voltar à sua forma inicial após a remoção da carga externa, obtendo-sedeformações permanentes. A deformação plástica altera a estrutura de um metal, aumentando sua dureza. Este fenômeno é denominado endurecimento pela deformação à frio ou encruamento.
Ductilidade é a capacidade do material de se deformar sob a ação de cargas antes de se romper, daí sua grande importância, já que estas deformações constituem um aviso prévio à ruptura final do material, o que é de extrema importância para prevenir acidentes em uma construção, por exemplo. A fragilidade, oposto à ductilidade, é a característica dos materiais que rompem bruscamente, sem aviso prévio (um dos principais fatores responsáveis por diversos tipos de acidentes ocorridos em pontes e navios).
A resiliência é a capacidade de absorver energia mecânica em regime elástico, ou seja, a capacidade de restituir a energia mecânica absorvida. Já a tenacidade é a energia total, plástica ou elástica, que o material pode absorver até a ruptura. Assim, um material dúctil com a mesma resistência de um material frágil irá requerer maior energia para ser rompido, portanto é mais tenaz.
A fluência é mais uma outra propriedade apresentada pelo aço e metais em geral. Ela acontece em função de ajustes plásticos que podem ocorrer em pontos de tensão, ao longo dos contornos dos grão do material. Estes pontos de tensão aparecem logo após o metal ser solicitado por uma carga constante, e sofrer a deformação elástica. Após esta fluência ocorre a deformação continua, levando a uma redução da área do perfil transversal da peça (denominada estricção). Tem relação com a temperatura a qual o material está submetido: quanto mais alta, maior ela será, porque facilita o início e fim da deformação plástica. Nos aços, é significativa para temperaturas superiores a 350° C, ou seja, em caso de incêndios.2
É importante citar ainda a fadiga, sendo a ruptura de um material sob esforços repetidos ou cíclicos. A ruptura por fadiga é sempre uma ruptura frágil, mesmo para materiais dúcteis.
Por fim, temos a dureza, que é a resistência ao risco ou abrasão: a resistência que a superfície do material oferece à penetração de uma peça de maior dureza. Sua análise é de fundamental importância nas operações de estampagem de chapas de aços.
A elasticidade é a propriedade do metal de retornar à forma original, uma vez removida a força externa atuante. 
Metalurgia de Transformação:
A metalurgia de transformação estuda os processos mecânicos e metalúrgicos de fabricação. 
Os processos mecânicos de fabricação utilizam tensões para as transformações de forma necessárias para a obtenção de um determinado produto. Produtos estes que são classificados em função da magnitude das tensões utilizadas.
Classificação dos processos mecânicos de fabricação: 
	σT > σr 
	Conformação por Corte de Usinagem
	• Torneamento 
• Fresamento 
• Plainamento 
• Retificação
	σe < σT < σr
	Conformação por Deformação Plástica
	• Forjamento 
• Laminação 
• Extrusão 
• Trefilação 
• Conf. Chapas Finas
Os processos metalúrgicos de fabricação utilizam calor (energia térmica) para as transformações de estado físico e de forma necessárias para obtenção de um determinado produto. Este são classificados em função da temperatura de trabalho.
Classificação dos processos metalúrgicos de fabricação:
	Temperatura de Trabalho > Temperatura de fusão do metal/liga
	Fundição
Lingotamento
Soldagem
	Temperatura de Trabalho < Temperatura de fusão do metal/liga
	Sinterização
Metalurgia do Pó
Ferros e Aços:
O teor de carbono exerce significativa influência nas propriedades mecânicas dos aços. Maior o teor de carbono no metal maior é sua dureza.
Os elementos de liga são outros elementos, além do ferro e do carbono, uma vez que estes são os constituintes básicos do aço. Os metais mais populares são:
Alumínio (Al): é usado em pequenas proporções, como desoxidante e agente de controle do crescimento dos grãos. 
