Cap 6 - Temperabilidade

Prévia do material em texto

Universidade Federal de Ouro Preto
Escola de Minas
Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais
Tratamento Térmico dos 
Metais
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria
Sala:
e-mail: geraldofaria@demet.em.ufop.br ou geraldolfaria@yahoo.com.br
Laboratórios de Tratamentos Térmicos e Microscopia Óptica
Capítulo 6 – Temperabilidade dos Aços
1
Capítulo 6 – Temperabilidade Definição
1. Definição
Uma das mais importantes características dos aços como materiais de construção
mecânica é a possibilidade de desenvolverem ótimas combinações de resistência
mecânica e tenacidade à fratura. A estrutura que classicamente permite tais
combinações é amartensita revenida.
Resfriamentos Contínuos de Aço Eutetóide
SOLUÇÃO
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria
SOLUÇÃO
T
t
Tratamento Térmico de Têmpera.
TA
Elevadas taxas de 
resfriamento.
Austenitização
total ou parcial.
2
Capítulo 6 – Temperabilidade Definição
Têmpera:
• Aquecimento até a temperatura
adequada para obter uma
microestrutura totalmente ou
parcialmente austenítica;
•Manutenção da peça neta
temperatura por um tempo
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria
temperatura por um tempo
adequado para que se obtenha
uma estrutura homogênea;
• Resfriamento em um meio que
resulte em velocidade apropriada
para se obter a formação da
martensita.
3
Capítulo 6 – Temperabilidade Definição
Neste contexto,
Temperabilidade (ou profundidade de penetração à têmpera): É a capacidade de
endurecimento do aço durante o resfriamento rápido (têmpera), ou seja, é a sua
capacidade de formar martensita a uma determinada profundidade de uma peça.
T2
Sentido de formação da 
martensita. 
Sentido de extração de 
calor. 
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria
T1 > T2
T2
I
s
o
l
a
m
e
n
t
o
I
s
o
l
a
m
e
n
t
o
Seção transversal de uma lima. A região
branca, externa, corresponde à parte
temperada e a área cinzenta à região em
que o resfriamento não foi rápido o
suficiente. (Ataque: Nital).
4
Capítulo 6 – Temperabilidade Conceitos Básicos
2. Conceitos Básicos
Velocidade Crítica: É a menor velocidade de resfriamento a que uma peça pode ser
submetida de forma a apresentar uma microestrutura completamente martensítica.
(90% a 95% na prática).
T
A1
T
A1
Aço Eutetóide Não Ligado Aço Eutetóide Ligado
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria
log (t)
Mi
log (t)
Mi
Vc1 Vc2
Vc1>Vc2
5
Capítulo 6 – Temperabilidade Conceitos Básicos
Parâmetros Importantes no 
Resfriamento:
a) A velocidade com a qual
o calor é extraído na
superfície da peça, o que
é função do meio de
têmpera selecionado.
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria
têmpera selecionado.
b) A transmissão de calor,
por condução, dentro da
peça.
Curvas de resfriamento da superfície e do centro de uma barra 
de aço de 28mm de diâmetro resfriada em água.
6
Capítulo 6 – Temperabilidade Conceitos Básicos
Diâmetro Crítico: É o maior diâmetro de uma barra de seção circular que permite,
para uma dada condição de têmpera, 50% de martensita no centro da barra (É
comum adotar uma dureza no centro de barra de 50HRc).
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria
Diferentes condições de resfriamento aplicadas a
uma barra de um determinado aço resultam em
diferentes distribuições de microestrutura na
seção transversal da barra, dependendo da
temperabilidade do aço, das dimensões da barra
e do meio de resfriamento.
7
Capítulo 6 – Temperabilidade Conceitos Básicos
Meios de Têmpera e Severidade de Têmpera: O fator H é um parâmetro denominado
severidade de têmpera, e ele foi definido para classificar os diferentes meios de
resfriamento no que diz respeito à velocidade de resfriamento de peças imersas
neles. A água sem agitação (à temperatura ambiente) é uma referência H=1.
