tec10 Tratamentos Térmicos e Termoquímicos das Ligas Fe C

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Tecnologia dos Materiais 
UNIDADE
X
TRATAMENTOS TÉRMICOS E TERMOQUÍMICOS DAS LIGAS FERRO-CARBONO
CONTEÚDO DESTA UNIDADE
Introdução.
Processos de Recozimento:
Intermediário.
Para Alívio de Tensões.
Pleno.
Subcrítico.
Normalização
Têmpera e Revenido
Tratamentos Isotérmicos:
Austêmpera.
Martêmpera.
Tratamentos Termoquímicos:
Cementação.
Nitretação.
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INTRODUÇÃO
O uso de tratamentos térmicos em ligas comerciais é uma prática EXTREMAMENTE COMUM.
As ligas Fe-C são, na maioria dos casos, submetidas a tratamentos térmicos e/ou termoquímicos antes de serem utilizadas.
TRATAMENTOS TÉRMICOS: objetivam alterar as propriedades das ligas, (principalmente as mecânicas) ou aliviar tensões internas.
TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS: têm a finalidade de endurecer SUPERFICIALMENTE o material, através da alteração da composição química da superfície da peça, até determinada profundidade.
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PROCESSOS DE RECOZIMENTO
RECOZIMENTO: consiste em um tratamento térmico no qual um material, após ser aquecido por um tempo prolongado, é RESFRIADO LENTAMENTE.
OBJETIVOS:
Aliviar tensões.
Diminuir a dureza.
Aumentar a ductilidade.
Aumentar a tenacidade.
Melhorar a usinabilidade.
Regularizar a microestrutura.
ETAPAS DO RECOZIMENTO:
Aquecimento até a temperatura de tratamento.
Permanência na temperatura de tratamento (ENCHARCAMENTO).
Resfriamento sob condições controladas.
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Processos de recozimento
PARÂMETROS:
TEMPERATURA: acelera o processo, que depende da DIFUSÃO.
TEMPO: deve ser longo o suficiente para permitir as transformações de fase necessárias.
A TAXA DE VARIAÇÃO DA TEMPERATURA é importante pois:
 Durante o aquecimento/resfriamento, surgem GRADIENTES DE TEMPERATURA ENTRE O CENTRO E A SUPERFÍCIE DA PEÇA.
Estes podem induzir gradientes de TENSÕES INTERNAS levando a EMPENAMENTOS e TRINCAS.
TIPOS DE RECOZIMENTO:
INTERMEDIÁRIO (RECRISTALIZAÇÃO).
PARA ALÍVIO DE TENSÕES (RECUPERAÇÃO).
PLENO.
SUBCRÍTICO (COALESCIMENTO).
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RECOZIMENTO DE LIGAS FERROSAS
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EFEITOS DO RECOZIMENTO
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RECOZIMENTO INTERMEDIÁRIO
OBJETIVOS:
Anular os efeitos da deformação plástica a frio (ENCRUAMENTO):
AMOLECER.
AUMENTAR A DUCTILIDADE.
TEMPERATURA DE TRATAMENTO: um pouco acima da temperatura de recristalização.
RESFRIAMENTO: ao ar calmo.
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RECOZIMENTO PARA ALÍVIO DE TENSÕES
OBJETIVOS:
Aliviar as tensões internas (RESIDUAIS), preservando o ganho de resistência conseguido no encruamento.
ORIGENS DE TENSÕES RESIDUAIS INTERNAS:
Usinagem.
Lixamento.
Resfriamento não-uniforme.
Soldagem.
Fundição.
Transformações de fases.
TEMPERATURA DE TRATAMENTO: o suficiente para que ocorra a RECUPERAÇÃO.
RESFRIAMENTO: ao ar calmo.
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RECOZIMENTO PLENO
OBJETIVOS:
Em geral, os mesmos do recozimento.
TEMPERATURA DE TRATAMENTO:
15 a 40 ºC acima da temperatura crítica superior A1 ou A3 (AUSTENITIZAÇÃO).
RESFRIAMENTO:
Lento (no forno, cal)
 
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RECOZIMENTO PLENO
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RECOZIMENTO PLENO: CICLO DE TRATAMENTO
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RECOZIMENTO PLENO: MICROESTRUTURAS (AÇOS)
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Recozimento pleno: microestruturas (aços)
OBSERVAÇÃO: não se faz o recozimento pleno em aços hipereutetóide. Neste caso, o recomendado é o recozimento subcrítico.
Aço hipereutetóide recozido plenamente: rendilhado de cementita pró-eutetóide nos contornos de grão da perlita.
A presença do rendilhado de cementita proeutetóide diminui bastante a tenacidade do aço.
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CEMENTITA
PERLITA
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RECOZIMENTO SUBCRÍTICO
OBJETIVOS:
Diminuir a dureza.