Chumbo (Pb): não se liga ao aço mas, quando adicionado, se distribui na estrutura em forma de partículas microscópicas, o que resulta em maior facilidade de usinagem. Entretanto, devido ao baixo ponto de fusão (cerca de 327 °C), aços com chumbo não devem ser usados em temperaturas acima de 250 °C. 
Cobalto (Co): aumenta a dureza do aço sob altas temperaturas. 
Cobre (Cu): melhora a resistência à corrosão por agentes atmosféricos, se usado em teores de 0,2 a 0,5%. 
Cromo (Cr): melhora a resistência à corrosão (aço com cerca de 12% Cr resiste à ação da água e de vários ácidos), aumenta a resistência à tração (em média, 80 MPa para cada 1% de cromo), melhora a facilidade de têmpera, aumenta a resistência à alta temperatura e ao desgaste. 
Enxofre (S): é, na maioria dos casos, um elemento indesejável, oriundo do processo de produção. Se combinado com o ferro na forma de sulfeto, deixa o aço quebradiço. Entretanto, se combinado com o manganês no forma do respectivo sulfeto, favorece a usinagem com a formação de cavacos que se quebram facilmente. 
Fósforo (P): é considerado um elemento prejudicial, resultante do processo de produção. Torna o aço frágil, efeito que se acentua com o aumento do teor de carbono. Assim, os teores máximos permitidos devem ser controlados com rigor em aços para aplicações estruturais ou críticas. 
Manganês (Mn): em média, para cada 1% de manganês, a resistência à tração aumenta 100 MPa. Para aços temperáveis, aumenta a dureza após o processo de têmpera. 
Molibdênio (Mo): melhora a resistência a altas temperaturas, a resistência ao desgaste e a dureza após a têmpera. Para aços inoxidáveis, melhora a resistência à corrosão. 
Níquel (Ni): em média, para cada 1% de níquel, a resistência à tração aumenta 40 MPa, mas o limite de elasticidade é mais favorecido. 
Melhora significativamente a capacidade de têmpera, possibilitando redução da velocidade de resfriamento. O níquel altera a alotropia do ferro e teores acima de 25% fazem reter a austenita em temperaturas usuais, fazendo um aço austenítico, que também é não magnético e bastante resistente à corrosão. Com 36% de Ni, o aço tem o menor coeficiente de dilatação térmica e é usado em instrumentos de medição. Em conjunto com o cromo, o aço pode ser austenítico com a combinação 18% Cr e 8% Ni.
Silício (Si): é um agente desoxidante na produção do aço. Aumenta a resistência à corrosão e a resistência à tração mas prejudica a soldagem. O silício aumenta significativamente a resistividade elétrica do aço e, por isso, aços com silício são amplamente usados em núcleos magnéticos (motores, transformadores, etc) devido às menores perdas com as correntes parasitas que se formam. 
Tungstênio (W): aumenta a resistência à tração em altas temperaturas. Forma carbonetos bastante duros e é usado em aços para ferramentas (aços rápidos). 
Vanádio (V): refina a estrutura do aço, impedindo o crescimento dos grãos. Forma carbonetos duros e estáveis e é usado em aços para ferramentas para aumentar a capacidade de corte e dureza em altas temperaturas. 
Tratamentos Térmicos:
De forma genérica, podemos dizer que os tratamentos térmicos de aços (e também de outros metais) têm o objetivo de proporcionar alterações de propriedades mecânicas, térmicas, químicas, elétricas ou magnéticas para atender os processos de fabricação ou as especificações finais do produto. Há uma variedade de tratamentos para alterar as propriedades do metal, por exemplo, aumentar dureza e tenacidade, melhorar ductilidade e facilidade de trabalho, remover tensões residuais, refinar estrutura de grãos, aumentar resistência ao desgaste, melhorar resistência à corrosão, etc. 
Os tratamentos térmicos visam:
Remover tensões internas
Aumentar ou diminuir a dureza
Aumentar a resistência mecânica
Melhorar a ductilidade
Melhorar a usinabilidade
Pra quê serve? 