Meio de Têmpera Severidade de Têmpera
Óleo sem agitação 0,2
Óleo moderadamente agitado 0,5
Crescem:
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria
Óleo moderadamente agitado 0,5
Óleo violentamente agitado 0,7
Água sem agitação 1,0
Água fortemente agitada 1,5
Salmoura sem agitação 2,0
Salmoura fortemente agitada 2,5
Velocidade de 
Resfriamento;
Trincas;
Distorções.
8
3. Ensaio Grossmann
Capítulo 6 – Temperabilidade Grossmann
Este ensaio consiste em austenitizar uma série de barras cilíndricas de diâmetros
crescentes e resfriá-las em condições controladas. As barras são serradas e mede-se
a dureza em diversos pontos do centro para a periferia.
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria
O diâmetro crítico pode ser obtido pela dureza de 50HRc ou pelo ponto de inflexão da curva.
Sendo a água o meio de resfriamento, pode-se temperar barras com diâmetro crítico maiores do que se o meio 
fosse o óleo.
9
Capítulo 6 – Temperabilidade Grossmann
Comparando dois Aços em um 
Mesmo Meio de Resfriamento:
Observa-se que:
a) A dureza no centro da 
barra do aço 1 é sempre 
maior do que no centro 
da barra do aço 2.
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria
b) O diâmetro crítico do aço 
1 é maior do que o do aço 
2.
Conclui-se que:
O aço 1 é mais temperável do 
que o aço2.
10
Capítulo 6 – Temperabilidade Grossmann
O método de Grosmann é muito preciso e interessante pois pode ser empregado em
diferentes meios de resfriamento, entretanto é um método muito trabalhoso e que
demanda grande volume de amostras.
Efeito de Elementos de Liga em Aços 
Testados Pelo Método de Grossmann
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria
Aço comum 0,4% de C. Aço Ligado: 3,5% de Ni, 1,55% de Cr e 0,4% de C.
11
Capítulo 6 – Temperabilidade Jominy
4. Ensaio Jominy
Visando propor um ensaio mais prático, rápido e com menor consumo de materiais ,
o pesquisador Jominy propôs uma metodologia que utiliza uma única barra de uma
polegada de diâmetro por quatro polegadas de comprimento. A barra é austenitizada
e, em seguida, resfriada com um jato de água em condições padronizadas (NORMA
NBR6339).
NORMA NBR 6339
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria 12
APARELHAGEM
Forno
Dispositivo de Têmpera 
(Dispositivo ou Aparelho Jominy)
Durômetro
Capítulo 6 – Temperabilidade Jominy
Forno
Forno provido de atmosfera controlada
neutra e equipado com um controlador de
temperatura capaz de trabalhar na faixa de
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria 13
temperatura capaz de trabalhar na faixa de
800°C a 950°C com desvio de no máximo
±5°C.
Capítulo 6 – Temperabilidade Jominy
Dispositivo de Têmpera 
(Dispositivo ou Aparelho Jominy)
a) Canalização para água com orifício final de 12,5mm de diâmetro, disposta verticalmente no 
dispositivo de têmpera;
b) Registro de abertura rápida ou diafragma que interrompa o fluxo de água e possa ser aberto 
ou afastado rapidamente para dar início ao resfriamento do corpo de prova;
c) Recipiente com dreno para recolher e desviar a água utilizada no ensaio e servir de base 
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria 14
c) Recipiente com dreno para recolher e desviar a água utilizada no ensaio e servir de base 
para o suporte do corpo de prova na têmpera;
d) Suporte para o corpo de prova na têmpera instalado acima do tubo de saída de água em 
posição tal que, durante a têmpera, o eixo do corpo de prova coincida com o eixo do tubo 
de saída de água;
e) Sistema de abastecimento de água que assegure vazão constante nas condições exigidas 
durante execução do ensaio.
Capítulo 6 – Temperabilidade Jominy
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria 15
Capítulo 6 – Temperabilidade Jominy
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria 16
Aparelho Jominy e algumas dimensões 
segundo a Norma NBR 6339.