Aumentar a ductilidade.
Aumentar a usinabilidade.
TEMPERATURA DE TRATAMENTO:
30 a 50 ºC abaixo de A1.
RESFRIAMENTO:
Ao ar calmo.
MICROESTRUTURA:
Cementita globulizada.
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RECOZIMENTO SUBCRÍTICO: MICROESTRUTURA
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CEMENTITA
FERRITA
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RECOZIMENTO DE FERROS FUNDIDOS
FERRO FUNDIDO BRANCO: 
Objetivo: reduzir tensões e melhorar as propriedades mecânicas. 
Temperatura do tratamento: em geral, o material é aquecido acima de A1 (acima de 800 ºC) por um tempo prolongado. 
Resfriamento: muito lento. 
Microestrutura resultante: carbonetos livres finos.
FERRO FUNDIDO CINZENTO:
Objetivo: melhorar a usinabilidade e aliviar tensões resultantes do resfriamento das peças fundidas (mais freqüente).
Temperatura do tratamento: depende da composição química.
Tempo de tratamento: depende das dimensões da peça.
Resfriamento: muito lento.
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NORMALIZAÇÃO
OBJETIVOS:
Os mesmos do recozimento pleno. Entretanto, produz uma granulação MAIS FINA, melhorando a TENACIDADE.
Tratamento preliminar à têmpera e revenido.
TEMPERATURA DE TRATAMENTO:
50 a 85 ºC acima da temperatura crítica superior (AUSTENITIZAÇÃO).
Pode-se ultrapassar a linha Acm para aços hipereutetóides. 
RESFRIAMENTO:
Mais rápido do que no recozimento: ao ar calmo.
MICROESTRUTURAS:
Ferrita + Perlita fina, Perlita fina ou Perlita fina + Cementita.
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CURVAS DE RECOZIMENTO E NORMALIZAÇÃO EM UM DIAGRAMA TRC 
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AÇO RECOZIDO X NORMALIZADO: MICROESTRUTURA
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RECOZIDO
NORMALIZADO
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AÇO RECOZIDO X NORMALIZADO: PROPRIEDADES MECÂNICAS
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TÊMPERA
OBJETIVOS:
Obter uma estrutura martensítica.
Aumentar a resistência
Aumentar a dureza
Aumentar a resistência ao desgaste.
AQUECIMENTO: em torno de 50 ºC acima de A1 para aços hipoeutetóides e abaixo de Acm para aços hipereutetóides.
RESFRIAMENTO: rápido, em óleo, água ou ar (dependendo da composição química).
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RESFRIAMENTO DE PEÇAS NA TÊMPERA
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REVENIDO
A grande fragilidade e o estado de altas tensões residuais da martensita INVIABILIZAM o seu uso para a maioria das aplicações.
REVENIDO: tratamento térmico que tem por objetivos AUMENTAR A DUCTILIDADE e a TENACIDADE da martensita, além de ALIVIAR AS TENSÕES INTERNAS geradas pelo processo de têmpera.
Consiste em se aquecer o aço temperado, IMEDIATAMENTE APÓS A TÊMPERA, a temperaturas entre 250 e 650 ºC, por um tempo específico.
O alívio das tensões ocorre em temperaturas mais baixas, em torno de 200 ºC.
Durante o tratamento, os PROCESSOS DE DIFUSÃO transformam a estrutura martensítica em MARTENSITA REVENIDA, pela precipitação do carbono retido.
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Martensita revenida
A estrutura da martensita revenida consiste em PARTÍCULAS MUITO PEQUENAS de cementita, dispersas uniformemente em uma matriz contínua de ferrita.
A grande área de contato entre a ferrita e a cementita tornam a estrutura QUASE TÃO DURA e RESISTENTE quanto a martensita. 
A matriz contínua de ferrita confere boa ductibilidade.
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Martensita revenida
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Quanto maior o tempo de tratamento, MENOS DURO e MAIS DÚCTIL se torna o material, devido ao CRESCIMENTO DAS PARTÍCULAS DE CEMENTITA.
CURVAS DE TÊMPERA E REVENIDO EM UM DIAGRAMA TRC
 Velocidade crítica de têmpera (VC):
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Revenido até a dureza pretendida
Martensita revenida
Tmin
tmin
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DUREZA ROCKEWELL C PARA AÇOS TEMPERADOS E REVENIDOS
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TÊMPERA E REVENIDO EM FERROS FUNDIDOS
TÊMPERA: 
OBJETIVOS: o mesmo dos aços, aumentar a resistência mecânica, a dureza e a resistência ao desgaste. 
RESFRIAMENTO: é geralmente em óleo ou ar, este último caso para ferros fundidos altamente ligados.