Melhorar resistência ao desgaste
Melhorar as propriedades de corte
Melhorar a resistência à corrosão
Melhorar a resistência ao calor
Modificar as propriedades elétricas e magnéticas
Os principais tipos de tratamento térmicos são: recozimento,normalização, têmpera.
Recozimento e normalização:
Muitas vezes, devido ao processo de produção ou a trabalhos anteriores o aço apresenta dureza excessiva ou pouca maleabilidade e ductilidade, inadequadas para operações como usinagem, dobra e outras. Um exemplo onde é muito usado esse tratamento é em oficinas de jóias.
O recozimento tem a finalidade de modificar esses aspectos (reduzir dureza, melhorar ductilidade, etc) e também outros como remover gases dissolvidos, homogeneizar estrutura dos grãos, etc. 
O alívio de tensões é um processo geralmente feito sob temperaturas acima de 500ºC e inferiores à da transformação da austenita e resfriamento ao ar. É usado para eliminar tensões resultantes de operações como deformações a frio e soldas.
A normalização é um procedimento similar ao recozimento, visa melhorar a uniformidade da microestrutura, mas com resfriamento ao ar. Isso significa uma maior velocidade de resfriamento. A normalização pode ser usada para obter uma boa ductilidade sem redução significativa da dureza e resistência à tração. Também para facilitar a usinagem e refinar a estrutura dos grãos. É um tratamento comum para aços-liga, antes da usinagem e posteriores tratamentos como têmpera e revenido. Devido à maior velocidade de resfriamento, aços normalizados tendem a ser menos dúcteis e mais duros que os plenamente recozidos, mas as diferenças são significativas para teores acima de 0,5% de carbono. 
Têmpera:
Tem como objetivo obter estrutura martensítica que promove aumento de dureza, aumento na resistência à tração e redução na tenacidade. O processo consiste no resfriamento rápido do aço de uma temperatura superior à sua temperatura crítica em um meio como óleo, água, salmoura ou mesmo ar. A velocidade de resfriamento, nessas condições, dependerá do tipo de aço, da forma e das dimensões das peças. 
A temperabilidade é a capacidade de um aço adquirir dureza por têmpera a uma certa profundidade.
Como na têmpera o constituinte final desejado é a martensita, o objetivo, o objetivo dessa operação, sob o ponto de vista de propriedades mecânicas, é o aumento da dureza deve verificar-se até uma determinada profundidade. Resultam também da têmpera redução da ductilidade (baixos valores de alongamento e estricção), da tenacidade e o aparecimento de apreciáveis tensões internas. Tais inconvenientes são atenuados ou eliminados pelo revenido. Para que a têmpera seja bem sucedida vários fatores devem ser levados em conta. Inicialmente, a velocidade de resfriamento deve ser tal que impeça a transformação da austenita nas temperaturas mais elevadas, em qualquer parte da peça que se deseja endurecer.
Temperabilidade:
	Temperabilidade é um conceito importante e consiste na capacidade do aço sofrer transformação martensítica (têmpera) após ser resfriado rapidamente num determinado meio a partir do campo austenítico.
	Depende muito da composição química: enquanto aços com teores de carbono e de outros elementos de liga relativamente baixos só temperam em água, outros um pouco mais ligados temperam ao ar, enquanto alguns muito ligados (ex: aços-ferramenta) temperam ao ar. O carbono endurece a martensita, enquanto os demais elementos de liga retardam a transformação difusional em ferrita e cementita, favorecendo a transformação martensítica.
	Depende também do tamanho de grão austenítico (maior: menos contornos: menor área para nuclear ferrita e cementita: favorece formação de martensita) e da homogeneidade da austenita (mais homogênea: sem carbetos: dificulta a nucleação da ferrita e da cementita).
Resfriamento na Têmpera:
	Dois fatores influenciam a velocidade com a qual as diferentes posições na peça resfriam:
• Velocidade de extração do calor na superfície da peça: é função do meio de têmpera selecionado.
• Transmissão de calor por condução dentro da peça: é influenciada pela geometria da peça: dimensões e forma.
Em função disso podem se formar diferentes microestruturas na superfície e no interior da peças.