Capítulo 6 – Temperabilidade Jominy
Durômetro
Durômetro Rockwell com dispositivo de
apoio do corpo de prova no qual ele possa
ver movimentado no sentido de seu eixo e
Prof.Dr. Geraldo Lúcio de Faria 17
ver movimentado no sentido de seu eixo e
fixado nos pontos estabelecidos para
medição da dureza.
Capítulo 6 – Temperabilidade Jominy
Corpo de Prova Jominy
O corpo de prova Jominy deve ser produzido em conformidade com a norma de produto ou em
acordo entre as partes interessadas.
Norma NBR 6339
Convencional Reduzido Fundido
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria 18
Convencional Reduzido Fundido
Deve possuir forma cilíndrica 
com:
Diâmetro: 25,5mm;
Comprimento Útil: 98mm;
Diâmetro do Flange: 32mm;
Espessura do Flange: 3 a 
2,5mm;
Comprimento Total: 101mm. 
Deve possuir forma cilíndrica 
com o maior possível de um 
dos diâmetros: 19,0mm, 
12,7mm ou 6,4mm e 101mm 
de comprimento;
Mediante acordo prévio 
entre comprador e produtor, 
pode ser usado corpo de 
prova fundido especialmente 
ou obtido durante o 
vazamento da corrida.
Capítulo 6 – Temperabilidade Jominy
Norma NBR 6339
Convencional
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria 19
Capítulo 6 – Temperabilidade Jominy
Norma NBR 6339
Reduzido
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria 20
Capítulo 6 – Temperabilidade Jominy
Procedimento Experimental – Ajuste do Aparelho
Para a regulagem da pressão de água, deve
ser usado um sistema qualquer que
assegure a vazão constante e aplicação
instantânea do jato de água;
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria 21
Diâmetro do Corpo 
de Prova (mm)
Orifício para Saída de 
Água (mm)
Distância da Saída de 
Água até a Superfície de 
Têmpera do Corpo de 
Prova (mm)
Altura Livre da Coluna 
de Água (mm) 
25,5 12,5 12,5 65
19,0 12,5 12,5 65
12,7 6,4 9,5 102
6,4 3,2 6,4 203
Capítulo 6 – Temperabilidade Jominy
Procedimento Experimental – Aquecimento do Corpo de Prova
Para o aquecimento do corpo de prova, a norma NBR6339 sugere que:
a) Evitar qualquer carbonetação ou descarbonetação do corpo de prova;
b) Evitar oxidação acentuada do corpo de prova (utilizando forno com atmosfera
neutra ou empregando recipiente protetor especial);
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria 22
c) Aquecer o corpo de prova até a temperatura de austenitização adequada para
cada tipo de aço por um determinado intervalo de tempo que é função do
diâmetro do corpo de prova:
• ø = 25,5mm – ∆∆∆∆t=1h;
• ø = 19,0mm – ∆∆∆∆t=45min;
• ø = 12,7mm – ∆∆∆∆t=30min;
• ø = 6,4mm – ∆∆∆∆t=15min;
Capítulo 6 – Temperabilidade Jominy
Procedimento Experimental – Resfriamento do Corpo de Prova
Para o resfriamento do corpo de prova, a norma NBR6339 sugere que:
a) O período de tempo entre a retirada do corpo de prova do forno e início de
têmpera pela água deve ser no máximo de 5 segundos;
b) Retirar o corpo de prova do forno e colocá-lo no dispositivo de têmpera que deve
estar seco. Acionar o dispositivo de abertura rápida da água, dando início à
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria 23
estar seco. Acionar o dispositivo de abertura rápida da água, dando início à
têmpera;
c) Deixar a água aplicada à superfície de têmpera do corpo de prova fluir durante no
mínimo 10 minutos. Decorrido o tempo previsto, dar por terminada a têmpera,
podendo então o corpo de prova ser indiferentemente mergulhado em água ou
deixado ao ar até atingir a temperatura ambiente.