REVENIDO: 
OBJETIVOS: após a têmpera, reduz a fragilidade, alivia as tensões, diminui a dureza e melhora a tenacidade.
TEMPERATURAS DE TRATAMENTO: variam de 370 a 600 ºC, as mais elevadas para ferros fundidos altamente ligados.
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TÊMPERA SUPERFICIAL
OBJETIVO: produzir um endurecimento superficial, através da obtenção de martensita apenas na camada externa do aço.
APLICAÇÃO:
Em peças que são impossíveis de serem temperadas inteiramente, devido à suas formas ou dimensões.
Quando se deseja altas resistência e dureza superficiais, aliadas a um núcleo tenaz e dúctil.
É um tratamento rápido, que não utiliza forno.
Em função da fonte de aquecimento, classifica-se em:
TÊMPERA POR CHAMA.
TÊMPERA POR INDUÇÃO.
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TRATAMENTOS ISOTÉRMICOS
AUSTÊMPERA: 
OBJETIVO: produzir bainita.
PROCEDIMENTO:
Aquecimento acima da região crítica (AUSTENITIZAÇÃO).
Resfriamento rápido até as temperaturas de formação da bainita (em sal ou chumbo derretido).
Manutenção a essa temperatura até a completa transformação da austenita em bainita.
Resfriamento até a temperatura ambiente ao ar calmo.
VANTAGENS:
A bainita combina boa dureza e ductilidade, substituindo portanto, em muitas aplicações, os tratamentos de têmpera e revenido.
Tensões internas são muito reduzidas, não havendo praticamente o empenamento das peças tratadas.
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CURVA DE AUSTÊMPERA EM UM DIAGRAMA TTT
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Tratamentos isotérmicos
MARTÊMPERA: 
OBJETIVO: produzir martensita, reduzindo-se as tensões internas resultantes do resfriamento.
PROCEDIMENTO:
Resfriamento rápido até as temperaturas de início de formação da martensita, Mi (em óleo quente ou sal fundido).
Manutenção a essa temperatura até que se atinja EQUILÍBRIO TÉRMICO ao longo da seção da peça.
Resfriamento rápido até a temperatura ambiente.
Revenido.
VANTAGENS:
Reduz sensivelmente as tensões térmicas geradas na têmpera convencional e com isso, o risco de empenamento e de trinca.
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CURVA DE MARTÊMPERA E REVENIDO EM UM DIAGRAMA TTT
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Revenido
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Martêmpera
TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS
OBJETIVO: endurecer superficialmente o aço, através da modificação parcial da composição química do material, seguida ou não da aplicação de um tratamento térmico. 
Tratamentos:
CEMENTAÇÃO.
NITRETAÇÃO.
CIANETAÇÃO.
CARBO-NITRETAÇÃO.
BORETAÇÃO.
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CEMENTAÇÃO
Tratamento mais empregado e mais antigo (conhecido pelos antigos romanos).
Consiste em se aumentar o teor de carbono da superfície de aços de baixo carbono (até aproximadamente 1%), realizando-se, em seguida, a TÊMPERA.
Temperatura de tratamento é ELEVADA (entre 900 e 950 ºC) para permitir que a austenita ABSORVA CARBONO.
A têmpera produz martensita na superfície da peça.
A profundidade endurecida depende da temperatura, do tempo de tratamento e da concentração de carbono.
Aços para cementação devem apresentar teor de carbono e/ou de elementos de liga relativamente baixos e granulação fina.
A cementação pode ser realizada por 3 processos: SÓLIDA, GASOSA e LÍQUIDA.
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Cementação
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Cementação
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Seção transversal de uma peça de aço cementada. Observam-se diferentes microestruturas geradas pelo tratamento térmico, em função da variação do teor de carbono.
Cementação
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Engrenagem de aço endurecida superficialmente. O contorno escuro dos dentes corresponde à camada cementada.
NITRETAÇÃO
O endurecimento do aço é conseguido introduzindo-se NITROGÊNIO na superfície do material.
Não é necessário um tratamento posterior de TÊMPERA.
Permite alta dureza superficial e elevada resistência ao desgaste.
Processos de nitretação:
A GÁS: processo clássico, exige um tempo muito longo (de 48 a 72 HORAS).
LÍQUIDA OU EM BANHO DE SAL: o meio nitretante é uma mistura de sais. A profundidade nitretada é menor do que no processo a gás. 
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OUTROS TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS
CIANETAÇÃO: aquecimento do aço acima de A1 em um banho de sal de cianeto fundido (CN). Aumenta os teores de NITROGÊNIO e de CARBONO ao mesmo tempo.
CARBO-NITRETAÇÃO: emprega uma atmosfera gasosa contendo CARBONO e NITROGÊNIO.
BORETAÇÃO: alta dureza superficial e elevada resistência ao desgaste.
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