Ensaios de Temperabilidade:
	Existem dois métodos para ensaio de temperabilidade: Grossmann (o mais antigo) e Jominy (mais simples e mais comumente empregado).
Ensaio Grossmann: Barras de aço com diferentes diâmetros são temperadas e o perfil de dureza ao longo do diâmetro da barra é medido. A dureza no centro das barras é apresentada num único gráfico, onde o diâmetro crítico (50 HRC ou 50 % de martensita) é determinado para um dado meio de têmpera.
	Assim, barras com diferentes diâmetros são temperadas e a dureza varia com o meio de têmpera , a posição ao longo do diâmetro e com os diferentes diâmetros.
Ensaio Jominy:
	Neste método um único corpo de prova cilíndrico é temperado em uma das extremidades, gerando uma ampla gama de variação de velocidades de resfriamento ao longo da altura do cilindro, resultando em diferentes microestruturas e durezas nestas regiões distintas.
Assim, obtém-se diferentes velocidades de resfriamento nas diferentes distâncias da extremidade.
Revenimento:
	Em decorrência da têmpera (transformação martensítica) no aço as tensões residuais são excessivas e a ductilidade e a tenacidade são muito baixas para permitir seu uso na maioria das aplicações, sendo necessária a realização de um tratamento térmico denominado revenimento (ou revenido), que altera a microestrutura e alivia as tensões decorrentes da têmpera, consistindo no aquecimento a temperaturas inferiores a Ac1, com o objetivo de aumentar a ductilidade e a tenacidade e ajustar a resistência mecânica para o nível desejado, além de aliviar tensões. 
Transformações no Revenimento:
	A martensita resultante da têmpera é metaestável. O aquecimento abaixo da zona crítica (abaixo de Ac1) favorece a transformação da martensita em fases mais próximas do equilíbrio, eventualmente até ferrita + cementita/carbonetos.
Isso leva à redução de dureza/resistência mecânica e ao aumento da ductilidade/tenacidade.
Em alguns casos: aços ferramenta: precipitação de carbonetos no revenido aumenta a dureza: endurecimento secundário.
	O aumento de tenacidade não é linear: numa determinada faixa de temperaturas ocorre redução da tenacidade: fragilização de revenido.
Estágios das Transformações no Revenimento
• Até cerca de 100 ºC: redistribuição dos átomos de carbono.
• 100 a 300 ºC: precipitação de carbonetos. Nos aços de alto C: além dos carbonetos ε também os carbonetos χ.
• 200 a 300 ºC: austenita retida em aços de médio e alto carbono se decompõe: precipitação de carbonetos na austenita, reduzindo seu teor de carbono em solução e viabilizando a formação de martensita no resfriamento pós-revenimento.
• Acima de cerca de 300 ºC: inicia-se a recuperação e a recristalização da martensita, com a eliminação de discordâncias, combinado com o crescimento e a esferoidização das partículas de cementita, resultando em queda de dureza/resistência mecânica.
• Entre 500 e 650 ºC: precipitação de carbonetos de elementos de liga (V4C3, Mo2C e etc), aumentando a dureza/resistência mecânica.
A maior parte destes processos não pode ser observada em microscópio ótico, que permite apenas verificar o aumento da velocidade de ataque metalográfico à medida que os carbonetos se precipitam,e eventualmente coalescem, se o revenimento for longo.
Fragilização no Revenimento:
	Há diversos tipos de fragilização no revenimento, mas dois se destacam. O mais comum (lado esquerdo da figura a seguir) ocorre para um grande número de aços usados em construção mecânica e se caracteriza por uma faixa mais estreita de temperaturas de revenimento (250 a 400 ºC) onde ocorre a fragilização, a qual deve ser evitada.
	No segundo tipo, que ocorre na faixa de 250 a 570 ºC), recomenda-se revenir acima de 600 ºC. O resfriamento pós-revenido deve ser rápido para minimizar a permanência na faixa de temperaturas de fragilização.