Capítulo 6 – Temperabilidade Jominy
Procedimento Experimental – Determinação da Dureza
Para a determinação da dureza o corpo de prova ensaiado deve ser retificado em todo o seu
comprimento, segundo duas superfícies paralelas a uma profundidade entre 0,5mm e 0,9mm na
linha de medição de dureza.
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria 24
Capítulo 6 – Temperabilidade Jominy
Uma vez que os corpos de prova estejam retificados, usar um durômetro Rockwell, escala C para 
efetuar as medições de dureza ao longo de um perfil nas superfícies retificadas:
No caso de aço de média ou de 
alta temperabilidade, medir a 
dureza a partir da superfície de 
têmpera, obedecendo os 
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria 25
Corpo de prova retificado para um perfil de pontos de 
dureza na mesma superfície retificada.
têmpera, obedecendo os 
seguintes intervalos: 1,5mm-
1,5mm-2mm-2mm-2mm-2mm-
2mm-2mm-5mm-5mm-5mm... 
até 50mm ou ser encontrada a 
dureza de 20HRc.
Capítulo 6 – Temperabilidade Jominy
No caso de aço de baixa 
temperabilidade, medir a dureza 
a partir da superfície de têmpera 
na mesma superfície retificada, 
obedecendo os seguintes 
intervalos: 1,5mm-0,75mm-
0,75mm-0,75mm-0,75mm ... Até 
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria 26
Corpo de prova retificado para duas séries de pontos 
paralelos alternados de dureza na mesma superfície 
retificada.
0,75mm-0,75mm-0,75mm ... Até 
12mm de distância, alternando 
as impressões em duas séries 
paralelas a 3mm de distância 
uma da outra.
Capítulo 6 – Temperabilidade Jominy
Determinando a Temperabilidade Pelo Método Jominy:
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria 27
Capítulo 6 – Temperabilidade Jominy
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria 28
Capítulo 6 – Temperabilidade Jominy
Apresentação e Validação dos Resultados:
A média dos resultados de dureza nas duas superfícies retificadas do corpo de prova 
deve ser calculada para cada ponto, com arredondamento para o número inteiro 
seguinte da escala;
Caso a diferença entre os resultados de dureza nas suas superfícies retificadas, para 
cada ponto, seja superior a 4 unidades Rockwel C, em qualquer dos pontos, o teste 
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria 29
cada ponto, seja superior a 4 unidades Rockwel C, em qualquer dos pontos, o teste 
deve ser repetido em novas superfícies retificadas no mesmo ou em outro corpo de 
prova;
O resultado deve relacionar todas as médias através de tabela ou gráfico;
Capítulo 6 – Temperabilidade Jominy
Comparando a Temperabilidade de Dois Aços pelo Método Jominy:
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria
Curva Jominy para dois aços: A e B. Os dois aços têm a mesma dureza superficial, 
mas o aço A tem maior temperabilidade que o aço B. 
30
5. Fatores que Afetam a Temperabilidade:
Capítulo 6 – Temperabilidade Fatores
São fatores que afetam a temperabilidade dos aços:
Para se aumentar a temperabilidade:
• Elementos de liga dissolvidos na austenita, para retardar os processos difusionais;
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria
• Elementos de liga dissolvidos na austenita, para retardar os processos difusionais;
• Granulação grosseira da austenita, para diminuir áreas de nucleação heterogênea 
dos constituintes difusionais (ferrita, perlita e cementita);
• Homogeneidade da austenita, com ausência de inclusões ou precipitados, para
dificultar a nucleação dos constituintes difusionais.
31
Capítulo 6 – Temperabilidade Jominy
Exemplo: Efeito de Elementos de Liga
Todos os aços possuem aproximadamente o mesmo
teor de carbono, entretanto os aços ligados
apresentam maior temperabilidade. Os elementos de
liga deslocam as curvas de início de transformação da
perlita e da bainita para a direita. O grande destaque
é o aço ABNT 4340 além de Mn, Cr e Mo, uma
quantidade significativa de Ni que é um elemento γ-
geneo.
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria 32
Capítulo 6 – Temperabilidade Jominy
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria 33
Capítulo 6 – Temperabilidade Jominy
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria 34
Capítulo 6 – Temperabilidade Jominy
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria 35
Capítulo 6 – Temperabilidade Jominy
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria 36
Capítulo 6 – Temperabilidade Jominy
Exemplo: Efeito do Teor de Carbono
As curvas de temperabilidade dependem
fortemente do teor de carbono. A dureza em
qualquer posição Jominy aumenta em função
do aumento do teor de carbono.
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria 37
Quanto maior o teor de carbono mais
deslocadas para a direita as curvas TRC são,
mais difícil é a difusãoatômica mais átomos
contribuindo para o cisalhamento da austenita.
Capítulo 6 – Temperabilidade Jominy
Durante a produção industrial existe uma ligeira
e inevitável variação na composição e no
tamanho médio de grão. Isso resulta em um
espalhamento de dados de medição de
temperabilidade que são plotados na forma de
uma banda ou faixa que representam os valores
mínimos e máximos esperados para uma liga.
Exemplo: Banda de Temperabilidade
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria 38
A Figura ao lado apresenta a faixa de
temperabilidade para um aço 8640. A letra H
seguindo a especificação da liga, identifica os
valores máximos e mínimos de dureza obtidos,
dentro das variações de composição química
estabelecidas por norma (8640 H – C 0,38% a
0,43%; Si 0,20% a 0,35%; Mn 0,75% a 1,00%; Cr
0,40% a 0,60%; Ni 0,40% a 0,70%; Mo 0,15% a
0,25%) e das possíveis diferenças de tamanho
de grão.
Capítulo 6 – Temperabilidade Jominy
Exemplo: Efeito do Tamanho e da Geometria da Peça
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria 39
Velocidade de resfriamento em função do diâmetro, na superfície, a três quartos do raio (3/4R), a metade do
raio (1/2R) e na posição central para barras cilíndricas, temperadas em meio agitado (a) água e (b) óleo.
Posições equivalentes ao ensaio Jominy são mostradas no eixo inferior.
Capítulo 6 – Temperabilidade Jominy
Como exemplo, temos na Figura ao lado a
determinação da dureza no centro de um
componente mecânico de 50mm de diâmetro,
manufaturado a partir do aço ABNT 1040 e resfriado
em água. Trata-se de correlacionar a taxa de
resfriamento específica para a posição da seção
transversal selecionada (por exemplo, o centro), com
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria 40
transversal selecionada (por exemplo, o centro), com
as distâncias do corpo de prova Jominy onde esta
taxa de resfriamento é gerada. Esta correlação
produz como resultado uma dureza estimada, neste
caso, de 28 HRC. Para as demais posições (superfície,
¾ de raio e ½ raio), o procedimento é análogo.
Capítulo 6 – Temperabilidade Jominy
Exemplo: Erros e Desvios Experimentais
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria 41
Capítulo 6 – Temperabilidade Jominy
É o diâmetro crítico obtido por um
meio de resfriamento hipotético com
capacidade infinita de extração de
calor(H=infinito)
Pode-se definir a temperabilidade de
um aço por meio de um valor
Diâmetro Crítico Ideal
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria 42
um aço por meio de um valor
numérico. È uma medida de previsão
de diâmetro de uma barra redonda que
endurecerá em qualquer meio
Por exemplo, um aço com diâmetro
crítico 1,2 esfriado em um meio com
H=4 possui diâmetro crítico ideal = 2,6.
Capítulo 6 – Temperabilidade Jominy
Exemplo: Determinação do Diâmetro Crítico pelo Ensaio Jominy
Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria 43
Um aço 8640 que apresente dureza de 50HRC, na
curva Jominy apresenta distância Jominy equivalente
de ½”. Pegando esse valor e analisando a curva em
que o meio de têmpera é ideal encontra-se um valor
de diâmetro crítico de 3”