Austenita Retida e Duplo Revenimento:
	À medida que aumenta o teor de carbono do aço, diminuem as temperaturas Mi e Mf, aumentando assim a tendência à formação de austenita retida como consequênciada têmpera.
	Durante o revenimento pode ocorrer a precipitação de carbetos na austenita retida, reduzindo o teor de carbono desta, e assim aumentando Mi e Mf. No resfriamento pós-têmpera pode ocorrer a transformação da austenita retida em martensita, exigindo novo revenimento.
Duplo Revenimento:
Recomenda-se o duplo revenimento para aços ferramenta e aços de alto teor de carbono em geral, com o objetivo de garantir tenacidade e estabilidade dimensional.
	Não é fácil detectar austenita retida. O método mais confiável consiste em analisar o maço por difração de raios X, complementada por ensaios de dureza. Assim é possível detectar frações volumétricas de austenita retida superiores a 5 %. Ataques metalográficos coloridos também podem determinar a presença de austenita retida. 
Tratamentos termoquímicos: cementação, nitretação e carbonitretação
	Os tratamentos termoquímicos têm por objetivo alterar as propriedades superficiais do aço. Em geral materiais extremamente duros têm elevada resistência ao desgaste, porém baixa tenacidade/resistência ao impacto. Por outro lado, materiais menos duros, embora mais tenazes, em geral não apresentam boa resistência ao desgaste.
	Em peças como engrenagens, deseja-se um núcleo tenaz e uma superfície resistente ao desgaste. Para essa aplicação, aços com baixo teor de carbono são submetidos ao tratamento termoquímico de cementação, que eleva o teor de carbono na superfície, aumentando sua resistência ao desgaste, ao mesmo tempo que preserva a tenacidade do núcleo, mantido com baixo teor de carbono.
	Meios para realizar o tratamento: são as fontes de C e N. Podem ser sólidos, líquidos e gasosos. Inicialmente a cementação foi desenvolvida em meio sólido, mas esse não é o meio mais eficiente.
	Na atualidade prefere-se meios líquidos e gasosos para a realização de tratamentos termoquímicos, devido à maior velocidade do processo quando realizado com esses fluidos como meios.
Cementação (Carbonetação)
	Enquanto no núcleo os aços cementados contêm de 0,15 a 0,25 % de carbono, na superfície o teor de carbono pode ser ajustado para valores entre 0,8 e 1 %. A cementação pode ser realizada em meio sólido, líquido ou gasoso, também podendo ser utilizado plasma. O potencial químico do carbono no meio de cementação determina o potencial máximo de carbono que o aço pode atingir e assim o teor de carbono na superfície do material.
	
O processo de difusão dos átomos de carbono na matriz rica em ferro do aço depende de alguns fatores:
• Temperatura de tratamento.
• Tempo de tratamento (até a saturação).
• Composição química do aço, incluindo o teor de carbono.
• Potencial químico do carbono na superfície da peça.
Cementação Sólida
	É o processo mais antigo de cementação, que inicialmente envolvia somente o uso de meios de cementação (cementos) sólidos. Entretanto, devido à lentidão da cementação sólida e às dificuldades de controle preciso dos resultados obtidos com esse processo, acabou sendo superado por outros processos, como a cementação gasosa e a cementação líquida. Por estes motivos passou a ter aplicação restrita, embora do ponto de vista microestrutural seja uma base para os demais processos. O tratamento de cementação é realizado acima da zona crítica, no campo austenítico, no qual a solubilidade do carbono no aço é elevada. 
Embora a fonte de carbono seja sólida, o carbono é transportado pelo gás que se forma em torno da peça, a qual é envolvida pelo meio de carbonetação. A reação CO2 + C = 2CO é crítica para definir o potencial químico do carbono.
Os cementos sólidos são tradicionalmente constituídos por uma mistura de carvão vegetal moído, porém não muito fino, e carbonatos, os quais agem como catalisadores, aumentando a proporção de CO em relação à de CO2. Um cemento tradicional é o de Caron, constituído por 40 % de carbonato de bário e 60 % de carvão vegetal.
	A cementação sólida é lenta, requerendo algumas horas de permanência acima da zona crítica (900 a 1000 ºC) e durante este tempo ocorre crescimento de grão austenítico. Por esse motivo, após a cementação sólida em caixa é necessário um tratamento térmico que permita refinar o grão, geralmente a normalização.Após a normalização a camada superficial pode ser endurecida por têmpera.
	Como resultado da cementação e da têmpera, à temperatura de têmpera foi suficiente para temperar a região cementada, devido ao seu alto teor de carbono, porém não modifica muito as propriedades do núcleo da peça, que deste modo preserva sua ductilidade. O interior da peça permanece na região intercrítica com resfriamento lento: perlita e ferrita, a superfície da peça é austenitizada e depois temperada, resultando em martensita.
	A Dupla Têmpera é um tratamento térmico alternativo à normalização: uma primeira têmpera é realizada a cerca de 900 ºC, e é seguida por um novo tratamento de têmpera, porém em temperatura mais baixa (da ordem de 770 ºC). Deste modo, o núcleo poderá apresentar uma microestrutura mais refinada, obtendo assim melhor tenacidade. O tratamento é completado por um revenimento a 180 ºC para que as tensões sejam aliviadas. Os revenimentos de peças cementadas são obrigatoriamente realizados em baixas temperaturas para afetar o mínimo possível a dureza da camada cementada. A profundidade (espessura da camada cementada) depende do tempo de tratamento: a espessura da camada cementada aumenta com o tempo de cementação.
Na cementação sólida é inviável o ajuste do potencial químico do carbono, havendo considerável risco de cementação excessiva, inclusive formação de cementita em rede, que causa trincas na têmpera e no acabamento superficial. Quando os gradientes de teor de carbono são muito altos há risco de lascamento da cama cementada.
Cementação Gasosa
	A cementação gasosa é muito empregada na indústria, porém a limpeza superficial da peça a ser cementada é muito importante. Possibilita o controle do potencial de carbono através do uso de gases que contêm CO, CO2, H2, H2O e CH4. Além do controle do potencial de carbono também é necessário o controle do potencial de oxigênio. Para assegurar uma distribuição adequada de carbono após a cementação é realizado um tratamento de difusão de carbono no campo austenítico. A microestrutura resultante da cementação depende de dois fatores conjugados: variação de velocidade de resfriamento (têmpera) e variação de composição química (difusão de carbono). Assim, há diferentes microestruturas na superfície da peça cementada dependendo da velocidade de resfriamento após a cementação e do teor de carbono.
Cianetação Líquida
	Tratamentos de cianetação implicam no uso de sais tóxicos no estado líquido, exigindo cuidados especiais de segurança. São realizados mediante a imersão das peças em sais fundidos contendo cianetos (exemplo: NaCN) a temperaturas entre 850 e 900 ºC, havendo dupla absorção, de carbono e nitrogênio. Após tempo adequado as peças cianetadas são temperadas a partir do banho de sais. Em caso de necessidade de temperar novamente uma peça cianetada, esta deve ser aquecida num banho semelhante ao que foi utilizado para a cianetação.
Nitretação
	O tratamento termoquímico de nitretação é realizado com a difusão do nitrogênio em (relativamente) baixas temperaturas. Como consequência, resulta em menor distorção e em camadas menos espessas do que as que são obtidas por cementação. Como exemplo, num aço 4340 temperado, revenido e nitretado forma-se camada branca de nitreto de alta dureza. 
A nitretação em geral leva à formação de uma camada rica em compostos (entre eles nitretos) próxima à superfície da peça, a qual é comumente conhecida como “camada branca”.
Nitrocarbonetação
	O tratamento de nitrocarbonetação é utilizado na indústria com várias finalidades, principalmente para aumentar a resistência à fadiga térmica e à corrosão, assim como melhorar a resistência ao desgaste por atrito (propriedades tribológicas) dos aços usados para matrizes de trabalho a quente. Há uma camada de nitreto e carboneto (branca) de alta dureza, quandonitrocarbonetação é realizada a 550 ºC por 5 h.
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